基于格子Boltzmann方法的3D数字岩心渗流特征分析

页岩气储层物性差、各向异性突出且孔隙结构存在多尺度特性,内部流动非常复杂,由于纳米孔隙的存在,宏观连续理论不适用。基于页岩二维扫描电镜图片和计算机处理技术,采用随机生长方法分别重建大孔隙和小孔隙的三维数字岩心,将大孔隙和小孔隙初始模型组合在一起构成多尺度的页岩气储层三维数字岩心组合模型,在此基础上,应用格子Boltzmann方法研究不同尺度孔隙的渗流行为。四参数随机方法重建的图像能较好体现原图的性质,储层的孔隙结构特征对其渗透率具有重要影响,渗透率随着孔隙度的增大而增大,组合模型数字岩心的渗透率大于大孔隙数字岩心和小孔隙数字岩心的渗透率,并且大于二者的总和,说明小孔隙的存在可以极大提高储层连通性。     

基于格子玻尔兹曼方法的数字岩心孔隙流动模拟

基于格子玻尔兹曼方法的多孔介质流动模拟应用广泛,然而岩石孔隙流动的研究多数针对基于岩石切片数值重构的数字岩心,较少有真实岩心孔隙流动模拟。本文基于渤海S油田真实数字岩心开展孔隙流动模拟。利用灰度处理、图像二值化、边界跟踪等图像处理技术实现岩石孔隙网络建模,基于格子玻尔兹曼方法完成三维孔隙流动建模,实现数字岩心三维流动可视模拟,并依托模型计算开展储层孔隙度-渗透率统计分析。研究结果表明,模型计算孔隙度-渗透率关系与油田实际误差低于4.0%。     

3D多孔介质渗透率的格子Boltzmann模拟

多孔介质结构的复杂性使其内部的流动非常复杂,通常不加简化就难以求解.格子Boltzmann方法以其无需简化就能处理复杂孔隙结构的优势,成为研究多孔介质流动的一种有效的数值计算方法.从现场采集的彩色铸体剖面图中提取孔隙信息重构了一种接近真实岩石的3D孔隙介质数字岩心.在此基础上,使用格子Boltzmann方法进一步得到能准确求解多孔介质中流动问题的Navier-Stokes方程,用以研究孔隙岩石的渗流特性.该方法对简单模型渗透率的模拟结果与相应的解析解或实验测量结果吻合良好,对某油田6个样品的模拟结果与实验结果的误差不大,说明格子Boltzmann方法可以用来计算实际问题的渗透率.     

基于格子Boltzmann方法的页岩气藏气体滑脱效应分析

页岩气藏纳米尺度孔隙发育,气体渗流规律受滑脱效应影响显著。当气体在纳米孔隙中渗流时,基于连续介质建立的常规渗流模型已不能准确模拟页岩气微观渗流特征。为了达到提高页岩气藏产能预测精度、指导压裂施工设计的目的,必须准确分析页岩气藏气体滑脱效应。利用格子Boltzmann方法,建立页岩气渗流模型,确定反弹—镜面组合边界条件,对页岩气藏气体滑脱效应进行模拟分析。结果表明:孔隙直径和努森数是表征页岩气藏气体滑脱效应强度的决定性参数;孔隙壁面附近气体滑移速度沿孔隙通道呈近似线性缓慢增长,在出口端增幅加剧,该现象验证了气体压缩效应及稀薄效应理论;气体滑移速度会随努森数的增加而增大,气体渗流进入滑移区后滑移速度增幅加剧,基于连续介质方程建立的模型局限性更加凸显;页岩储层表观渗透率会随努森数的增加而显著增大,当努森数大于0.1后,Klinkenberg模型不能精确表征气体滑脱效应。     

基于格子Boltzmann方法的页岩气微观流动模拟

页岩中的主要孔隙类型是纳米孔隙,气体在纳米孔隙中的流动不同于在常规孔隙中的流动,其存在微尺度效应,因此基于连续介质假设的达西方程不再适用。由于页岩气藏一般处于高压环境,气体比较稠密,理想气体状态方程也不再适用。而格子Boltzmann方法是一种介观流动模拟方法,其不基于连续介质假设,适用于从滑移区到过渡区的气体流动模拟,并且能够考虑气体稠密性和非理想气体状态方程的影响。基于考虑努森层影响和微尺度效应的非理想气体格子Boltzmann方法,结合镜面反射格式与反弹格式组合的滑移边界条件,采用二维平板模型,研究了孔隙尺寸、压力和温度等因素对微尺度效应的影响,并对影响机理进行了分析。结果表明:努森数是微尺度气体流动的控制参数;在滑移区和自由分子流区,各因素对微尺度效应的影响较小,而在过渡区,各因素对微尺度效应的影响较大;通过表观渗透率与固有渗透率比值随努森数的变化关系,并与常用的页岩气藏表观渗透率计算模型进行对比,验证了目前常用页岩气藏表观渗透率计算模型的准确性。     

