[精品論文]氣水兩相流實驗研究

1、氣水兩相流實驗研究李義賢 遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新（123000） e-mail：lee022摘要：煤層甲烷氣藏是一種壓力閉圈氣藏。煤層氣-水的滲流過程只是為研究其在煤層中 吸附全過程的第一步，是開采煤層氣的重要環(huán)節(jié)。本文在前人的基礎(chǔ)上，對煤樣進行氣-水 兩相流的實驗研究，通過改變煤體壓力（圍壓、軸壓、孔隙壓）測得不同飽和度下的通過的氣體和水的流量以得出煤體的滲透率。通過實驗得出在圍壓、軸壓固定的情況下，單相流通過多孔介質(zhì)時符合的二次函數(shù)規(guī)律，并且滲透率隨著孔隙壓的增加而增加。本文的重點將放 在對煤樣施加不同圍壓時煤樣的滲透規(guī)律以及煤體的相對滲透規(guī)律的研究,分析其滲透規(guī) 律，進

2、而了解煤體結(jié)構(gòu)特征，為搞清煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性和煤層氣（水）在煤層中流動機理奠 定了基礎(chǔ)。為進行煤層氣的開發(fā)、開采提供理論依據(jù)。 關(guān)鍵詞：軸壓；圍壓；孔隙壓；飽和度；滲流中圖分類號：td1. 引言煤層氣是賦存于煤層中的烴類氣體，是一種高效的潔凈能源，熱值和成分與天然氣相近， 幾乎不含硫化物，是常規(guī)天然氣的重要接替能源。在世界范圍內(nèi)其儲量十分豐富，總儲量超 過天然氣。目前，我國對天然氣需求的增長每年保持在15%以上，發(fā)展速度遠遠超過石油、 煤炭。據(jù)預(yù)測，我國到2010年天然氣需求量將達到1000億立方米以上，2020年需求量將達到2000億立方米，而目前的天然氣儲量尚不能滿足要求，煤層氣將成為天然氣

3、資源的必要補充。 瓦斯的主要成分為甲烷，是一種具有強烈溫室效應(yīng)的氣體，其溫室效應(yīng)為二氧化碳的22倍。據(jù)測算，所有人類活動造成的溫室效應(yīng)中，20%是由甲烷引起的，而我國煤礦的甲烷占全球的35%以上，相當于荷蘭全國所有溫室氣體的總排放量。 長期以來煤層氣一直被作為煤礦生產(chǎn)的一種主要災(zāi)害來對待，直到20世紀70年代美國在黑勇士、圣胡安盆地煤田進行的煤層氣地面開發(fā)實驗的成功，才真正揭示了這一新型潔凈能 源的潛在經(jīng)濟效益和廣闊前景。20余年來，從事煤層氣的勘探開發(fā)與科研活動的國家和地區(qū) 將近30個，只有美國實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。我國煤層氣勘探開發(fā)起步較晚，從50年代開始，到70 年代末，主要目的是為了減少煤礦瓦

4、斯災(zāi)害而進行的煤礦井下瓦斯抽放和利用。瓦斯、煤塵 爆炸事故在煤礦重大惡性事故中一直占有很大比重，是煤礦安全生產(chǎn)的最大威脅。它直接造 成大量人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。因此，煤炭部門一直把防治煤礦瓦斯災(zāi)害作為煤礦安全 工作的重點1。煤層氣的開發(fā)利用具有一舉多得的功效：提高瓦斯事故防范水平，具有安全效應(yīng)；有效 減排溫室氣體，產(chǎn)生良好的環(huán)保效應(yīng)；作為一種高效、潔凈能源，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，在 一定程度上改善我國的能源結(jié)構(gòu)。關(guān)于氣-水兩相流的相關(guān)報道大部分是關(guān)于石油開采的，而對于煤層中的氣-水兩相問題 還很少有人研究，對此的相關(guān)報道也不多見，在高圍壓條件下的氣-水兩相問題的相關(guān)報道 更是微乎其微。本文就

