天然气运输与混相区页岩纳米孔

文摘

基于分子动力学模拟的结果,在一个气水混相区,水膜流动的速度资料不增加单调但先增加,然后下降,这是由于水和气体分子之间的相互作用。这个展览一个新的物理机制。在本文中,我们首先提出一个气水流动模型,该模型考虑了新物理现象和描述了气水速度的分布在整个孔隙更准确。在这个模型中,水膜的减少因素的气水混相带是用来描述水的减少速度在气水混相区,导致气体速度也相应减少。新流模型考虑了气体和水分子之间的相互作用在混相区,可以提供更精确的速度资料与模型不考虑混相流区域。对比计算表明,先前的模型高估了流速,和过高的孔隙半径的增加而减少。基于新的气水流动模型,推导出新的渗透率校正因子考虑气体和水分子之间的相互作用。

1。介绍

页岩的形成是一个很好的能量来源。由于能源需求和价格的上涨,非常规油气研究是深化,成功开发页岩的形成在美国导致繁荣在研究和开发1]。如今,大约有213中医的页岩气可采储量在世界2]。页岩气是一个非常重要的非常规能源,其开发能力主要取决于气体存储和流通能力(3,4]。页岩气有一个很大的优势其他能源的二氧化碳排放和价格和正在成为一个越来越大的一部分能源生产总量(5,6]。然而,由于页岩主要存储在天然裂缝、微孔隙,纳米孔,和其它复杂的和相对不透水页岩地层,其开发有许多技术和流动机制问题(1,7- - - - - -9]。因此,重要的是要研究页岩地层中的流动机制,以提供更多的理论支持,挖掘技术和效率的提高。

页岩地层孔隙主要是纳米级。孔隙半径变化很大,主要是在纳米尺度,这是完全不同的从传统的传输机制形成和气体流动性能有显著影响(1,7]。当考虑运输的单相气体在纳米孔隙通道,墙上有滑移效应表面由于固体和气体分子之间的相互作用10]。表面扩散吸附气体不容忽视的小毛孔和最大吸附容量的增加显著增加(11]。通过定义气体的平均自由程比特征维度克努森数 ,气体传输机制可以分为粘性流,滑流、过渡流和分子自由流动(12- - - - - -14]。因此,当建立流动方程,边界不能被视为一个中性的边界,它通过添加气体滑脱(需要纠正15]。基于克努森数 ,建立了两种模型:连续性方程转换得到的中性边界的边界条件16),几个传输机制结合重量系数与一个统一的气体输运方程(17,18]。基于一个统一的扩散系数,Cai et al。19)提出了一个明显的渗透率模型的页岩天然气传输机制进行了研究,考虑对流的页岩纳米孔,气体扩散、表面扩散。然而,上述结果仅适用于单相气体运输。在一个真正的页岩储层压裂液的注入和初始水饱和度使真正的孔隙流比单相气体流(20.]。因此,当研究纳米孔,应该建立气-水两相速度模型,使模型更符合实际情况。

为了建立一个更精确的纳米孔内气体的流动模型,大量的文献已经讨论了气体和水流模型。李等人。21)提出了一个分析方法基于Hagen-Poiseuille公式和毛细管压力曲线模型和分析纳米孔的气-水相对渗透率与界面效应。辛格和蔡8)提出了一种新的预测方法破碎页岩的渗透率使离散介质进入矩阵和感兴趣的可以在任何规模估算渗透率和用于预测相对渗透率在破碎页岩样品中两相流的估计。李等人。22)提出了一个分析模型考虑流动水膜通过改变边界条件的气-液界面和固-液界面。模型有两种不同的纳米特征尺寸的孔和圆孔和裂缝是在良好的协议与实验数据,证明了高粘度流动水膜可以提高气体的流量。

然而,纳米孔的气水两相流是更复杂的比上面的文献。分子动力学模拟中扮演一个重要的角色在毛孔研究气水流动的机制。徐et al。23)进行了全面研究页岩气和水的两相传输特性通过亲水和疏水纳米孔结合分子动力学(MD)模拟和分析模型。郝et al。24)使用非平衡分子动力学模拟的混流行为在页岩孔隙水和甲烷气体。基于浩等人的研究中,我们发现速度概要的气-水纳米孔隙与先前的研究不同,如图1。气-水界面,由于气体和水分子之间的相互作用,水膜速度剖面的气水界面附近的一个明显的下行趋势,这是部分放大,如图1(一),但水流速剖面在先前的纸是单调增加,如图1 (b)(25]。基于分子动力学的结果,有气体和水分子在气水界面附近的区域称为混相区下一节。混相区流动行为的影响没有被认为是在上述模型。这表明有一些物理机制,不考虑在之前的论文。

