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多孔介质渗流过程吸附效应实验与模拟研究

赵思源  
【摘要】:利用温室气体地下咸水层封存技术减缓温室效应造成的全球变暖问题,采用注水技术提高二次采油期的采油效率,应用透水砖的渗透性为海绵城市建设服务等均涉及两相流理论与多孔介质固体力学理论的耦合分析。本文综合考虑多孔介质骨架颗粒形变、吸附形变与气液两相流理论构建了两相流经多孔介质渗流的流动耦合方程。具体研究内容如下:以透水砖这一典型多孔介质为代表搭建气、水两相渗流试验台,测试了不同孔隙率与入口处水相不同饱和度下的两相渗流实验参数,并且利用断层扫描仪分析了陶瓷透水砖与陶土透水砖的微观孔隙结构,结果表明孔隙率小的陶土砖渗透性较差,但其渗透性能衰减速率与陶瓷砖的相差不大;入口处水相饱和度小的流体经多孔介质渗透性能衰减速率较快。综合考虑两相流质量守恒定律、气体扩散定律、两相达西定律、固体力学与多孔介质孔隙表面对气体的吸附理论,建立了考虑气体吸附效应的两相流与固体力学耦合方程。应用COMSOL Multiphysics软件的自定义功能,结合已推导的考虑气体吸附效应的两相流与固体力学耦合方程,在随机模型上进行考虑吸附效应的多孔介质渗流问题进行模拟研究。首先将模拟结果与经典的两相流相对渗透率关系进行比较,结果二者从变化趋势、数值大小上均有很好的吻合性。首先分析了多孔介质孔径对气相压力分布、液相压力分布与饱和度分布的影响。结果发现多孔介质孔径较小处的液相饱和度大于孔径较大处的液相饱和度。其次分析了不同压力条件下的渗透率、体积应变、吸附应变的关系,结果表明体积应变与渗透率成正比关系,二者变化趋势相同;吸附应变与渗透率成反比关系,二者变化相反;且在相同压力条件下,体积应变对渗透率的影响比吸附应变的大。结合考虑吸附与扩散效应的气体渗流和固体力学方程构建瓦斯抽采模型,分析抽采面压力分布,结果发现随着抽采煤层中的瓦斯压力逐步降低,开采难度逐步提高,到开采后期单纯钻孔抽采瓦斯已不能满足经济性要求。


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