5、是要通過實驗了解煤層氣（水）層的壓在高圍壓條件下的滲流規(guī)律， 為我國煤層氣的開采做出微薄的貢獻。由國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，我們發(fā)現(xiàn)了許多問題和不足之處，本文的工作就是針對氣-水滲流 問題展開實驗，其主要內(nèi)容如下：1）低壓力（圍壓、軸壓、孔隙壓）條件下，依據(jù)實驗測得數(shù)據(jù)得出煤體的絕對滲透率規(guī)律。2）在高壓力（圍壓、軸壓、孔隙壓）條件下，依據(jù)實驗測得數(shù)據(jù)得出煤體的絕對滲透 率規(guī)律。3）將煤樣浸水飽和，在（1）（2）條件下，求出此時煤樣對原煤層氣的滲透率，求出 相對滲透率，從而得出煤層氣的相對滲透率規(guī)律。4）運用 matlab 將數(shù)據(jù)擬合成二維曲線，在直觀上觀察絕對滲透率以及相對滲透率規(guī)律。2. 氣-水兩相

6、流實驗裝置及其滲透率2.1 煤體滲透率的提出氣-水兩相流的根本就是研究氣-水在煤層中的滲流過程，也就是所說的滲流和滲流。 滲流是流體通過多孔介質(zhì)的流動，在本文中的多孔介質(zhì)就是煤體。滲流力學(xué)就是研究流體在多孔介質(zhì)中運動規(guī)律的科學(xué)。而滲流力學(xué)是流體力學(xué)的一個重要分支，是流體力學(xué)與多 孔介質(zhì)理論、表面物理、物理化學(xué)以及生物學(xué)交叉滲透而發(fā)展起來的一門邊緣學(xué)科。滲流的特點：1）多孔介質(zhì)單位體積孔隙的表面積比較大，表面作用較明顯。2）在地下滲流中往往壓力較大，因而通常要考慮流體的壓縮性。3）孔道形狀復(fù)雜、阻力大、毛管力作用較普遍，有時還要考慮分子力。4）伴隨有復(fù)雜的物理化學(xué)過程。 滲流力學(xué)是一門既有較長歷

7、史又年輕活躍的科學(xué)。從達西定律的出現(xiàn)已過去一個半世紀。20世紀石油工業(yè)的發(fā)展極大地推進了滲流力學(xué)的發(fā)展。隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如高 性能計算機的出現(xiàn)，核磁共振，ct掃描成像以及其它試驗方法用于滲流，又將滲流力學(xué)推 進了一步。近年來，隨著非線性力學(xué)的發(fā)展，更使?jié)B流力學(xué)的發(fā)展進入一個新的階段2。2.2 煤體滲透率煤層的低滲透率和不能形成煤層氣的工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模是中國煤層氣工業(yè)發(fā)展的兩大技術(shù) 障礙，而前者又是后者最為直接的原因。中國煤層氣開發(fā)的出路在于提高煤層滲透率。所謂滲透率是巖層傳導(dǎo)流體的能力。從用法上講，滲透率就是流體傳導(dǎo)能力的術(shù)語。它 是多孔介質(zhì)的性質(zhì)之一，是對介質(zhì)傳導(dǎo)流體能力的量度。因此滲透

8、率的測量是對特定物質(zhì)流 體傳遞能力的測量。它可通過采集的巖層樣品或現(xiàn)場測量來確定。有兩種方法可用來測量巖 芯的滲透率。對含泥很少、相對均質(zhì)的巖層最常用的方法是利用小圓柱體波姆塞樣品。第二 種方法是利用外徑為1-1.5英尺的巖芯樣品。兩種方法中的流體為氣體或任意不發(fā)生化學(xué)反 應(yīng)的流體有效滲透率是在多孔介質(zhì)被多種流體飽和時，對單一流體相孔隙介質(zhì)傳導(dǎo)性的相對量 度，一般是在實驗室中對小體積巖芯樣品直接測量得出的。然而由于對于單一介質(zhì)中流體飽 和度有許多可能的組合，這一有效滲透率定義意味著介質(zhì)對存在于其中的每一種流體有明顯 的和可測量的傳導(dǎo)性。因此實驗室所獲得的數(shù)據(jù)常常被歸納和陳述為相對滲透率的數(shù)據(jù)。

9、相 對滲透率被定義為在一定的飽和度時流體的有效滲透率與流體在百分之百飽和時的有效滲 透率的有效比值。通常假設(shè)所有流體在百分之百飽和時有效滲透率是相等的，某一滲透率特 指某一多孔介質(zhì)的滲透率3。煤層氣藏氣-水兩相流滲流規(guī)律的研究是個復(fù)雜的問題，它涉及流體力學(xué)、多孔介質(zhì)理 論和巖石力學(xué)等多學(xué)科的理論滲透與交叉，為研究該問題，引入以下假設(shè):1）認為煤層氣藏是由低滲透、高儲存能力的煤巖基質(zhì)微孔系統(tǒng)和高滲透、低儲存能力的煤巖基質(zhì)裂隙宏觀孔隙系統(tǒng)(相對微孔系統(tǒng)而言)構(gòu)成的多孔介質(zhì)組成；2）煤巖基質(zhì)微孔系統(tǒng)通過緩慢的解吸過程向煤巖基質(zhì)裂隙宏觀孔隙系統(tǒng)提供煤層甲烷(解吸出的煤層甲烷對裂隙系統(tǒng)而言相當于連續(xù)源)

