一种研究多孔介质中水气分散体系运移机制的仿真模拟新方法.pdf
《一种研究多孔介质中水气分散体系运移机制的仿真模拟新方法.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《一种研究多孔介质中水气分散体系运移机制的仿真模拟新方法.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第30卷第5期油气地质与采收率Vol.30,No.52023年9月Petroleum Geology and Recovery EfficiencySep.2023引用格式:王富琼,王秀宇,单学军,等.一种研究多孔介质中水气分散体系运移机制的仿真模拟新方法J.油气地质与采收率,2023,30(5):130-138.WANG Fuqiong,WANG Xiuyu,SHAN Xuejun,et al.A new simulation method to study transport mechanism of water-gas dispersion system in porous mediaJ
2、.Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2023,30(5):130-138.一种研究多孔介质中水气分散体系运移机制的仿真模拟新方法王富琼1,王秀宇1,单学军2,温志远1,陈秀林1,杨胜来1(1.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249;2.中国石化集团国际石油勘探开发公司,北京 100029)摘要:水气分散体系可有效改变地层油渗流通道,抑制驱替流体的窜流,扩大水气分散体系在油层中的波及体积,提高剩余油的动用效果。由于难以直接观察多孔介质中水气分散体系的流动,因此对于水气分散体系在多孔介质中的运移机理研究较少。笔者提出一
3、种研究水气分散体系在多孔介质中运移的仿真模拟新方法,基于水平集方法和气液两相流,使用多物理场耦合数值计算软件COMSOL Multiphysics进行研究。对水气分散体系在孔喉中的贾敏效应、聚并和卡断机理进行了仿真研究,探讨了水气分散体系运移过程中孔喉压力的影响因素,分析分散相气泡聚并过程的形态变化,研究水气分散体系在孔喉中发生卡断现象的动态特征,结果表明数值模拟可以直观的体现水气分散体系在多孔介质中的运移机制。关键词:水气分散体系;水平集方法;气液两相流;多孔介质;运移机制文章编号:1009-9603(2023)05-0130-09DOI:10.13673/j.pgre.202207012中
4、图分类号:TE341文献标识码:AA new simulation method to study transport mechanism ofwater-gas dispersion system in porous mediaWANG Fuqiong1,WANG Xiuyu1,SHAN Xuejun2,WEN Zhiyuan1,CHEN Xiulin1,YANG Shenglai1(1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Exploration,China University of Petroleum(Beijing),Beij
5、ing City,102249,China;2.SINOPEC International Petroleum Exploration and Production Corporation,Beijing City,100029,China)Abstract:The water-gas dispersion system can effectively change flow channels of formation oil,inhibit the channeling of displacement fluid,expand the swept volume of the water-ga
6、s dispersion system in reservoirs,and enhance the producing effect of theremaining oil.Since it is difficult to directly observe the flow of the water-gas dispersion system in porous media,there are few studies on the transport mechanism of the water-gas dispersion system in porous media.The author
