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裂縫性水封氣藏解封過(guò)程中潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑濃度、氣水界面張力變化(二)

來(lái)源:天然氣工業(yè) 瀏覽 428 次 發(fā)布時(shí)間:2025-02-07

2裂縫性水封氣藏解封孔隙尺度模擬


在明確儲(chǔ)層物性、潤(rùn)濕性、水封程度、裂縫壓力對(duì)解封壓差影響規(guī)律的基礎(chǔ)上,建立裂縫性水封氣藏解封的微觀排水孔隙尺度模型,研究壁面潤(rùn)濕性、氣水界面張力和裂縫壓力對(duì)微觀氣驅(qū)排水和解封效率的影響規(guī)律,揭示解封過(guò)程的微觀排水作用機(jī)制。


2.1控制方程


在計(jì)算流體力學(xué)中,控制方程是描述流體運(yùn)動(dòng)的基本數(shù)學(xué)方程??刂品匠讨饕▌?dòng)量守恒方程(N—S方程)和質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程),如下所示[36]:

式中ρ表示流體密度,kg/m3;u表示速度矢量,m/s;p表示壓力,Pa;I表示單位矩陣;μ表示流體的動(dòng)力黏度,mPa·s;Fst表示氣水兩相的界面張力,N/m。


2.2界面追蹤方程


為更準(zhǔn)確地模擬微觀排水過(guò)程的氣水兩相流動(dòng)行為,通過(guò)N—S方程和質(zhì)量守恒方程描述多相流體流動(dòng)機(jī)制,同時(shí)耦合關(guān)于相變量的界面追蹤法(水平集法、流體體積法、相場(chǎng)法等)追蹤氣水界面。本文采用水平集方法,該方法可以在固定網(wǎng)格上進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,大幅降低計(jì)算復(fù)雜度。在氣水兩相流中,引入水平集函數(shù)(φ)來(lái)定義各自的體積分?jǐn)?shù),用來(lái)描述具有一定厚度的相界面,它是一個(gè)從0到1呈梯度變化的值,其中φ=0表示流體為氣相,φ=1表示流體為水相,取φ=0.5的等值面作為相界面。水平集方法相變量的演化方程如式(4)所示,描述了微觀排水過(guò)程的氣水界面變化[37-38]。

式描述相界面的移動(dòng),其中表示時(shí)間的積累項(xiàng),表示對(duì)流項(xiàng),φ表示水平集函數(shù);γ表示水平集函數(shù)重新初始化參數(shù),m/s;ε表示界面厚度參數(shù),m。


計(jì)算域內(nèi)氣水兩相流體的全局密度和動(dòng)力黏度,以滿足水平集函數(shù)的平滑階躍特性[39]:


式中ρw、ρg分別表示水、氣的密度,kg/m3;μw、μg分別是水、氣的黏度,mPa·s。


2.3邊界與初始條件


氣水兩相微觀滲流仿真中,提出以下假設(shè)條件:初始化狀態(tài)下孔隙域內(nèi)全飽和為水相;左端入口面為氣相,滿足定流邊界條件,右端出口面為定壓邊界條件,入口和出口處的初始狀態(tài)方程如式(6)所示;四周為封閉邊界,無(wú)流體通過(guò),封閉壁面的邊界條件如式(7)所示[36,40]。

式中n表示固體壁面的單位法向量;u0表示入口處的速度,m/s;p1表示出口處的壓力,Pa,nwall表示封閉邊界的單位法向量。


2.4模型建立


采用物理場(chǎng)數(shù)值模擬方法建立水封氣藏解封預(yù)測(cè)模型,研究氣體驅(qū)動(dòng)排水過(guò)程中儲(chǔ)層孔隙內(nèi)的氣水兩相滲流機(jī)制。首先,提出儲(chǔ)層真實(shí)孔隙模型建立方法:基于CT掃描技術(shù)對(duì)巖心柱進(jìn)行精細(xì)成像,通過(guò)圖像處理技術(shù)獲得其灰度圖像;經(jīng)過(guò)降噪、濾波、二值化等步驟,運(yùn)用Avizo軟件構(gòu)建出高精度的3D立體真實(shí)孔隙模型;然后,從模型中提取典型的孔喉結(jié)構(gòu)(直徑143μm,長(zhǎng)度400μm的圓柱體,與實(shí)驗(yàn)巖心尺寸比例一致),導(dǎo)入COMSOL Multiphysics軟件以構(gòu)建基礎(chǔ)模型。最后,通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)追蹤氣水兩相界面的動(dòng)態(tài)變化,探究氣水兩相滲流特征查明影響氣驅(qū)排水效果的關(guān)鍵因素,如注入速度、巖石壁面潤(rùn)濕性、氣水界面張力和出口端壓力等,揭示氣驅(qū)排水過(guò)程的微觀兩相滲流機(jī)理。


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