页岩气复杂孔裂隙真实气体传输机理和数学模型

基于滑脱流动和努森扩散,分别以分子之间碰撞频率和分子与壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和努森扩散的权重系数,进行权重叠加,建立了页岩气复杂孔裂隙气体传输模型.该模型综合考虑了滑脱效应和真实气体效应,同时还分别考虑了截面类型(圆形和矩形)和形状对气体传输的影响.用公开发表的分子模拟数据验证模型.结果表明:(1)本文模型能够合理地描述页岩气复杂孔裂隙气体传输机理,包括连续流动、滑脱流动和过渡流动;(2)页岩气孔裂隙截面类型和形状影响气体传输能力,相同截面面积,圆形截面孔裂隙气体传输能力大于矩形截面孔裂隙气体传输能力,矩形截面孔裂隙气体传输能力随纵横比增大而减小;与截面类型相比,截面形状对气体传输能力的影响更大;(3)真实气体效应提高了气体传输能力,且这种影响随压力增大而增大,随孔裂隙尺度减小而增大;(4)与圆形截面相比,真实气体效应对矩形截面气体传导率影响更大,且随矩形截面纵横比增大而增大.本文模型能为页岩气准确数值模拟奠定一些理论基础.     

页岩气纳米孔真实气体传输模型

页岩富含纳米孔,纳米孔气体传输不同于宏观流体流动.基于滑脱流动和克努森扩散两种传输机理,分别以分子之间碰撞频率和分子与壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和克努森扩散的权重系数,耦合这两种机理,建立了理想气体传输模型.同时考虑高压条件下真实气体分子间相互作用力和气体分子自身体积对气体传输的影响,建立了页岩纳米孔真实气体传输模型.模型可靠性通过分子模拟结果验证.结果表明:纳米孔真实气体传输模型能够更合理地描述所有的气体传输机理,包括连续流动、滑脱流动和过渡流动;真实气体效应对气体传输的影响可高达23%,其受压力、温度、纳米孔尺度和气体类型的控制;在室内实验条件下模拟页岩纳米孔气体传输时,用氦气代替甲烷,低估了甲烷的传输能力65.09%;用氮气代替甲烷,高估了甲烷的传输能力106.27%.     

纳米尺度下页岩基质中的页岩气渗流及渗吸特征

基于页岩基质的纳米尺度孔隙特征,分析了页岩气在纳米孔隙中渗流的扩散、滑脱和达西渗流等对页岩气流动流量的影响.压差作用下页岩气流量的特征研究表明:达西流动产生的流量与地层压力、压力梯度和渗透率成正比;扩散引发的流量与压力梯度成正比,与平均压力成反比,与渗透率无关;滑脱引发的流量与压力梯度、渗透率成正比,压力梯度和渗透率一定时,滑脱流量为定值,与地层平均压力无关.低压下,气体的扩散效应和滑脱效应明显,扩散产生的流量所占比例较大,高压下渗流以达西流为主;在整个从低压到高压的地层压力区间,在低压下由于扩散作用,总的页岩气有一定的流量,随着地层压力的增大扩散产生的流量减小,到一定值后随着达西流量的进一步增大,总流量随地层压力的增加而增大,说明页岩气生产中存在一个最低效生产的压力区域.水在页岩薄片上吸水过程近似分为三个阶段:(1)水在页岩薄片表面的快速吸附;(2)水在裂缝中较快速度的渗吸;(3)水沿着微裂缝的缓慢渗吸.为页岩气开发中的压裂水的反排特征研究提供了理论基础.     

页岩气多尺度传质特征及过程协调机制研究

页岩气开发过程中的多尺度传质行为显著,综合考虑页岩多尺度孔隙结构、多种气体传输机理和多种微尺度效应,构建了页岩表观等效渗透率数学模型,分析了实际生产过程中的页岩渗透性变化特征,明确了页岩气多尺度传质行为主控因素(气-固系统性质、孔隙类型及连通性、温度压力条件)的影响,提出了页岩气多尺度传质行为评价指标,即孔隙直径介于50~200 nm孔隙所占比例,从介科学的角度形成了页岩气多尺度传质行为评价方法,并结合页岩气开发所面临的主要问题,凝练了页岩气多尺度传质过程协调机制,即降低水相圈闭损害、沟通基质纳米孔及纳米孔扩容、促进解吸-扩散.     

