中国石油大学学报优秀作者

中国石油大学学报优秀作者

肖香姣1，2 姜汉桥1 王海应2 魏 聪2 赵力彬2 程 华2

（1.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京市昌平区 102249； 2.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000）

作者简介：肖香姣，女，高级工程师，主要从事高压气藏、凝析气藏开发研究。E-mail：xiaoxitlm＠。

摘 要：裂缝发育程度决定着低孔低渗储层的渗流和产出能力，但由于裂缝发育机制的复杂性，故裂缝 的描述及预测一直是裂缝性油气藏开发中的重点和难点。目前，裂缝的预测方法很多，但在实际应用中都存 在其局限性。构造应力场分析法既严格考虑了裂缝的成因机制，又能较好地与油气生产实际和应用相结合，是裂缝定量预测的一种有效方法。本文针对大北气田储层构造裂缝发育的实际情况，以单井裂缝描述及分布 特征研究为基础，从构造应力场数值模拟出发，通过模型转换建立了与储层地质模型网格完全对应的有限元 分析模型。然后，结合区域古构造活动与岩石力学实验的研究成果，通过连续介质三维有限元数值模拟对储 层构造应力场进行了预测与分析。通过优选岩石破裂准则和建立应力场数据与裂缝参数的计算模型，对大北 气田的储层裂缝进行了定量预测。在此基础之上，利用构造应力场分析法的裂缝预测结果作为约束条件，通 过随机模拟方法建立了符合该气田气藏地质特征的双孔双渗三维精细地质模型，为该类气田的开发方案设计 等研究提供了依据。

关键词：低孔低渗；裂缝预测；构造应力场；双孔双渗；地质建模

Research on Fracture Prediction and Dual-permeability Geological Modeling of Low Porosity and Low Permeability Sandstone Reservoirs—Taking Dabei Gasfield as An Example

Xiao Xiangjiao1，2，Jiang Hanqiao1，Wang Haiying2，Wei Cong2，Zhao Libin2，Cheng Hua2

（ laboratory of Petroleum Engineering，Ministry of Education，China University of Petroleum，Changping，Beijing，102249； Oilfield Company，PetroChina，Kora，Xinjiang，841000）

Abstract：The degree of fracture development determine the ability of fluid seepage and production in low porosity and low permeabilty e of the complexities on the formation mechanism of fracture，the fracture reservoir are the keystone and difficulty of present，there are many methods for fracture prediction，which also have many limitations in method of fracture prediction by analysing tectonic stress field，in which the formation mechanisms of fracture is considered strictly，as well as the production practice of the oil-gas field and practical application is well combined，is a effective way to forecast fracture quantitatively in the ing to the reality that the fractures are well developed in the reservoir rocks of Dabei Gasfield，a finite element method analysis model consistent with the geologic model grid of the reservoir is built by model conversion methods，starting from the numerical simulation of tectonic stress field，based on the single well fracture description and the study on fracture distribution then，the reservior tectonic stress field is forecasted and analysed by 3D finite element numerical simulation for continuum model，combined with the research results of territorial paleostructure and rock mechanics ing to the classical rock-craking principle and the calculation model between the tectonic stress field data and fracture parameters，the quantitative prediction of structural fracture in reservoir rocks of Dabei Gasfield is this base，a fine 3D dual-permeability geologic model suitable for the geologic features of this gas field is built through stochastic modeling controlled by the results of fracture prediction with the methods of tectonic stress field analysis，and they provide reference for the study on gasfield development design of this kind of gas field.

Key words：low porosity and low permeability；fracture prediction；tectonic stress field；dual-permeability； geological modeling

裂缝型储层油气藏在我国占相当突出的比例，其产量占整个油气产量的一半以上，在我国油气生产 中起着举足轻重的作用。因此，进行裂缝特征和分布规律预测研究，对增加储量的动用程度、改善开发 效果、提高我国裂缝型油气藏勘探开发的整体水平均具有重要的现实及长远的战略意义。

低孔低渗储层中裂缝的发育不仅为油气的储集提供空间，而且有助于连通不同类型的储集孔隙，是 控制油气富集和产能的主要因素。在含油气盆地勘探过程中，随着勘探深度不断深入，低渗透裂缝性油 气藏的比例也会随之增加。如何有效地描述和预测裂缝分布，建立合理的双孔双渗地质模型，对提高我 国裂缝型油气田勘探开发水平具有重要的意义。本文以大北气田为例，在单井裂缝描述的基础上，开展 了低孔低渗砂岩储层裂缝预测及双孔双渗地质建模研究，为该气田开发方案的设计等研究提供了 依据［1］。

1 研究区概况

大北气田位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区拜城县，东距拜城县县城28km，南距拜城-阿克苏公 路16km，南部与大宛齐油田相距7km。该气田位于克拉苏构造带的大北-吐北段，东邻克拉1-克拉2 段的克拉-克深区块，西为博孜段，由北至南横跨克深区带、克深南区带、拜城北区带。东西长约 60km，南北宽25～35km，面积约1500km2，呈向南凸起的微弧形背斜构造（图1）。

图1 大北气田地理位置及井区构造位置图

大北气田储层为白垩系巴什基奇克组辫状河三角洲和扇三角洲砂岩，埋深大，基质孔隙度＜6％、 渗透率＜0.1×10-3μm2，属特低孔低渗储层。在勘探评价阶段，仅有11口探井和评价井，井距2～ 5km，地震资料品质较差，储层裂缝发育。

