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。     

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。     

不同格子Boltzmann模型在毛细管流动模拟中的应用

格子Boltzmann方法(LBM)在孔隙尺度流动模拟方面具有模型简洁、易于并行计算的优势,对于不同类型的流动状态,相应的理论LBM模型被提出,但理论模型的适用性和准确性仍待研究。针对流体在孔隙尺度层面上的等温不可压缩流动,采用不同的LBM模型进行了建模、编程,计算了单相流体在毛细管中的流动,并将计算结果与对应解析解进行了对比,分析了不同LBM数值模型的数值精度和稳定性。结果表明,在模拟孔隙尺度层面,对于毛细管定常流动,Zou-Hou模型的模拟结果与解析解吻合度及稳定性最高;但在模拟非定常流动问题时,Zou-Hou模型无法求解,应优先考虑He-Luo模型。研究结果为多孔介质流动模拟技术的适用性评价和模型优选提供技术参考。     

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...     

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%。     

多松弛时间格子Boltzmann方法的黏滞吸收边界

当介质的几何结构复杂或者内部存在强物性界面时,传统的地震波正演模拟方法的计算结果往往难以满足实际精细波场计算的要求。多松弛时间格子Boltzmann方法（MRT-LBM）是一种新兴数值模拟方法,具有稳定性好、计算精度高、边界处理灵活等优点。针对MRT-LBM数值模拟时面临的人工截断边界,提出了一种基于多松弛参数的黏滞吸收边界方案。由于边界反射的压制效果对衰减参数很敏感,因此通过大量数值模拟实验选择了最优参数组合,获得了适用性强的吸收边界条件。该吸收边界条件的算法简单,且可扩展性强。最后应用均匀模型和简单非均质模型验证了其吸收效果,并用复杂的BP模型验证了其适用性。     

From molecular dynamics to lattice Boltzmann: a new approach for pore-scale modeling of multi-phase flow

Most current lattice Boltzmann（LBM） models suffer from the deficiency that their parameters have to be obtained by fitting experimental results.In this paper,we propose a new method that integrates the molecular dynamics（MD） simulation and LBM to avoid such defect.The basic idea is to first construct a molecular model based on the actual components of the rock-fluid system,then to compute the interaction force between the rock and the fluid of different densities through the MD simulation.This calculated rock-fluid interaction force,combined with the fluid-fluid force determined from the equation of state,is then used in LBM modeling.Without parameter fitting,this study presents a new systematic approach for pore-scale modeling of multi-phase flow.We have validated this approach by simulating a two-phase separation process and gas-liquid-solid three-phase contact angle.Based on an actual X-ray CT image of a reservoir core,we applied our workflow to calculate the absolute permeability of the core,vapor-liquid H₂O relative permeability,and capillary pressure curves.     

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.     

注入法研究渗流特征

流体在孔隙介质中以不同速度渗流时,分别遵循达西定律和福希海默定律。通过对注入法的研究,在等温、不同压力条件下测量渗流速度,引进了惯性系数,它的有效性也通过研究流体在烧结金属孔隙介质中的渗流特征被证实。注入法这种新方法比常规的测量方法更优越,因为这个实验只需两分钟就可以完成。并且消耗更少的气体。根据速度的不同,将渗流过程分为两个阶段,其渗流规律分别满足达西定律和福希海默定律。先用实验数据计算达西定律范围内渗流的渗透率,然后测定福希海默定律范围内渗流的惯性系数,此方法测定的渗透率与真实值只有3%的误差。并且它能确切的计算出渗流速度,而且很接近真实值。最后这个实验需要挑选出一个特定的容器来保证实验数据准确性。     

基于稳定流法的低渗透储层渗流规律实验研究

通常对于低渗储层进行水驱油测试采用非稳定流方法,但该测试方法准确性较差,不能满足生产要求.为了更清楚地认识低渗透储层的油水运动规律,结合该类储层的地质特征,在考虑启动压力的情况下,采用稳定流方法研究低渗透储层低含水期流体的渗流特征.实验结果表明:在低含水期和高含水期,油水相对渗透率与含水率之间为非线性关系;在中含水期,随含水率的上升,油相和水相相对渗透率呈线性下降和上升.该研究成果对于提高低渗透油田的开发效果具有指导性意义.