微裂缝气体流动机理的格子Boltzmann研究

研究了低渗透率气藏中气体的流动规律.介绍了格子Boltzrnann方法原理.讨论微裂缝中的滑动流动状态,从微观角度用LBM研究基于滑移边界条件的低渗透率气藏微裂缝气体流动机理,并对开度为2μm的微裂缝模型进行模拟研究.将反弹边界处理和自由滑移边界处理相结合,较准确地反映了气体与同体之间的相互作用.认为二维平板微裂缝中稀薄气体流动,不仅与通道高度、压力梯度和黏度有关,而且与Knudsen数和切向动量调和系数σv相关.从氧气、氮气、氦气的模拟结果看,气体滑脱效应与气体性质有关;微裂缝开度越小,滑脱效应越严重.用LBM方法进行模拟的结果与解析解吻合得很好,从而验证了LBM方法研究微裂缝气体流动机理的正确性.     

多孔介质通道内非混相驱替过程的格子Boltzmann方法模拟

针对CO_2泡沫相与原油体系,基于Shan-Chen伪势格子Boltzmann模型,耦合液-液、液-固间相互作用力与界面张力、液固润湿性之间的关系,对多孔介质通道内CO_2泡沫驱流动规律进行数值模拟,研究了雷诺数(Re)、毛细数(Ca)和壁面润湿性对非混相两相驱替流动中黏性指进的影响。实验结果表明,随Re和Ca的增大,黏性指进显著发展,驱替效率降低;壁面润湿时,无明显指进现象,而当壁面非润湿时,黏性指进较为明显,且随非润湿性程度的增加而愈发严重。在进行两相驱替流动时,需综合物性及驱替流体与固壁的润湿情况,确定驱替流体的注入条件,以提高驱替效率。     

基于格子Boltzmann方法的页岩纳米多孔介质流体流动模拟

纳米多孔介质中受限流体流动机制对提高页岩油采收率、水净化等科学和工程应用至关重要。以理论方程和分子动力学模拟(MDS)结果为基础,基于格子Boltzmann方法(LBM),建立了局部表观黏度-LBM(LAV-LBM)孔隙尺度模拟模型来研究纳米多孔介质中流体流动机制,该模型通过局部表观黏度和密度分布将纳米尺度效应(滑移边界、非均质黏度/密度)代入LBM,使LBM模拟过程中无法准确表达的复杂滑移边界条件可以退化成简单易实现的无滑移边界。通过理论方程对比验证、分子模拟-LAV-LBM密度分布验证、理论方程-LAV-LBM速度分布验证结果表明,基于LAV-LBM模型可以有效模拟纳米多孔介质中流体流动规律。基于该模型,研究了纳米尺度效应、多孔介质尺寸、表面润湿性对表观渗透率和增强系数的影响规律。研究结果表明：当接触角约小于70°时,由于高/低近壁面相黏度、低/高滑移速度导致表观渗透率和增强系数减小;表观渗透率和增强系数随着接触角增大而增大,原因是边界滑移速度逐渐增大,近壁面水相黏度逐渐减小;非均质密度导致相同时间内,近壁面相流体体积流量与体相区域不同,非均质密度越强,对流动能力影响越大;孔径越大...     

