文摘

流体运动前是一个重要的现象在各向异性流体在岩石工程。孔隙压力和机械响应可能会显著影响并显示流体移动附近的一个明显的区别。然而,很少有研究调查的前运动进行不同类型的流体在各向异性流体流动。在这个工作中,提出了一种数值模型检测的前运动水、氮、和有限公司₂在页岩储层各向异性。完整的机械变形之间的耦合影响,各向异性多孔介质中流体流动和移动边界模型中被认为是建设。不同流体性质的影响水、氮、和有限公司₂讨论了各向异性流体流动。然后,该模型应用于研究前面的差异运动在各向异性页岩在不同类型的液体。渗透性和流动性的影响在流体运动进行调查。理论预测流体方面运动方程建立了不同类型的液体通过引入相应的修正系数的公式。结果表明,该模型可以描述各向异性流体渗透过程。流体运动前增加随着渗透率的增加和机动性。相同渗透率或流动,氮前运动是和水面前最大的运动是最小的。流体方面的差异运动在水、氮、和有限公司₂是由不同的粘度和压缩性。该公式能快速、准确地预测流体运动面前的进化为不同类型的液体。

1。介绍

在工程实践中,流体通过多孔介质渗透是一种很常见的现象(1- - - - - -4]。在水力压裂过程中,压裂液继续渗透和渗流边界不断向外移动,导致不断扩大的渗流面积(5- - - - - -8]。根据有效应力原理,渗流面积增加的孔隙压力和岩石有效应力的变化,从而导致裂纹萌生和扩展,最终损害(8- - - - - -11]。布鲁诺和中川(12]研究了孔隙压力的影响在沉积岩石断裂演化和显示流体渗透孔隙压力分布变化,进而影响裂纹扩展。基于水力压裂试验与不同注入率,索伯格et al。13)发现,注射速率有显著影响压裂液的渗透,导致岩石破裂压力的变化、裂纹扩展、声发射特征。Ikeda和原慎司14]研究了影响水力裂缝的孔隙压力加载配置文件。结果表明,流体渗透岩石孔隙压力增加,导致井眼周围的拉伸破坏。陈等人。15)发现,水力压裂模式和裂缝形态与压裂液的渗透特性有关。基于脉动氮低渗透性煤层的疲劳试验。(16,17,18)发现,煤的渗透率是疲劳压裂后增强。通过水力压裂和SC-CO的对比试验₂压裂,Zhang et al。19)表明,破裂压力的差异是由于流体方面的差异运动和渗流水和SC-CO之间的区域₂。因此,流体运动前有重大影响岩石的破碎机理,在流固耦合分析应该仔细考虑。

一系列的实验进行了研究流体在多孔介质运动前。根据电导率的变化,Guizzardi et al。1调查了多孔介质的流体渗透和穿透深度随时间的演化。Khatri和Sirivivatnanon20.)执行水渗透测试混凝土理论之间的关系,建立混凝土渗透性和穿透深度。水渗透的过程中,以较低的注射压力流动遵循达西定律和遵守扩散法在较高的注射压力21]。流体运动前被注射压力的影响,注射时间,水灰比(22]。基于渗透测试Queenston页岩用水,膨润土的解决方案,和聚合物溶液,Al-Maamori et al。23)发现,流体的类型在流体方面运动有显著的影响。渗透测试混凝土与不同的组件和水灰比表明,流体运动前也受到流体的渗透性能和混凝土组件以及流体类型和水灰比(24,25]。然而,大多数实验1 d简单的条件下,忽视了岩石各向异性。与此同时,参数分析不可避免的局限在实验研究。

