基于数值模拟的多孔介质内气体流动传热特性研究
发布时间：2021-02-04 05:37
页岩是一种典型的天然多孔介质,内部存在着随机无序的微纳米尺度孔隙以及天然或人工宏观尺度的流动空间裂缝,开发过程涉及到多尺度效应及流固耦合等难题,使得页岩气在页岩内的流动与传热过程变得非常复杂。本文在对页岩多孔介质简化的基础上从宏观和微观角度深入研究页岩气的流动传热特性,以期能够较为全面认识页岩气在岩层中的流动传热过程,为页岩气的开发提供必要的理论支持和技术保证。首先,通过Matlab语言编程软件采用格子Boltzmann模型对页岩气在突扩和连续扩张两种变截面通道内的流动与传热微观特性进行了研究,结果表明发生连续扩张的通道内中心线上流体速度及温度梯度均大于发生突扩通道内的流体流动速度及温度梯度,这表明其能量消耗大,开发过程难度偏高。对突扩通道而言,其截面扩张系数及努森数对气体流动传热特性的影响较大,截面扩张系数越大页岩气藏开发难度越高。然后,采用CFD数值模拟研究页岩气在并联连通通道中的流动传热特性,探索变角度情况下通道内的流动传热特点。研究表明随着连通通道偏转角度的增加,通道中的气体流速在不断减小,平均温度呈缓慢上升的趋势,但总体变化不大;选取典型的偏转角度为30°时不同流动压差对页岩...
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多孔介质的分类多孔介质内部孔隙通道连通方式多样，有些是直接连通的，有些只有一部分相互连
2图1-1多孔介质的分类多孔介质内部孔隙通道连通方式多样，有些是直接连通的，有些只有一部分相互连通，而有些部分没有连通；多孔介质孔隙通道具有跨尺度性，从纳米级到毫米级不等，因此研究流体在其间的流动时，必须要考虑到孔隙尺寸对于气体流动的影响，就微小通道而言，必须将分子之间的作用力考虑进去，而通道尺寸稍大时，分之间的作用力就可以适当的忽略掉，一般将其看作是存在于固体内部的洞穴来处理。归因于所构成多孔介质固体骨架分布结构以及材料的不同，多孔介质内部不同区域在不同方向上所具有的性质大不不同。通常将多孔介质分为各向同性的多孔介质（如图1-2（a）所示）和各向异性的多孔介质（如图1-2（b）所示）。在现实生活中各向同性的多孔介质通常是不存在的，但是在理论分析和研究的过程中，为了方便的计算以及对所研究问题进行简化，一般在研究过程中视多孔介质为各向同性材料。图1-2各向同性多孔介质和各向异性多孔介质（a）各向同性多孔介质；（b）各向异性多孔介质根据多孔介质内流体干湿度的不同，又将多孔介质分为干饱和多孔介质（如图1-3（a）所示）、含湿饱和多孔介质（如图1-3（b）所示）以及含湿非饱和多孔介质（如图1-3（c）所示）三种。通常在讨论多孔介质中流动过程时，将干饱和多孔介质与含湿饱和多孔介质这两种状态下的多孔介质看作是单相流来处理相关的传热传质问题；处理含湿非饱和多孔介质中流体流动时，通常需要将流体的相变考虑进去，因此在处理含湿非饱和多孔介质中的流动和传热问题时需要按多相流来处理。
3图1-3饱和多孔介质和非饱和多孔介质（a）干饱和状态；（b）含湿饱和状态；（c）含湿非饱和状态。1.2.2多孔介质的基本参数a.孔隙度孔隙度（porosity)是多孔介质孔隙体积与其总体积的比值，表达式为：100%VVε=×孔隙多孔（1-1）式中，V孔隙表示多孔介质内孔隙体积；V多孔表示多孔介质总体积。多孔介质孔隙度大小对于其内部流体流动传热特性具有非常明显的影响。何顺[1]等人就我国川东南丁山地区的五峰—龙马溪组页岩储层特征进行了深入的研究分析，结果表明页岩储层的孔隙度主要处于1.8%到5.34%之间，其中页岩的最低孔隙度只有1%，最大孔隙度为6.93%。b.多孔介质的惯性阻力系数惯性阻力系数一般用Cf来表示，是多孔介质内部流体流动惯性阻力与其加速度之比。对于多孔介质的惯性阻力系数国内外有很多学者通过试验和分析的方法给出不同的Cf的经验公式。其中著名的克泽尼-卡门方程[2]表达式为：1.51.75150fCε=（1-2）式中，ε表示多孔介质孔隙度。c.