10、；3）流體包括氣、水兩相，考慮氣在水中的溶解，水組分是指地表標準條件下脫氣后的 液體，流體滲流為等溫滲流且符合達西滲流定律；4）固體骨架和孔隙可壓縮；5）多孔介質(zhì)為彈性小變形，考慮毛管壓力和重力影響4。 實驗表明單相流通過多孔介質(zhì)，沿孔隙通道呈層流時，符合達西線性滲流定律：式中：qvqv 任一流體通過多孔介質(zhì)時的體積流量；= k ap l（2-1）pl上式改寫為：試件兩端壓力差； a 試件橫斷面積；試件的長度； k 滲透率。k = qv l ap（2-2）達西定律中的比例常數(shù) k 稱為滲透率。cm 2滲透率的量綱為l2，通常采用，在工程上，常用達西作為單位。達西單位是這樣定義的：當流體的動力粘

11、滯系數(shù)為 0.001 pa s ，在一個大氣壓力即1.013 105 pa 這樣大小的壓力作用下，通過面積為1 達西。由于1cm 2，長度為1cm巖樣，流量為1cm 3 / s時，巖樣的滲透率為q = k g 所以 1 達西=9.8697cm 2 。al（2-3）單相流體充滿整個孔隙、流體不與煤發(fā)生任何物理反應(yīng)時，測出的滲透率稱為絕對滲透 率。對氣體而言，在利用達西公式計算滲透率時，必須引入平均體積流，按氣體狀態(tài)方程：p0 qv 0 = p1qv 1 = p2 qv 2 = r式中: p1 、 p2 試件前后的氣體壓力；（2-4）qv 1p0qv 0p =q、v 2 在 p1 、 p2 壓力下

12、氣體體積流量；1.013 105 pa ；在 p0 下氣體體積流量；p1 + p22平均壓力；q = p0 qv 0 vp則：在p 下氣體體積流量。k = 2 p0 qv 0 la( p 2 p 2 )12（2-5）對煤儲層而言，其滲透率主要取決于煤中的裂隙，在考慮基質(zhì)孔隙有滲透率能力的前 提下，用統(tǒng)計學(xué)和蒙特卡羅模擬法提出了預(yù)測裂隙孔隙度和滲透率的公式：wk = kwk（2-6）對煤儲層而言，其滲透率主要取決于煤中的裂隙，在考慮基質(zhì)孔隙有滲透率能力的前 提下，用統(tǒng)計學(xué)和蒙特卡羅模擬法提出了預(yù)測裂隙孔隙度和滲透率的公式：n f = liwi asi =1n4 （2-7）k f = 54.52

13、10i =1liwi / as（2-8）式中： f 裂隙孔隙度； li 、wi 第 i 條裂隙的長度和寬度；n 某樣品或巖石中裂隙總數(shù)；as 樣品或巖石的面積。cuexol 等也用裂隙寬度和長度來估算其滲透率：k = ab 3 l / s（2-9）式中： b 裂隙寬度， mm ； l 長度， mm ； s 面積， mm 2 ； a 系數(shù)。當一組裂隙平行層面時，a = 3.24 10 6；當兩組裂隙相互垂直或裂隙紊亂，a = 1.7110 6 ；當三組裂隙相互垂直時，2.3 煤體絕對滲透率a = 2.28 10 6 。盡管絕對滲透率是煤巖體本身固有的屬性，不應(yīng)該受測試流體的影響，但實際測試中發(fā)

