纳米受限效应下流体自扩散机理及规律研究

当固体壁面间距仅有几个纳米时,纳米受限效应使得流体自扩散系数降低1²个数量级,孔径、温度和压力的影响显著且复杂。分析受限流体扩散机理和规律,建立简洁的关联式具有重要意义。本研究从分子模拟出发,经过仔细计算和分析,获得了大量纳米孔隙中流体自扩散系数数据。分析了壁面吸附作用对流体扩散的影响机理和规律,提出了可简单描述流体扩散行为的无量纲扩散系数,从而与努森数建立相应关联式,具有较强的适用性。     

方解石纳米孔隙内二氧化碳毛细凝聚的分子模拟

在二氧化碳地质封存、增产非常规油气以及孔隙材料表征测量方面,纳米孔隙中二氧化碳相态的准确预测具有重要意义。然而,由于纳米尺度下毛细力、分离压等作用力占据主导因素,流体在孔隙中的相行为与体相流体存在根本不同。已有实验和模拟表明,Kelvin毛细凝聚理论无法预测特征尺度10nm下的,孔隙内流体凝聚压力与体相饱和蒸气压的偏离程度。本文利用分子模拟方法,研究了孔径范围为0.83-8.0nm的方解石纳米孔隙中二氧化碳毛细凝聚。结果表明,微孔(小于2nm)中二氧化碳受吸附层影响,凝聚压力远低于体相饱和蒸气压,介孔(2?50nm)中二氧化碳受壁面影响,凝聚压力仍低于体相饱和蒸气压,且受孔径影响显著,并获得了纳米孔隙中二氧化碳相态随压力的变化规律。     

基于变边界分段模型的页岩损失气量和解吸气量评价方法

储层含气量的准确评估是目前制约非常规天然气高效开发的重要因素, 直接法采用损失气估算模型结合解吸曲线估算储层含气量, 但现有损失气估算模型均基于煤层气的常压边界条件和球形颗粒假设, 如美国矿业局提出的USBM方法, 为埋藏深、柱状岩心的页岩气藏含气量的估算带来较大误差. 本文基于扩散理论, 采用时变压力边界条件和柱坐标系求解一维扩散方程获得解析解, 从而提出了新的损失气估算模型, 即变边界分段模型, 该模型能够反演出提钻和解吸两个阶段气体逸散的不同特征. 结果表明: 在提钻阶段, 环境压力不断降低, 岩心内外压差增大, 气体逸散速率加快, 从而是下凸函数; 在解吸阶段, 环境压力恒定, 岩心内压力随气体逸散而下降, 内外压差减小, 气体逸散速率减慢, 因而是上凸函数. 进一步为证明模型的准确性, 基于相似原理在实验室搭建了损失气?解吸气复原实验系统, 采用圆柱状页岩岩心复现提钻过程和解吸过程的气体逸散情况, 得到的实验结果与变边界分段模型吻合, 而已有的USBM方法不能进行准确预测, 验证了本文提出的变边界分段模型正确性. 根据川南地区Y151井现场测试数据, 采用变边界分段模型进行拟合预测, 所得结果良好, 验证了变边界分段模型的适用性.