考虑水蒸气压力的平衡水页岩等温吸附

基于改进的容积法等温吸附实验装置,分别测量了甲烷在干燥、平衡水条件下的页岩等温吸附曲线,实验温度为303.15,323.15和353.15 K,实验最高压力达20 MPa,实验数据采用修正的Langmuir方程进行拟合.在开展平衡水页岩吸附实验时,考虑了水蒸气压力,认为实验气体为甲烷与水蒸气混合气体,重新计算了混合气体中甲烷吸附量,并从吸附热力学角度阐述考虑水蒸气压力的意义,最后在地层条件下讨论了水蒸气压力对页岩吸附的影响.结果表明,考虑/未考虑水蒸气压力的平衡水页岩Langmuir最大吸附量分别为0.053和0.039 mmol/g,未考虑水蒸气压力的甲烷吸附量被低估26.4%.干燥页岩的等量吸附热为11.6 k J/mol,考虑与不考虑水蒸气压力的平衡水页岩等量吸附热分别为10.7和12.3 k J/mol,由于水分优先吸附于能量较高的吸附位,在水分存在情况下,平衡水页岩对甲烷的等量吸附热应该小于干燥页岩,因此,经水蒸气压力校正后的等量吸附热更加符合热力学一致性.在地层条件下,水蒸气压力对页岩吸附的影响分为两个阶段:(1)浅埋藏阶段(地层深度小于700 m),此阶段由压力梯度主导,压力梯度越大,水蒸气压力对吸附的影响越大;(2)深埋藏阶段(地层深度大于700 m),此阶段由压力梯度和温度梯度同时控制,压力梯度越大,温度梯度越小,水蒸气压力对吸附的影响越大.     

基于数字岩心和LBM的页岩气流固耦合数值模拟

页岩具有很强的压力敏感性,围压和孔压的变化会改变页岩孔隙的大小,从而对页岩气的流动规律产生影响,利用数字岩心结合格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM)来研究页岩气微观渗流规律得到越来越多学者的重视.本文建立了应力条件下的数字岩心应力应变模型和页岩气渗流LBM模型,研究了应力对页岩气渗流的影响规律.研究结果表明:有机质中的纳米孔隙对应力更加敏感,随应力变化的程度相比矿物骨架孔隙更大,从而影响页岩气在纳米孔隙中的解吸和扩散;孔压对各渗流机理的影响要比围压的影响大,是因为孔压的变化不仅影响了孔隙的尺寸还影响了气体的平均分子自由程;当平均孔压从17 MPa降低到5 MPa时,解吸的气体量和通过扩散流动的气体量占总气体流量的比例不断增加,分别增加了2%和1.9%,而通过滑脱流动的气体量占总气体流量的比例不断减少,减少了3.8%.利用应力条件下的数字岩心和格子Boltzmann方法可以更精确地模拟页岩气在储层中的流动规律,更好地理解页岩气的产出机理.     

气体吸附对页岩裂缝表观渗透率和页岩气采收率的影响

页岩气以及无水压裂技术采用的二氧化碳都可使页岩发生吸附变形,影响其裂缝表观渗透率,同时表观渗透率还受到有效应力和流体流态的影响.页岩气渗流过程中多种物理场相互耦合使得吸附应变对表观渗透率的影响不易被分析,常被忽略.本文基于多孔弹性理论和页岩吸附变形的特点,建立了适用于多种边界条件的页岩裂缝表观渗透率模型,提出了分析吸附变形对表观渗透率影响的方案,并分析了一组富有机质页岩样品中吸附应变对其表观渗透率的影响,最终结合页岩气多尺度渗流模型分析了吸附变形对页岩气采收率的影响.研究结果表明:采用不同边界条件和气体测量页岩表观渗透率时,其主控机理并不相同;基于此特点,结合"固定围压"和"固定孔隙压力"条件下的非吸附性气体和吸附性气体测量所得的页岩表观渗透率数据,可以确定内部吸附变形对表观渗透率有较大影响,不可忽略;此外,相较于内部吸附变形,气体吸附引起的页岩整体变形对表观渗透率和页岩气采收率有更大影响.     

