机制混乱的气液两相流在单一骨折

文摘

气液两相流的渗流骨折是一种常见现象。揭示底层机制和混乱发生的临界条件,建立了随机气液两相流渗流模型,然后通过数值模拟研究水平Hele-Shaw实验。数值模拟和实验室试验结果表明,气液两相流的渗流混乱发生在相对饱和气体相对饱和44% - -70%的范围,和发生概率可以用多项式表示。混乱的概率超过80% 47% - -65%的相对饱和气体时,混乱的概率是100%的相对气体饱和度57% - -60%。发现气体连接集群的随机变化和气体的压缩性导致显著变化的气液流的压力梯度大小和方向。因此,形成紊流,流体运输的动能逐渐降低,最后停止流动。

1。介绍

气液两相流体运输骨折是常见的工程应用,包括煤层气开采、水文、石油/天然气资源开发,和地热利用率。沿着这条线的开创性研究源于Tangren等的工作。1和萨夫曼和泰勒2]。科里(3]研究油气相对渗透率之间的相互关系。Ishii [4和派5发表了关于两相流的书。然后Hele-Shaw细胞方法已被广泛用于研究气液两相流在一个断裂的不同状态(6- - - - - -11]。此后,气液两相流在迷你/微间隙,狭窄的水平环形,巩膜和岩石共同/骨折不断研究[12- - - - - -25里德Donata 2008] (Adolfo 2001年,2002年)。一些工作揭示了气液两相流的复杂性。冈萨雷斯et al。26研究分形结构上的流动方程。Faybishenko [27研究了混沌动力学在通过不饱和断裂的媒体流。Schlueter et al。28]研究了沉积岩石中孔隙的分形维数及其对渗透率的影响。玛丽亚赵(2007)和(2007)采用数值方法模拟复杂的气液两相流模式。赵et al。29日]研究瞬态脉冲试验和形态分析,单一的岩石裂缝,后来赵et al。30.,31日)还建立了一个数值蠕变模型模拟岩石的流变断裂行为受到液压和远场应力裂缝。通过实验方法,赵et al。32,33调查断裂韧性和亚临界裂纹增长三个岩石填充岩石节理的剪切行为。这些作品都发挥了积极作用在理解各种机械行为的岩石裂缝,但仅限于固体力学行为的描述,并没有描述两相流体的流体特征的骨折。虽然还有很多其他的文献提到两相流在单一骨折,但很少有人关注单一骨折的混乱的两相流现象。

从1997年到2000年,赵等人在太原理工大学进行了一系列的研究气液两相流的渗流单一岩石断裂。他们发现,当相对气体饱和度砍伐到给定的范围内,两相流体不会运输以及明确的方向,但是是一个非正规的和混乱的流。流的动能似乎被消耗和总将停止流动。

这个静止的条件不能改变即使进气压力增加。这种特殊的自然现象可以称为混沌气液两相流的骨折。发生的临界条件和底层机制是最重要的在实践中理解问题和解决这些问题。

2。随机混合运输渗流模型的气液两相流断裂

单相气体/液体流动或高的气液两相流的相对饱和气体或液体的流型骨折是一个简单的层流。两相渗流的交通,一个给定的位置气体或液体集群特定时刻是随机和难以预测的现有理论。气液两相交通的控制方程可以通过构造随机分布的气体或液体集群与下列假设:(1)骨折的气液流量饱和流,和它们的相对饱和气体和液体 (2)气体和液体之间的界面张力是被忽视的。在整个骨折,气体压力和液体的压力是相等的每一点(3)两相流是一个等温过程(4)任何给定位置断裂只是被单相气体或单相液体(5)任何的交集流断裂和气体/液体的相对饱和取决于路口压力和相对饱和气体或液体的入口(6)气液两相流的骨折可以理想化作为渗流过程

基于上述假设,气液两相流的渗流输运方程骨折可以获得的耦合质量守恒方程、能量守恒方程和气体状态方程。

气液两相流的质量守恒方程:

气体渗流骨折的本构方程:

液体在裂缝渗流本构方程:

气体和液体的相对饱和度两相流

理想气体的状态方程

在替代方程(2),(3),(4)和(5)方程(1)和重排后,气液两相流控制方程的骨折可以写成 在哪里 分别气体密度和液体密度; 气体和液体的相对饱和;通用气体常数;绝对温度;流体压力; 是气体和液体的动力粘度;是相对气体饱和流体压力时 。方程(7)是一个复杂的非线性偏微分方程的系数的分子和分母都含有未知的变量p。