基于格子Boltzmann方法的油水两相流动规律

文中采用随机生长四参数生成法,对储层岩石的二维微观孔隙结构进行了重构。基于格子Boltzmann方法,从孔隙尺度模拟了多孔介质中的油水两相流动,对不同驱替时刻多孔介质内流体分布进行了模拟,得到了油水两相相对渗透率曲线和油水压汞曲线,并分析了π准数(界面张力与压力梯度比值)对油水两相流动的影响。研究结果表明:润湿相(水相)沿着大孔道的中轴部位驱替非润湿相(原油),在小孔道残余部分原油,而随着水驱过程的继续进行,小孔道中的油也逐渐被驱替出来;随着含水饱和度的增加,油相相对渗透率逐渐下降,水相相对渗透率逐渐增加。当π准数减小时,油水两相相对渗透率值均增大,其中油相相对渗透率值增大幅度较水相相对渗透率值增大幅度更大,可通过提高驱动压力梯度或者降低界面张力提高采收率。     

基于格子Boltzmann方法颗粒团聚物曳力系数的数值模拟及应用研究

应用气固两相流动的格子Boltzmann-离散颗粒运动模型,气体流动采用格子Boltzmann方法的D2Q9模型,固体颗粒运动采用牛顿第二运动定律计算,壁面采用具有二阶计算精度的半步长反弹边界条件,数值模拟了循环流化床提升管内颗粒团聚物的运动过程。模拟结果表明,颗粒团聚物的气固相间曳力系数随颗粒团聚物的空隙率和雷诺数的增大而减小;拟合得到基于格子Boltzmann方法的气固相间曳力模型;采用基于格子Boltzmann方法的气固相间曳力模型的欧拉-欧拉双流体模型模拟循环流化床提升管内颗粒相密度和颗粒质量流量径向分布,模拟结果与实验结果很接近。     

Study of the numerical simulation of tight sandstone gas molecular diffusion based on digital core technology

Diffusion is an important mass transfer mode of tight sandstone gas. Since nano-pores are extensively developed in the interior of tight sandstone, a considerable body of research indicates that the type of diffusion is mainly molecular diffusion based on Fick’s law. However, accurate modeling and understanding the physics of gas transport phenomena in nanoporous media is still a challenge for researchers and traditional investigation (analytical and experimental methods) have many limitations in studying the generic behavior. In this paper, we used Nano-CT to observe the pore structures of samples of the tight sandstone of western of Sichuan. Combined with advanced image processing technology, threedimensional distributions of the nanometer-sized pores were reconstructed and a tight sandstone digital core model was built, as well the pore structure parameters were analyzed quantitatively. Based on the digital core model, the diffusion process of methane molecules from a higher concentration area to a lower concentration area was simulated by a finite volume method. Finally, the reservoir’s concentration evolution was visualized and the intrinsic molecular diffusivity tensor which reflects the diffusion capabilities of this rock was calculated. Through comparisons, we found that our calculated result was in good agreement with other empirical results. This study provides a new research method for tight sandstone digital rock physics. It is a foundation for future tight sandstone gas percolation theory and numerical simulation research.     

Numerical simulation of non-Archie electrophysical property of saturated rock with lattice Boltzmann method

The electrophysical property of saturated rocks is very important for reservoir identification and evaluation. In this paper, the lattice Boltzmann method （LBM） was used to study the electrophysical property of rock saturated with fluid because of its advantages over conventional numerical approaches in handling complex pore geometry and boundary conditions. The digital core model was constructed through the accumulation of matrix grains based on their radius distribution obtained by the measurements of core samples. The flow of electrical current through the core model saturated with oil and water was simulated on the mesoscopic scale to reveal the non-Archie relationship between resistivity index and water saturation （I-Sw）. The results from LBM simulation and laboratory measurements demonstrated that the I-Sw relation in the range of low water saturation was generally not a straight line in the log-log coordinates as described by the Archie equation. We thus developed a new equation based on numerical simulation and physical experiments. This new equation was used to fit the data from laboratory core measurements and previously published data. Determination of fluid saturation and reservoir evaluation could be significantly improved by using the new equation.     

基于格子Boltzmann方法的致密气藏微尺度效应研究

致密储层孔隙结构复杂,气体在致密孔喉中的流动存在微尺度效应,宏观流动规律难以准确描述其渗流特征。针对致密多孔介质孔隙主要分布在微纳米尺度的特点,建立修正克努森数(Kn)、固体边界处考虑镜面反弹(边界滑移效应)的格子Boltzmann模型。通过模拟压差驱动下的二维平板流动,验证了模型的正确性,并分析了克努森数对流动速度的影响。基于随机生长四参数生成法,对致密储层的二维微观孔隙结构进行了重构,利用修正格子Boltzmann模型进行流动模拟。结果表明:气体在致密储层中的流动存在微尺度效应,滑脱效应使得通道中间部分流体速度增大;在一定的压力梯度下,渗透率随着克努森数的增加而呈线性增加;克努森数不变时,渗透率随着平均压力倒数的增加而呈线性增加,即随着平均压力的增加,岩心的绝对渗透率减小。     