页岩气多尺度复杂流动机理与模型研究

页岩气储层纳微米孔隙、裂缝结构复杂,存在多尺度流动,气体的流动规律不同于常规气藏.本文对多孔介质内气体流动进行了研究,利用努森数划分不同尺度下气体流态,阐明了不同区域的流动机理和流动特征;综合考虑达西渗流、滑移扩散效应、井筒附近高速非达西效应等多重非线性效应,建立了页岩气储层多尺度统一流动模型.引入页岩气储层基质-压裂缝耦合两区模型,建立了页岩气储层压裂井定压条件下的两区压力分布和产能预测方程,并结合生产实例进行了参数敏感性分析.结果表明:随着滑移扩散系数、分形系数、压裂半径的增大,页岩气井产能增加,且增加幅度减小;考虑高速非达西效应较不考虑高速非达西效应时,页岩储层产能偏低,且高速非达西效应的影响小于滑移扩散对产能的影响.该模型为体积压裂页岩气产能预测及开发指标优化提供了理论依据.     

页岩气直井非稳态非线性渗流的数值计算及产能预测

结合我国南方海相页岩气藏的实际,针对页岩气藏的特殊孔隙结构及多尺度流动的特征,首先由Knudsen数判断出储层主体流态为滑移流,并指出页岩气在页岩多孔介质中的传输过程是一个等温过程.然后修正了Beskok-Karniadakis二阶近似模型,建立了致密页岩气直井平面径向非稳态非线性渗流问题的数学模型.进一步应用玻尔兹曼变换将问题简化,并给出了求解压力场的数值离散显式迭代格式.最后数值计算得到了内边界定压条件下直井的压力场随时间、空间分布曲线,预测了产量随时间变化的规律,并分析了解吸、滑移和扩散效应对产量的影响.     

高储氢容量单壁纳米碳管的孔隙结构

通过对低温氮吸附等温线的解析, 揭示了高储氢容量单壁纳米碳管(SWNT)结构和能量分布的不均匀性——具有多种孔隙结构和一定的表面能分布. 通过对储氢前后SWNT孔径和表面能分布曲线的比较研究, 初步证明了微孔和小尺度中孔是储氢的基本结构单元, 而不同的孔结构(如微孔和小尺度中孔)决定不同的储氢过程, 经历不同的结构和表面结构变化.     

多孔介质非均质性对水油非混相驱替的影响及机理分析

深入理解水油两相在多孔介质内的非混相驱替过程对于水驱油藏开发具有至关重要的意义.为摸清水油两相流动模式,本研究基于Navier-Stokes (N-S)方程模拟水油两相在微观多孔介质中的非混相驱替过程,采用相场方法实时描述两相界面变化.并对比了均质多孔介质模型与非均质多孔介质模型内的水驱油过程,研究了多孔介质非均质性对于水油非混相驱替模式、驱替效率及出口端见水时间的影响.两相流体的非混相驱替模式通常可分为三种类型:毛管指进、稳定驱替、黏性指进.其流动模式通常取决于两个无量纲数,毛管数和黏度比.本研究结果表明,多孔介质非均质性会增强水油两相驱替过程界面的不稳定性,使得非均质模型内的非混相驱替更易向黏性指进发展,降低黏性指进产生的临界毛管数;非均质模型的无水采收率较均质模型低,多孔介质无水采收率并不随毛管数的增大而增大,当驱替模式由毛管指进向黏性指进转变时,无水采收率随毛管数的增大而减小;相同毛管数条件下,非均质模型出口端的见水时间比均质模型早,黏性指进的形成会减小均质与非均质模型见水时间差异.该研究初步揭示了多孔介质非均质性对于水油非混相驱的影响,为深入理解油气储层中水油两相流动规律提供...     