2 单井裂缝描述及分布特征［2］

2.1 裂缝产状

大北气田产层巴什基奇克组为低孔低渗砂岩储层，裂缝发育。岩心观察统计结果表明，大北气田裂 缝以高角度斜交缝和垂直裂缝为主，其中大北1井高角度斜交缝约占60％，低角度斜交缝和垂直缝其 次；大北101井、大北102井和大北202井主要以高角度斜交缝和垂直缝为主，占全部裂缝的75％左 右；大北104井约70％的裂缝为垂直缝，25％为高角度斜交缝。

成像测井解释结果表明，大北气田巴什基奇克组主要发育NW-SE走向和EW走向的有效裂缝，其次为NE-SW走向裂缝，从西向东裂缝走向具有逐渐从NE-SW向近EW向偏移的趋势。基于成像 测井资料识别出的高导缝其倾角多分布在50°～90℃范围内，其峰值为60°～80°，即裂缝以高角度斜交 缝为主，垂直缝次之，低角度斜交缝和水平缝不发育，与岩心识别裂缝结果一致。

2.2 裂缝发育规模

按发育规模可将大北气田裂缝分为宏观裂缝和微观裂缝。岩心宏观裂缝约占20％，大北202井裂 缝开度最大，平均值为1.16mm。大北102井和大北1井次之，平均值为0.63mm。大北101井和大北 104井裂缝开度最小，平均值为0.53mm。微观裂缝约占80％。整体上看，大北1井和大北2井微观裂 缝开度较大，平均值分别为0.1761mm和0.1736mm；大北101井和大北102井微观裂缝开度较小，平 均值分别为0.0514mm和0.0591mm。各井微观裂缝开度相对大小关系与宏观裂缝基本一致。

大北气田巴什基奇克组6口取心井中，观测岩心长度共45.91m，裂缝共232条，平均裂缝线密度 为5.05条/m，平均面密度为6.8m/m2。利用7口井的成像测井资料在巴什基奇克组共识别出597条天 然开启裂缝，井段总长度共1228.3m，平均裂缝线密度为0.49条/m。总体来看，岩心识别的裂缝线密 度远大于成像测井（前者的分辨率高于后者）。大北104井取心段裂缝最为发育，平均裂缝线密度高达 16.7条/m，大北202井次之，平均裂缝线密度为8.91条/m，大北1井、大北101井和大北102井裂缝 密度较低。成像测井解释结果表明，大北103井裂缝最为发育，裂缝线密度为1.06条/m，其次是大北 101井、大北202井、大北201井、大北104井、大北3井，裂缝线密度范围为0.2～0.8条/m，大北 102井中裂缝不发育，裂缝线密度小于0.1条/m。

3 储层裂缝分布预测

3.1 裂缝成因及期次

通过野外露头调查、岩心观察和测井解释资料，确定大北气田储层裂缝以构造缝为主［3］。结合薄 片，裂缝包裹体、热史-埋藏史研究结果，通过对裂缝产状、充填特征和交切关系进行分析，可以推断 大北气田大致发育4期构造裂缝。第1期是同沉积（同生-准同生）裂缝；第2期为高角度裂缝；第3 期为具有 “二元” 或“三元” 充填结构的高角度（或网状）裂缝；第4期为与第2期裂缝走向近于正 交的高角度开启裂缝。其中，第3期和第4期为有效裂缝。第4期裂缝是最重要的有效裂缝，形成于喜 山运动中晚期构造挤压，是裂缝定量预测的对象［4，5］。

3.2 应力场预测裂缝思路［6～10］

利用研究区已有的地质、地震、测井、钻井等资料，建立研究区的有限元分析模型，并确定相应的 边界条件、反演标准；结合对研究区构造应力场演化的研究及岩石力学三轴实验结果，确定模型的力学 性质、加载方式、约束条件及岩石力学参数；利用有限元力学分析软件Ansys对储层构造应力场的大小 分布进行数值模拟计算。在此基础上，根据岩石破裂准则，开展裂缝分布定量预测研究。

3.3 预测模型的建立

目前，三维有限元结构模型大多数是根据研究区储层的构造顶底面数据，通过网格自动剖分来 建立。由于该法所建模型与地质构造模型中的网格非一一对应，不利于数据的前后处理，计算结果 不能直接用于储层裂缝建模。为此，通过解剖Ansys有限元分析软件［11］和Petrel地质建模软件的网 格组成系统，编制了相应的模型转换程序，实现了大北气田储层地质构造模型向三维有限元结构模 型的精确转换，如图2、图3所示。综合岩石力学实验和测井解释结果［12，13］，确定构造应力场数值模 拟所用的力学参数。在此基础之上，对有限元力学模型进行约束和加载，便可得到储层构造应力场的分 布规律。

图2 地质构造模型—有限元结构模型节点转化示意图

图3 大北气田101断块储层地质构造模型和有限元结构模型

3.4 预测结果

根据模拟结果，结合经典破裂准则［14］，建立应力应变与裂缝孔隙度渗透率之间的定量关系，实现 裂缝形成初期的定量预测［15～18］。结果显示，大北101断块裂缝集中分布在南部边界断层附近的构造高 点上（图4和图5）。

现今应力场下虽然不会形成新的裂缝，但是对早期存在的裂缝会有改造和演化变迁作用［21］。因 此，需要对古地应力场下形成的裂缝孔隙度和渗透率进行修正。最后，根据岩心观察统计和测井资料解 释结果，对各层各井的裂缝各项参数的计算结果进行验证，如有矛盾，需检查修改应力场模拟的边界条 件或应力-裂缝参数定量关系，直至裂缝预测结果与实际统计结果吻合。

