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。     

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。     

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...     

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.     

基于格子玻尔兹曼和有限差分方法的页岩气升尺度渗流模拟

格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)是模拟页岩气微观渗流的一种重要方法,能够在孔隙尺度上比较精确地模拟页岩气的多种渗流机理,但是该方法模拟尺度小,计算量大,限制了其在储层尺度上的渗流模拟和在产能预测中的应用。为了既能保留LBM的模拟精度,又能快速准确地模拟较大尺度渗流,将LBM和有限差分方法相结合形成一种新方法,进行页岩气的升尺度渗流模拟。该新方法同时具有LBM的模拟精度和较快的运算速度,适用于模拟页岩气在宏观尺度的渗流和产能预测。利用新方法进行渗流模拟可得,滑脱效应和气体解吸能提高气体流动速度,补充地层能量,从而提高气井产量。     

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...     

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.     

页岩气藏体积压裂水平井渗流模型

实现页岩气藏有效开发的关键在于页岩储层渗流机理的研究和产能模型的建立,但页岩气藏孔渗结构具有强烈的多尺度性,渗流机理复杂;纳米级孔隙存在克努森扩散,解吸介质变形等情形。同时,在增产改造过程中形成的复杂裂缝网络形态也对页岩气多尺度流动特征及页岩气产能造成不同程度的影响。建立了页岩气藏体积压裂后,水力裂缝与天然裂缝耦合条件下的产能预测模型,综合考虑吸附、解吸、扩散、裂缝网络等非线性流动效应的作用,并分别运用有限差分、嵌套性有限差分方法及牛顿拉普森迭代法进行求解。最后,结合我国某页岩区块实际井对体积压裂后产能进行影响因素分析。该模型对页岩气藏水平井压裂设计、压裂参数优化以及产能评价研究都具有一定的指导意义。     

基于产气剖面的页岩气离散裂缝网络反演方法

页岩气井压后裂缝描述对页岩气井生产动态预测、生产后期重复压裂设计以及加密井井眼轨迹设计等具有重要意义。以涪陵页岩气田开发和地质参数为基础,基于高效离散裂缝网络（EDFN）数值模拟方法,研究裂缝长度、压裂段裂缝累计总长、裂缝间距、裂缝相对位置等对压裂段贡献率的影响,通过水平井生产动态解释得到的裂缝特征参数反演离散裂缝网络。以JY46-3HF开发井产气剖面、产气贡献率和裂缝特征参数的相关性为基础,建立压裂裂缝网络模型,各压裂段产气贡献率模拟结果和实测结果高度吻合。研究结果表明,压裂段产气贡献率和压裂段裂缝累计总长正相关,裂缝间距、裂缝相对位置则通过影响裂缝对基质区域控制的大小影响压裂段对页岩气井的贡献率。     

基于有限体积方法的页岩气多段压裂水平井数值模拟

为了实现页岩气在多尺度介质中的流动模拟,考虑页岩气在基质—天然微裂缝和人工大尺度压裂缝中的流动特征,建立页岩气多段压裂水平井不稳定渗流数学模型,针对模拟区域采用非结构四面体网格进行网格剖分,基于有限体积方法离散建立页岩气三维渗流数值模型,然后通过顺序求解的方法进行求解,进而模拟页岩气多段压裂水平井的生产动态和储层压力分布变化,并对模拟结果进行分析。研究结果表明:(1)采用所建立的数值模拟计算方法与商业数值模拟软件Eclipse计算的多段压裂水平井产气量基本一致,证实该模型正确、可行;(2)分别采用顺序求解方法和全隐式求解方法计算得到的页岩气水平井产气量虽然在生产初期存在着差异,但随着计算的推进,二者迅速趋于一致,进一步验证了该模型的正确性;(3)尽管解吸气对地层压力具有补充作用,但作用有限,对产气量的影响不大,随着生产时间的延长,解吸气量在产气量中所占比例逐渐上升;(4)确定合理的压裂段数且获得较长的压裂缝长,是页岩气水平井增产改造的核心。结论认为,该研究成果有助于页岩气储层体积压裂的设计以及多段压裂水平井生产动态的预测。     

页岩气渗流机理与产能研究

页岩气储存和运移的特殊性导致了其渗流过程描述的复杂性。很多学者按照双重介质渗流研究页岩气渗流．认为吸附气解吸后直接扩散到裂缝中;但由于其忽略了基质颗粒间存在的游离气,使得渗流过程的描述不完整。在前人研究的基础上,文中引入了一个新的流动过程——基质孔隙系统中的流动,建立了相应的页岩气渗流方程;通过空间变换及数值求解,得出了圆形封闭地层中页岩气井定压生产时无因次拟压力的Laplace空间解：在此基础上绘制了产能随时间的变化关系图,分析了吸附系数、封闭边界半径、弹性储容系数等页岩气特征参数对产能曲线的影响。研究结果表明：页岩气井的产能曲线呈初期产能快速下降-稳产-产能缓慢下降的“三段式”特征;封闭边界半径越大,稳产时间越长;吸附系数越大,初期产能下降越慢,稳产时间越长;裂缝弹性储容系数越大。初期产能下降越快。     

中国现阶段页岩气资源评价方法分析

为寻求现阶段我国页岩气资源评价合适、准确且易行的方法,文中通过系统分析国内外页岩气资源评价方法,阐述了国内外具有代表性的页岩气资源评价方法的原理、使用范围及其关键参数获取,分析了每种方法现阶段在我国进行页岩气资源评价时,因勘探程度、资料条件、地质条件各异而存在的问题和所受的限制(如动态法、静态法中的地质类比法、成因法、体积法和综合分析法)。认为基于体积法改进的条件概率体积法是现阶段我国进行页岩气资源评价易行且有效的方法,但仍需根据不同地区和不同层系页岩气的发育背景、富集机理等特征有针对性地改造和完善。