14、現(xiàn)用不同流體測得的滲透率是不同的，尤其是煤巖，氣滲透率與水滲透率會相差很大。目前 無論是在常規(guī)儲層或是在煤儲層的氣-水相對滲透率測定中，絕對滲透率的確定還沒有較為 權(quán)威的規(guī)定，歸結(jié)起來主要有四種絕對滲透率：1）用束縛水飽和度條件下的氣滲透率作為絕對滲透率；2）以單相氣體滲透率作為絕對滲透率；3）將不同壓力下的氣體滲透率作克氏校正后獲得的等價液體滲透率作為絕對滲透率；4）分別測定氣水單相流體的滲透率，作為相滲測定中相應(yīng)流體的絕對滲透率。 以上四種絕對滲透率主要是針對常規(guī)儲層而言的，目前還很少討論煤儲層絕對滲透率的確定方法。美國阿莫克公司和巖心公司等實驗室在進行煤巖氣-水相對滲透率的測定中，是 采

15、用水的滲透率作為絕對滲透率。但在實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)，用水的滲透率作為絕對滲透率 常常會出項氣相對滲透率 krg 1 的現(xiàn)象，顯然是不合理的。同時，由于煤巖滲透率收圍壓影響很大，所以我們認為用相滲測定過程中儲層溫度和壓力條件下的氣體最大滲透率束縛水飽和度下的氣體滲透率作為絕對滲透率是較為合理和真實的。2.4 煤體相對滲透率煤儲層為氣、水兩相流系統(tǒng)，煤巖氣、水相對滲透率為氣、水相（有效）滲透率與煤巖 絕對滲透率的比值。數(shù)學(xué)表達式為：k = kgk = kggkgk(2-10)式中：kg 、kw 分別為氣、水相對滲透率； k 為絕對滲透率。表示相對滲透率和飽和度 之間變化的關(guān)系曲線稱為相對滲透率曲線

16、。由于煤巖孔隙結(jié)構(gòu)及其在儲層中所起的作用均不 同于常規(guī)儲層，因而煤巖氣-水相對滲透率曲線的表示形式也有其特殊性?；鶐r微孔隙中的 水為束縛水，無論其含水飽和度高低都不影響滲流，煤巖氣、水相對滲透率為割理內(nèi)氣、水 相的相對滲透率。絕對滲透率曲線應(yīng)反映割理內(nèi)氣、水流動特征，即反映相對滲透率變化特 征的飽和度不是試樣內(nèi)水的總飽和度，而是割理內(nèi)水的飽和度。適合煤巖孔隙特征的相對滲 透率曲線與常規(guī)相對滲透率曲線的差異。煤巖孔隙結(jié)構(gòu)及其作用的特殊性決定了煤巖氣、水相對滲透率的作用也不同于常規(guī)天然 氣儲層。常規(guī)天然氣儲層初始產(chǎn)出相為氣相，僅到采氣末期才出現(xiàn)氣、水二相流運動，此時 需要氣、水相對滲透率資料，研究

17、氣、水二相隨飽和度變化的流動特征，并計算氣體采收率。 而煤層氣儲層的初始產(chǎn)出相為水相。因此，煤層氣儲層在生產(chǎn)早期就需用氣、水相對滲透率 資料，研究煤儲層割理內(nèi)氣、水產(chǎn)出特征，計算和預(yù)測氣、水產(chǎn)量及采收率。3. 煤體氣-水兩相流的實驗研究3.1 煤樣氣滲流實驗3.1.1 煤樣的制備 通過選取運送過來的吉林省營城礦業(yè)有限責(zé)任公司華興煤礦1318面煤樣，進行機械切割，制作成1005050（mm）規(guī)格的煤樣，封存，放置，記錄數(shù)據(jù)，開始實驗。3.1.2 煤體的氣體滲流實驗 一、實驗?zāi)康模?）觀測不同圍壓對氣體滲透率的影響。2）觀測不同孔隙壓對氣體滲透率的影響。3）觀測不同圍壓對飽和水后的煤樣的氣體滲透率

18、的影響。4）觀測不同孔隙壓對飽和水后的煤樣氣體滲透率的影響。 二、實驗過程：選取煤樣進行稱重，密封后放入三軸應(yīng)力滲透儀內(nèi)，通過手動水壓泵施加軸壓和圍壓，通過甲烷氣瓶加載孔隙壓力，通過排水法收集氣體。 煤樣一：規(guī)格1015150（mm）,重量329.66g,中間有裂隙，透氣實驗后重量為329.87g，吸水前質(zhì)量為328.82g。實驗數(shù)據(jù)表格及相應(yīng)的二維擬合曲線圖：表 1 煤層氣的滲透率表table.1 the gas saturation圍壓/mpa孔隙壓/mpa 試件軸壓/mpa 油缸壓/mpa1.51.51.51.50.20.60.81.01.961.771.681.591.81.81.81

19、.8煤樣一各壓力下的氣體流量/ ml s116.6766.67114.29171.4318.1880.00100.00150.0016.6766.67133.33150.00平均流量/ ml s117.1771.11115.87157.14煤樣滲透率/ m2 10376.161.772.776.7滲透率/m210-15孔隙壓/mpa圖 1 二維擬合曲線圖fig.1 two dimentional fitting chart表 2 煤層氣的滲透率表table.2 the gas saturation圍壓/mpa孔隙壓/mpa 試件軸壓/mpa 油缸壓/mpa333330.20.40.60.81.