图4 大北101古裂缝孔隙度分布图

图5 大北101古裂缝东西向渗透率分布图

4 双孔双渗地质建模

4.1 建模技术流程

通过三维地震解释、野外露头和单井岩心、薄片、测井资料等综合分析大北地区的构造、沉积和储 层发育特征，利用Petrel软件建立储层三维构造模型和沉积相模型。在此基础之上，结合地质认识，通 过随机模拟方法建立储层的属性（基质和裂缝）模型［20，21］。由于地震资料品质较差，储层基质模型主 要考虑了露头、岩心和测井等资料，然后利用沉积相控随机模拟方法实现。储层裂缝模型，主要是将构 造裂缝的预测结果（Ansys），通过模型转换导入地质模型作为裂缝约束模型（Petrel），再利用随机模 拟方法实现。

4.2 储层属性建模

4.2.1 基质属性建模

储层物性的空间分布在很大程度上受控于沉积相的空间分布。因此，在沉积相分析的基础上，根据 野外露头、岩心和测井资料，统计分析不同相类型的储层物性参数特征和分布规律，最后分相进行随机 模拟，建立各相储层基质属性参数分布模型［22］。根据以上原则，采用序贯高斯方法模拟基质孔隙度分 布。在对渗透率进行模拟时，首先对其进行对数转换，使其接近正态分布，然后以孔隙度作为约束，采 用序贯高斯方法进行模拟。图6为建立的基质孔隙度和渗透率模型。

图6 大北气田储层基质属性参数模型

4.2.2 裂缝属性建模

裂缝属性参数建模主要以大北7口成像测井拾取的裂缝孔隙度、渗透率参数为基础，结合露头区裂 缝的发育特征，利用储层有限元构造裂缝的预测结果作为平面约束，采用序贯高斯方法对裂缝孔隙度、 渗透率进行模拟。图7为建立的裂缝孔隙度和渗透率模型。

图7 大北气田储层裂缝属性参数模型

4.3 模型可靠性评价

4.3.1 储量检验

根据有效储层下限标准，取孔隙度大于3.5％，渗透率大于0.055×10-3μm2的网格为有效网格，并参与储量计算，采用容积法分断块计算模型储量。断块储量互有增减，但差别均不大，整体误差小 于1％。

4.3.2 属性参数检验

对模拟结果进行统计分析，对比输入参数的分布特征，分析模型是否能较好地反映原始输入参数的分 布特征。将基质和裂缝属性参数的模拟结果与原始数据分布直方图进行对比，发现孔隙度和渗透率的分 布形态与输入数据基本一致，模型可行度高，符合气藏的地质特征，已应用到大北气藏试采方案研究。

5 结论

（1）由于低孔低渗致密性储集层以构造裂缝为主，采用地质力学原理和方法，通过应力场数值模 拟来定量表征裂缝具有较好的应用前景。

（2）通过应力场模拟与储层地质建模网格单元的对应性研究，实现了不同软件间的模型转换，使 得有限元构造裂缝的预测结果可直接应用到地质建模中，实现了基质网格和裂缝网格的无缝对接。