考虑页岩气赋存及非线性流动机理的产能预测半解析方法

常规油气井可较容易求得解析产能,而页岩气的解吸、滑脱和扩散等非线性流动机理导致产能模型具有严重的非线性.本文运用三线性流模型,引入新的拟压力和拟时间处理页岩气的解吸和压缩性的非线性,运用逐次替换法处理滑脱和扩散的非线性.引入动用范围的概念,结合物质平衡方法和牛顿迭代法求得不同时间下的平均压力,以此不断更新模型参数,获得产能的半解析解.结果表明:(1)该方法能高效处理模型的非线性,准确快速地获得页岩气井的产能;(2)忽略气体的压缩性会严重低估气井产能;滑脱和扩散提高了气井产能,但加剧了产量递减;吸附解吸提高了中后期的产能,减缓了产量递减;(3)该方法能很好地拟合矿场生产数据,并预测气井的产能和可采储量.     

基于碳纳米管薄膜的吸附式气体传感器的研究

研究了低温低压化学气相沉积(LPCVD)法生长的多壁碳纳米管薄膜对气体的敏感性. 结果表明纯的多壁碳纳米管薄膜对气体没有明显的气敏特性, 而碳纳米管-二氧化硅复合薄膜表现出对甲烷、氢气和乙炔的敏感性. LPCVD法生长的多壁碳纳米管-二氧化硅复合薄膜由于Schottky结的形成而具有电容性, 被测气体在多壁碳纳米管表面发生化学吸附, 从而调节Schottky结处存在的空间放电区域而导致介电常数改变是其对气体敏感的主要原因.     

耦合基质-天然裂缝渗流机理的页岩气表观渗透率

页岩储层微纳米孔隙、天然裂缝发育,不同类型孔隙中气体赋存状态和传输机理各异.本文在对天然裂缝定量表征的基础上,兼顾页岩气渗流特征和实际工程应用需要,综合考虑页岩岩芯孔-缝发育特征,基于渗透率串-并联模型建立耦合基质微纳米孔隙气体滑脱效应、扩散效应和天然裂缝渗流特征的页岩气表观渗透率模型,利用四川盆地牛蹄塘组天然裂缝发育的页岩岩样对理论模型进行验证.研究结果表明,该渗透率模型即能高度拟合天然页岩岩芯渗透率实验测量结果,又准确描述了岩芯内部基质孔隙和天然裂缝共同渗流的特点,更加符合实际渗流情况.总之,本文建立的页岩天然裂缝定量表征方法和综合考虑微纳米孔隙、天然裂缝渗流特征的表观渗透率模型不仅为页岩气藏复杂裂缝网络建模提供了一种新的手段,而且进一步推动了复杂缝网页岩气藏数值模拟研究工程应用的实现.     

微重力下环境压力和辐射再吸收对火焰沿薄燃料表面传播的影响

当环境气体不具备辐射特性时(例如环境气体为O2-N2), 在较小的环境压力下, 火焰向燃料表面的热传导是火焰传播的主要驱动力. 但随着环境压力的增大, 火焰传播速度越来越大, 火焰对燃料表面的热辐射逐渐成为火焰传播的主要驱动力之一. 当环境气体具有较强的辐射特性时(例如环境气体为O2-CO2), 在较小的环境压力下, 火焰前沿环境气体的辐射再吸收将强化火焰对燃料表面的传热、热辐射和热传导在火焰传播机理中均起重要作用. 随着环境压力的增大, 氧气向火焰的扩散加强, 燃烧反应加剧, 火焰传播加速. 当环境压力大于一定值时, 进一步增大环境压力, 环境气体的辐射再吸收使火焰对燃料表面的热辐射减弱. 因此, 火焰传播速度反而随着环境压力的增大而减小, 火焰向燃料表面的热传导逐渐成为火焰传播的主要驱动力.     