3所示。气液两相流的数值模拟骨折

3.1。解决策略和仿真过程

有限元法(FEM)求解方程(7)。程序如下:(1)骨折中的流场划分成四边形网格;(2)迭代求解离散方程。因为存在一个变量系数的方程 解决的价值吗当时通过迭代法。当达到临界宽容时,我们下一个时间步;(3)在整个生产周期中,每个路口的流的相对气体饱和度计算的每个迭代步骤。(我)数值模拟模型:模型是长500毫米,宽100毫米,如图1。四条边的边界条件是静止的,也就是说, 在哪里 和 。在进口压力给出 ,的压力在出口= 1 atm

计算参数的值:(1)水和气体的动态粘度 , ,分别(2)绝对温度: (3)重力加速度: (4)水密度: (5)通用气体常数: (2)数值模拟过程:该地区分为50000个元素。裂缝宽度是0.1毫米和0.2毫米,和入口压力是1 MPa和2 MPa,分别。我们进行一个整体计算在每个气体饱和。粗略计算,给出气体饱和度区间为2%,但在气饱和度范围特别流间隔相对气体饱和度为1%(3)气液流的混沌判据骨折:气液两相流在骨折通常执行一个渗流过程。然而,有时候执行混乱的流,流型骨折的障碍和突然停止。在数学上,这表明,方程的解发散或求解失败。这个模拟的标准是,混乱发生在广场的压力为负,也就是说,

3.2。标准参数的混沌气液两相流在骨折

揭示气液两相流的混沌的机理,进行了模拟的间隔1%饱和度从40%到80%不等。因为随机分布的气体和液体的位置,混乱中给定气体饱和度计算概率迭代后饱和下的100倍。通过仿真,发现混沌气液流的主要发生在44%的气体饱和度-70%。在气饱和度从56%到62%不等,混乱的概率是80%。在气饱和度从57%到60%不等,混乱的概率是100%。仿真表明,混沌概率变化与气体饱和功率多项式,如图2。

它的拟合相关系数约为97.8%;这个模型是multisolution的最大值。这表明标准参数范围。

3.3。气液两相流的机制混乱骨折

在裂缝中的气液流,气体或液体随机分配,集群变量大小和形状不断形成。气体饱和度在32% - -50%,水簇的大小变化极大,但气体集群的大小变化及其分布保持稳定。气饱和度的50% - -70%,水簇的大小略有变化,但气体集群的大小和形状变化显著。由于气体的气体压缩性和大变化集群,压力大小和方向的变化大大在两相流过程。这就解释了混乱的现象。图3显示了压力梯度分布在断裂的气体饱和度30%。可以看出,在整个图和本地图流方向是一致的,和流动状态是有序的,明确的和稳定的。

图4显示了十大连接集群的气体。气体在水中分散随机断裂。天然气的一部分,形成了一个复杂的集群连接在水里。

图5显示了压力梯度向量在骨折的相对气体饱和度60%。可以看出在整个图和局部图,流在这个区域紊乱和质量,也就是说,所谓的混乱现象。这个流模式降低了能量,然后迅速停止。这是混沌气液两相流的断裂机制。

流的压力分布分析骨折:如图6(一)沿着流动,流体压力的变化路径时相对气体饱和度为30%。在图6 (b)在几个章节,孔隙压力急剧下降和零压力梯度方法在部分相对气体饱和度为60%。这表明在这种情况下,两相流体传输的混乱现象开始出现。

3.3.1。分析Max-Cluster大小的变化与相对气体饱和

对不同气体饱和, 网格元素给出随机代表气体或液体质量,然后网格数量之间的比例被气体max-cluster和网格数量被液体max-cluster由渗流理论计算,如图7。在这个图中,液体集群占据了大部分为气体相对饱和渗流空间小于33%和天然气集群的气体相对饱和大70%。当气体相对饱和50至70%,规模最大的天然气集群变化极大,流向的变化大大由于气体的可压缩性,流动变得动荡。流能量消耗和混乱的流动发生。

由于气体和液体的渗漏特性的差异,影响气体压缩和重复压缩和扩张的压力下的气体团,气体的能量恢复和重复发布。这使得在骨折不稳定流动和静电与气体和液体混合形成。当气体相对饱和到达临界判据,气液两相流变得混乱,流动方向不均匀,流能量被消耗了,停止流动。这是混乱的气液两相流的机理在骨折。