（3）综合岩心、成像测井和有限元构造裂缝的预测成果，建立了大北气田稀井网条件下符合地质 特点的双孔双渗地质建模，为开发方案设计打下了很好的基础。

参考文献

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高德利的成果简介

1 科技成果奖励情况　　[1]中国近海高水垂比大位移钻井关键技术研究及应用,国家科技进步二等奖,2007　　[2]新型高抗挤套管与复合管柱技术,国家科技进步二等奖,2005　　[3]定向井、丛式井技术研究，中国石油天然气总公司（部级）科技进步特等奖，1990　　[4]中国近海高水垂比大位移钻井关键技术研究及应用，中国海洋石油总公司科技进步一等奖，2006　　[5]新型高抗挤套管（TP130TT）与复合管柱技术，天津市科学技术进步一等奖，2002　　[6]实钻地层正交各向异性的评估方法，北京市科学技术进步一等奖，1998　　[7]井口脉冲振动固井新技术研究与应用，中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖，2012　　[8]实钻地层钻井特性的评估方法及其应用，中国高校科技进步二等奖，2000　　[9]浅层稠油热采井套管设计、完井工具的研制及应用，新疆维吾尔自治区科技进步二等奖，2005　　[10]高温高压气井油套管柱密封性及安全性研究，陕西省科技进步二等奖，2004　　[11]南海西江边际油田大位移井开发技术，深圳市科技进步一等奖，2002；2003年度广东省科技进步二等奖　　[12]大港低渗块状砂岩油藏水平井钻井技术，中国石油天然气集团公司科技进步二等奖，1999　　[13]复杂工况下钻柱安全性关键因素研究，国家安全生产科技成果二等奖，2009　　[14]授权发明专利16件　　[15]登记软件著作权12项2 第一作者发表的部分论著 　　[1]Modeling & Simulation in Drilling and Completion for Oil & Science Press,Duluth,USA,2012 　　[2]复杂结构井优化设计与钻完井控制技术.中国石油大学出版社，2011　　[3]油气井管柱力学与工程.中国石油大学出版社，2006　　[4]井眼轨迹控制.石油大学出版社，1994　　[5]复杂地质条件下深井超深井钻井技术.石油工业出版社，2004　　[6]油气钻探新技术.石油工业出版社，1998　　[7]Displacement and Hydraulic Calculation of the SMD System in Ultra-deepwater eum Science and Technology, 2013 　　[8]The Post-Buckling Behavior of A Tubular String in An Inclined er Modeling in Engineering & Sciences, 2013　　[9]Research into Magnetic Guidance Technology for Directional Drilling in SAGD Horizontal eum Science, 2013　　[10]无隔水管深水钻井作业管柱的力学分析.科技导报，2012　　[11]On Improving the Accuracy of Prediction of the Down-hole Drag & Torque in Extended Reach Drilling (ERD). Computer Modeling in Engineering & Sciences, 2012　　[12]New Method for Predicting Casing Wear in Horizontal Drilling .Petroleum Science and Technology, 2012　　[13]On a Method of Prediction of the Annular Pressure Buildup in Deepwater Wells for Oil & Gas. Computer Modeling in Engineering & Sciences, 2012　　[14]Numerical Simulation of Sensitivity to Loads and Strength of Casing under Complicated eum Science and Technology, 2012　　[15]On Appropriately Matching the Bottomhole Pendulum Assembly with the Anisotropic Drill Bit, to Control the er Modeling in Engineering & Sciences, 2012　　[16]Experimental study on mechanical properties degradation of TP110TS tube steel in high H2S corrosive ers, Materials & Continua, 2011　　[17]Study of a Mechanism for Well Deviation in Air Drilling and Its Control. Petroleum Science and Technology, 2011　　[18]Evaluation Method for Anisotropic Drilling Characteristics of the Formation by Using Acoustic Wave ic Waves,InTech,2011,ISBN 978-953-307-572-3　　[19]海洋石油大位移钻井关键技术研究. 世界石油工业，2010　　[20]Prediction of Casing Wear in Extended-Reach Drilling. Petroleum Science, 2010　　[21]Limit analysis of extended reach drilling in South China Sea. Petroleum Science, 2009　　[22]地层自然造斜特性的测井评价方法研究. 石油学报，2008　　[23]Study and experiment on the vibration characters of BHA. SPE114634,2008　　[24]煤层气多分支井身结构设计模型研究. 石油学报，2007　　[25]南海流花超大位移井摩阻/扭矩及导向钻井分析.石油钻采工艺，2006　　[26]Experimental study of rock drill-ability anisotropy by acoustic velocity. Petroleum Science, 2006　　[27]易斜地层防斜打快钻井理论与技术探讨. 石油钻探技术，2005　　[28]南海西江大位移井钻完井工艺分析研究.石油钻采工艺，2004　　[29]南海西江大位移井定向控制技术研究.石油钻采工艺，2004　　[30]南海西江大位移井钻头选型技术研究.石油钻采工艺，2004　　[31]钻井科技发展的历史回顾回顾、现状分析与建议.石油科技论坛，2004　　[32]A Method for Calculating Tubing Behavior in HPHT Wells，Journal of Petroleum Science & Engineering，2004　　[33]油气钻井技术展望.石油大学学报（自然科学版），2003　　[34]含盐膏层井复合管柱优化设计技术.石油钻探技术，2003　　[35]Buckling Behavior of Pipes in Oil & Gas Wells. Progress in Natural Science, 2002　　[36]Inversion Method of the Formation 2001,Japan,27-31 May 2001　　[37]水平井管柱屈曲与摩阻分析.石油大学学报(自然科学版)， 2000　　[38]On Instability of Wellbore & Its 2000　　[39]套管载荷分析与强度设计软件研究.石油钻采工艺， 1999　　[40]油气钻井中井眼系统的不稳定性与控制问题//高德利等:中国科协第46次“青年科学家论坛”报告文集.北京：中国科学技术出版社，1999　　[41]地下资源勘探开发与钻井问题//中国科学技术协会:中国科协第三届青年学术年会论文集.北京：中国科学技术出版社,1998　　[42]An analysis of helical buckling of long tubulars in horizontal 50931,1998　　[43]谈谈定向井井壁稳定性问题. 石油钻采工艺，1997　　[44]油气勘探开发中的若干工程问题//高德利等:中国科协第21次“青年科学家论坛”文集.北京：石油工业出版社, 1997　　[45]钻柱涡动特性分析.石油钻采工艺，1996　　[46]井眼轨迹控制问题的力学分析方法.石油学报，1996　　[47]钻压防斜技术的实践与理论探讨.石油钻采工艺，1995　　[48]Predicting and Scanning of Wellbore Trajectory in Horizontal Well Using Advanced 29982, 1995　　[49]石油钻井底部钻具组合大挠度三维分析.应用力学学报，1995　　[50]钻头和地层各向异性钻井特性的一种表达方法.石油学报，1994　　[51]邻井距离扫描计算与绘图原理.石油钻采工艺，1994　　[52]谈谈石油钻柱失效问题.石油钻采工艺，1994　　[53]典型导向钻具组合的力学分析方法.石油大学学报（自然科学），1993　　[54]地层各向异性的评估方法.石油学报，1993 　　[55]下部钻具组合大挠度问题的权余法分析.石油学报, 1992　　[56]石油钻井底部钻具组合平面纵横弯曲大挠度分析.工程力学，1992　　[57]钻头各向异性钻井特性的理论分析与实验.石油大学报（自然科学版），1991　　[58]带弯接头井下动力钻具组合的造斜特性.石油钻探技术，1991　　[59]正交各向异性地层对井斜的影响.石油学报，1990　　[60]典型地层的各向异性钻井特性.石油大学学报（自然科学版），1990　　[61]A mechanical analysis of BHA behavior in a horizontal well with the Method of Wghted China-Canada Heavy Oil Symposium,1990　　[62]钻头与地层相互作用的三维宏观分析.石油大学学报（自然科学版），1989　　[63]钻头与地层相互作用的新模型.石油钻采工艺, 1989　　[64]井眼轨迹控制的多功能微机程序.石油钻采工艺，1989　　[65]弹性钻柱两个特殊点的意义及计算方法.华东石油学院学报（自然科学版），1987　　[66]受内压异厚度截锥～圆柱组合薄壳的塑性极限分析.机械强度，1986

