2裂縫性水封氣藏解封孔隙尺度模擬

在明確儲層物性、潤濕性、水封程度、裂縫壓力對解封壓差影響規律的基礎上，建立裂縫性水封氣藏解封的微觀(guān)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微觀(guān)氣驅排水和解封效率的影響規律，揭示解封過(guò)程的微觀(guān)排水作用機制。

2.1控制方程

在計算流體力學(xué)中，控制方程是描述流體運動(dòng)的基本數學(xué)方程?？刂品匠讨饕▌?dòng)量守恒方程（N—S方程）和質(zhì)量守恒方程（連續性方程），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

為更準確地模擬微觀(guān)排水過(guò)程的氣水兩相流動(dòng)行為，通過(guò)N—S方程和質(zhì)量守恒方程描述多相流體流動(dòng)機制，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(chǎng)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)行數值計算，大幅降低計算復雜度。在氣水兩相流中，引入水平集函數（φ）來(lái)定義各自的體積分數，用來(lái)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(guān)排水過(guò)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，表示對流項，φ表示水平集函數；γ表示水平集函數重新初始化參數，m/s；ε表示界面厚度參數，m。

計算域內氣水兩相流體的全局密度和動(dòng)力黏度，以滿(mǎn)足水平集函數的平滑階躍特性[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(guān)滲流仿真中，提出以下假設條件：初始化狀態(tài)下孔隙域內全飽和為水相；左端入口面為氣相，滿(mǎn)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(wú)流體通過(guò)，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(chǎng)數值模擬方法建立水封氣藏解封預測模型，研究氣體驅動(dòng)排水過(guò)程中儲層孔隙內的氣水兩相滲流機制。首先，提出儲層真實(shí)孔隙模型建立方法：基于CT掃描技術(shù)對巖心柱進(jìn)行精細成像，通過(guò)圖像處理技術(shù)獲得其灰度圖像；經(jīng)過(guò)降噪、濾波、二值化等步驟，運用Avizo軟件構建出高精度的3D立體真實(shí)孔隙模型；然后，從模型中提取典型的孔喉結構（直徑143μm，長(cháng)度400μm的圓柱體，與實(shí)驗巖心尺寸比例一致），導入COMSOL Multiphysics軟件以構建基礎模型。最后，通過(guò)模擬實(shí)驗實(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，揭示氣驅排水過(guò)程的微觀(guān)兩相滲流機理。