页岩气藏内跨尺度两相流动特性的数值研究

摘要

随着我国经济发展日益增长，对能源的需求愈发增加，而常规油气田开采难度增大，促使国内天然气工业的能源重心由常规油气田的开发向非常规油气田开发转移。由于页岩的孔隙渗透结构与常规不同，其结构致密且低渗等特性导致流体在内部流动情况难以预测。为探究其页岩压裂直至孔隙内部的真实流动过程，本文采用Fluent以及COMSOL Multiphysics软件分别对水力压裂的多尺度过程进行模拟。针对水力压裂过程分别计算各种不同进口位置，支撑剂密度，固相体积分数等情况下的支撑剂的沉降规律，得出不适当的进口位置会造成近井处存在无支撑区域；并且支撑剂密度的减小和减小支撑剂的体积分数可以提升支撑剂的输运能力，沉降距离增大，颗粒流化能力增强。分别进行了Darcy-Stokes模型和Brinkman-Stokes模型在进行自由流与渗流耦合的影响对比。在介观尺度优选Brinkman-Stokes耦合的方法研究了裂缝与基质内的渗透特性，得出等效渗透率随着裂缝宽度的增加而呈幂函数形式增大，等效渗透率随着孔隙率的增加而增大，但随着裂缝宽度的增加，孔隙部分的流量占总流量的百分数逐渐减小。还在微观尺度分别进行了单相和气水两相流动的模拟，在单相多孔介质流动模拟中，多孔介质内交界处的流速较快，孔隙率越小，多孔介质区域内流速越快。在多孔介质气水两相流的驱替过程中，可以看到有如水-水交界面、气-水交界面以及气-气交界面；另外在进行多孔介质内气液两相流体模拟时，采用了多孔介质错排和顺排两种不同布置情况下的驱替过程，得出不同的多孔介质形态对气水两相流的影响。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1支撑剂沉积运移研究现状

1.2.2自由流与渗流耦合研究现状

1.3本文主要研究内容及论文结构安排

1.3.1主要研究内容

1.3.2论文结构安排

第二章 支撑剂在裂缝中的输送沉降研究

2.1支撑剂在牛顿流体中的输送沉降机理

2.2支撑剂在压裂过程中的输送沉降研究

2.2.1液固多相流模型

2.2.2物理模型及求解

2.2.3网格独立性与步长独立性考核

2.3影响颗粒沉降的因素分析

2.3.1泵注排量对颗粒沉积的影响

2.3.2支撑剂性质对颗粒沉积的影响

2.3.3支撑剂固相体积分数对颗粒沉积的影响

2.4计算结果及分析

2.4.1模拟结果及对比

2.4.2 进口位置的影响

2.4.3支撑剂密度的影响

2.4.4支撑剂固相体积分数的影响

2.5本章小结

第三章 压裂裂缝内单相渗流模拟研究

3.1裂缝多孔介质单相渗流特性的研究

3.2裂缝不同耦合模型单相渗流特性的对比

3.2.1 Darcy-Stokes耦合模型

3.2.2 Stokes-Brinkman耦合模型

3.2.3模型结果对比及分析

3.2.4 Stokes-Brinkman模型敏感性分析

3.3单相多孔介质内微观耦合流动的研究

3.3.1数学模型及求解方法

3.3.2几何模型及边界条件

3.3.3结果及分析

3.4本章小结

第四章 气水两相自由流/渗流耦合流动数值模拟

4.1微观模型结构

4.2数学模型及求解方法

4.1.1动量和质量方程

4.1.2流体界面表示方法

4.1.3边界条件

4.3结果及分析

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