吴建清的撰写论文

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LBM方法应用于天然气水合物沉积物中水合物分解过程的多相渗流规律研究

喻西崇1，刘瑜2，宋永臣2，李清平1，庞维新1，白玉湖1

喻西崇（1973－），男，博士，高级工程师，主要从事深水工程、天然气水合物等研究，E-m ail: 。

注：本文曾发表于中国石油大学学报（自然科学版），2011年第5期，本次出版有修改。

1.中海油研究总院，北京　100027

2.大连理工大学，辽宁，大连　116024

摘要：沉积物中天然气水合物的分解过程实际上是固态水合物在沉积物中吸收热量分解后发生相变的动态过程。在动态分解过程中，会发生复杂的多相渗流、传热和传质过程。掌握水合物分解过程中的多相渗流、传热和传质规律，是天然气水合物开采技术的理论基础，对水合物开采方法的选择、水合物开采策略的制订及其对环境危害的研究等都具有非常的意义。本文根据沉积物中水合物分解过程中流体运移和孔隙介质的特点，在充分调研的基础上提出格子Boltzmann方法（LBM）应用于天然气水合物沉积物中多相渗流规律的新方法，该方法是介于宏观和微观之间的介观模型方法。并采用由简单到复杂的方法：首先开展了LBM 方法应用于复杂微通道内单相、多相流动的数值模拟分析研究，然后在此基础上开展了LBM方法应用于多孔介质中单相流动的数值模拟分析研究；通过模拟得到复杂微通道内流场分布取决于微通道粗糙程度、弯曲程度、表面润湿性、流体介质特性等，多孔介质中单相流动的流场分布与孔隙直径（饱和度）和渗透率有关，沉积物中水合物的生成使得多孔介质渗透率大大降低。

关键词：LBM 方法；天然气水合物；沉积物；多相渗流

Preliminary Study for LBM Application to Multiphase flow Characteristics in Porous Media with gas Hydrate

Yu Xichong1,Liuyu2,Song Yongchen2,Li Qingping1,Pang Weixin1,Bai Y uhu1

Research Institute,Beijing 100027,China

University of Technology,Dalian 116024,Liaoning,China

Abstract:Sediment decomposition of gas hydrate is actually solid hydrate in the sediments absorb heat decomposed the dynamic process of phase transition,dynamic decomposition process occurs complex multiphase flow,heat and mass transfer process ;Multiphase flow,heat and mass transfer process during gas hydrate decomposition,is the basic theory of gas hydrate production technology,and plan choices strategies of gas hydrate production,and great significance with on environmental hazards for gas hydrate this paper,simple to complex methods is y,LBM method is applied to carry out a complex micro-channel single-phase,multiphase flow simulation analysis,then LBM method is again applied to single-phase flow in porous media numerical simulation results show that complex micro-channel flow field depends on the micro-channel roughness,bending degree,surface wet ability,fluid properties and other -phase flow in porous media depends on the pore diameter (saturation) and permeability of the sediment and the hydrate formation in the sediment so greatly reduces the permeability of porous media.

Key word:LBM method;gas hydrate;porous media; multiphase flow

0 引言

天然气水合物的开采过程实际上是固态水合物在沉积物中吸收热量分解后发生相变的过程。首先，水合物分解是一个非常复杂的动态过程，分解过程会对沉积物储层的岩石特性和热力学参数产生重要的影响；其中储层岩石特性参数主要包括储层机械特性（如剪切弹性模量、杨氏模量、泊松比等）和储层岩石渗流参数（如孔隙度、渗透率、饱和度、毛管力等），热力学参数主要包括比热、导热系数和膨胀系数、分解热等。其次，水合物分解是一个非常复杂的相态变化过程；如固态水合物分解成水和气，水还可能再次形成冰，冰遇热还可能再次融化，融化后的水遇到天然气在适当条件下还可能再次生成水合物等。同时，水合物分解是一个吸热过程，水合物分解过程中会出现多相渗流（天然气、水合物、水、冰和砂等）、传热（热传导、对流、流体流动、水合物分解热、节流效应等）和传质（水合物的分解、流体流动、水合物二次形成、气体溶解和吸附、气泡成核和增长等）等过程。因此掌握水合物分解过程中基础物性参数和相态的变化规律以及水合物分解过程中的多相渗流、传热和传质规律，是天然气水合物开采技术的理论基础，对水合物开采方法的选择、水合物开采策略的制订及其对环境危害的研究等都具有非常重要的意义。其中，掌握沉积物中天然气水合物分解过程中多相渗流规律是研究的基础，直接决定着传热和传质的方式和效率，也直接决定着今后制定水合物开发方案和开采效率，因此开展天然气水合物分解过程中多相渗流的理论研究和定量描述沉积中水合物分解过程的多相渗流规律非常重要。沉积物中天然气水合物分解过程中多相渗流实际上是一种动态的流固耦合过程，是一种多学科交叉的科学问题，涉及流体力学、固体力学、传热学和热力学以及统计学等学科。目前，还没有商业软件专门用于沉积物中水合物生成和分解过程中多相渗流、传热和传质模拟软件，这方面的研究相对不成熟，目前还处在探索和试验阶段，因此本文试图对沉积物中水合物分解过程中多相渗流模拟方法进行深入研究，力图在理论研究方法上有所突破。