4所示。水平Hele-Shaw实验气液流在一个混乱的骨折

4.1。实验仪器

修改后的水平Hele-Shaw实验设置用于这项研究。在图给出的配置设置8,图9是它的照片。

确保一致的水供应和稳定的气体和液体的压力,水被注入气体的压力。气体和水混合,注入骨折后通过单向阀门,分别。几个过滤器设置在水管道和煤气管道防止灰尘进入裂缝,影响测试结果。气体排放的测量通过收集气体通过排水的方法。气体排放和水排放测量时,裂缝内的压力在进口和测试,和典型的流动模式由高分辨率摄像机拍摄的进一步详细的分析。

修改后的实验设置包括Hele-Shaw仿真系统、气液混合流体压力系统和压力测试系统。断裂是由高强度透明的聚甲基丙烯酸甲酯板覆盖。板的大小 。板的面积 和真正的渗流区 如图9。在这个实验中,两块板被固定在四方,与水注入孔和卸料孔两端的上盘长方向。导管注入和排出孔内,保证液体注入和排出十字路口均匀。压力观测孔与1毫米钻孔底部板沿流动方向。标准的裂缝宽度和密封是由使用试探和密封带。压力表、单向阀和截止阀设置在注入气体和水的路线。压力表和截止阀设置在混合流体的路线,严格控制注入水和天然气之间的比率。24压力观测孔钻在分散的位置水平Hele-Shaw断裂实验设置。气液流体在裂缝的压力测试的高分辨率的压力表。

4.2。实验过程

当气体在压强恢复瓶和水瓶给定值,混合路线的截止阀打开时,气液两相流体是同时注入裂缝。气体放电和排水在单位时间进行测量,计算和气体和液体的相对饱和。气体和液体的饱和度变化通过调整水和气体注入量的准则或阈值方法混乱的流动。

使用上面的方法,许多实验的气液两相流与不同气体饱和度平面断裂。混乱的流动发生在气体饱和进入某个范围。然后,流体停止流动,气体和水排放不能测试。这时,用超分辨率数码相机拍摄裂缝中的气体和液体的流动模式,分析了气体和液体的面积比计算的相对饱和气体和液体。

4.3。分析气液流的渗流形式的断裂

实验表明,在骨折,气水两相流模式更不同于液体/气体的流动模式一阶段flow-uniform层流。图10显示了一些在实验中观察到的气体和液体的流动模式。当两个液体流在同一断裂,然后他们约束、相互促进的,复杂的,有时会发生混乱的流动。

从图10骨折流量模式,我们可以看到,由于气体的变化是非常复杂的相对饱和。混沌流发生时,气体和水分配无序的断裂,这是远远不同于一个相流的流动状态。

4.4。测量渗透率的气液流

当气体饱和度方法的关键价值混乱的流动,两相流动减慢,然后停止。饱和度范围混乱的流动可以发现通过调节气体饱和度接近混乱的流动。分析了实验数据计算气体和液体饱和度和相对渗透率。气体排放和水排放测量在不同气体饱和度计算气体或液体的相对渗透率。实验表明,该气体饱和度是稳定的和普通的气体饱和度范围混乱的流动。数据11和12显示之间的关系相对渗透率和天然气饱和时,裂缝宽度为0.24毫米,0.1毫米,0.05毫米,分别。

图11气体饱和度和渗透率之间的关系在入口压力为0.3 MPa时,裂缝宽度是0.24毫米。在这些数据中,混沌流发生在相对气体饱和度从42.9到56.8%。综合两相流的渗流能力降低到最低水平42.9%的气体饱和度,然后气体饱和度范围进入混沌。

图12展示了气体饱和度和相对渗透率之间的关系的两相流体入口压力为0.23 MPa时,裂缝宽度是0.1毫米。在这个图中,混乱的气体饱和流是48.8 - -62.3%。

4.5。两相流的压力变化

图13显示了气液流的压力分布对应的照片模式混乱流发生时断裂。积极的方向 - - - - - -轴图表示渗流压力分布的方向。这两个人物的渗流方向从左到右。压力测量在不同位置的渗流场。

多水的入口(右)在图13 (b)部分在图对应于慢慢地减少压力(13日)。交错的气体和水在图13 (b)对应部分图略有不同的压力(13日)。通过分析领域的气体和液体在图13 (b),气体相对饱和约为59.32%。

在图14,气体被水分为三大集群。最大的天然气集群在进气使得流体压力下降快,这意味着集群气体吸收大量的能量和零压力梯度存在于一个部分。通过分析领域的天然气和水在图中,气体相对饱和约为47.93%。