7、proposes a new simulation method tostudy the transport of the water-gas dispersion system in porous media.The level set method and the gas-liquid two-phase flow areadopted,and the coupled numerical calculation software COMSOL Multiphysics is employed for research.The mechanisms of theJamin effect,co
8、alescence,and division of the water-gas dispersion system in the pore throat are simulated and studied.The influencing factors of dynamic pressures during the transport of the water-gas dispersion system are discussed,and the morphologicalchanges of the dispersed-phase bubble during the coalescence
9、process are analyzed.The dynamic characteristics of the water-gas dispersion system during division in the pore throat are studied.The result shows that numerical simulation can intuitively reflect thetransport mechanism of the water-gas dispersion system in the porous media.Key words:water-gas disp
10、ersion system;level set method;gas-liquid two-phase flow;porous media;transport mechanism油藏进入高含水或特高含水期后,储层动用性差,层间矛盾显著,高渗透层注入水窜流严重1-6。针收稿日期:2022-07-20。作者简介:王富琼(1998),女,湖北恩施人,在读硕士研究生,从事油气田开发工程研究。E-mail:。通信作者:王秀宇(1976),女,辽宁庄河人,副教授,博士。E-mail:。基金项目:国家自然科学基金项目“超深层碎屑岩油气藏渗流物理基础研究”(51774300)。第30卷第5期王富琼等.一种研究
11、多孔介质中水气分散体系运移机制的仿真模拟新方法 131 对这一开发问题,许多学者提出了一种利用水气分散可调阻力驱替体系开发水驱油田的新理念7-10,水气分散可调阻力驱替体系可分为3类:针对低渗透油藏的水气分散体系。适用于中高渗透油藏的泡沫驱体系。适用于高含水油藏的耐温、耐盐乳状液驱替体系。水气分散驱油体系通过气泡变形以及渗流阻力增加等方式有效改变渗流通道11,提高剩余油的动用效果。众多学者通过实验对水气分散体系提高原油采收率机理开展了研究工作。俞宏伟等通过岩心驱替实验观察水气分散体系的驱替特征,评价其驱油效率,并研究水气分散体系提高原油采收率的能力8。端祥刚研发渗流阻力可调的系列分散体系,证明
12、可调阻力驱油体系的剖面调整性能,能够同时提高中低渗透层和高渗透层采收率,实现剖面均匀推进12。可调阻力水气分散体系及其设计方法的建立,为进一步提高水(气)驱波及效率,从而提高原油采收率提供了新的技术思路和理论基础。LIU等通过孔板喷射法制备水气分散体系,并分析不同因素对气泡数量和大小的影响13。陈兴隆等建立以气泡直径、气泡上升速度等为关键参数的水气分散体系性能评价方法,从理论上评价了超声波振荡生成方法生成的微米级气泡的特点11。根据长度低渗透岩心驱油实验,证明水气分散体系可通过气泡形变及调节渗流阻力等方式有效扩大波及体积,提高剩余油动用效果。然而,对于水气分散体系的实验操作难度很大,且难以直接
