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致密-低渗储层中气体的高压微尺度渗流机理及规律

方欣  
【摘要】:本文以揭示致密-低渗储层中高压气体异常渗流机理和规律为目标,开展了高压气体微尺度流动实验,研究了高压气体的微尺度流动规律及其对渗流的影响。为解决高温高压气体微尺度流动和渗流研究对气体粘度实测数据的迫切需求和高精度要求,本文突破传统毛管测粘法中Hagen-Poiseuille公式引入气体滑移、压缩和端面修正的研究思路,发明了高温高压气体微管测粘方法。以氮气为例,采用高压微压差和微流量测量专利技术,实现了高压气体粘度在微管中的低速测量;基于实验规律,确定了可忽略滑移效应的最小管径管径d_(sc),可忽略压缩效应的最大压力梯度Dp_c和可忽略端面效应的最大流速v_c、最大管径d_(ec)和最小管长L_c。在流速v≤v_c、管径d_(sc)≤d≤d_(ec)、管长L≥L_c和压力梯度Dp≤Dp_c范围内,可用无修正的Hagen-Poiseuille公式作为气体粘度的测量原理;据此发明了高温高压气体微管测粘仪。应用该测粘仪测量了25~60℃、0.3~40MPa的N_2粘度,实测粘度与NIST数据库中的N_2粘度测量值吻合很好,相对误差小于1.2%。采用集成了高压微压差测量和高压微流量测量等专利技术的微管流动实验装置,首次完成了N_2在内径为1~100μm微管中的高压流动实验。结果表明,在内径足够小的微管中,高压气体的流动呈现与低压气体滑移理论相悖的微尺度“负滑移”现象,表现为在特定的压力梯度下,表征微管流实测流量与Hagen-Poiseuille理论流量偏差程度的流量系数C_f1.0。随着管径的增大、压力的增大,C_f急剧减小;随着压力梯度的增大,流量系数C_f增大,并逐渐趋向于1.0。同时发现微管中端面效应和压缩效应对流动的影响和大尺度条件下的管流具有很大的不同。随着流速的增加、管径的减小,端面效应引起的流动附加压差△p_(end)增大,而在低流速范围里压力对△p_(end)的影响不大,在高流速的范围里压力对△p_(end)的影响逐渐增大,压力越高△p_(end)越大,而温度对△p_(end)的影响不明显。常规尺度流动中压缩效应影响可忽略不计的判定标准(Ma0.3),不适用于气体的微尺度流动。建立了孔喉物理实验模型,进行了氮气在孔喉模型中的流动实验,研究了孔喉单元中孔喉局部阻力的相关规律,发现在储层高压条件下,流速越低孔喉局部阻力对流动的影响越小,在低流速条件下,压力升高对孔喉局部阻力的影响不大,并建立了相应的计算模型。综合应用孔喉局部阻力和微尺度“负滑移”模型,建立了致密-低渗储层孔喉束渗流模型。基于该模型对致密-低渗储层中高压气体渗流规律进行了模拟计算,发现在不同的条件下,影响气体渗流阻力的因素并不相同。在储层低速渗流条件下,高压气体微尺度“负滑移”效应起主导作用,而当流速较大时,孔喉局部阻力对流动的影响更为显著。


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