页岩气在变截面纳米孔道中的流动机理研究

摘要

随着石油储量减少和环境问题日益严重，页岩气受到人们的广泛重视。页岩气储层具有细粒度、低孔隙度、低渗透性等地层特征。页岩孔隙结构主要由纳米孔、微孔以及裂缝构成。平衡状态下，气体分子以孔隙中的游离气体、孔隙壁表面的吸附气及孔隙水和干酪根中的少量溶解气体等三种不同状态储存在微纳米孔和裂隙中。页岩气为非常规天然气的一种，主要成分为甲烷。与常规天然气相比，页岩气的开发具有开采寿命长和生产周期长的优点。页岩气具有如吸附解吸附、扩散、非达西渗流、达西渗流等多尺度渗流特征，从而涉及到多尺度、多学科交叉等科学问题。
　　近些年来，随着先进试验装备和技术的发展，页岩基质内部结构得到了更详细探究。相关实验研究表明页岩孔隙尺寸远小于常规天然气储层。页岩基质中包含大量相互连接的纳米尺度孔隙，通过实验得到页岩孔隙宽度主要在4-200nm之间。当气体在孔道中流动时，变截面问题普遍存在。理解页岩气在变截面孔道中的流动行为对进一步揭示气体的流动机制具有重要的科学意义。
　　本文采用多弛豫格子玻尔兹曼的方法研究了页岩气体在突然收缩和逐渐收缩等两种不同变截面孔道中的微尺度流动特征。本文首先研究了气体在两种不同收缩孔道内的流动特点，详细讨论了努森数和横截面收缩系数对气体流动的影响。结果表明气体中心线速度和努森数之间的关系与气体流动状态有关。在此基础上，本文研究了气体压力分布与努森数之间的关系，发现气体的非线性压力偏差随着努森数的增加而减小。最后，本文重点研究了截面收缩系数和孔道横截面种类对页岩气体质量流量、渗透率以及努森最低效应的影响。通过计算不同横截面收缩系数下的滑移质量流和二阶渗透率修正因子得出二者与横截面收缩系数呈正相关趋势，结果表明如果不考虑横截面收缩系数的影响，页岩气的表观渗透率将会被低估。此外，本文还研究了页岩气在变截面孔道内流动时的努森最低效应现象。努森最低效应是气体微尺度流动机制中的一个重要特征，研究发现截面收缩系数越大，截面种类变化越剧烈，努森最低效应将在越小的努森数值时出现。上述研究分析表明孔道的截面收缩系数和横截面种类是页岩气微尺度流动中的两个重要影响因子。通过探究页岩气在变截面孔道中的流动行为，可进一步加深对页岩气微尺度流动机理的认知。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 页岩气研究背景及意义

1．1．2 页岩气成藏特征

1．2 页岩气研究进展

1．2．1 分子动力学方法的应用

1．2．2 直接模拟蒙特卡洛方法的应用

1．2．3 格子玻尔兹曼方法的应用

1．3 本文主要工作

第二章 页岩气微尺度流动研究方法

2．1 概述

2．2 格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method，LBM)

2．2．1 格子玻尔兹曼方法简介

2．2．2 多弛豫格子玻尔兹曼方法(MRT-LBM)

2．2．3 有效弛豫时间

2．2．4 边界条件

2．2．5 局部努森数的计算

2．3 格子玻尔兹曼方法验证

2．4 本章小结

第三章 页岩气在变截面孔道中流动机理研究

3．1 引言

3．2 气体在变截面孔道中的流动特点

3．2．1 气体在突然收缩孔道中的速度分布和流动形式

3．2．2 气体在逐渐收缩孔道中的速度分布和流动形式

3．2．3 气体在收缩孔道中的压力分布形式

3．3 横截面收缩系数的影响

3．3．1 横截面收缩系数对质量流量的影响

3．3．2 横截面收缩系数对渗透率的影响

3．3．3 横截面收缩系数对努森最低效应的影响

3．4 本章小结

4．1 本文工作总结

4．2 本文创新点

4．3 研究展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果