20、02.72.62.52.42.333333煤樣一各壓力下的氣體流量/ ml s17.4120.0034.7861.54809.0921.0536.3661.5485.716.9019.0536.3657.1485.71平均流量/ ml s17.8020.0335.8460.0783.81煤樣滲透率/ m2 10335.629.531.537.740.9滲透率/m210-15孔隙壓/mpa圖 2 二維擬合曲線圖fig.2 two dimentional fitting chart表 3 煤層氣的滲透率表table.3 the gas saturation圍壓 mpa孔隙壓 mpa 試件軸壓 mp

21、a 油缸壓 mpa666660.20.40.60.81.06.266.176.085.995.9066666煤樣一各壓力下的氣體流量/ ml s10.602.385.561014.290.672.275.561013.330.652.275.008.3312.5平均流量/ ml s17.802.315.379.4413.37煤樣滲透率/ m2 1032.93.44.85.96.5滲透率/m210-15孔隙壓/mpa圖 3 二維擬合曲線圖fig.3 two dimentional fitting chart表 4 煤層氣的滲透率表滲透率/m210-15table.4 the gas satura

22、tion圍壓/mpa孔隙壓/mpa 試件軸壓/mpa 油缸壓/mpa88880.40.81.21.67.227.046.866.678888煤樣一各壓力下的氣體流量/ ml s11.324.009.0915.381.324.179.5216.671.284.171016.67平均流量/ ml s11.314.119.5416.24煤樣滲透率/ m2 1031.92.53.84.8孔隙壓/mpa圖 4 二維擬合曲線圖fig.4 two dimentional fitting chart表 5 煤層氣的滲透率表table.5 the gas saturation圍壓/mpa孔隙壓/mpa 試件軸壓

23、/mpa 油缸壓/mpa101010100.40.81.21.69.078.898.78.5210101010煤樣一各壓力下的氣體流量/ ml s10.692.55.4110.000.762.55.2610.000.742.55.8810.00平均流量/ ml s10.732.55.5210.00煤樣滲透率/ m2 1031.11.62.22.9滲透率/m210-15孔隙壓/mpa圖 5 二維擬合曲線圖fig.5 two dimentional fitting chart表 6 煤層氣的滲透率表table.6 the gas saturation圍壓/mpa孔隙壓/mpa 試件軸壓/mpa 油

24、缸壓/mpa30.20.40.60.812.72.62.52.42.33煤樣一各壓力下的氣體流量/ ml s10.372.275.8810.0015.380.42.506.2511.1120.000.382.505.5610.0016.67平均流量/ ml s10.382.425.9010.3717.35煤樣滲透率/ m2 1031.73.55.26.58.4滲透率/m210-15孔隙壓/mpa圖 6 二維擬合曲線圖fig.6 two dimentional fitting chart表 7 煤層氣的滲透率表滲透率/m210-15table.7 the gas saturation圍壓/mpa

25、孔隙壓/mpa 試件軸壓/mpa 油缸壓/mpa66660.40.60.81.06.176.085.995.906666煤樣一各壓力下的氣體流量/ ml s10.200.831.852.940.190.771.793.130.210.831.853.13平均流量/ ml s10.200.811.833.06煤樣滲透率/ m2 1030.290.711.151.50孔隙壓/mpa圖 7 二維擬合曲線圖fig.7 two dimentional fitting chart表 8 煤層氣的滲透率表table.8 the gas saturation圍壓/mpa孔隙壓/mpa 試件軸壓/mpa 油缸壓

26、/mpa88880.81.01.21.67.046.956.866.678888煤樣一各壓力下的氣體流量/ ml s10.180.450.981.890.190.430.982.080.190.500.951.92平均流量/ ml s10.190.460.971.96煤樣滲透率/ m2 1030.0120.0220.0390.148孔隙壓/mpa圖 8 二維擬合曲線圖滲透率/m210-15fig.8 two dimentional fitting chart表 9 煤層氣的滲透率表滲透率/m210-15table.9 the gas saturation圍壓/mpa孔隙壓/mpa 試件軸壓/m