13、观察孔隙尺度下两相流运移过程,而基于数值模拟方法可以更好地分析该体系在多孔介质中的运移机理。在孔隙尺度下,水气分散体系是涉及气液界面运动的两相流,其气液界面张力对流动的影响无法忽略,对水气分散体系流动过程模拟难点在于对界面运动的描述。在孔隙尺度上研究气液界面运动的方法有流体体积(Volume of Fluid,简称VOF)方法13、水平集(Level Set)方法14-17以及相场方法(Phase-Field method)18-19。VOF方法最早是由HIRT等在 1981年提出的,基本思想是通过在全流场定义每个欧拉网格单元内某种流体的体积比函数F来确定界面的位置20。部分学者通过VOF方法
14、研究气泡在孔隙和喉道中的运移过程21-23。PAN等利用VOF方法研究了微通道中气泡传输的动力学24。KANG等利用VOF方法对微蛇形通道中的气泡生成和流动进行建模,通过与大量实验结果比较,讨论和验证了由气液流动、表面张力和黏度影响引起的气泡产生过程25。FENG等通过VOF方法研究了低雷诺数下2个串联气泡之间的聚并过程,观察气液两相的速度和液膜变化,聚并过程聚结可分为排液(薄膜变薄)和合并(破膜)26。相场方法以金兹堡-朗道理论为基础,利用一个有一定厚度的两相间的界面代替实际模型中的尖锐界面,由于流体间扩散效应的存在,相界面的变化为对流与扩散的共同作用27。MUKHERJEE 等使用 SIM
15、PLER 方法求解完整的Navier-Stokes方程以及连续性和能量方程,利用水平集方法捕获气液界面,并进行实验以验证数值模型,且数值与实验结果之间显示出很好的一致性28。梁猛等通过相场方法,研究微观尺度下液滴变形和运动规律,分析表面张力和液滴大小对液滴变形的影响,结果表明当表面张力变小,较大半径的液滴更容易发生较大的形变29。水平集方法考虑了两相的接触,已成功应用于模拟液体中的气体流动。朱前林等基于Navier-Stokes方程与守恒的水平集方法,对孔隙介质中气泡尺寸对流动阻力的影响进行了耦合,证明气泡尺寸是影响流体阻力的重要因素30。杨银采用水平集方法对带表面张力的二维两相流问题进行数值
16、求解,采用包含界面的小支集的光滑函数近似函数以及二阶精度的投影算法求解Navier-Stokes方程组,通过数值模拟,证明该方法可以很好地反映界面拓扑变化31。根据超声波振荡原理,结合孔板微孔的剪切作用,陈兴隆等在实验室已经生成了微米级水气分散体系,将气态CO2在超声波作用下分散于水中,由高速摄像机及体视显微镜获取图像并测量微米气泡半径的平均值约为2.5 m,远小于常规孔板喷射法生成的气泡半径(50 m),气泡的均匀度、分散性及稳定性均大幅提高11。根据长度为100 cm、直径为3.8cm的低渗透岩心的驱油实验,微米级水气分散体系在水驱结束后可继续提高采出程度超过10%,证明水气分散体系可通过
17、气泡形变及调节渗流阻力等方式有效扩大波及体积,提高剩余油动用效果。由于水气分散体系中分散相气泡对孔隙的封堵具有累加效应,简化孔喉下的单个分散相气泡运移特征的研究将有助于加深对水气分散体系流动的认识。笔者以分散相为CO2的水气分散体系作为研究对象,其中微米气泡的半径为 2.5 m,基于 COMSOL Multiphysics开展简化孔喉中的水气分散体系运移过程数值模拟,研究多孔介质中水气分散体系运移机制,以期可以为解决狭窄空间、多孔介质等复杂结构中水气分散体系的微观渗流规律研究提供一定的参考。1计算模型1.1 水平集方法OSHER 等在 1988 年提出水平集方法,其广泛 132 油气地质与采收
18、率2023年9月应用于多孔介质流体力学14。水平集方法将平面闭合曲线表示为点集,利用水平集函数曲面的转化来求解运动程32。这种转化虽然在一定程度上使问题复杂化,但在问题的求解上具有非常大的优势,可以使曲线的拓扑变化处理十分自然33。为了描述两相流气液界面的位置和形态变化,将气液界面转化为更高维的Level Set函数34,在模拟过程中,可以实时观察界面的变化过程。该方法是一种零等值面函数法,能有效地处理拓扑结构改变,从而在处理大多数相对复杂的多介质问题中得到很好的效果35。1.2 流动控制方程水平集函数为光滑连续函数,在界面上其值为0.5。在界面附近的过渡层,函数由0平滑地变为1。在充满水的区
19、域 0.5。水平集函数一般与流场相结合,描述水平集函数的对流:t+u=0(1)但在模拟移动边界时,流体参数在界面处发生变化后会出现不连续性,通过定义固定的界面厚度可以解决。在这一固定界面上,参数可以平滑地变化。在COMSOL Multiphysics的CFD模块中,求解以下水平集方程:t+u=-(1-)|(2)(2)式包含稳定项和重新初始化项,其左侧定义了界面运动,右侧描述了数值稳定和重新初始化。其中为界面厚度控制参数,较理想的取值是网格大小控制参数的二分之一,即:=hmax/2(3)由于密度和黏度在界面上的突变会对仿真产生不利影响,为了解决该问题,对水平集函数进行平滑处理36,消除水与连续相
