本文關(guān)鍵詞： 頁巖氣 格子Boltzmann方法 表面擴(kuò)散 氣體滑移 多尺度　出處：《西南石油大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：頁巖氣在世界范圍內(nèi)儲量巨大,初步探明全球頁巖氣儲量接近致密砂巖氣和煤層氣已探明的總儲量,而中國頁巖氣儲量豐富,開發(fā)潛力巨大。頁巖中的納米級孔隙決定了頁巖氣在儲層中的賦存狀態(tài)和流動特征,進(jìn)而決定了頁巖氣藏的開發(fā)特征。目前,在頁巖氣藏的開發(fā)過程中產(chǎn)生了很多科學(xué)和技術(shù)問題。這一系列的問題導(dǎo)致傳統(tǒng)的宏觀滲流理論在描述頁巖氣流動時(shí)存在一定的局限性,從而難以準(zhǔn)確描述頁巖氣的流動規(guī)律。運(yùn)用微觀或介觀方法在不同尺度上模擬頁巖氣在頁巖中的流動,進(jìn)而從不同角度全面認(rèn)識頁巖氣的流動機(jī)理,已成為該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。目前,針對頁巖氣流動機(jī)理的研究方法主要表現(xiàn)為如下三種：一是基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的宏觀方法；二是微觀分子動力學(xué)方法；三是介觀模擬方法,如：直接模擬Monte-Carlo方法(DSMC),格子Boltzmann方法(LBM)。與其他方法相比,格子Boltzmann方法沒有連續(xù)介質(zhì)假設(shè)條件且具有較高的計(jì)算效率和較低的統(tǒng)計(jì)噪聲,因此格子Boltzmann方法在模擬多尺度、多物理場的復(fù)雜流動問題上具有較大的優(yōu)勢。為此,本文將運(yùn)用格子Boltzmann方法研究頁巖氣微觀流動機(jī)理,分別從孔隙尺度和表征體元(REV)尺度研究了頁巖氣在頁巖中的流動規(guī)律,具體研究內(nèi)容和主要成果如下：(1)對國內(nèi)外文獻(xiàn)進(jìn)行了大量調(diào)研,介紹了格子Boltzmann方法的介觀特點(diǎn),總結(jié)了頁巖氣流動機(jī)理的研究方法及研究現(xiàn)狀。(2)從Boltzmann方程出發(fā)對格子Boltzmann方法原理進(jìn)行了系統(tǒng)的論述,介紹了常用的邊界格式和格子Boltzmann方法的程序結(jié)構(gòu)。(3)研究了長方形格子Boltzmann模型,通過Chapman-Enskog多尺度展開,發(fā)現(xiàn)長方形格子Boltzmann模型恢復(fù)的宏觀方程含有誤差項(xiàng),并建立了微尺度流動的長方形格子Boltzmann模型,對長方形格子Boltzmann模型的微尺度邊界條件進(jìn)行了詳細(xì)的分析,提出了通過調(diào)節(jié)組合系數(shù)r(或離散調(diào)節(jié)系數(shù)σ)和松弛參數(shù)s4來消除數(shù)值離散效應(yīng)的方法,并在計(jì)算效率和計(jì)算精度方面對長方形格子Boltzmamn模型和正方形格子Boltzmann模型進(jìn)行了對比。(4)建立了理想氣體條件和非理想氣體條件下的格子Boltzmann模型。針對頁巖氣藏高壓的特點(diǎn),運(yùn)用非理想氣體的格子Boltzmann模型研究了氣藏條件下頁巖氣在干酪根孔中的流動機(jī)理,進(jìn)而總結(jié)出了頁巖氣在干酪根孔中流動的一些物理規(guī)律。(5)針對非理想氣體,分析了用于處理曲線邊界的反彈與完全漫反射邊界條件,提出了該邊界條件中組合系數(shù)的確定方法,并運(yùn)用孔隙尺度格子Boltzmann模型模擬了人工構(gòu)造多孔介質(zhì)中頁巖氣的流動,分析頁巖氣在干酪根多孔介質(zhì)中特殊流動規(guī)律對表觀滲透率的影響。(6)建立了非理想氣體條件下頁巖氣的REV尺度格子Boltzmann模型,在REV尺度上研究了含有天然裂縫的頁巖中頁巖氣的流動規(guī)律,分析了天然裂縫對頁巖氣流動的影響。(7)由于納米級干酪根孔中表面擴(kuò)散的存在,尤其是頁巖中天然裂縫的存在,使得頁巖的整體滲透能力大幅度的增加,這也使得頁巖氣藏的經(jīng)濟(jì)開發(fā)變成了現(xiàn)實(shí)。
[Abstract]:The huge reserves of shale gas in the world, the total reserves of the world's shale gas reserves close to a preliminary study of tight sandstone gas and coal seam gas reserves, and shale gas reserves China abundant, with great potential of development. Nano pore shale determines the occurrence of shale gas in the reservoir and flow characteristics, and determine the the development characteristics of shale gas reservoirs. At present, produce a lot of scientific and technical problems in the development process of shale gas reservoirs. This leads to a series of problems of traditional macro percolation theory has some limitations in the description of shale gas flow, from the flow law and is difficult to accurately describe the shale gas. Using microscopic or mesoscopic method in different scale simulation of shale gas in shale flow, flow mechanism from different angles and comprehensive understanding of shale gas, has become the future development direction of this field. At present, the shale gas flow Study on the mechanism of the method mainly have the following three kinds: one is the macro method based on the continuum assumption; two is the micro molecular dynamics method; three is the mesoscopic simulation