在数值模拟中,流体渗透可以被看作是一个移动的边界问题。渗透率的大小域,渗流边界的形状,和相关的参数和变量必须确定(26,27]。构造了两相流流固耦合模型研究有限公司₂渗流规律及其在岩石(穿透深度28- - - - - -30.]。Lockington et al。31日)建立了一个预测模型基于不饱和多孔介质的渗流方程,验证了该模型和实验数据。小王和建筑师32]认为混凝土作为一个中尺度的三相混合网格网络模型,建立了基于非饱和渗流理论研究混凝土的吸水性能和水穿透深度。为了轻松地确定流体运动面前,几位分析基于达西定律的公式(20.,22];和[21)提出了计算不可压缩液体的穿透深度。根据流体运动随着时间的推移,前面的进化Al-Maamori et al。23]穿透深度,提出了拟合公式的拟合参数与流体类型和岩石特征。王等人。3]推导的理论公式快速计算可压缩流体的穿透深度。然而,不同的流体不可压缩流体中运动面前,理想气体和实际气体尚未深入研究。渗透率的影响,粘度,运动和岩石各向异性流体方面仍不清楚。

为了研究不同类型的流体的流体运动面前,一个各向异性fluid-solid-moving边界耦合模型是建立在这项研究。岩石各向异性在不同物理过程模型中充分考虑建设。公司的临界状态₂和压缩系数和粘度的差异被认为是不同类型的液体。该模型适用于研究渗透率的影响,流动,流体类型和流体特征的穿透深度液体。一个理论公式快速穿透深度的确定提出了各向异性多孔介质中流体的渗透。

2。为每个物理过程控制方程

2.1。各向异性变形的控制方程

pseudostatic变形过程的运动方程是5] 在哪里是剪切模量在平面上垂直各向同性平面,是身体力的单位体积th方向,孔隙压力, 是毕奥系数,多孔介质的体积弹性模量,是颗粒的体积弹性模量,和岩石参数相关的弹性模量和泊松比,然后呢克罗内克符号。

2.2。孔隙度和渗透率模型

页岩是一种典型的多孔介质,其孔隙度可以获得(33] 在哪里初始孔隙度和吗和最初的和当前有效容积压力,表示为吗 在哪里和分别代表最初的和当前的体积应变代表了初始孔隙压力。

根据方程(3),下列方程可以推导出

各向异性多孔介质的渗透率方向的有效应变有关th方向(5] 在哪里和当前的和初始磁导率吗th方向; 应变矩阵的比例吗方向。

2.3。各向异性流体流动的控制方程

在流体渗透到各向异性页岩,它遵循达西定律。因此,各向异性流体流动的水、氮、和有限公司₂可以表示为(2] 在哪里是等温压缩系数(34]。是流体的动力粘度。

水的密度通常被视为常数, 。气体的密度是由温度和压力控制;因此, 。 (无量纲)是真实气体的压缩因子。

氮通常被视为理想气体;因此, 和 。为有限公司₂在临界温度下,其密度和粘度随压力,特别是在临界压力附近。根据实验结果,公司的压缩系数和粘度₂在临界温度的拟合公式可以表示为(19] 在哪里~,~,~,~公司的拟合参数吗₂如表所示1和2,可以由Zhang et al。2]。根据方程(7的等温压缩系数),有限公司₂在临界温度下

2.4。移动边界法

液体渗透到岩石移动流体边界是一个典型的移动边界问题和改变渗透区(35]。因此,流体的渗透深度前应首先确定计算域和计算边界如图1(2]。流体的运动速度前可以获得由达西定律

一般来说,岩石材料的各向异性是最独特的特性,特别是页岩地层。方程(10)可用于计算各向异性流体在各向异性页岩运动前。基于集成的移动速度,移动流体边界和改变渗透区可以由流体的位置。

3所示。各向异性Fluid-Solid-Moving边界耦合模型的建设

根据上述研究,1 d公式不适用于预测穿透深度在2 d流体渗透。因此,一个各向异性fluid-solid-moving边界耦合流体渗透模型建立了完全耦合的各向异性变形(方程(1)),各向异性流体(方程(6)),移动速度的流体阵线(方程(10))。他们的交互图所示2。结合孔隙度和渗透率的本构模型(方程(2)和(5)),该模型能解决流体运动的各向异性页岩COMSOL前面。

