微纳尺度多孔介质中气体运移机理研究

Micro-nano scale pores are main storage space in shale gas and tight gas reservoir. The gas transport mechanisms in micro-nano porous media are coupling effects of viscous flow, Knusden diffusion, surface diffusion and adsorption layer. The existing gas transport model calculation result can’t describe the real gas flow in micro-nano porous media and research should be taken on the gas transport mechanisms in micro-nano porous media and its coupling model. In this project, experiment method and numerical simulation method which includes micro-scale and meso-scale simulation are used to investigate on the gas transport mechanisms in micro-nano porous media. DSMC micro simulation method is utilized to obtain the application condition of single tube coupled gas transport model for existing modified real gas. The meso-scale simulation method is built which considers the real gas effect, micro-scale effect (adsorption layer, Knudsen diffusion), adsorption and disorption modified LBM method, pore network model, thus to obtain the minimum pore size by LBM simulation. Three dimensional shale and tight digital core are simulated by the meso-scale simulation method to obtain the application condition of existing coupled transport model in porous media. Furthermore, the accurate and general coupled gas transport model in real core is established, which build the foundation for macro-scale numerical simulation of shale gas and tight gas reservoir.

微纳米孔隙为页岩和致密砂岩气藏主要储集空间，气体在微纳米多孔介质中为粘性流、Knudsen扩散、表面扩散及吸附层等机制的耦合作用，现存常用的描述气体微纳尺度多孔介质的运移模型计算结果相差较大，亟需对微纳米多孔介质中的气体运移机理和耦合模型进行研究。本项目拟采用实验和数值模拟、微观模拟和介观模拟相结合的方法开展微纳尺度多孔介质内气体运移规律研究。DSMC微观模拟得到现存修正真实气体效应的单管耦合运移模型的适用条件并建立通用的气体耦合运移模型；形成考虑真实气体效应、微尺度效应（吸附层、Knudsen扩散）和吸附解吸的格子Boltzmann和孔隙网络模型介观模拟方法，得到格子Boltzmann模拟的最小孔隙尺寸；介观模拟方法对致密砂岩和页岩三维数字岩心进行模拟，得到现存的多孔介质耦合运移模型的适用条件，建立准确、通用的真实岩心内气体耦合运移模型，为页岩气藏和致密砂岩气藏的宏观数值模拟提供基础。

微纳米孔隙为页岩和致密砂岩气藏主要储集空间，气体在微纳米多孔介质中为粘性流、Knudsen扩散、表面扩散及吸附解吸等机制的耦合作用，现存常用的描述气体微纳尺度多孔介质的运移模型计算结果相差较大，本项目针对微纳尺度多孔介质中气体运移机制开展了研究，取得了以下创新成果： （1）形成了基于分子模拟的纳米孔隙内气体吸附解吸研究方法，揭示了不同形状纳米孔隙内气-水赋存状态及吸附规律；（2建立了基于模式多点统计学方法和马尔科夫链蒙特卡洛方法的多尺度数字岩心和孔隙网络模型构建方法，提出了采用弦长反推页岩多孔介质孔径分布的计算方法，形成了基于数字岩心等效参数的致密多孔介质气体运移模式判定方法；（3）形成了考虑真实气体、微尺度效应、吸附解吸的格子Boltzmann单相气流动模拟方法，揭示了微纳米多孔介质内的气体运移机理，建立了真实三维数字岩心内的气体耦合运移模型；（4）建立了基于孔隙网络模型的考虑粘性流、努森扩散、表面扩散、吸附解吸、气体相态变化、不同孔隙类型的微纳尺度复杂多孔介质内单相气/气水两相流动模拟方法，揭示了微纳尺度多孔介质内气水两相传输机制。相关成果在Chemical Engineering Journal、Water Resources Research、Fuel、International Journal of Heat and Mass Transfer等期刊发表学术论文39篇（SCI论文25篇、EI论文8篇，其中SCI 1区4篇、二区12篇，ESI高被引论文1篇），申请国家发明专利6项，授权软件著作权4件，获2017年度教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学一等奖1项。