有效导热系数为了方便对多孔介质的有效导热系数进行定义，将多孔介质材料看作是普通的固体材料来处理，由于多孔介质的有效导热系数受到该多孔介质孔隙结构的影响很大，通常情况下用于表示多孔介质的有效导热系数经验公式与孔隙度呈一定的函数关系。用来定义多孔介质的有效导热系数有很多的经验公式，常用的经验公式表示为：(1)sfλ=ελ+ελ（1-3）式中，λs表示多孔介质中的固体相导热系数，W/(m.K)；λf表示多孔介质内的流体相导热系数，W/(m.K)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]川东南丁山地区五峰—龙马溪组页岩储层特征及影响因素[J]. 何顺,秦启荣,范存辉,周吉羚,钟城,黄为. 油气藏评价与开发. 2019(04)
[2]多孔介质流动及传热的格子Boltzmann方法研究[J]. 吴子森,董平川,袁忠超,周阴国,曹耐,许佳良. 石油科学通报. 2017(01)
[3]基于格子Boltzmann方法的饱和土壤渗流与传热数值模拟[J]. 李素芬,薛福. 热科学与技术. 2015(06)
[4]格子Boltzmann方法对多孔介质复合通道内流动的研究[J]. 张国庆,陈宝明,刘智,刘芳. 节能. 2014(05)
[5]稠油油藏热流耦合“两箱”分析模型及应用研究[J]. 王志国,陈键,杨文哲,张文福,宋永臣. 岩石力学与工程学报. 2012(05)
[6]低渗气藏中气体渗流Klinkenberg效应研究进展[J]. 朱益华,陶果,方伟,王胜奎. 地球物理学进展. 2007(05)
[7]分形多孔介质导热数值模拟分析[J]. 王唯威,淮秀兰. 工程热物理学报. 2007(05)
[8]应用分形理论的实际多孔介质有效导热系数的研究[J]. 陈永平,施明恒. 应用科学学报. 2000(03)
博士论文
[1]基于格子Boltzmann方法的页岩气微观流动机理研究[D]. 任俊杰.西南石油大学 2015
[2]基于孔隙尺度的多孔介质流动与传热机理研究[D]. 赵凯.南京理工大学 2010
硕士论文
[1]页岩气在变截面纳米孔道中的流动机理研究[D]. 李向哲.中国科学技术大学 2018
[2]基于格子Boltzmann方法的页岩气藏微观渗流机理研究[D]. 符东宇.西南石油大学 2017
[3]多孔介质内单相流动与传热的格子Boltzmann数值研究[D]. 林涛.中国石油大学(华东) 2016
[4]分形多孔介质内导热与流动数值模拟研究[D]. 王唯威.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2006
本文编号：3017818
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多孔介质的分类多孔介质内部孔隙通道连通方式多样，有些是直接连通的，有些只有一部分相互连
2图1-1多孔介质的分类多孔介质内部孔隙通道连通方式多样，有些是直接连通的，有些只有一部分相互连通，而有些部分没有连通；多孔介质孔隙通道具有跨尺度性，从纳米级到毫米级不等，因此研究流体在其间的流动时，必须要考虑到孔隙尺寸对于气体流动的影响，就微小通道而言，必须将分子之间的作用力考虑进去，而通道尺寸稍大时，分之间的作用力就可以适当的忽略掉，一般将其看作是存在于固体内部的洞穴来处理。归因于所构成多孔介质固体骨架分布结构以及材料的不同，多孔介质内部不同区域在不同方向上所具有的性质大不不同。通常将多孔介质分为各向同性的多孔介质（如图1-2（a）所示）和各向异性的多孔介质（如图1-2（b）所示）。在现实生活中各向同性的多孔介质通常是不存在的，但是在理论分析和研究的过程中，为了方便的计算以及对所研究问题进行简化，一般在研究过程中视多孔介质为各向同性材料。图1-2各向同性多孔介质和各向异性多孔介质（a）各向同性多孔介质；（b）各向异性多孔介质根据多孔介质内流体干湿度的不同，又将多孔介质分为干饱和多孔介质（如图1-3（a）所示）、含湿饱和多孔介质（如图1-3（b）所示）以及含湿非饱和多孔介质（如图1-3（c）所示）三种。通常在讨论多孔介质中流动过程时，将干饱和多孔介质与含湿饱和多孔介质这两种状态下的多孔介质看作是单相流来处理相关的传热传质问题；处理含湿非饱和多孔介质中流体流动时，通常需要将流体的相变考虑进去，因此在处理含湿非饱和多孔介质中的流动和传热问题时需要按多相流来处理。