对于流动特性的模型计算研究按照不同尺度可以分为微观、介观和宏观3个尺度。对于宏观尺度的模型计算研究主要是根据质量、能量和动量守恒方程采用有限元素的方法进行建模和计算，如一些商用CFD软件等。对于微观尺度的模型研究主要是应用分子动力学（MD）、直接蒙特卡洛模拟（DMS）等方法。而基于分子团的介观尺度上目前最流行的方法就是格子Boltzmann方法（LBM）。为了研究水合物分解过程的渗流特性中机理性的问题，采用宏观尺度的建模计算方法是不恰当的，许多微观的机理性的问题无法应用宏观尺度的模型解释清楚。因此拟采用微观和介观2个尺度的建模方法，即微观尺度上的MD法和介观尺度上的LBM 方法结合MRI方法得到的多孔岩心孔隙特性进行模型建立和数值模拟，对水合物分解过程的渗流特性进行模拟计算研究。

1 LBM方法在多相渗流模拟中的应用调研分析

1988年，Mc Namara和Zanetti[1]提出把格子气自动机中的整数运算变成实数运算，标志着格子Boltzmann方法的诞生。经过了近20a发展的格子Boltzmann方法为解决多相多组分流动问题提供了一个新的途径。

格子理论的提出基于这样的事实：流体的宏观运动是由大量流体分子微观运动的统计平均结果，单个分子的运动细节并不影响宏观运动的特性。因此，可以构造一种人工微观模型，使其在保持真实流体的基本特征前提下，结构尽可能的简单，粒子运动的细节尽可能的简化，且其宏观统计特性符合客观运动规律。

格子Boltzmann方法求解的方程是基于微观尺度上的统计力学的Boltzmann方程，但不需要解完整的Boltzmann方程。它有一些独特的优点：算法简单、能处理复杂边界、格子Bo1tzmann具有很高的并行性、微观和宏观方程之间的转换相对容易等。多相多组分的格子Bo1tzmann方法发展至此，主要有颜色模型和Shan-Chen模型。这2种模型分别从不同的角度描述流体内各组分间的相互作用。本文总结了颜色模型和Shan-Chen模型的发展、2种模型的特点及它们在二元非混相流体流动研究中的应用。

Rothman和Keller[2]提出了第一个模拟非混相两相流动的格子气自动机模型。这一模型以单相FHP模型为基础，引入2种有色粒子：红色和蓝色表示2种流体。此模型的提出是格子气自动机模拟两相流工作的突破性进步，但是它依然存在噪声及其他格子气自动机的缺点。之后，Gunstensen等[3]在R-K模型的基础上结合Mc Namara和Zanetti的模型和由Higuera、Jimenez[4]提出的线性化碰撞算子而提出一个新的模型。这一模型成功克服了原模型不满足伽利略不变性及含噪音的非物理性缺点，但压力仍然依赖于速度。此外还有线性化算子不能得到有效计算，模型不能处理不同密度和黏度的2种流体。

Grunau[5]等进一步发展了这一模型：用单弛豫时间碰撞算子简化了碰撞算子的计算并且选用了合适的粒子平衡态分布函数，并允许不同颜色粒子发生碰撞。改进后的模型在不可压条件下，可以得到宏观Navier-Stokes方程，能够模拟不同密度、不同黏度的两相流。

1993年Shan和Chen[6]提出了一种新的多相多组分格子Boltzmann模型。这一模型的最大特点是提出了直接描述分子间相互作用的方法，用一种伪势描述分子间的相互作用。1994年Shan和Doolen[7]又对模型进行了改进。模型的改进之处在于：①重新定义了平衡速度计算式中的uk项使碰撞在无相间相互作用力时满足动量守恒。②重新定义了混合流体的速度，将原来的按碰撞前状态计算改为按碰撞前后的平均值计算。如此则大大降低了宏观方程的误差。综合已有文献来看，颜色模型不如Shan-Chen模型应用广泛。

yk[8]用颜色模型模拟了多孔介质内的二元流动。在Gunstensen模型基础上建立了三维十九位格子上的颜色模型，模拟不同黏度及密度比的非混相二元流。这一模型通过以下几种两相模拟来验证：两流体间的静态平坦界面，非混相二元流在平行通道内流动，Laplace定律，气泡运动。模拟结果与半解析解一致。对2个大尺度的实际问题给出了初步模拟结果。2个问题为：废水批反应器内空气－水混合物的流动和泥流中的饱和滞后影响。对多孔介质内非混相二元流的实际问题模拟得到了量化结果。但同时可以发现对于这样大尺度实际问题的模拟，模型的稳定性成为一个主要的限制。

T Reis和T N Phillips[9]在原有的Gunstensen模型基础上提出一种新的颜色模型。这一模型构造了碰撞算子中两相相互作用部分，由此模拟出适宜的界面张力并且确定了界面张力的理论表达式。这一模型的可用性从两方面来验证：①比较界面张力的数值模拟结果与理论预测结果；②预测Laplace定律及非混相层状Poiseuille流。然后研究了不同黏度相同密度的2种流体的旋节线分离。最后模拟了2个气泡的合并过程，说明这一模型可以用来模拟密度比较大的两相流。