不同的渗流特征和渗流边界的运动速度在多孔介质孔隙压力的大小和分布的影响。因此,在本节中,水、氮、和有限公司₂压裂是用来探索流体运动前的差异uncompressible液体,理想气体,并在床上用品页岩临界温度的液体。在数值模拟中,温度设置为公司的临界温度₂。水的粘度和氮1 mPa·s和0.018 mPa·s,分别。公司的粘度₂是由方程(8)和其他主要参数如表所示3。

4所示。流体运动面前的水、氮和有限公司₂

基于上面的数值模型,本节需要水、氮、和二氧化碳压裂为例,研究了影响因素不可压缩流体的穿透深度,理想气体,和临界温度的液体,如渗透率、粘度、流体压缩系数、粘度、流动性。然后,流体运动前的预测方程建立了不同类型的液体通过引入相应的校正函数前面的公式。

4.1。渗透在流体运动的影响

液前的移动速度与渗透率有关,所以应该渗透在穿透深度的影响研究。在本节中,临界温度的温度设置为有限公司₂,水的粘度和氮被认为是常数。公司的粘度₂是由公式,和其他主要参数见表3。图3代表穿透深度的变化与渗透率注射100 h。这表明水的穿透深度,氮和有限公司₂随渗透率的增加,穿透深度演化曲线具有典型的非线性特征。在同一渗透率,氮的穿透深度是最大的,和水的穿透深度是最小的。公司的穿透深度₂小于的氮,但比水。

4.2。孔隙压力分布不同的液体

当渗透率 和渗透时间是100小时,孔隙水压力分布、氮、和有限公司₂如图4。可以看出,在流体方面延伸到外边界之前,它向外移动在一个椭圆形状的典型的各向异性层页岩的渗透率。移动流体面前形成一个椭圆渗透区,和渗透率的主要轴( - - - - - -轴和 - - - - - -轴)的对称轴是渗透区。的孔隙压力沿径向渗透区减少,而初始状态的孔隙压力区保持不变。流体方面也渗透区域之间的分界线和初始状态区。在相同的渗透时间,水的渗透区是最小的和渗透区氮是最大的。因此,渗透区有限公司₂小于的氮,但比水。这表明不同的流体运动前不同的液体会导致显著差异在渗透区域的大小和孔隙压力分布。

4.3。压缩系数和粘度的进化

图5显示了孔隙压力的进化,压缩系数和粘度的水和气体方向。在图5(一个)的穿透深度和孔隙压力演化曲线,水、氮、和有限公司₂不同,导致不同的孔隙压力梯度在流体领域。因此,液体的移动速度对水面前,氮和有限公司₂是明显不同的。在图5 (b)水的压缩系数保持不变,而氮的增加不断渗透区和保持不变的初始状态。公司的压缩系数₂增加缓慢渗透的区域。大幅增加,然后接近临界状态大幅减少,导致一个明显的峰值在临界状态。但是公司的压缩系数₂在初始状态保持不变。同时,水的压缩系数是最小的。在临界状态之前,公司的压缩系数₂小于氮。但在临界状态后,压缩系数有限公司₂变得比氮。在图5 (c),水的粘度和氮保持不变,水的粘度远远高于氮和有限公司₂。公司的粘度₂在渗透区附近继续大幅减少,增加它的临界状态,而有限的粘度₂在初始状态保持不变,略低于氮。这表明孔隙压力有显著差异,压缩系数和粘度进化在不同液体在液体渗透。此外,根据方程(10),流体的运动速度是由磁导率,粘度,孔隙压力梯度,孔隙压力分布与液体的压缩性和粘度密切相关。因此,流体压缩系数和粘度差异的主要因素是导致流体方面的差异运动和孔隙压力分布在水、氮、和有限公司₂如数据所示3和4。

