2裂縫性水封氣藏解封孔隙尺度模擬

在明確儲(chǔ)層物性、潤濕性、水封程度、裂縫壓力對(duì)解封壓差影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立裂縫性水封氣藏解封的微觀排水孔隙尺度模型，研究壁面潤濕性、氣水界面張力和裂縫壓力對(duì)微觀氣驅(qū)排水和解封效率的影響規(guī)律，揭示解封過程的微觀排水作用機(jī)制。

2.1控制方程

在計(jì)算流體力學(xué)中，控制方程是描述流體運(yùn)動(dòng)的基本數(shù)學(xué)方程。控制方程主要包括動(dòng)量守恒方程（N—S方程）和質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程），如下所示[36]：

式中ρ表示流體密度，kg/m3；u表示速度矢量，m/s；p表示壓力，Pa；I表示單位矩陣；μ表示流體的動(dòng)力黏度，mPa·s；Fst表示氣水兩相的界面張力，N/m。

2.2界面追蹤方程

為更準(zhǔn)確地模擬微觀排水過程的氣水兩相流動(dòng)行為，通過N—S方程和質(zhì)量守恒方程描述多相流體流動(dòng)機(jī)制，同時(shí)耦合關(guān)于相變量的界面追蹤法（水平集法、流體體積法、相場法等）追蹤氣水界面。本文采用水平集方法，該方法可以在固定網(wǎng)格上進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，大幅降低計(jì)算復(fù)雜度。在氣水兩相流中，引入水平集函數(shù)（φ）來定義各自的體積分?jǐn)?shù)，用來描述具有一定厚度的相界面，它是一個(gè)從0到1呈梯度變化的值，其中φ=0表示流體為氣相，φ=1表示流體為水相，取φ=0.5的等值面作為相界面。水平集方法相變量的演化方程如式（4）所示，描述了微觀排水過程的氣水界面變化[37-38]。

式描述相界面的移動(dòng)，其中表示時(shí)間的積累項(xiàng)，表示對(duì)流項(xiàng)，φ表示水平集函數(shù)；γ表示水平集函數(shù)重新初始化參數(shù)，m/s；ε表示界面厚度參數(shù)，m。

計(jì)算域內(nèi)氣水兩相流體的全局密度和動(dòng)力黏度，以滿足水平集函數(shù)的平滑階躍特性[39]：

式中ρw、ρg分別表示水、氣的密度，kg/m3；μw、μg分別是水、氣的黏度，mPa·s。

2.3邊界與初始條件

氣水兩相微觀滲流仿真中，提出以下假設(shè)條件：初始化狀態(tài)下孔隙域內(nèi)全飽和為水相；左端入口面為氣相，滿足定流邊界條件，右端出口面為定壓邊界條件，入口和出口處的初始狀態(tài)方程如式（6）所示；四周為封閉邊界，無流體通過，封閉壁面的邊界條件如式（7）所示[36,40]。

式中n表示固體壁面的單位法向量；u0表示入口處的速度，m/s；p1表示出口處的壓力，Pa，nwall表示封閉邊界的單位法向量。

2.4模型建立

采用物理場數(shù)值模擬方法建立水封氣藏解封預(yù)測(cè)模型，研究氣體驅(qū)動(dòng)排水過程中儲(chǔ)層孔隙內(nèi)的氣水兩相滲流機(jī)制。首先，提出儲(chǔ)層真實(shí)孔隙模型建立方法：基于CT掃描技術(shù)對(duì)巖心柱進(jìn)行精細(xì)成像，通過圖像處理技術(shù)獲得其灰度圖像；經(jīng)過降噪、濾波、二值化等步驟，運(yùn)用Avizo軟件構(gòu)建出高精度的3D立體真實(shí)孔隙模型；然后，從模型中提取典型的孔喉結(jié)構(gòu)（直徑143μm，長度400μm的圓柱體，與實(shí)驗(yàn)巖心尺寸比例一致），導(dǎo)入COMSOL Multiphysics軟件以構(gòu)建基礎(chǔ)模型。最后，通過模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)追蹤氣水兩相界面的動(dòng)態(tài)變化，探究氣水兩相滲流特征查明影響氣驅(qū)排水效果的關(guān)鍵因素，如注入速度、巖石壁面潤濕性、氣水界面張力和出口端壓力等，揭示氣驅(qū)排水過程的微觀兩相滲流機(jī)理。