数字岩心技术现状及展望

介绍了数字岩心技术的发展状况,指出了建立数字岩心的既有方法存在的不足,包括过程法无法对复杂的沉积体系进行模拟和随机法建立的数字岩心不具有大范围内的传导性。探讨了数字岩心技术在油田开发领域的应用前景,可用来研究微观渗流机理,模拟岩心驱替实验,预测岩心宏观传导性,评价驱油剂效果,模拟油藏生产动态和确定油气田开发技术政策界限。     

基于REV尺度格子Boltzmann方法的页岩气藏渗流规律

页岩储层一般天然微裂缝发育,基质孔隙结构复杂,使得页岩气渗流过程呈现出多尺度多场耦合的特征。为了研究页岩气藏复杂的渗流规律,重构了天然微裂缝发育的页岩储层多孔介质模型,并围绕页岩气多重运移机制对广义格子Boltzmann模型进行了修正,建立了适用于模拟页岩气渗流特征的表征单元体（REV）尺度格子Boltzmann模型（LB模型）,并基于天然微裂缝物性特征以及气体滑脱、吸附/解吸、表面扩散效应等渗流特征对该模型进行了敏感性参数分析。结果表明：当页岩储层天然微裂缝较发育时,微裂缝为气体在基质中流动的主要通道;其中裂缝密度是影响储层表观渗透率的主要参数,裂缝密度增大3～4倍,储层表观渗透率可增大10倍以上,而裂缝长度以及裂缝开度的影响程度均次之;努森数（Kn）是影响页岩气渗流的主要参数,随着Kn增大,克氏效应愈显著,特别当Kn > 0.1时,多孔介质表观渗透率增幅显著增大;页岩储层多孔介质表观渗透率会随着吸附气量的增大而减小,特别是当储层压力较低时,该现象更为显著;气体表面扩散效应对页岩气渗流过程的影响程度大,同等条件下考虑气体表面扩散效应的储层表观渗透率较忽略该效应可提升2～5倍,但提升作用受制于储层吸附气量的多少。该研究成果为页岩气微观渗流理论研究提供了新思路,为页岩气藏高效勘探开发提供了技术支撑。     

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...     

煤岩吸附—解吸变形各向异性特征试验分析

在井下瓦斯抽采和地面煤层气开发过程中,气体吸附和解吸会导致煤基质的膨胀和收缩变形。采用自主研发的煤岩气体吸附—解吸变形试验系统,对鹤壁六矿二₁煤层贫瘦煤煤样在不同气体压力下的吸附—解吸变形全过程进行了测试。试验结果表明：①煤样在吸附膨胀和解吸收缩变形过程中均呈现各向异性特征,垂直层理方向变形量最大,平行层理垂直面割理方向次之,平行层理垂直端割理方向最小;②煤岩吸附膨胀和解吸收缩变形量随气体压力的增加而增大,但平行层理垂直面割理方向与垂直端割理方向的变形值之比逐渐减小,各向异性程度逐渐减弱;③煤岩吸附膨胀变形是一个不可逆过程,煤岩吸附—解吸残余变形量与气体压力呈正线性相关性。     

风速对综合管廊天然气管舱泄漏扩散影响的数值模拟

为了揭示换气通风风速对天然气管舱泄漏扩散特性的影响,本文采用Realizable k-ε湍流模型和组分输运模型对地下综合管廊天然气管舱不通换气工况下的泄漏扩散过程进行数值模拟研究。结果表明:无风时,扩散过程主要受湍流涡对及舱顶反射作用,各泄漏工况下天然气向管舱两侧对称卷吸扩散,小孔泄漏管舱内甲烷浓度分布分层现象比大孔泄漏明显,可燃气体监测报警时间呈"V"型分布。有风时,上风向区域天然气浓度逐渐降低;下风向区域大涡团失稳分裂成小涡团,湍流强度增大,卷吸作用增强,天然气呈"蜗牛"状漂移扩散。风速逐渐增大时,报警时间与泄漏口至监测点的距离成线型增长关系;风速超过3.81m/s后,天然气泄漏后迅速与空气混合稀释,管舱内甲烷浓度均低于爆炸下限的20%,可燃气体监测报警器不再报警。