20、、分散相的密度差、黏度差,其密度与黏度的定义为:=l+(g-l)=l+(g-l)(4)水气分散体系为不可压缩流体,流体动量方程用气液两相流不可压缩Navier-Stokes方程表示,在计算过程中需考虑表面张力。Navier-Stokes 方程为:ut+(u)u-pI+()+T=Fst(5)u=0(6)在水平集界面上,表面张力表示为:Fst=n(7)其中:=-n(8)=6|()1-|(9)2水气分散体系运移过程仿真建模根据超声波振荡原理,结合孔板微孔的剪切作用,可在实验室生成分散相为CO2的微米级水气分散体系,其中微米气泡的平均半径为 2.5 m(图1)11。当微米气泡的半径小于6 m时,气泡半
21、径与分散性几乎呈线性关系。笔者针对实验室已生成的微米气泡半径为2.5 m的水气分散体系进行建模研究。图1微米气泡生成效果Fig.1Effect of micron bubble generation2.1 贾敏效应几何模型建立将 Navier-Stokes 方程与水平集函数耦合,在COMSOL Multiphysics 中求解,在狭窄孔喉内模拟水气分散体系两相流的流动。孔喉左侧为半径为R1=2.8 m的孔隙,长度为 15m;右侧为半径为R2=1.4 m的喉道,长度为15m,半径比为2 1,水气分散体系的分散相气泡半径为R=2.5 m。如图2所示,采用二维平面模型。第30卷第5期王富琼等.一种研
22、究多孔介质中水气分散体系运移机制的仿真模拟新方法 133 图2水气分散体系贾敏效应模型Fig.2Jamin effect model of water-gas dispersion system2.2 边界条件设置由于简化的渗流孔喉中流体雷诺数(Re)很小,即Re 1,因此流体流态为层流。针对水气分散体系在简化孔喉中运移的仿真模型,设置边界条件如下:入口边界条件。水气分散体系以一定流速从左侧入口流入,通过狭窄孔喉,使用水平集函数为1的水平集变量的入口边界条件。出口边界条件。水气分散体系流体从固定出口流出时的压力恒定,出口压力为0MPa(此处为相对压力,参考压力为10MPa)。润湿壁边界条件。将
23、简化的孔喉壁面加入润湿性属性37,壁面润湿程度设置接触角为,润湿壁的滑移长度设置为1m。如图3所示为贾敏效应模型边界条件。图3水气分散体系贾敏效应模型边界条件Fig.3Boundary conditions for Jamin effect model ofwater-gas dispersion system2.3 初始条件设置模拟过程中水气分散体系的分散相与连续相的物理参数,在地层条件下(50 C,10 MPa),通过实验测量得到数据(图4)38。其中,连续相(水)的密度为1 000 kg/m3,黏度为 0.562 410-3Pas,矿化度为20 000 mg/L,接触角为90,滑移长度为
24、1m;分散相(CO2)的密度为 377 kg/m3,黏度为 2.779 0810-5Pa s,表面张力为34.9 mN/m,接触角为90,滑移长度为1m。图4界面接触角的定义Fig.4Definition of contact angle at interface2.4 网格单元划分由于分散相气泡在通过孔喉时,气液界面形态发生变化。为精确描述分散相与连续相之间的界面,在仿真过程中使用自适应网格划分。自适应网格细化有许多优势,在不对网格进行全局加密的前提下可以提高计算精度,同时降低求解自由度。在计算过程中,COMSOL Multiphysics 计算占用内存大,对网格尺寸有一定要求。应合理安排网
25、格尺寸,使划分后的网格具有1 000100 000单元、15 00048 000个自由度,且二维模型网格质量应大于0.3。水气分散体系贾敏效应模型网格划分如图 5 所示,采用自由三角形网格进行剖分,包含9 846个三角形网格单元和5 125个网格顶点,其中最小单元质量为0.533 7,平均单元质量为0.934 6。图5水气分散体系贾敏效应模型网格划分Fig.5Meshing of Jamin effect model ofwater-gas dispersion system3模拟结果及讨论水气分散体系在多孔介质中的运移机理包括贾敏效应、聚并机理、卡断机理等,其中驱替体系在贾敏效应的作用下可提
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 一种 研究 多孔 介质 中水 分散 体系 机制 仿真 模拟 新方法
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。