通过比较上述两个数据,发现在混乱气液流在实际断裂,气体和液体不渗透独立但交错在有限骨折当他们的相对饱和阈值。气泡的反复收缩和消耗消耗大量能源的液体。压力分布几乎是水平的,压力梯度为零。在这种情况下,混乱的流动发生。

4.6。阈值范围的混乱流动

上述三个实验的测量数据列在表中1。

通过分析三组实验数据混乱和其他200张照片的气液流,发现混沌流发生在相对气体饱和度下降到从43.9%到63.47%不等。由实验结果,气体相对饱和影响两相流模式是关键因素。一旦饱和两相流体的饱和度范围进入混乱的流动,气液流将停止。测量实验中,混乱的阈值气体饱和流从43.9到63.47%,同意与数值模拟饱和阈值的44%到70%。混乱的流动是一种小概率事件在气体饱和的64% - -70%,所以它是很难观察到的实验和实验饱和度范围比数值模拟范围小。

5。结论

本文数值模拟和物理实验进行了调查的影响气体饱和气液混乱的流动。混沌流机制的揭示,其发生的条件。主要结论如下:(1)的相对饱和气液流体控制气液渗流行为的一个关键因素。气液流形式的相对饱和气体变化很大。(2)气液混沌流可能发生当气体饱和度达到44% - -70%,但概率范围大于80%发生在饱和度从47%到65%不等。在57%的气体饱和度-60%,混乱的流的概率是100%。(3)混沌气液流发生的巨大的气体和液体的渗流特性的区别。在压力下,气体反复集群收缩和扩张,这将恢复和反复释放能量。当地nonstability和复杂交错的气体和液体发生在渗流场。当气体相对饱和阈值时,气液流动变得紊乱,显示了一个混乱的形式,流体压力梯度变得紊乱,液体的推动力量被消耗。最后,气液两相流变成混乱和停止。

缩写

:	水的密度(g / cm3)
:	气体的密度(g / cm3)
:	特定的水(cm / s)的速度
:	特定的气体速度(cm / s)
:	相对饱和的水(%)
:	气体的相对饱和(%)
:	骨折孔径(cm)
:	当地规模
:	时间(年代)
:	动态粘度的水(MPa)
:	动态粘度的气体(MPa)
:	流体的绝对压力(atm)
:	在出口绝对压力(atm)
:	气体相对饱和流体压力时p0(%)
:	气体的质量(千克)
:	温度(K)
:	气体常数, (J·摩尔1·K1)
:	水的饱和度(%)
:	的气体饱和度(%)。

数据可用性

所有数据用于支持这项研究包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了中国国家重点研发项目(批准号2019 yfa0705501,批准号2019 yfa0705502)。