聚合物小尺寸燃烧中的传热阻碍

固体燃面上方流动和扩散的气体？炭黑（soot）混合介质对火焰热量反馈（包括外界热源辐射传热）的阻碍作用称为火焰传热阻碍,它影响着燃烧速率和释热速率.这一影响应当在火灾蔓延理论模型中定量体现.小尺寸燃烧的机理研究对于全面描述全尺寸火行为至关重要.在火蔓延实验装置上,以非直接测量方式定量研究了不同环境氧浓度时的火焰传热阻碍,并提出了传热阻碍现象的实验证据和测量途径.同时建立了独立于实验的、着重描述火焰介质吸收与发射的一维稳态扩散火焰模型,进一步从物理本质上揭示了现象的机理和规律.研究发现火焰的传热阻碍系数可高达0.3至0.4,且基本不随外加辐射强度变化而变化,但随环境氧浓度升高而增大.实验数据与模型计算结果符合程度较好.     

MD 模拟研究带静电ACF 对甲醇的吸附

为了探索静电荷在极性分子的物理吸附过程中的控制作用, 对甲醇在带静电荷的活性炭纤维(ACF)纳米孔中的吸/脱附情况进行了分子动力学(MD)模拟研究. 在引入静电荷的中孔ACF/甲醇吸附系统中, 从模拟结果可以观测到孔内的甲醇分子扩散到吸附位的时间缩短、吸附冷凝的准液态甲醇密度增大、甲醇分子的空间排列有取向性、达到吸附平衡时系统能量显著降低等特殊现象, 表明了静电荷增强了中孔ACF 对甲醇分子的吸附作用, 使吸附强度、稳定性和有序性有所提高, 能够提高吸附容量和加快吸附速率. 系统达到吸附平衡后再消除静电荷, 升温至60℃左右进行模拟, 可以观察到比较明显的脱附趋势.     

气体压强对超音速气雾化中气体流场的影响

气体雾化技术可以制备一系列高性能超细球形金属粉末．利用计算流体动力学软件Fluent模拟了雾化气体压强（P0）对超音速气雾化喷嘴气体流场的影响,以及对流场中心线上压强、速度等变化的影响规律．研究结果表明：随着P0的增大,流场内气流达到的最大速度逐渐增加;当雾化气体压强较小时,抽吸压强（△P）随雾化气体压强增大而减小;而当雾化气体压强达到某一临界值时,△P才随雾化气体压强增大而增大;抽吸压强的变化与雾化室中心线上滞止压强和马赫碟位置的变化相一致,滞点位置对抽吸压强的作用不大：导液管顶端径向分布的静压强存在一个压强梯度,并且随着雾化气体压强的增加而增大．     

三维有序多孔SiC陶瓷的制备及表征

采用三维有序氧化硅凝胶小球为模板, 以聚甲基硅烷(PMS)为先驱体, 经过先驱体的渗入、陶瓷转化和模板的去除, 制备了长程三维有序球形孔多孔SiC陶瓷. 研究结果表明: 所制备的多孔陶瓷中球形孔的孔径(84~658 nm)、BET比表面积(299.44~584.64 m²/g)和微孔体积(0.25~0.64 cm³/g)受氧化硅凝胶小球的粒径(112~700 nm)控制, 且该多孔陶瓷体系中存在3种孔, 即球形孔、“窗口”和小孔(2~5 nm). 其中球形孔以hcp结构有序排列、“窗口”使球形孔三维贯通、小孔的存在使该多孔陶瓷体系具有极高的BET比表面积和微孔体积.     

页岩及黏土纳米孔隙中液态水分布量化研究

页岩储层富含纳米级孔隙,因此在纳米尺度上研究孔隙内流体分布特征具有重要意义.本研究基于室内实验,量化评价了页岩及黏土孔隙含水饱和度分布特征,实验发现:在水吸附过程中,黏土孔隙内"毛细凝聚"现象显著,当环境相对湿度较高时,部分小孔隙将被毛管水完全阻塞;而对于页岩样品,无机质孔隙表现出亲水作用,但是有机质表现出憎水作用,页岩整体吸水能力相对较弱.同时,考虑页岩有机质与无机质孔隙形貌特征差异性,建立数学模型研究孔隙形状对吸水特征的影响.结果表明:利用狭缝孔模型计算的吸水曲线与实测结果更接近,因此在研究页岩吸水特征时,应将孔隙形状假设为狭缝孔,而并非通常假设的圆管孔.本研究将对深入认识及评价页岩储层不同类型孔隙内流体的赋存方式及产出机理奠定理论基础.