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页岩气吸附—解吸附的LBM模拟和NMR实验研究

郭龙  
【摘要】:随着页岩油气勘探、开发的迫切需求和相关研究技术的深入发展,针对微纳孔隙介质中流体的赋存状态、吸附和解吸的微观机理及宏观表征研究越来越重要。页岩气以吸附态和游离态赋存于微纳孔隙系统中,其产出需要重点考虑解吸附的过程。吸附和解吸附是页岩气开发关键核心问题之一,贯穿整个开发过程。本论文以页岩气吸附-解吸附的格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)数值模拟和核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)研究为主,分为3个部分:(1)多孔介质吸附和解吸附的理论及其物理描述;(2)数字岩心图像采集处理、纳米孔隙提取以及含气页岩的吸附和解吸附的LBM模拟;(3)NMR方法观测吸附和解吸附现象。首先对比分析了国内外含气页岩孔隙的建模和图像处理方法,采用聚焦离子束扫描电镜(Focus Ion Beam Scanning Electron Microscopes,FIB-SEM)、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)等技术获得了高分辨率微纳孔隙图像,并提出了一种利用压缩感知(Compressive Sensing,CS)进行亚纳米级分辨率的孔隙重建方法,建立了一种高精度的页岩孔隙结构模型,为后续数值模拟及计算提供了基础。利用上述模型,对页岩气的储集过程进行了数值模拟。通过Ono-Kondo模型方程及Peng-Robinson气体状态方程来描述甲烷在页岩中吸附特征;以LBM方法开展气体吸附及多尺度整合问题的数值模拟研究,其研究内容包括:(1)多尺度Shan-Chen吸附LBM方法的基础理论;(2)基于分子动力学(Molecular Dynamics,MD)参数的多尺度LBM吸附曲线。这种新型LBM模型的精度和正确性可以被大规模MD和各类型经验吸附曲线验证。最后,运用MD-LBM方法模拟干酪根、单壁及多壁碳纳米管的内和外壁上吸附分子的运动行为,利用获得的分子运动及转动获得了对应的NMR信号,成功解释了在T_1-T_2分布上出现高T_1/T_2比值峰的现象。提出了一种NMR测量吸附流体分子在在纳米级孔隙内的结构和动力学信息的解释方法。该方法解决了LBM吸附模型的物理实验验证问题。LBM在多种交叉学科中已经得到快速发展和应用。本文充分考虑了这种算法的优点:编程效率较高、程序简明且具有非常直观的物理意义,设计了一种基于LBM的吸附和解吸附的数值模拟工具及建模方法。该方法在编程效率上具有很大优势,并且具有运行并行度高、代码重用性好等优点。其物理意义直观——密度和压力直接从节点信息中提取。这些显著易用性使它适合于大规模高分辨率数字岩心的模拟,将其应用于实际的页岩气吸附和解吸附的模拟具有广阔的研究前景。本论文通过页岩气吸附-解吸附的LBM模拟和NMR实验研究,丰富了页岩气含量的数值分析及物理实验方法。


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