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微尺度模型气体流动机理

常进  
【摘要】:随着微电子机械系统MEMS技术的迅猛发展,对微尺度流动特性的研究已成为当前流体力学研究热点,因此,微管道内流动特性的研究有着重要的理论价值和实际意义。本文通过实验研究和理论分析,就微管道内气体流动的若干问题进行了较为深入细致的研究,从单根微管的气体流动到多根微管的组合,分别用流动特征参数进行分析和计算,并探索了微尺度气体流动过程中压力分布规律和流量分配特征,对实际矿场提高采收率做出来指导意见。主要成果如下:(1)利用自主研发的耐高压(30MPa)微管夹持器,实现了微米管与常规实验流程的跨尺度完美对接,首次建立了最小内径为1μm,实验压力0.1MPa~30MPa的实验流程;(2)在0.1MPa~30MPa的实验压力范围内,单根微管气体流动实验显示:流动均属于连续流,连续介质假设成立,无滑移条件适用;雷诺数显示流动属于层流,摩阻系数和雷诺数的双对数曲线表明流动属于达西流;同时依据不同管径摩阻系数随压力的变化规律可以得到低渗致密气藏难以开发的根本原因;(3)经典Hagen-Poiseuille流量公式由于其适用条件的局限性不能描述高压微管气体流动规律;在H-P方程的基础上,考虑了气体粘度、密度和压缩因子在高压条件下的变化,推导了气体流量拟压力公式,较H-P方程更接近实验测量流量,但随着入口压力的增加,实验流量与理论流量偏差较大;在分析了在高压条件下的动能转化后,更进一步推导了适用于0.1MPa~30MPa压力范围的多项式公式,多项式公式能够与实验流量更好的拟合;(4)微管串联实验研究了不同压力剖面的气体流动特征,验证了在微管出口处压缩效应的显著性;(5)微管并联实验验证了气体流量分配与理论分配规律相符,流量和内径的四次方成正比。随着入口压力的增加,较小管径的流量百分比增加,并且利用多项式并联可以理论计算低渗岩心和致密岩心的理论渗透率,对低渗气藏渗透率的研究具有解释和指导意义;


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