4.4。影响流动的流体运动

流动性可以描述渗透率和粘度液体渗透的影响,所以它是重要的研究区别水和气体穿透深度和流动性。在本节中,渗透率和粘度的水、氮、和有限公司₂数值模拟中使用如表所示4。自公司₂粘度随压力、有限公司₂注射压力粘度作为有限公司₂粘度计算流动性。图6显示的进化与流动水和气体的穿透深度。可以看出,即使粘度和渗透率不同,氮的穿透深度是一样的相同的流动性,这进一步表明,流动性可以描述渗透率和粘度的综合效应。与此同时,水和气体的穿透深度的增加而非线性增加流动性。在同一流动,公司的穿透深度₂是最大的,和水的穿透深度是最小的。因此,氮的穿透深度大于水,但小比有限公司₂。由于流动性可以描述渗透率和粘度的综合效应,这种差异的主要原因的穿透深度水、氮、和有限公司₂如图6是他们不同的压缩率。水的压缩系数会影响孔隙压力分布、氮和有限公司₂,导致不同的孔隙压力梯度和不同移动速度的流体。因此,不同流体的渗透深度是明显不同的。

4.5。理论公式预测的穿透深度

在工程实践中,常常需要快速估算水分的穿透深度。王等人。3]推导理论公式基于渗流力学的理论,这是表示为(3]

在方程(10),和渗流边界上的流体压力,是流动性。然而,这个公式只适用于不可压缩流体和理想气体一维条件下。在工程实践中,水和气体的渗透过程通常是二维问题。此外,压缩系数和粘度的有限公司₂在临界温度明显不同于理想气体。因此,氮的穿透深度和有限公司₂明显不同,前面的公式不适用于这项工作的情况。修改后的方程预测水床上用品的穿透深度提出了二维条件下页岩Zhang et al。19]。基于这种方法,介绍了相应的回调函数来预测水的穿透深度,氮和有限公司₂在床上用品页岩在二维情况下,可以获得

在方程(12), , ,和是相应的校正函数的水、氮、和公司吗₂,分别。他们可以通过非线性拟合计算的数值模拟结果。根据仿真结果图6的回调函数方程(12)可以获得

可以看出,这个公式的预测结果与仿真结果吻合较好,表明在这一节中提出的改进的理论公式可以准确地预测水的穿透深度,氮,有限公司₂在床上用品页岩。

5。结论

在这项研究中,不同的压缩和粘性不可压缩流体,理想气体和临界温度的液体,液体在床上用品页岩运动前认真考虑。在不同的物理过程进行了分析岩石各向异性模型建设,和公司的临界状态₂认真讨论。该模型在这个工作是用来研究渗透率的影响,流动,流体类型和流体特征的穿透深度液体。流体方面的差异运动在水、氮、和有限公司₂比较,其内部机制进行了分析。相应的改进公式快速预测的水,氮,有限公司₂提出了穿透深度。主要的结论和结果总结如下。

首先,一个各向异性fluid-solid-moving边界耦合模型建立了顺层页岩来描述不同液体的渗透过程。这个模型考虑变形的各向异性,流体流动,流体运动前在床上用品页岩。压缩系数的差异和粘性不可压缩流体,理想气体,临界温度流体进行了分析。移动边界算法耦合来描述流体渗透边界的运动规律。

其次,渗透率的影响,压缩系数、粘度、流动性,和液体穿透深度。结果表明,穿透深度随渗透率的增加。移动时一样,穿透深度保持不变,即使渗透率和粘度是不同的。穿透深度增加也增加的流动性。

第三,渗透边界运动的差异在水、氮、和有限公司₂进行了比较分析。提出了一种快速的方法来预测穿透深度。结果表明,水的穿透深度是最小的在同一渗透率或流动,而氮的穿透深度比有限公司₂在同一渗透率。然而,氮的穿透深度小于公司₂在同样的流动性。这些差异的主要原因在穿透深度不同的压缩系数的演变规律和粘度在水、氮、和有限公司₂。为了快速计算穿透深度,建立了新的理论公式预测水的穿透深度,氮,公司通过引入修正函数前面的公式。回调函数是与流动有关。提出公式的有效性通过仿真结果验证了。

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在文章发表后请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢金融支持中国福建省自然科学基金(批准号2020 j05133),福建的中青年教育研究项目省级教育部门(批准号JAT190052),中国国家自然科学基金(批准号42202301)。