基于研究的差距,本文提出了一种气水两相模型研究影响混相带的气水界面。流模型考虑了减少因素来描述混相区流动行为的影响。

2。模型建立

2.1。混相区

图2让气体和水分子密度分布的孔,气体和水分子的二维密度分布,和海拔在平衡在郝孔隙水和气体等的分子动力学模拟结果(20.]。如图2(一个)气-水界面,有地区气-水分子共存。数据2 (b)和2 (c)显示二维密度分布的气体和水分子。孔壁附近都是水分子,中间的孔都是气体分子。在气-水界面有一个地区天然气和水分子的密度不为零,在这个地区,天然气和水分子共存。为了显示区域气水分子共存很明显,气体和水的1 d密度分布数据所示2 (d)和2 (e),这表明有三个区域:区域1区2,和区域3。只有水分子在区域1,它代表了水膜。在区域2中,有气体和水分子在同一时间。水分子的数量减少而增加气体分子(阴影部分)。结合分析1 d和2 d密度分布的气水分子,水和气体分子形成界面区域1 - 99的厚度(大部分气体密度的-99% 1%)约0.3 nm (23,26),和我们所说的界面区域混相区(区域2)。在区域3中,区域3的水分子数量变得越来越少是在大约5或6倍比在区域2中,但是气体分子的数量达到最大值。因此,在区域3,气体分子是那些占主导地位,它被认为是纯气相流。

图2 (b)表明,水的密度分布和气体分子不是完全对称的。为了模型行为,流图2简化图3中,有三个循环孔隙流区。

他们是一个高粘度水膜区附近的墙上,气体区在中间,和混相区气体区和水膜之间的区域。郝et al。结果表明,由于气-水分子相互作用,从墙上的孔隙越远,水的慢速度,如图2。在本文中,我们使用一个减少的因素描述分子相互作用的影响在混相区水速度如下: 在哪里和混相带的厚度和水膜区域,分别和孔隙半径。

2.2。移动高粘度水膜

纳米孔壁主要由亲水性或疏水性材料(27]。然而,由于墙体材料的多样性,疏水性物质也会掺杂。由于固体的吸引力亲水通道墙,水分子被困表面的亲水性固体和以有序的方式安排几个分子直径通道壁附近(27,28]。大量的分子动力学模拟结果和实验数据表明,水膜的厚度约为0.7 nm (29日- - - - - -31日]。当毛孔中的压力梯度达到一定高度,水膜流。这样的水膜将显示高粘度、低流量的特点,具有重要意义在建立纳米孔中的气液两相速度模型。

由于气体和水分子之间的相互作用,真正的承压水滑可以计算(22] 在哪里接触角,滑移长度,分配是0.41,无量纲。

2.3。流动方程

这个模型是基于稳态层流的Hagen-Poiseuille方程通过圆孔。如图3,高粘度在孔隙表面水膜分布均匀,和混相区存在的气水界面。委员会(基于Mattia模型和Calabro25),气体和水速度,分别 在哪里和分别是水和天然气的粘度;孔的长度;和是入口和出口之间的压力差。

边界速度连续性条件如下: 在哪里描述了气-水动力传输和气体分子之间的相互作用,它可以被定义为(32] 在哪里是水和气体之间的滑移速度,是切向动量调节系数,是一个滑动系数,是平均自由程,它可以被定义为 在哪里气体常数,分子量,是温度,是气体压缩因子,计算(22]: 在哪里临界温度和吗临界压力。

结合方程(3)和(4),获得的速度概要文件:

通过积分方程(8)在方向,可以进一步推导出气体流动方程 在哪里是气体在纳米孔的流量。

在达西的方程,流量的气体如下: 多孔介质的流量是通过曲折的比率孔隙度(22]:

用方程(9)和(10)方程(11),得到气体表观渗透率计算公式, 在哪里是气体表观渗透率在考虑流动的水膜的纳米孔。

当混相区和流动水膜和高粘度不考虑,它减少了单一气体流模型,并给出其边界条件如下:

使用相同的公式推导过程的速度剖面和明显气体渗透率不考虑混相区和高粘度水膜流动可以推导出如下: 在哪里是在纳米孔气速不考虑混相区和移动水膜和是明显的渗透率不考虑混相区和高粘度流动水膜。

3所示。模型验证

为了验证本文模型,进行了比较计算的气-水的流速剖面模型和分子动力学模拟得到的结果。图4显示了天然气和水的流速剖面孔隙,其中包含本地上的水膜的速度放大左右。气体的流速剖面中间的孔是抛物线,而水膜孔壁附近的速度先上升然后下降的气水界面。比较图1与图4,整体速度分布趋势与分子动力学模拟的结果是一致的。这表明,该模型能正确反映了仿真结果。通过比较之间的速度剖面模型本文和李等。' s模型,可以发现,当模型本文不考虑混相区,这是模型提出了李et al。s。这也间接验证模型的正确性。

4所示。结果与讨论

4.1。对比该模型和单一气体模型

以下4.4.1。气体流速剖面

气体速度分布取决于水膜流和混相区。数据5(一个)- - - - - -5 (c)给单一气体流的气体流速(静态水膜和没有混相区)和本文提出的模型的孔隙半径2 nm, 3海里,分别和5海里。这表明单一气体模型的气体流速小于提出气水流动的模型。

我们可以看到,当孔隙半径的增加,气体速度剖面的差异之间拟议的模型和单一气体流量变大。当孔隙半径是2海里,他们的气体速度大约是相等的。较小的纳米孔,虽然水膜厚度占有相对较大的孔隙半径和提高气体速度界面水膜和气体混相区降低了气体速度,合并后的效果不明显。

然而,当孔隙半径为5 nm,之间的区别的气体速度剖面模型和单一气体流模型变得更加明显。根据方程(1),我们知道的价值减少因素的界面水膜和气体孔隙半径的增加而增加。移动水膜增加了气体流量大,导致更大的气体速度剖面。

4.1.2。天然气的运输能力

本文的比率来定义为明显的通透性增强的因素是什么 ,是用来评估增强气体流量通过考虑混相区和高粘度流动水膜与单一气体模型。

图6(一)显示的值总是大于1,随压力的增加,这意味着天然气运输能力被低估了如果混相区和移动水膜不考虑。

图6 (b)显示,是更大的孔隙半径较小。当水膜流动和混相区被认为是前后一致地,增强因子很小,例如, 为 。移动水膜会导致渗透率的增加明显增强的因素。混相区明显降低渗透率提高的因素。这两个因素都取消了,导致一个小明显的渗透性增强因子。

4.2。对比该模型和李等的模型

混相区被忽视时,流模型是由李等人的模型描述(22]。

4.2.1。准备气体流速剖面

混相区影响气体速度剖面。数据5(一个)- - - - - -5 (c)也给李的气体流速et al。’s模型和该模型的孔隙半径下2 nm, 3海里,和5 nm,分别。它表明,气体流速计算该模型的气体流速小于李等人的模型(22]。原因是混相区降低气流速度,从而降低了表观渗透率提高的因素。

我们可以看到,当孔隙半径的增加,不同模型之间的气体速度剖面和李等。模型变得越来越小。这意味着更小的纳米孔,混相区对气流速度有较大的影响。

图5 (d)给李之间的相对差异的气体速度等的模型和提出的模型。它清楚地表明,错误时将增加较小的纳米孔混相区被忽视。中心线,差异是2.85%,1.5%,和0.82%的孔隙半径2 nm, 3海里,分别和5海里。结果还表明,et al。模型高估了气速。

4.2.2。明显的渗透性增强因子

为了展览的影响混相区在渗透率校正移动水膜,人物7给出了比较流的增强因子之间有或没有考虑混相区。混相区被忽视时,气体速度将大移动水膜的界面和天然气。这将导致一个更大的流增强因素如图7。