用于模拟多相多组分流的Shan-Chen模型和颜色模型近些年得到了很大地发展。由这2种模型都可以得到宏观上的Navier-Stokes方程，这是模型可用的最基本条件。Shan-Chen模型的最大特点是引入了直接刻画粒子间相互作用的势，它反映了多相多组分流的物理本质，易于理解。此外它在模拟时计算简单，得到广泛应用。它既可以模拟单组分流体的相变，也可以模拟多组分非混相流动，在模型上对组分数没有限制。颜色模型的提出比Shan-Chen模型早，特点是引入颜色梯度概念和颜色重标过程。它的提出为格子Boltzmann方法模拟多相多组分流带来突破性进展。2种模型在模拟简单的两相流（层状Poiseuille流、静态气泡）都可以得到与理论解吻合较好的结果（这是对模型可用性的验证），并在复杂流动的基础性研究中得到一定程度地应用。但2个模型都存在缺陷：如Shan-Chen模型中，只有相互作用力中的密度函数取指数形式 时，该模型才与热力学相关理论一致；用颜色模型模拟，重新标色过程的计算成本高，而且模拟产生的伪流速度大、范围广，结果误差大；两模型模拟多相流动时相界面都有一定的厚度，这对用格子Boltzmann方法研究一些问题形成障碍。因此各种模型仍需改进发展。

2 LBM 方法应用于复杂微通道内单相、多相流动数值模拟分析

当多孔介质中的孔隙尺度很小时，微尺度效应不能忽略。利用LBM 方法考察了复杂微通道内的单相和多相流动特性。

2.1 单相流体在带粗糙元的直微通道内的流动

模拟结果如图1和2所示。从图中可以得知带矩形粗糙元和三角形粗糙元的微通道，除了在近粗糙元区域，流体流场大致相同。在带有矩形粗糙元的壁面附近，形成了一些漩涡，而且，这些漩涡的位置、大小形状和粗糙元的几何形状有着密切的关系。在三角形粗糙元的壁面附近，流场产生明显扭曲现象。

图1 矩形粗糙元复杂通道的流场a，局部放大图b

图2 三角形粗糙元复杂通道的流场（a），局部放大图（b）

2.2 单相流体在带粗糙元的弯曲通道内的流动

图3 带粗糙元的弯曲微通道

带粗糙元的弯曲微通道如图3所示，弯曲通道的流场如图4所示。从中可以得知，在弯曲通道内的折弯处，产生一些漩涡，这些漩涡的数量、大小、形状和弯曲通道的几何形状以及粗糙元的形状有着密切关系。这些漩涡在很大程度上影响着整个流场。因此，在研究弯曲微通道的流动时，通道和粗糙元的几何形状不能被忽视。

2.3 气液两相流体在光滑直通道内的流动

本文采用Shan-Chen两相模型模拟了水滴在光滑直通道内的流体特性。在Shan-Chen模型中，壁面的表面润湿性由无量纲系数Gt来调节，不同的G1值，得到的表面润湿性也不同。选取8个不同的Gt值（0.4,0.35,0.3,0.25,0.2,0.15,0.1,0.02）进行模拟，表征表面的润湿特性。模拟结果列于表1中。从表中可知，Gt=0.4与0.35，水滴表面上的接触角小于90°，通道上下壁面为亲水表面；Gt=0.3,0.25与0.2时，水滴的水平表面上的接触角在90°～150°，表面为疏水表面；Gt=0.15,0.1与0.02时，水滴在表面上的接触角超过150°，为超疏水表面，其中，Gt=0.02时，接触角为180°的理想超疏水表面，实际中不存在这样的表面。

表1 表面润湿性与G，的关系

模拟结果显示，表面的浸润特性对流动的影响很大。图5给出了Gt=0.4和0.02时，流动相界面分布情况，其中，深蓝色为气体，红色为液体。从图中可以看到，在亲水表面（Gt=0.4）通道内，液体会吸附在表面上。而在超疏水（Gt=0.02）通道内，液体与壁面之间存在一个微小的空隙，即液体与壁面之间存在一个微薄的空气层。

图4 弯曲微通道的流场（a），局部放大图（b）,（c）

图5 不同浸润特性光滑表面流动相界面分布（t=600计算步长）

2.4 气液两相流体在粗糙直通道内的流动

笔者用规则的矩形凸起与凹槽来近似代表超疏水表面的粗糙元，结构如图6所示，其中浅蓝色矩形区域为均匀分布的粗糙元。取w=s=5 μm,h=10μm进行模拟计算。

图6 矩形粗糙元粗糙壁面直通道流动计算域

图7 不同浸润特性粗糙表面流动相界面分布（稳定状态）

图7给出了流动达到稳定状态时，不同浸润性通道内流体相界面分布。图中，深蓝色代表气体，浅蓝色代表固体粗糙元，红色代表液体。亲水表面（Gt=0.4）通道内的流动，液体充满粗糙元凹槽内部，如图7a所示；随着Gt值的减小，即通道表面的疏水性能逐渐增强，液体在流动过程中进入凹槽内部的液体也越来越少，气体填充在凹槽底部，形成气团，如图7b-d所示。当Gt=0.02时，液体并不进入凹槽内部，从凹槽顶部横掠而过，如图7e。

图8是Gt=0.02时，通道内局部的流线图。通道中心区域是液体的流动，凹槽内部为气团的运动，中心区域液体的流动驱使凹槽内部气团开始运动，并形成涡旋，漩涡的上部运动方向与液体流速相同。

