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。图8表1参56     

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。     

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。     

基于数字岩心技术的气体解析/扩散格子Boltzmann模拟

在页岩气和煤层气等非常规储层中普遍存在着气体解析/扩散现象,为了描述微观尺度下的流动模拟,通过在格子Boltzmann方法的演化方程中添加源汇项,模拟了多孔介质中的解析/扩散现象。并以Langmuir等温吸附定律为例进行模拟,模型计算结果与宏观扩散方程的有限差分结果基本一致,但有限差分方法对时间步长要求较高,计算量比格子Boltzmann方法大,格子Boltzmann方法在迭代次数上具有明显的优势。最后基于CT扫描的二维数字岩心,模拟了气体在复杂结构多孔介质中气体解析/扩散过程。这种处理方式避免了复杂的边界条件,计算量不会明显增加,并可以用来模拟具有复杂孔隙结构的真实岩心中的解析/扩散现象,同时可以根据不同储层中气体满足的解析/吸附规律来配置源汇项。     

未出现径向流的试井典型曲线及其分析方法

低渗透、特低渗透油气藏经过长时间测试后会仍然不出现径向流响应,采用常规Gringarten-Bourdet复合图版难以有效地确定出地层参数。通过均质无限大试井模型短时渐近解,求解出无因次井筒储集系数和表皮因子复合参数与无因次时间、无因次井底压力的关系式(ζ函数)。利用无因次压力和ζ函数构造出新的早期试井解释图版,该图版能够降低早期试井数据分析的多解性。通过建立均质油藏达西流模型及考虑启动压力梯度的均质油藏非达西流模型,给出了这2种模型对应的早期新图版,并分析了新图版的典型特征和渐近性质。与已有的早期试井分析图版对比发现,新图版对均质模型及考虑启动压力梯度的均质模型参数变化响应更加敏感,能够更有效地降低早期试井解释的多解性。     

利用格子Boltzmann方法研究水泥替置

水泥替置在建井和完井中起着重要作用.在石油工业中用水泥来维持、保护套进,密封储层,以及替置钻井液已经成为必要的过程.处理不好的水泥替置将导致后续补救挤注水泥固井,这是非常昂贵和耗时的.本文用一种新方法即格子Boltzmann方法来模拟水泥替置过程.传统方法,例如有限差分、有限元或有限体积方法对于计算流体动力学存在着严重的问题:计算时间长,不易收敛以及数值不稳定.格子Boltzmann方法是基于Boltzmann方程基础上一种更有效的计算方法.从流体动力学计算中获得环空中钻井液和泥浆速度分布图.由于泥浆特性的影响,对驱替速度分布图上的流入速率进行了研究.水泥窜槽的机率用格子Boltzmann结果进行了讨论.     

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。     

裂缝有水气藏无因次水侵量计算模型参数优化

针对目前四川盆地有水气藏水侵分析方法实用性偏差及计算精度较低等问题,开展基于非稳态水侵问题的无因次模型参数优化方法研究。该方法综合无因次非稳态水侵量计算和水驱气藏物质平衡方程,采用实际生产数据与预测结果拟合反馈修正预设水体参数,旨在提高水侵动态分析和水体计算的准确性。将该方法应用于四川盆地某气藏生产井的产水实例,对实例区域应用该方法构建局部水体,通过建立单井数值模型的方式论证该方法的有效性及实际效果。研究结果表明:①无因次水侵量计算模型参数优化方法可以降低由模型参数设计偏差导致的计算结果多解性;②显著提高水体计算和水侵动态分析的准确性;③对目前正在生产中的有水气藏的开发具有现实指导参考价值。     

页岩气藏压裂水平井Blasingame产量递减分析方法建立与应用

根据常规油气藏压裂直井Blasingame产量递减样板曲线建立方法,使用渐近法建立了拟稳态流动阶段无因次压力与无因次时间的线性关系获取方法,重新定义无因次参数,形成了考虑气体吸附和溶解的页岩气藏压裂水平井Blasingame典型样板曲线。结合页岩气藏物质平衡理论,将实例数据与样板曲线进行拟合,验证了Blasingame产量递减分析方法在页岩气藏压裂水平井生产数据解释中的有效性。研究结果表明：①基于新无因次变量,吸附、溶解影响下页岩气藏压裂水平井Blasingame样板曲线边界控制流阶段再次归结为一条斜率为-1的直线,结合吸附等实验数据,可有效降低拟稳态阶段的多解性;②页岩气藏压裂水平井Blasingame样板曲线受储量相关参数和裂缝参数的双重影响,储量相关参数越大,样板曲线位置越低,裂缝参数越大,样板曲线位置越高。③长期动态资料分析可有效获取储层物性参数、改造情况以及单井控制动态储量参数,基于拟合结果,为未来生产动态预测奠定了基础。     

基于最优裂缝导流能力的水平井压裂后生产指数预测新方法

生产指数是水平井压裂后生产能力评价的重要指标，目前非常规油气水平井压裂后产能预测方法较复杂，参数较多，需进一步优化设计。基于统一压裂设计理论的支撑剂指数法，借用支撑裂缝流动效率优化无因次裂缝导流能力及无因次生产指数，采用多元线性回归方法建立了水平井长度、裂缝半长、裂缝条数、井控边界、储层厚度5种因素影响下的最优无因次裂缝导流能力及无因次生产指数计算模型。结果表明：利用新建模型回归的最优无因次裂缝导流能力多元线性方程决定系数R2为0.933，回归的无因次生产指数多元线性方程决定系数R2为0.980，平均相对误差均小于5%，与传统预测方法相比，精度有了明显的提高。敏感性分析结果表明，生产指数与水平井长度、裂缝条数、裂缝半长和储层厚度呈正相关，与矩形渗流区域长度呈负相关，其中与裂缝条数的关联性最强。研究成果对快速实现非常规油气水平井压裂后产能准确预测、经济评价和施工参数优化都具有重要意义。     

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...     

