含纳米孔隙介质气体非线性输运LBM模拟及机理研究

Fluid mechanics of gas in unconventional reservoirs such as shale and tight reservoirs involves nano-scale phenomena, which indicates non-Darcy effects during production. In nanoporous medium, slippage correction of Darcy’s law may not be valid or suitable for describing the main mechanisms of gas transport: convection and diffusion. In this project, we will investigate nonlinear gas dynamics in nanoporous medium with a combination of experimental methods, mathematical modeling and numerical calculation. Through CT scan imaging of cores including nano-scale pores and throats, characteristics of pore size distribution and boundary conditions will be analyzed. Equilibrium distribution function will be established. Nonlinear mesoscopic dynamical model and lattice Boltzmann method (LBM) will be introduced to investigate nonlinear mechanisms of gas transport. LBM simulation allows us to study effect of diffusion conditions, pore size distribution, ratio of free gas to desorption gas on gas dynamics. Combining numerical results with experimental results, a novel motion equation of gas transport in nanoporous medium will be derived in order to provide theoretical basis for shale-gas-reservoir simulation. The completion of the project is of great importance to effective development of gas energy in nanoporous medium.

含纳米孔隙介质流体流动越来越受到人们的重视，尤其在页岩气、致密气等非常规能源开发方面。达西定律基础上的滑脱修正并不能反应含纳米孔隙介质气体非线性输运特征，其包括扩散和流动双重机理。本项目在前人研究基础上，拟采用实验测试、理论建模与数值计算相结合的方法，对含纳米孔隙介质气体输运规律进行测试，揭示含纳米孔隙介质气体非线性输运规律；对含纳米孔隙介质的岩心进行CT扫描成像，依据成像结果分析孔隙分布特征和边界条件，确定平衡分布函数，建立非线性输运介观动力学模型和LBM数值模型，进行非线性输运LBM模拟；依据LBM模拟技术，变换不同扩散条件、纳米孔隙孔径大小、自由气和解吸气的比例，分析对非线性输运的影响；结合计算结果与实验结果，进而确定含纳米孔隙介质气体非线性输运方程，为成藏条件下的数值模拟技术提供精准的理论基础。该研究成果的完成对有效开采纳米尺度孔隙介质中的气体，进而对新能源的开发利用具有重要意义。

本项目通过理论分析、数值计算及实验研究，细致讨论分析总结含纳米级空隙气体流动特性。根据上述研究，得到以下结论：（1）LBM数值方法成功的模拟出纳米级气体流动特征，证明通用方程确实适用于描述页岩中非线性流动特性，并且通过介观的模拟方法将微观的平均孔隙直径和宏观的流体速度搭接在一起，从而得到不同孔隙直径下的流动特性，反推得到页岩中大约的孔隙直径在1~100nm范围内，进而确定页岩的纳米级孔隙特性。（2）采用高压等温吸附仪，通过体积法对龙马溪组页岩样品进行等温吸附实验，建立了适用于纳米级多孔介质内吸附的LBM模型。实验及LBM结果表明，随着孔径的减小，吸附容量急剧增加，50%孔径减小可引起1次吸附改善；TOC增加1%可使吸收率提高约40%。（3）根据N-S方程以及Dusty-Gas模型，成功建立一个适用于含纳米级多孔介质中气体流动的通用输运方程，该方程可直观表述纳米级多孔介质中气体的流动、扩散、吸附特性，其模型计算结果较宏观气体滑脱方程更能表述纳米级多孔介质中气体输运的流动特性。（4）根据新的通用方程所建立的水平井径向流动模型可以良好的拟合页岩气现场水平井生产数据，该水平井径向流动模型既简洁方便，又相对准确高效。然后根据实验拟合和LBM数值计算所得的扩散系数和固有渗透率来求解这个模型，计算结果表明对于页岩气生产初期，SRV区大小和SRV区渗透率的增大，提高页岩气的初期生产能力较大；而生产后期的稳定产量更加依赖于原始页岩区的渗透率和扩散系数的大小。