基于格子Boltzmann方法的非常规天然气微尺度流动基础模型

基于相似准则和气体真实物性参数提出一种格子Boltzmann模型中选取无因次松弛时间的新方法,同时考虑边界努森层的影响对无因次松弛时间进行修正,结合壁面二阶滑移边界条件推导出相应组合反弹/镜面反射边界条件中的关键参数,从而建立了基于格子Boltzmann方法的适用于高温高压条件的非常规天然气微尺度流动模拟新模型。将甲烷气体在无限长微通道中的体积力驱动流动及长直微通道中受进出口压差驱动流动的模拟结果与文献中数值解及解析解进行对比,验证了模型的准确性,并对无因次松弛时间修正式进行优选。结果表明,新模型可以有效表征非常规天然气微尺度流动条件下的滑脱效应、压缩效应、气体稠密性及边界努森层影响;实现了对气体真实流动条件更加全面的表征,可作为微纳尺度非常规天然气流动模拟研究的基础模型。     

考虑页岩多重吸附机制的超临界甲烷等温吸附模型

页岩中的超临界甲烷等温吸附模型研究对于页岩气藏储量评估、生产动态预测和开发方案编制等具有重要意义。以超临界甲烷等温吸附理论和分子动力学模拟结果为依据,考虑不同尺度空间中吸附机制差异,以Dubinin-Astakhov(DA)微孔充填模型表征微孔中的甲烷分子吸附,以Brunauer-Emmett-Teller(BET)多分子层吸附模型表征中孔和大孔中的甲烷分子吸附,建立了DA-BET超临界甲烷等温吸附模型。在此基础上,结合高温高压实验数据分析了模型拟合方法和拟合效果,讨论了不同吸附机制对页岩中超临界甲烷等温吸附的贡献。研究结果表明:DA-BET超临界甲烷等温吸附模型可以高精度地拟合实验数据,计算出的吸附特征曲线满足唯一性,并且可以利用该模型预测高温条件下页岩吸附甲烷的能力;在低压阶段,甲烷分子以微孔充填吸附为主;温度、压力显著影响不同吸附机制对总吸附量的贡献,温度越低、压力越高,微孔充填吸附量对总吸附量的贡献越小。     

孔喉结构对致密气微尺度渗流特征的影响

目前,关于孔喉结构对致密气微尺度渗流特征影响的研究较少,并且传统的数值模拟方法在研究微尺度流动时面临着诸多不适应。为此,从致密气藏实际的温度、压力及储层孔喉特征尺寸出发,研究致密气的流态及采用格子Boltzmann方法模拟致密气流动的合理性,在考虑微尺度效应、滑脱效应等因素影响的基础上,基于LBGK-D2Q9模型建立了致密气流动模型,并将该模型计算的结果同解析解及文献中数值解的计算结果进行对比,进而探讨了孔喉结构对致密气微尺度渗流特征的影响规律。研究结果表明:①当压力介于3～70 MPa、温度介于293.15～373.15 K时,克努森数(Kn)小于0.1,气体流态为滑脱流和弱连续流,采用LBGK-D2Q9模型模拟致密气流动是合理的;②流动通道的特征尺寸对Kn的影响远大于压力变化对其产生的影响,当孔喉比一定时,Kn沿喉道呈缓慢上升的趋势,且孔喉比越大,Kn上升的趋势越明显;③喉道的存在使得孔喉中压力的非线性分布特征显著,压力降主要处于喉道内,并且孔喉比越大喉道内的压降幅度越大;④压力的非线性分布使得气体的流动速度显著降低,从而降低了流动通道内气体的质量流量。结论认为,所建模型的模拟结果与解析解以及文献中DSMC、IP方法等数值解的计算结果吻合程度较高,证实了其可靠性;该研究成果揭示了致密气藏开发工程实践中"通缝扩喉"的重要性。     

粗糙孔壁对微/纳米尺度下致密砂岩气流动的影响

致密砂岩气藏具有明显的低孔低渗特征,基于常规低渗透气藏开发理论的实验手段和数值模拟方法无法准确揭示致密砂岩气藏的微观流动规律。同时,以往研究多针对简单平直通道或随机生成多孔介质开展流动模拟,而关于粗糙孔壁对致密砂岩气流动的影响研究较少。为此,考虑滑脱效应、边界克努森层以及非理想气体稠密性影响,基于LBGK-D2Q9模型构建了致密砂岩气藏微/纳米尺度流动数学模型,引入正则化算子消除格子Boltzmann方法在模拟微/纳米尺度复杂多孔介质流动中的非正常物理现象,提出了适用于模型的组合反弹/反射滑移边界条件关键参数,通过与文献中多种数值模拟方法的计算结果对比验证了模型的正确性。在此基础上,研究了孔道壁面分形维数、相对粗糙度、孔径、压力以及克努森数（Kn）对致密砂岩气流动影响规律,并通过大量模拟数据拟合得到孔道中致密砂岩气渗透率与Kn、壁面分形维数及相对粗糙度的数学关系式。研究结果表明：壁面分形维数和相对粗糙度越大,孔道中致密砂岩气平均流速越小,从而使得气体质量流量减小,渗透率显著下降;微尺度效应可促进致密砂岩气流动,且孔道壁面越粗糙其促进作用越弱;在给定粗糙孔道中,致密砂岩气流动特征主要受Kn控制,并且随Kn增大气体流动能力增加;孔道粗糙壁面对致密砂岩气流动能力的阻碍作用远大于微尺度效应的促进作用,并且Kn越大阻碍作用越明显,忽略粗糙孔壁对微/纳米尺度气体流动的阻碍作用会导致对气藏渗流能力的过高估计。     

致密砂岩气藏气水流动规律及储层干化作用机理

致密砂岩气藏储层渗透率低，在地面条件下开展真实岩心的驱替流动实验很困难，因而无法研究其微观流动机理。为此，基于格子Boltzmann方法（以下简称LBM），模拟地层高温高压条件下致密气驱替地层水的流动过程，得到了地层中束缚水的分布状况；然后采用激光刻蚀模型，进行储层干化实验，并借鉴该实验的可视化结果对储层干化数值模拟进行简化；在此基础上利用数值模拟手段研究储层干化对致密气渗流能力的影响。研究结果表明：①所采用的格子Boltzmann模型在地层高温高压条件下满足Laplace定律，由该模型计算得到的两相Poiseuille流速度数值解与解析解结果基本一致，表明该模型可以用于地层条件下气水非混相驱替的模拟；②致密气在多孔介质连通的大孔道中优先突破，并且在突破后驱替地层水的速度显著下降；③地层水与岩石壁面的接触角显著影响气水两相流动，岩石亲水性越强驱替速度越慢；④致密砂岩气藏中束缚水可分为吸附水膜、盲端孔隙水、死孔隙水和卡断水4类，在多孔介质中大量连通的微小通道被卡断水和吸附水膜占据，存在着明显的“水锁”现象，严重影响致密气在储层多孔介质中的渗流能力；⑤干化剂可与束缚水反应并且产生大量气泡，将吸附水膜、卡断水和盲端孔隙水消耗掉，从而提高气体的渗流能力；⑥对于由卡断水形成的“水锁”区域，增大干化强度可以有效改善气体渗流能力，整体上随着干化强度的增大，致密气渗透率也增大，但干化强度超过一定的限度后，致密气渗透率的增幅逐渐减小。