3图1-3饱和多孔介质和非饱和多孔介质（a）干饱和状态；（b）含湿饱和状态；（c）含湿非饱和状态。1.2.2多孔介质的基本参数a.孔隙度孔隙度（porosity)是多孔介质孔隙体积与其总体积的比值，表达式为：100%VVε=×孔隙多孔（1-1）式中，V孔隙表示多孔介质内孔隙体积；V多孔表示多孔介质总体积。多孔介质孔隙度大小对于其内部流体流动传热特性具有非常明显的影响。何顺[1]等人就我国川东南丁山地区的五峰—龙马溪组页岩储层特征进行了深入的研究分析，结果表明页岩储层的孔隙度主要处于1.8%到5.34%之间，其中页岩的最低孔隙度只有1%，最大孔隙度为6.93%。b.多孔介质的惯性阻力系数惯性阻力系数一般用Cf来表示，是多孔介质内部流体流动惯性阻力与其加速度之比。对于多孔介质的惯性阻力系数国内外有很多学者通过试验和分析的方法给出不同的Cf的经验公式。其中著名的克泽尼-卡门方程[2]表达式为：1.51.75150fCε=（1-2）式中，ε表示多孔介质孔隙度。c.有效导热系数为了方便对多孔介质的有效导热系数进行定义，将多孔介质材料看作是普通的固体材料来处理，由于多孔介质的有效导热系数受到该多孔介质孔隙结构的影响很大，通常情况下用于表示多孔介质的有效导热系数经验公式与孔隙度呈一定的函数关系。用来定义多孔介质的有效导热系数有很多的经验公式，常用的经验公式表示为：(1)sfλ=ελ+ελ（1-3）式中，λs表示多孔介质中的固体相导热系数，W/(m.K)；λf表示多孔介质内的流体相导热系数，W/(m.K)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]川东南丁山地区五峰—龙马溪组页岩储层特征及影响因素[J]. 何顺,秦启荣,范存辉,周吉羚,钟城,黄为. 油气藏评价与开发. 2019(04)
[2]多孔介质流动及传热的格子Boltzmann方法研究[J]. 吴子森,董平川,袁忠超,周阴国,曹耐,许佳良. 石油科学通报. 2017(01)
[3]基于格子Boltzmann方法的饱和土壤渗流与传热数值模拟[J]. 李素芬,薛福. 热科学与技术. 2015(06)
[4]格子Boltzmann方法对多孔介质复合通道内流动的研究[J]. 张国庆,陈宝明,刘智,刘芳. 节能. 2014(05)
[5]稠油油藏热流耦合“两箱”分析模型及应用研究[J]. 王志国,陈键,杨文哲,张文福,宋永臣. 岩石力学与工程学报. 2012(05)
[6]低渗气藏中气体渗流Klinkenberg效应研究进展[J]. 朱益华,陶果,方伟,王胜奎. 地球物理学进展. 2007(05)
[7]分形多孔介质导热数值模拟分析[J]. 王唯威,淮秀兰. 工程热物理学报. 2007(05)
[8]应用分形理论的实际多孔介质有效导热系数的研究[J]. 陈永平,施明恒. 应用科学学报. 2000(03)
博士论文
[1]基于格子Boltzmann方法的页岩气微观流动机理研究[D]. 任俊杰.西南石油大学 2015
[2]基于孔隙尺度的多孔介质流动与传热机理研究[D]. 赵凯.南京理工大学 2010
硕士论文
[1]页岩气在变截面纳米孔道中的流动机理研究[D]. 李向哲.中国科学技术大学 2018
[2]基于格子Boltzmann方法的页岩气藏微观渗流机理研究[D]. 符东宇.西南石油大学 2017
[3]多孔介质内单相流动与传热的格子Boltzmann数值研究[D]. 林涛.中国石油大学(华东) 2016
[4]分形多孔介质内导热与流动数值模拟研究[D]. 王唯威.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2006
本文编号：3017818
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