我国煤层气资源分布广泛、储量丰富,居于世界第三,煤层气作为一种非常规资源,具有洁净、优质能源属性,对缓解当前我国能源紧张有着重要意义,同时它也是推进能源生产和消费革命的重要载体。当前,我国煤层气储层普遍存在低渗透率、低储层压力和低含气饱和度的特性,现在煤层气采出主要以直井、斜井和水平井排水采气和压裂方式为主流,在不同排采阶段中通常伴随着煤粉颗粒的产出及出水现象,排采参数不合理会导致煤粉沉积,严重时会发生煤泥堵塞、卡泵、埋泵现象,导致检泵修井概率上升,严重影响煤层气井排水采气的进行。因此,为了对排采设备设计提供扎实有力的理论支持,从相间界面形态、气液固多相流流动机理和煤粉沉降规律入手,探究多因素耦合对煤层气、采出液及煤粉颗粒三相流动态运移规律、相间界面形态的影响。 本文从研究采出液和煤层气着手,利用高精度界面捕捉能力的VOF方法,仿真模拟计算垂直、倾斜及起伏井段下混合流速、含气率、井斜角、起伏角和管径等因素对气液两相流态、压力及持气率变化情况,监控其特征参数随时间运移状态,深入研究井筒内部气液两相流动态运移规律。依托气液固多相流实验台对不同工况参数进行定量分析,同时对仿真模拟计算结果进行规律验证,其中配套2000帧率高速相机拍摄管道内不同参数工况下相间流态演化,通过高精度压力传感器测量管内压差变化趋势,并对运移过程获取的压力信号进行功率谱密度分析(Power Spectral Density,PSD),采用傅里叶变换函数将压力信号从时域变换为频域,探讨流态与PSD之间的变化规律,直观反映煤层气井井筒中气液两相流运移规律。 在气液两相流运移模型的基础上,考虑固相煤粉颗粒的运动、质量方程的影响,对煤粉颗粒进行受力分析,建立垂直、倾斜和起伏井段气(煤层气)-液(水)-固(煤粉颗粒)流动的动态运移模型。基于欧拉模型,采用仿真模拟的手段,研究多因素耦合对煤粉颗粒运移特征,分析不同因素对井筒煤粉排除率的影响,建立井斜角、煤粉粒径等因素耦合与最小携粉流量关系式。结合物理模拟实验,对入口流量、煤粉粒径、管径、井斜角、起伏角及含气率进行敏感性分析,依据正 交实验结果分析不同生产参数对煤粉颗粒排出率的影响权重,管道内径对应的极差值为87.4,表明对煤粉排出量的影响最大,这为保证不同井段气水携煤粉顺利排出提供有力的理论基础和支持。