引用

1. r·f·Tangren c·h·道奇和h·s·塞弗特,“压缩效果在两相流,”应用物理杂志,20卷,不。7,637 - 645年,1949页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. p·g .萨夫曼g·泰勒,“流体的渗透多孔介质或Hele-Shaw细胞含有更多的粘性液体,“英国伦敦皇家学会学报》上。答:数学和物理科学卷,245年,第329 - 312页,1997年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. a·t·科里”油气相对渗透率之间的相互关系,“生产商每月卷。19日,38-41,1954页。视图:谷歌学术搜索
4. m . IshiiThermo-Fluid动力学的两相流理论,收集de la方向Des练习曲等生物d 'Electricite法国22Eyrolles,巴黎,法国,1975年。
5. 美国派,两相流Vieweg,布伦瑞克,德国,1977年。视图:出版商的网站
6. d . g . Avraam和a·c·Payatakes广义相对渗透率系数在多孔介质稳态两相流,和相关的流机制,“多孔介质中传输,20卷,不。1 - 2、135 - 168年,1995页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 通用汽车Homsy”,在多孔介质粘性指法,”流体力学的年度审查,19卷,不。1,第311 - 271页,1987。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. 大肠所说,j·马丁:Rakotomalala, d . Salin”混相位移的三维不稳定Hele-Shaw细胞,”物理评论快报,卷79,不。26日,第5257 - 5254页,1997年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. p . Gondret n . Rakotomalala m . Rabaud d . Salin和p . Watzky“粘性并行流在有限宽高比Hele-Shaw单元:分析和数值结果,“物理的流体,9卷,不。6,1841 - 1843年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. k . a . Triplett s·m·Ghiaasiaan s I Abdel-Khalik和d, l·萨多夫斯基“气液两相流对于我部分:两相流模式,”国际多相流杂志》上,25卷,不。3、377 - 394年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. k . a . Triplett s·m·Ghiaasiaan s i Abdel-Khalik a . LeMouel和b·n·麦考德”对于气液两相流”,国际多相流杂志》上,25卷,不。3、395 - 410年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. n . p . Ekberg s·m·Ghiaasiaan s i Abdel-Khalik m·尤达和s . m .队长,“气液两相流在狭窄的水平环形,”核电工程和设计,卷192,不。1,59 - 80年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. a . Kawahara M.-Y页。钟,m . Kawaji“两相流模式的调查、空隙率和压降在微通道,”国际多相流杂志》上,28卷,不。9日,第1435 - 1411页,2002年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. d·t·雪,“Anisotropie渗透率断裂的媒体。”水资源研究,5卷,不。6,1273 - 1289年,1969页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. j·l·徐、p . Cheng和t . s .赵“气液两相流政权矩形渠道与迷你/微差距,“国际多相流杂志》上,25卷,不。3、411 - 432年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. m·k·阿克巴·d·a·普卢默,s . m . Ghiaasiaan”对于气液两相流政权。”国际多相流杂志》上卷,29号5,855 - 865年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. a . Serizawa z冯,z . Kawara”对于两相流”,科学实验温度和流体,26卷,不。6 - 7,703 - 714年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. 问:元,j .悦g . Chen l·罗和y Gonthier,“流体力学和传质特性在气液流过一个矩形微通道,”化学工程科学,卷62,不。7,2096 - 2108年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. 大肠Dana和f . Skoczylas砂岩天然气相对渗透率和孔隙结构”,国际岩石力学和采矿科学杂志》上,36卷,不。5,613 - 625年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. p·g . Ranjith s . k . Choi和m . Fourar”描述两相流在一个岩石关节,“国际岩石力学和采矿科学杂志》上,43卷,不。2、216 - 223年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. s . Sisavath x d Jing, r·w·齐默尔曼”压力对岩石的渗透系数的影响毛孔,”地球物理和化学的,一个部分:固体地球和大地测量学,25卷,不。2、163 - 168年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. f . Skoczylas和j·p·亨利,”研究花岗岩的内在渗透气体,”国际岩石力学和采矿科学和地质力学学报文摘,32卷,不。2、171 - 179年,1995页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. j . Feyen z . Wang, d . e . Elrick“预测多孔介质的指法,”水资源研究,34卷,不。9日,第2190 - 2183页,1998年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. d·杨,y .问:胡和y s .赵”理论和实验研究气体渗流在单一骨折三维应力下,“中国岩石力学与工程学报,23卷,第1003 - 999页,2005年。视图:谷歌学术搜索
25. i w·杨,m . h . De Freitas和r·w·齐默尔曼”的影响剪切位移的光圈和渗透率岩石断裂,“国际岩石力学和采矿科学杂志》上,35卷,不。8,1051 - 1070年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. m·冈萨雷斯·m·Araujo, a·罗德里格斯,“流方程的分形结构,”自然史答:统计力学及其应用,卷298,不。3 - 4、297 - 314年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. b . Faybishenko“混沌动力学通过不饱和断裂的媒体流,”水资源的进步,25卷,不。7,793 - 816年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. e . m . Schlueter r·w·齐默尔曼·a·威瑟斯彭和n . g . w .做饭,“在沉积岩孔隙的分形维数,对渗透率的影响,“工程地质,48卷,不。3 - 4、199 - 215年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. y l .赵l . y . Zhang w . j . Wang j . z唐h·林和w .广域网,“瞬态脉冲试验和形态分析,单一的岩石裂缝,“国际岩石力学和采矿科学杂志》上卷,91年,第154 - 139页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
30. 赵y, y, w . Wang l .唐问:刘,和g . Cheng”建模的流变断裂行为的岩石裂缝受到液压和远场应力,”理论和应用断裂力学卷,101年,页59 - 66,2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
31. w . y .赵,l . Zhang w . Wang湾和w·马”elasto-visco-plastic分离菌株的岩石非线性蠕变模型,”国际地质力学杂志,18卷,不。1,04017129条,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
32. y l .赵l . y . Zhang j .廖w·j·王,刘,和l .唐”实验研究岩石断裂韧性和亚临界裂纹增长的三个不同的环境下,“国际地质力学杂志,20卷,不。8,04020128条,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
33. y赵,l .张问:刘,w . Wang l . Tang和g . Cheng”试验研究剪切行为和填充岩石节理抗剪强度模型,修正”国际地质力学杂志,20卷,不。9,04020141条,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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