[發明專利]一種復雜邊界微流動的仿真方法及系統

在審

• 申請號: 201710812166.7
• 申請日: 2017-09-11
• 公開（公告）號: CN109492235A
• 公開（公告）日: 2019-03-19
• 發明（設計）人: 高誠;龍秋蓮;孫川翔
• 申請（專利權）人: 中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京思創畢升專利事務所 11218
• 代理人: 孫向民;廉莉莉

本發明公開了一種復雜邊界微流動的仿真方法及系統，包括：1)基于格子玻爾茲曼方法，建立微尺度流動模型，獲取初始分布函數；2)基于初始分布函數，獲取分子之間相互作用后的第一分布函數和分子與邊界相互作用后的第二分布函數；3)基于第一分布函數和第二分布函數，獲取下一時間步長內碰撞遷移過程中所需要的宏觀參數和平衡態分布函數；4)對格子玻爾茲曼方法進行收斂性判斷，若判定不收斂，則重復步驟3—4，直至收斂計算終止。本發明相較于現有計算微尺度流動的LBM模型，在滿足物理真實和準確的同時，能夠處理具有復雜結構邊界條件的案例，模型更加簡潔，具有更小的算法復雜度和計算量。

技術領域

本發明屬于致密氣、頁巖氣開發領域，更具體地，涉及一種復雜邊界微流動的仿真方法及系統。

背景技術

與常規油氣藏相比，頁巖儲層基質滲透率極低，頁巖氣藏在儲層氣質特征、物理性質和力學性質均不相同。頁巖氣的多尺度遷移機制主要有：干酪根內部和表面的分子尺度Knudsen擴散、頁巖微納米尺度孔隙內的稀薄氣體流動以及宏觀尺度大裂隙內的常規粘性流動。那么，深入了解頁巖氣開采過程中的多尺度遷移機理，對于有效開采頁巖氣，并創建高效的“井工廠”開發模式具有重要的意義。

納米尺度的孔隙是頁巖氣的主要儲藏空間，要深入了解頁巖氣藏的開采機理，就必須對致密頁巖中稀薄氣體的遷移機制進行研究。對于氣體的微流動，Knudsen早在1909年就完成了一系列前驅性的實驗研究，并提出了描述氣體稀薄效應的無量綱數——努森數(Knudsen Number，Kn)，它表征為氣體分子運動的平均自由程λ與流動的特征長度H之比，即Kn＝λ/H。當Kn增大時，氣體的稀薄效應將變得更加明顯，微尺度效應逐漸增強，此時，基于連續性假設的宏觀流動模型將不再適用。根據Kn數的大小，可以對頁巖氣在不同孔隙尺度下的流動進行分類，劃分為四個區域：

(1)連續流(Continuum flow，Kn<0.001)，此區域內，同一時刻甲烷氣體分子之間發生碰撞的概率遠遠大于其與固體表面碰撞的概率，因此氣體在固體表面的速度、溫度均與壁面邊界一致。使用Navier-Stokes方程即可準確刻畫氣體分子流動和傳熱過程。

(2)滑移流(Slip flow，0.001<Kn<0.1)，此區域內，由于孔隙的特征長度減小，導致孔隙內甲烷分子的數量減小，引起氣體稀薄效應的顯現。雖然甲烷氣體分子之間發生碰撞的概率仍大于其與固體表面碰撞的概率，但此時氣體分子在固體表面處碰撞后動量和能量交換不完全，從而導致氣體在固體表面的速度和溫度與邊界不同，產生速度滑移與溫度跳躍。Navier-Stokes方程仍可以描述該區域內流場和溫度場的變化，但需要使用速度滑移與溫度跳躍的邊界條件進行修正計算。

(3)過渡流(Transition flow，0.1<Kn<10)，甲烷氣體分子之間發生碰撞的概率同氣體分子和固體表面碰撞的概率相當，因此以連續性介質為假設條件的Navier-Stokes方程不再適用。有兩種主流方法來處理過渡區內的氣體流動和傳熱過程，一種是在Navier-Stokes方程的基礎上提出高階的宏觀方程(如Burnett方程)并修改相應的邊界條件，提高過渡區內的計算精度；另一種方法是從分子動力學的角度出發，采用直接蒙特卡洛法(Direct Simulation Monte Carlo method，DSMC)。

(4)自由分子流(Free molecular flow，Kn>10)，甲烷氣體越來越稀薄，甲烷氣體分子之間發生碰撞的概率遠小于其與固體表面碰撞的概率。分子與固體壁面的碰撞作用占主導地位，使用分子動力學方法可以解決此類問題。

頁巖氣的主要儲藏空間是納米尺度的孔隙，納米級別的孔隙直徑尺寸范圍是10—800nm，大部分分布在100nm左右。頁巖氣在氣藏內的流動運移大部分處于滑移流和連續流的范圍。