4.2.3。气体流量比较

为了展览的影响混相区在流水下的气体流速电影人物8给出了比较该模型之间的气体流速和李等的模型。这表明气体流量该模型计算了小于李等的模型。李的气体流速等的模型是模型的高出5%。这再次表明,混相区降低了流动的能力。

4.2.4。气体流速剖面

为了展览的影响混相区在气体流速剖面在流水下电影,人物5给出了水流速剖面对比使用和不考虑混相区。气体在中线是最高速度,和整体气体速度是抛物线。气体流速剖面对比图5表明,气流速度时小混相区被认为是。原因是,当混相区被认为是,边界附近的水流速剖面(图增加然后减少1 (b)),就像一个抛物线。根据边界条件方程(13),气体速度边界将较小的速度相比,不考虑混相区,这将导致一个更小的气体流速剖面。

4.2.5。水的流量

为了展览的影响混相区在流水下的水流速度电影人物9给出了气体速度比较有和没有考虑混相区。如图9提出模型中,水流速小于李et al。的年代,但他们所有人增加压力的增加。在本文中,我们使用该模型来描述水膜的速度分布,这是不同于李等的模型。由于混相带的存在,有一个明显的下降趋势在气-水界面,而不是单调上升。因此,本文水膜的平均速度小于水膜的平均速度不考虑混相区李等人的论文。这表明该模型的水流速小于李等的模型。这意味着水返排率较小是因为混相带的存在。

4.3。模型之间的比较

4.3.1。单一气体流模型和李等的模型

数据4(一)-4(c)给单一气体流的气体流速,李et al。”模型,该模型在本文的孔隙半径2 nm, 3海里,和5 nm,分别。这表明气体流速单一气体模型是最小的忽视所造成的气体流速的水膜流和李et al。最大的模型由于忽略了混相区。气体流速考虑两者之间的混相区。

水的流量,计算出的水流李et al。最大的模型。水流计算的单相气体模型是零由于无视水膜的流动。水流速计算它们之间拟议的模型。

5。结论

在页岩纳米孔,混相区和移动高粘度水膜气体运输的潜在影响因素。灵感来自分子动力学模拟的结果,混相区被认为是进入气流模型。李等的计算结果的模型比较,验证本文模型更全面。根据研究结果和讨论,是得出以下结论:(1)模拟气流模式在实际页岩地层中,混相区应考虑。忽视混相区域的影响导致了气体的速度过高的毛孔。如果水膜流和混相区是忽视,气体的速度在毛孔会被低估(2)流增强因子反映了页岩气的运输能力在不同条件下,可以得出的结论如下:在较大的压力和较小的毛孔,增强因子大,增强流动更为重要(3)通过比较与李等人的纸和单一气体模型方面的速度,气体流量,水的流速,和增强因子,验证,忽略了混相区,只有考虑到移动高粘度水膜将高估水和气体的流速和流量的气体也会高估了在计算过程中

上述结果表明,提出的混相区修改气体流模型的意义。在混相带的研究,本文只讨论了间接影响气体速度对水膜通过影响速度和厚度的价值不能用于所有情况。因此,具体的作用机制混相区需要解释,和混相带的厚度的计算需要更准确的将未来工作的重点。

命名法

:	滑移系数,无因次
:	常数,无量纲
:	混相区厚度(m)
:	水膜厚度区(m)
:	气体表观渗透率与混相区和移动高粘度水膜
:	气体表观渗透率与静态高粘度水膜( )
:	增强因子,无量纲
:	孔隙模型的长度(米)
:	真正的滑移长度(米)
:	分子量(公斤/摩尔)
:	临界压力(Pa)
:	入口和出口之间的压力差(Pa)
:	达西的气体流( )
:	气体流量( )
:	孔隙半径(米)
:	气体常数(8.314 J / ( ))
:	温度(K)
:	临界温度(K)
:	气体与静态高粘度水膜速度(米/秒)
:	气体滑移速度(米/秒)
:	气体压缩因子,无量纲
:	平均自由程(m)
:	粘度的气体
:	水的粘度
:	孔隙曲折,无量纲
:	孔隙度的气体,无量纲
:	减少因素,无量纲
:	接触角( )
:	切向动量调节系数,无量纲。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家科技重大项目(批准号2017 zx05009005 - 002)和中央大学的基础研究基金(中国地质大学,武汉)(批准号CUGGC04)。

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