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水气两相流在单裂隙岩体中运移规律的数值模拟研究

张春梅  
【摘要】:近年来,随着石油、天然气、煤层气等天然能源开采、核能源废料排放以及地下空间利用等工程兴建,水气两相流在裂隙岩体中的渗流问题越来越受到人们的关注。本文基于粘性流体力学和多相渗流力学理论,将裂隙岩体简化为等效连续介质、双孔双渗介质和孔隙—裂隙介质,系统研究了水气二相流体在不同岩体介质中的运移规律,包括二相渗流理论分析、岩体介质模型数学模型建立和渗流效应分析对比三部分内容,本文的主要工作如下: (1)应用连续介质力学理论,两相流渗流理论,并结合Van-Genuchten模型、Darcy定律建立了各向同性介质两相流运移动力学模型,引用该二相流渗流模型描述二相流体在等效连续介质、双孔双渗介质及孔隙—裂隙介质孔隙部分中流动状态,同时将Navier-Stokes方程作为孔隙—裂隙介质中裂隙部分中运动方程,分别建立了三种岩体介质各自不同的数学模型; (2)基于岩体中真实裂隙粗糙度的考虑,应用对数正态分布函数描述单条裂隙隙宽变化情况,建立了二维粗糙裂隙模型; (3)根据三种不同介质模型中二相流流动规律的数值模拟研究,分别对相对渗透率曲线及二相流运移速度矢量变化情况进行了描述分析,得到双孔双渗介质模型较等效连续介质模型驱替效果明显,而孔隙—裂隙介质模型其孔隙气相饱和度受裂隙影响明显,流体交换影响下气体多沿裂隙流出;双孔双渗介质模型流体速度高于等效连续介质模型1个数量级,相对以上两种模型,孔隙—裂隙介质模型其裂隙流动起主导作用效果明显,故采用该模型模拟岩体中流体流动更贴近于实际。 (4)应用平行板裂隙和粗糙裂隙两种几何模型分别模拟单裂隙,并对两种几何模型情况下三种数学模型中流体流动规律进行对比分析。得到速度较小的双孔双渗介质模型中,粗糙裂隙岩体模型流体速度约为平行板模型的0.5倍,但在孔隙—裂隙介质模型中裂隙系统中流速非常大,粗糙裂隙模型约为平行板几何模型的0.1525倍。


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