method, such as: direct simulation Monte-Carlo method (DSMC), the lattice Boltzmann method (LBM). Compared with other methods, the computational efficiency of lattice Boltzmann method without hypothesis the condition of continuous medium and high and low noise, so the lattice Boltzmann method in multi-scale simulation, has great advantages of complicated flow problems of multi physics field. Therefore, this paper will use the lattice Boltzmann method of shale gas micro flow mechanism, respectively from the pore scale and characterization of element (REV) flow the law on the scale of shale gas in shale, and the main results of the specific research contents are as follows: (1) a lot of research literatures at home and abroad, introduces the lattice Boltzmann method The mesoscopic characteristics, summarizes the current situation of research methods of shale gas flow mechanism and research. (2) from the Boltzmann equation the principle of lattice Boltzmann method is analyzed systematically, introduces program structure boundary scheme commonly used and lattice Boltzmann method. (3) studied the square lattice Boltzmann model, through Chapman-Enskog multi scale expansion found, macroscopic equations rectangular lattice Boltzmann model with recovery error term, and the establishment of micro scale flow rectangular lattice Boltzmann model, the micro scale of rectangular lattice Boltzmann model boundary conditions are analyzed in detail, put forward by adjusting the combination coefficient R (or discrete adjustment coefficient sigma) method to eliminate the numerical dispersion effect and S4 relaxation parameters, and the computing efficiency and accuracy of the rectangular lattice Boltzmamn model and Boltzmann model of square lattice Contrast. (4) established a lattice Boltzmann model of ideal gas and non ideal gas conditions. According to the characteristics of shale gas reservoir pressure, the lattice Boltzmann model with non ideal gas on the gas flow mechanism of shale gas reservoir under the condition of kerogen in the hole, and then summarizes some of the physical laws of shale gas flow the kerogen in the hole. (5) for non ideal gas for rebound and completely diffuse boundary condition curve boundary analysis method was proposed to determine the boundary conditions of combination coefficient, and the simulation of artificial structures shale gas flow in porous medium using pore scale lattice Boltzmann model, analysis of the impact of shale the gas in the kerogen in porous medium on the special flow law permeability. (6) established a REV scale lattice Boltzmann model for shale gas under non ideal gas conditions, on the scale of REV Flow law of shale gas containing natural fractures in shale, and analyzed the influence of flow of natural fracture of shale gas. (7) due to the surface diffusion of nano kerogen in the hole, especially natural fractures in shale, the shale overall permeability increases, which makes the economic development of shale the gas reservoir has become a reality.

【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TE31

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本文編號：1502895