含水合物沉积物多相渗流特性研究进展

天然气水合物作为一种储量大、无污染的清洁能源近些年受到了广泛关注.近20年来,中国进行了较大范围的陆海域天然气水合物储层勘探与储量预测. 2017年,中国地质调查局牵头对南海神狐海域的天然气水合物进行了基于降压渗流原理的试验性开采.国内外已进行的水合物试采工程面临着气体产量低、出砂较多等问题,其最主要的原因之一是开发过程中沉积物内复杂多相渗流机理尚不明晰.本文综述了平行毛细管模型、Kozeny模型等广泛应用于天然气水合物开发渗流分析的理论模型,对比分析了水合物开发多尺度渗流过程模拟方法,简述了国内外含水合物沉积物渗透率测试、渗流过程中沉积物物性演变以及水合物开采室内模拟等方面的渗流实验进展,总结了矿场尺度的天然气水合物储层开采过程中产气数值模拟手段,展望了多相渗流模型、储层原位含水合物样品室内测试及结构与物性演化、矿场尺度数值模拟与水平井压裂技术等应用研究的未来方向与挑战.     

含水合物沉积物多相渗流特性研究进展

天然气水合物作为一种储量大、无污染的清洁能源近些年受到了广泛关注. 近20年来,中国进行了较大范围的陆海域天然气水合物储层勘探与储量预测.2017年,中国地质调查局牵头对南海神狐海域的天然气水合物进行了基于降压渗流原理的试验性开采.国内外已进行的水合物试采工程面临着气体产量低、出砂较多等问题,其最主要的原因之一是开发过程中沉积物内复杂多相渗流机理尚不明晰.本文综述了平行毛细管模型、Kozeny模型等广泛应用于天然气水合物开发渗流分析的理论模型,对比分析了水合物开发多尺度渗流过程模拟方法,简述了国内外含水合物沉积物渗透率测试、渗流过程中沉积物物性演变以及水合物开采室内模拟等方面的渗流实验进展,总结了矿场尺度的天然气水合物储层开采过程中产气数值模拟手段,展望了多相渗流模型、储层原位含水合物样品室内测试及结构与物性演化、矿场尺度数值模拟与水平井压裂技术等应用研究的未来方向与挑战.      

多孔介质自发渗吸关键问题与思考

多孔介质自发渗吸现象普遍存在于自然界和工业应用领域, 深入研究其微观流动机理及宏观渗流规律具有重要的科学和工程价值。由于受多孔介质物理属性、流体性质、边界条件等多种因素的影响, 自发渗吸机理及渗流规律难以厘清。目前, 已有众多物理实验、理论分析及数值模拟等方法对多因素影响下的自发渗吸过程进行了广泛而深入的研究。本文就该领域存在的关键问题及最新进展进行梳理分析并提出若干思考, 以期对多孔介质自发渗吸的理解和未来研究工作提供一定的借鉴。     

多孔介质自发渗吸研究进展

自发渗吸是发生在多孔介质里的一种常见自然现象, 存在于众多工程应用和自然科学领域, 多孔介质 中自发渗吸的基本静力学和动力学问题已成为当前国际研究的热点课题之一. 本文综述了传统理论研究中的 Lucas{Washburn(LW) 模型, Terzaghi 模型, Handy 模型, Mattax 和Kyte 无因次时间标度模型, Aronofsky 归 一化采收率标度模型以及近十年最新研究进展, 分析了渗吸机理判别参数研究, 简述了数值模拟研究及渗吸率 影响机理的实验研究现状, 总结了基于分形理论研究多孔介质自发渗吸的最新进展, 并展望了多孔介质以及裂 缝性双重多孔介质中牛顿流体和非牛顿流体自发渗吸研究的方向和课题.     

A fractal approach to low velocity non-Darcy flow in a low permeability porous medium

In this paper, the mechanism for fluid flow at low velocity in a porous medium is analyzed based on plastic flow of oil in a reservoir and the fractal approach. The analytical expressions for flow rate and velocity of non-Newtonian fluid flow in the low permeability porous medium are derived, and the threshold pressure gradient （TPG） is also obtained. It is notable that the TPG （J） and permeability （K） of the porous medium analytically exhibit the scaling behavior J ~ K-D＇r/（l＋Or）, where DT is the fractal dimension for tortuous capillaries. The fractal characteristics of tortuosity for capillaries should be considered in analysis of non-Darcy flow in a low permeability porous medium. The model predictions of TPG show good agreement with those obtained by the available expression and experimental data. The proposed model may be conducible to a better understanding of the mechanism for nonlinear flow in the low permeability porous medium.     

裂缝-孔隙型双重介质油藏渗吸机理的分形分析

低渗透油藏常常伴随裂缝发育,形成裂缝-基质双重介质.自发渗吸是低渗裂缝性水驱油藏的重要采油机理,有顺向和逆向两种渗吸方式.基于基质孔隙结构的分形特征,引入分形几何对裂缝性双重介质渗吸机理的判据进行了改进,建立了渗吸机理的分形判据模型,并进一步推导了结构常数的解析表达式.结果表明,渗吸机理的判别参数是基质孔隙度、高度、孔隙分形维数、流动迂曲度、最大孔隙直径、界面张力、油水密度差以及接触角的函数.改进后的判据模型与现有结果一致.最后绘制了判别渗吸机理的图版,为利用表面活性剂提高低渗透油藏采收率提供理论依据.     

Fractal Analysis of Power-Law Fluid in a Single Capillary

The fractai expressions for flow rate and hydraulic conductivity for power-law fluids in a single capillary are derived based on the fractai nature of tortuous capillaries. Every parameter in the proposed expressions has clear physical meaning. The flow rate and hydraulic conductivity for power-law fluids are found to be related to the tortuosity fractal dimension and the power-law index. The flow rate for power-law fluids increases with the increasing power-law index but decreases with the increasing tortuosity fractal dimension. Good agreement between the model predictions for flow in a fractai capillary and in a converging-diverging duct is obtained. The results suggest that the fractal capillary model can be used to model the power-law fluids with different rheologicai properties.     

Fractal Analysis of Surface Roughness of Particles in Porous Media

A fractal dimension for roughness height （RH） is introduced to characterize the degree of roughness or disorder of particle surface characters which significantly influence physical-chimerical processes in porous media. An analytical expression for the fractal dimension of RH on statistically self-similar fractal surfaces is derived and is expressed as a function of roughness parameters. The specific surface area （SSA） of porous materials with spherical particles is also derived, and the proposed fractal model for the SSA of particles with rough surfaces is expressed as a function of fractal dimension for RH and fractal dimension for particle size distribution, relative roughness of particle surface, and ratio of the minimum to the maximum particle diameters of spherical particles.     

非常规油气资源渗流力学进展专题序

《力学学报》本次组织的《非常规油气资源渗流力学进展专题》包含12篇研究型或综述型论文, 涉及页岩油气、煤层气、致密油气及天然气水合物等非常规资源, 旨在反映国内高校、科研院所及企业的科研人员在非常规油气资源开发渗流力学领域取得的最新进展, 以促进学术交流, 供从事相关领域的读者参考, 期望能有所启迪.      

Capillary Rise in a Single Tortuous Capillary

The impact of convolutedness of capillary on the capillary rise of wetting liquid in a single tortuous capillary is studied. By introducing tortuosity and fractal dimension for a tortuous capillary, analytical expression for time evolution of the height/weight of capillary rise is obtained. It is found that the accumulated weight of liquid imbibed into a single tortuous capillary is independent of the shape of a capillary in the early rising stage.