页岩气藏多重介质耦合流动模型

为准确掌握页岩气流动规律以及精准评价水力压裂效果, 需要建立页岩气藏多重介质耦合流动模型。为此,基于页岩气 藏干酪根、无机基质及裂缝物性特征,综合考虑微纳米尺度气体黏性滑脱、努森扩散、吸附解吸、表面扩散等运移规律,通过表观 渗透率来综合表征页岩气藏多尺度介质渗流机理。在此基础上,考虑储层压裂改造特征及跨尺度流体传质机理,建立页岩气藏多重 介质耦合流动模型,应用Laplace 变换和Stehfest 数值反演,得到了定产和定压情况下封闭边界单裂缝井底无因次拟压力和产量半解 析解。在模型正确性验证的基础上,结合矿场参数对模型进行实例分析。结果表明：①干酪根是页岩气藏重要的烃源介质,干酪根 含量每增加10%,对页岩气累积产量的贡献度增加12% 左右;②无机基质滑脱效应及努森扩散在对生产中期气体流速产生较大影响 的同时也增大了孔隙压力衰竭速度。基于所建流动模型研究了页岩气藏分段压裂水平井流动规律,结果表明：不考虑井筒存储及表 皮效应时,储层有线性流、双线性流、“双窜流”、无机基质稳态流、拟边界流、“三线性”流、封闭边界流7 个流动阶段。     

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。     

页岩气离散裂缝网络模型数值模拟方法研究

页岩气开发已经成为当今世界各国的焦点,然而关于页岩气的理论研究还处于起步阶段。目前关于页岩气数值模拟方法的应用大多局限于常规油气藏数值模拟所采用的连续介质模型,但页岩气藏天然裂缝发育,非均质性强,连续介质模型不能准确表征页岩气特有的渗流特征。基于离散裂缝网络模型(DFN),从渗流理论出发,建立页岩气离散裂缝网络渗流数学模型,表征页岩气在干酪根中的扩散效应,孔壁的吸附—解吸附效应,纳米孔隙中的滑脱效应、Knudsen扩散效应以及裂缝内的非达西渗流规律。利用有限差分法求解渗流方程并进行敏感性分析。最终得出：①页岩气不同生产阶段,产气机理不同|②滑脱效应和Knudsen扩散效应对页岩气产能影响较大,而吸附—解吸附效应和干酪根中的扩散效应对延长页岩气稳产期起到关键作用。通过和现有页岩气数值模拟软件CMG(2012版)计算结果对比,该模型在模拟裂缝性页岩气藏时更符合实际情况,为页岩气数值模拟的研究奠定了基础。     

微尺度通道内稀薄气体高阶努森数渗透率修正模型

气体在微纳米尺度通道内流动时会产生稀薄效应,应用经典理论很难准确预测气体的真实流量,亟需建立精度更高、更具普适性的渗透率修正模型来描述稀薄气体的流动行为。为此,首先采用R26矩方法对平板微通道中的气体流动进行数值模拟,并与直接模拟蒙特卡洛法(DSMC法)、R13矩方法的模拟结果进行对比,然后基于R26矩方法的模拟结果建立平板微通道与圆管微通道内气体渗透率修正模型,运用所建立的模型描述微尺度通道内稀薄气体的流动行为,计算不同努森数下气体渗透率修正系数,并与Tang等模型预测结果、实验数据及线性Boltzmann方程解进行对比分析。研究结果表明:①采用R26矩方法描述气体稀薄效应,其模拟结果与DSMC法计算结果吻合情况良好,并且计算结果的精度高于R13矩方法 ;②采用平板微通道高阶努森数气体渗透率修正模型计算的气体渗透率修正系数与实验数据、线性Boltzmann方程解吻合良好;③采用圆管微通道高阶努森数气体渗透率修正模型计算的气体渗透率修正系数与线性Boltzmann方程解吻合良好。结论认为,所建立的高阶努森数气体渗透率修正模型预测精度高且具有普适性,可用于描述微纳米尺度通道内气体的稀薄效应。     

页岩气藏体积压裂水平井产能有限元数值模拟

考虑到压裂过程中的多重复合作用,将压后页岩储层分为支撑主裂缝、缝网波及区与未压裂区。考虑基岩纳米孔隙中气体吸附与解吸、Knudsen扩散、滑脱流、黏性流,以及水压诱导裂缝应力敏感效应,建立了页岩气藏体积压裂生产动态模拟的物理模型和渗流数学模型。结合Galerkin有限元方法,对基质和裂缝渗流方程进行空间上的离散,推导了三角形单元有限元数值模型,给出了压裂水平井二维渗流场内、外边界条件和水力裂缝处理方法,对时间域采用向后差分,最后顺序求解裂缝和基质压力方程,模拟了页岩气藏体积压裂水平井生产动态和压力场分布。该研究为页岩气储层体积压裂产能评价提供了理论模型,对于有限元法模拟双重介质渗流场和产能预测具有现实意义。     

具窜流的层状有界油藏定井底流压生产下的流量动态预测

建立了考虑表皮效应的层状越流油藏定井底流压生产的数学模型,求得拉氏空间下无 因次流量和累积流量的解析解;利用Stehfest数值反演,绘制了实空间下的无因次流量及累积流量 与无因次时间的双对数曲线。所获得的结果有助于认识层状油藏的流量动态并进行产量预测,还 可为是否需要对井筒附近进行改善提供参考。定井底流压下流量响应所反应出的油藏信息,有助 于确定油藏参数。