27、pa 油缸壓/mpa101010101.01.21.41.68.808.708.628.5210101010煤樣一各壓力下的氣體流量/ ml s10.170.320.500.830.170.330.530.830.180.330.560.77平均流量/ ml s10.170.330.530.81煤樣滲透率/ m2 1030.080.210.180.24孔隙壓/mpa圖 9 二維擬合曲線圖fig.9 two dimentional fitting chart煤樣二：煤樣規(guī)格975150（cm）,重量334.09g，中間裂紋，實驗時間5月22日早8：52分。實驗后質(zhì)量為335.61。由于損壞浸水前

28、質(zhì)量為334.09，浸水飽和51小時后重量為336.39g.浸水前通氣實驗數(shù)據(jù)表格及二維擬合曲線圖：表 10 煤層氣的滲透率表滲透率/m210-15table.10 the gas saturation圍壓/mpa孔隙壓/mpa 試件軸壓/mpa 油缸壓/mpa333330.20.40.60.81.02.72.62.52.42.333333煤樣二各壓力下的氣體流量/ ml s19.0823.5646.0372.33103.278.6221.2544.1568.85104.908.5222.3049.0868.85102.04平均流量/ ml s18.7422.3746.4270.01103.4

29、0煤樣滲透率/ m2 10336.831.538.842.148.4孔隙壓/mpa圖 10 二維擬合曲線圖fig.10 two dimentional fitting chart表 11 煤層氣的滲透率表table.11 the gas saturation圍壓/mpa孔隙壓/mpa 試件軸壓/mpa 油缸壓/mpa666660.20.40.60.81.06.266.176.085.995.9066666煤樣二各壓力下的氣體流量/ ml s12.086.3911.0117.2024.312.016.3310.8317.5325.001.965.5810.9416.5825.25平均流量/ ml

30、 s12.026.1010.9317.1024.85煤樣滲透率/ m2 1038.58.59.210.311.6孔隙壓/mpa圖 11 二維擬合曲線圖滲透率/m210-15fig-11 two dimentional fitting chart表 12 煤層氣的滲透率表table.12 the gas saturation圍壓/mpa孔隙壓/mpa 試件軸壓/mpa 油缸壓/mpa88880.40.81.21.67.227.046.866.678888煤樣二各壓力下的氣體流量/ ml s12.749.0917.0127.252.639.0417.2125.482.578.5017.3027.9

31、3平均流量/ ml s12.648.8817.1726.89煤樣滲透率/ m2 1033.75.36.57.5滲透率/m210-15孔隙壓/mpa圖 12 二維擬合曲線圖fig.12 two dimentional fitting chart表 13 煤層氣的滲透率表table.13 the gas saturation圍壓/mpa孔隙壓/mpa 試件軸壓/mpa 油缸壓/mpa121212120.40.81.21.610.9210.7410.5610.3712121212煤樣二各壓力下的氣體流量/ ml s11.023.106.789.521.073.286.2710.530.923.025

32、.9710.96平均流量/ ml s11.003.136.3410.34煤樣滲透率/ m2 1031.41.92.42.9滲透率/m210-15孔隙壓/mpa圖 13 二維擬合曲線圖fig.13 two dimentional fitting chart煤樣二：浸水飽和后的通氣實驗數(shù)據(jù)：表 14 煤層氣的滲透率表table.14 the gas saturation圍壓/mpa孔隙壓/mpa 試件軸壓/mpa 油缸壓/mpa333330.20.40.60.81.02.72.62.52.42.333333煤樣二各壓力下的氣體流量/ ml s13.7514.6633.3355.7184.183.5

33、615.5333.3356.1884.183.7515.2433.0062.1176.05平均流量/ ml s13.6915.1433.2258.0081.47煤樣滲透率/ m2 10315.621.328.034.938.9滲透率/m210-15孔隙壓/mpa圖 14 二維擬合曲線圖fig.14 two dimentional fitting chart表 15 煤層氣的滲透率表table.15the gas saturation圍壓/mpa孔隙壓/mpa 試件軸壓/mpa 油缸壓/mpa66660.40.60.816.176.085.995.906666煤樣二各壓力下的氣體流量/ ml s