图8 粗糙表面流动流线局部放大图（Gt=0.02）

图9 不同Gt粗糙表面流动接触线局部放大图

图9给出了不同壁面特性粗糙表面流动接触线的局部放大图，流体最前端在x方向的移动距离均为195格子。与光滑表面相比，粗糙表面对亲水表面和疏水表面上部的流动都有很大的影响，但是粗糙元的存在对理想的超疏水表面（Gt=0.02）上部的流动影响并不大，与光滑表面相比，流体接触线几乎没有什么变化。这是因为，流体在绝对理想的超水表面上流动时，流体完全脱离固体表面。

3 LBM 方法应用于多孔介质中单相流动数值模拟分析

3.1 水合物在单孔隙通道内的格子Boltzmann模拟

应用上述模型对多孔介质中的水合物生成、分解过程饱和度的变化影响多孔介质渗透率的特性进行了模拟。在300×300格子的计算域内， 4个角点分别为半径R=100的1/4圆形多孔介质骨架（红色），骨架中心形成多孔介质的孔隙空间。水合物在孔隙中心生成（绿色），为理想的圆形，水合物认为是固体。半径从0到100变化，从而模拟水合物的生长。骨架颗粒表面和水合物颗粒表面都是非亲水表面，与水之间的相间力系数Gw=0.1。如图10所示。

图10 水合物在单孔隙通道内的格子Boltzmann模拟

根据水合物的生长半径可以计算出孔隙度变化及单孔隙内水合物的饱和度SH。左右边界定义为压力边界，模拟黏度为1的流体从左向右流动。得到该计算域内流体的流量后，根据西定律可以计算出该计算单元内的渗透率变化：

南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集

假设水合物半径R=0时的渗透率为K0=1，有水合物存在情况下的渗透率为KSH，相对渗透率定义为k=KsH/K0。计算结果如图11所示，从图中看出含有水合物的多孔介质渗透率随着水合物的饱和度增大而急剧降低呈指数递减关系。

不同水合物半径下的流线图如图12所示。当有水合物生成时，流体的流道迂曲度增大，流体在孔隙中流动形成绕流，降低了多孔介质的流通性能，从而使渗透率下降。当水合物的半径与孔隙尺寸相当时，水合物与多孔介质骨架间仅仅留下狭窄的流动通道，渗透率几乎降低为0。

图11 相对渗透率与水合物饱和度的关系

图12 不同水合物半径下的流线图

3.2 水合物在多孔隙通道内的格子Boltzmann模拟

图13表示在250×250格子的计算域内，红色为半径等于25的多孔介质骨架颗粒，绿色为在孔隙空间中均匀生成的水合物，半径分别为R=0,5,10,15,20和25。白色线为流体在孔隙通道中的流线。

水合物饱和度与相对渗透率之间的关系如图14所示。曲线为Kozeny颗粒模型水合物占据孔隙中心时相对渗透率与饱和度之间的关系。Kozeny颗粒模型表示为

图13 多孔隙空间水合物生成过程的流线图

图14 格子Boltzmann模拟结果与经验模型的关系

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在忽略毛细力作用假设下，水合物饱和度在[0.1,1]范围内n值取[0.4,1]。

从图14中可以看出，格子Boltzmann数值模拟得到的结果与Kozeny颗粒模型吻合较好。充分证明格子Boltzmann数值模拟是可行的，为下一步以此为基础开展复杂多孔介质中水合物饱和度与相对渗透率相关关系奠定基础。

4 结论和建议

沉积物中天然气水合物分解过程中多相渗流实际上是一种动态的流固耦合过程，是一种多学科交叉的科学问题，涉及流体力学、固体力学、传热学和热力学以及统计学等学科。目前，还没有商业软件专门用于沉积物中水合物生成和分解过程中多相渗流、传热和传质模拟软件，这方面的研究相对不成熟，还处在探索和试验阶段，因此本文试图对沉积物中水合物分解过程中多相渗流模拟方法进行深入研究，力图在理论研究方法上有所突破。

1）根据沉积物中水合物分解过程中流体运移和孔隙介质的特点，在充分调研的基础上提出了格子Boltzmann方法（LBM）应用于天然气水合物沉积物中多相渗流规律的新方法，该方法是介于宏观和微观之间的介观模型方法。

2）采用由简单到复杂的方法开展沉积物中水合物分解过程中多相流动规律研究。首先开展了LBM 方法应用于复杂微通道内单相、多相流动的数值模拟分析研究，然后在此基础上开展了LBM方法应用于多孔介质中单相流动的数值模拟分析研究；通过模拟得到复杂微通道内流场分布取决于微通道粗糙程度、弯曲程度、表面润湿性、流体介质特性等，多孔介质中单相流动的流场分布与孔隙直径（饱和度）和渗透率有关，沉积物中水合物的生成使得多孔介质渗透率大大降低。

3）通过使用LBM 方法应用于单孔隙和多孔隙通道内单相流动数值模拟分析，同时与现有关系式计算结果一致，充分证明格子Boltzmann数值模拟是可行的，为下一步以此为基础开展复杂多孔介质中水合物饱和度与相对渗透率相关关系奠定基础。

4）本文只是将LBM 方法应用于多孔介质中多相流动规律的初步研究，今后还需要结合沉积物中天然气水合物分布的具体特点，考虑孔隙介质的微观特性、多相介质的流体物性以及流体介质与孔隙介质之间相互作用力等因素，同时还考虑水合物生成和分解的动态特性，结合传热和传质的特点，深入开展沉积物中水合物分解过程中多相流动规律，并与实验相结合，全面了解沉积物中水合物分解过程中多相流动规律。

参考文献

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