34、12.395.6913.2820.002.525.8813.7920.662.517.1413.5522.37平均流量/ ml s12.476.2413.5421.01煤樣滲透率/ m2 1033.45.38.29.8滲透率/m210-15孔隙壓/mpa圖 15 二維擬合曲線圖fig.15 two dimentional fitting chart表 16 煤層氣的滲透率表table.16 the gas saturation圍壓/mpa孔隙壓/mpa 試件軸壓/mpa 油缸壓/mpa888880.40.81.01.21.66.827.046.956.866.6788888煤樣二各壓力下的氣體

35、流量/ ml s11.024.156.809.8517.301.034.306.359.5516.341.024.316.8010.3517.89平均流量/ ml s11.024.256.659.9217.18煤樣滲透率/ m2 1031.52.63.13.84.8滲透率/m210-15孔隙壓/mpa圖 16 二維擬合曲線圖fig.16 two dimentional fitting chart煤樣一：達到1.6%飽和度時的相對滲透率二維擬合曲線（下圖分別對應(yīng)的圍壓為1.5 ，3， 6， 8mp）：相對滲透率孔隙壓/mpa圖 17 二維擬合曲線圖fig.17 two dimentional f

36、itting chart相對滲透率孔隙壓/mpa圖 18 二維擬合曲線圖fig.18 two dimentional fitting chart相對滲透率孔隙壓/mpa圖 19 二維擬合曲線圖fig.19 two dimentional fitting chart透率 相對滲孔隙壓/mpa圖 20 二維擬合曲線圖fig.20 two dimentional fitting chart煤樣二：在水飽和度為0.68%時的相對滲透率二維擬合曲線（下圖分別對應(yīng)圍壓為3，6，8，10，12mp）：透率 相對滲孔隙壓/mpa圖 21 二維擬合曲線圖fig.21 two dimentional fittin

37、g chart透率 相對滲孔隙壓/mpa圖 22 二維擬合曲線圖fig.22 two dimentional fitting chart透率 相對滲孔隙壓/mpa圖 23 二維擬合曲線圖fig.23 two dimentional fitting chart3.2 煤體對氣體的滲透規(guī)律通過實驗數(shù)據(jù)以及擬合出的二維曲線可以清楚的看到如下特征5：1）對于未經(jīng)水飽和的煤樣，當圍壓較低時，給煤樣施加較低的孔隙壓就可以很清楚的觀測到流量的變化，表明其滲透率較高；2）對于未經(jīng)水飽和的煤樣，當施加高圍壓時，在如（1）的相同孔隙壓條件下時，其滲 透率顯著下降，甚至無法通過實驗設(shè)備觀測到其流量變化，表明其滲透率

38、顯著下降，只有不 斷的加大孔隙壓才能測出其滲透率。3）對于經(jīng)過水飽和后的煤樣，當施加低圍壓和低孔隙壓時，煤樣的滲透率在同（1）條 件相同時，其滲透率較低，甚至無法測得滲透率，只有加大孔隙壓才能測得其滲透率。表明 經(jīng)過水飽和后的煤樣滲透率較原煤樣滲透率有所下降，且下降幅度較為明顯。4）對于經(jīng)過水飽和后的煤樣，當施加高圍壓時，再施加低圍壓則無法觀測到其流量變 化，只有加大孔隙壓到接近或達到高孔隙壓的條件下才能測得其流量變化規(guī)律從而得出其滲 透率變化。5）通過擬合出的相對滲透率的曲線圖可以看到，煤體的相對滲透率小于一，并且當圍 壓固定時煤樣的滲透率大體上隨著孔隙壓的增加而增加，表明煤體滲透率隨著孔隙

39、壓的增加 而增加的比率也在不斷的增加。6）對于裂隙較大的煤樣，在相同壓力條件下，滲透率要高于無裂隙或是裂隙較小的煤 樣的滲透率。4. 煤體水滲透率及通水后對煤層氣的實驗研究4.1 煤體的水滲流實驗煤樣三：110條件下烘干 27 小時后的質(zhì)量為 307.82g, 平行層理，面積 a=24.75cm2,l=9.82cm，=1。通水實驗后的質(zhì)量為 339.17g。通過手壓力泵施加空隙壓進行水滲透試驗。水滲流實驗數(shù)據(jù)：表 17 煤層氣的滲透率表table.17 the water saturation孔隙壓/mpa圍壓/mpa油缸壓/mpa試 件 壓 力/mpa流量ml s1滲透率m2 10511.5

40、1.81.501.10554.6561.522.42.000.06381.808233.53.000.04450. 929344.84.000.05550.759455.85.000.05000.5095885.130.01670.1356884.670.03830.3107884.220.04170.2408883.760.06670.335710106.070.00700.040810105.610.00830.042910105.160.01110.0491010104.700.01110.0441215158.420.00630.0211315157.960.00830.0261415

41、157.510.00830.0241515157.050.01250.03315202011.680.00630.017/（）16202011.220.00630.01617202010.770.00500.01218202010.310.00830.0184.2 透水實驗后的通氣實驗研究及其規(guī)律：從微觀水平上看，在低圍壓和低軸壓條件下，隨著壓力的不斷增加，從上圖可見其滲透 率顯著降低；在8mp、10mp和15mp圍壓以及軸壓的條件下，隨著孔隙壓的不斷增加，滲透 率不斷增大；當圍壓和軸壓達到20mp時，隨著孔隙壓的增加，滲透率逐漸減小又增大，表 現(xiàn)出明顯不穩(wěn)定特性。氣體滲透實驗數(shù)據(jù)及二維擬合曲

42、線圖：表 18 煤層氣的滲透率表table.18 the gas saturation圍壓/mpa孔隙壓/mpa 試件軸壓/mpa 油缸壓/mpa333330.20.40.60.81.02.72.62.52.42.333333煤樣三各壓力下的氣體流量/ ml s16.3019.1645.0575.05110.506.2721.3244.4481.14112.366.2023.0442.7473.53118.69平均流量/ ml s16.2621.1744.0876.57113.85煤樣滲透率/ m2 10327.030.538.147.254.6滲透率/m210-15孔隙壓/mpa圖 24 二

43、維擬合曲線圖fig.24 two dimentional fitting chart表 19 煤層氣的滲透率表滲透率/m210-15table.19 the gas saturation圍壓/mpa孔隙壓/mpa 試件軸壓/mpa 油缸壓/mpa888880.40.81.01.21.66.827.046.956.866.6788888煤樣三各壓力下的氣體流量/ ml s12.297.7411.1916.8431.652.377.4711.8617.6133.902.317.4711.8918.1832.84平均流量/ ml s12.327.5611.6517.5431.80煤樣滲透率/ m2

44、1033.34.75.66.99.2孔隙壓/mpa圖 25 二維擬合曲線圖fig.25 two dimentional fitting chart表 20 煤層氣的滲透率表table20 the gas saturation圍壓/mpa101010101010孔隙壓/mpa0.40.81.01.21.41.6試件軸壓/mpa9.078.898.808.708.628.52油缸壓/mpa101010101010各壓力下的氣體流量/ ml s1煤樣三0.502.353.625.888.009.820.502.423.675.527.6210.180.522.403.625.038.0810.06平

45、均流量/ ml s10.512.393.645.437.9010.02煤樣滲透率/ m2 1030.731.171.752.132.622.88孔隙壓/mpa圖 26 二維擬合曲線圖滲透率/m210-15fig.26 two dimentional fitting chart表 21 煤層氣的滲透率表table.21 the gas saturation圍壓/mpa孔隙壓/mpa 試件軸壓/mpa 油缸壓/mpa12121212120.81.21.41.61.810.7410.5610.4710.3710.281212121212煤樣三各壓力下的氣體流量/ ml s10.701.682.793

46、.804.670.661.802.293.604.580.681.842.563.554.85平均流量/ ml s10.681.772.553.654.70煤樣滲透率/ m2 1030.420.690.851.051.19滲透率/m210-15孔隙壓/mpa圖 27 二維擬合曲線圖fig.27 two dimentional fitting chart從上面的數(shù)據(jù)分析以及二維擬合曲線上可以清晰的看到：1）圍壓固定時，隨著孔隙壓的增加，煤體對煤層氣的滲透率顯著增加，并且增加趨勢 不斷增大。2）通過透氣實驗和透水實驗的對比可以清晰的看到同一煤體對于煤層氣和水的滲透性 的差異-煤體對氣體的滲透率要遠大于對液體的滲透率。3）孔隙壓相同的條件下，對煤體施加高圍壓時煤體的滲透率顯著下降，表明高圍壓對 于煤層氣的抽放起到阻礙作用6。4.4 本章小結(jié)通過實驗得出以下結(jié)論：1）相同孔隙壓下，隨著軸壓和圍壓的增加，煤體的滲透率降低；2）在相同軸壓和圍壓的條件下，隨著孔隙壓的增加，煤體的滲透率增大；3）水飽和后的煤體在相同