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預測納米孔中油氣界面張力的狀態方程模型構建

來源:大慶石油地質與開發 瀏覽 574 次 發布時間:2023-12-26

頁巖油氣和致密油氣具有重要的開采價值[1-2]。與常規的油氣藏相比,頁巖儲層和致密儲層的孔隙達到納米級,在納米孔內的受限流體的界面張力(IFT)不同于常規的體積流體。因此,建立預測納米孔中油氣界面張力模型,對頁巖油氣和致密油氣勘探開發具有重要意義。


付東等[3]基于二階微擾理論建立狀態方程(EoS)模型,并結合密度泛函理論,研究不同量程參數的Yukawa流體的界面張力.李小森等[4]基于基礎度量理論,密度泛函理論和一階平均球近似理論建立Lennard-Jones(LJ)流體自由能模型,研究汽液平衡時的界面張力。曾志勇等[5]基于狀態方程和毛細管Kelvin模型,建立甲烷水合物和二氧化碳水合物界面張力預測模型。近年來,許多學者研究受限流體的臨界屬性移位現象[6]。Zhang等[7]基于修正的Peng-Robinson(PR)EoS,提出一種遞減界面張力法計算最小混相壓力。Zhang等[8]基于van der Waals(vdW)EoS和受限流體臨界溫度和壓力移位建立一個半解析狀態方程。Zhang等[9]將Travalloni等[10]提出的納米孔吸附理論引入到狀態方程中,并推導預測吸附厚度的經驗關聯式。Zhang等[11]設計納米實驗裝置并測量在納米孔中的界面張力,同時提出計算納米孔中界面張力的理論方法。


頁巖包含有礦物孔及有機孔等復雜孔隙類型,在狀態方程模型中,所有孔隙類型均假設為圓柱孔[8]。因此,孔隙對模型的影響簡化成孔隙半徑對模型預測結果的影響。Jin等[12]將孔隙分為三種類型:孔隙尺寸大于10 nm,孔隙中的吸附作用很弱且可以忽略,孔隙中流體是均勻的,常規的狀態方程能夠描述流體的相行為;孔隙尺寸小于等于10 nm,孔隙中有很強的吸附作用,孔隙中流體是非均勻的,常規的狀態方程不能用于非均勻體系,應該采用分子模擬方法,例如蒙特卡洛模擬;最后一種類型是分子移向干酪根。Tan等[13]的研究表明,狀態方程不能描述孔隙中流體的吸附過程。本文針對孔隙尺寸大于10 nm的均勻流體,只考慮流體之間的相互作用,忽略分子—孔隙之間的相互作用。


本文基于修正的SRK狀態方程和修正的vdW混合規則,建立一個預測納米孔中油氣界面張力的狀態方程模型,該模型能描述納米孔中孔隙半徑和分子—分子間相互作用的影響。將狀態方程與等張比容模型結合,建立基于氣液相平衡的界面張力計算模型,并提出具體計算方法。建立的SRK模型的預測結果與vdW模型[11]和實驗數據進行對比分析。同時,分析壓力、溫度和孔隙半徑對流體界面張力的影響。準確計算納米孔內流體的界面張力在油田勘探開發中具有重要作用,如注二氧化碳提高采收率過程中,準確計算界面張力是合理設計注入參數的重要條件之一,此外,界面張力還可作為混相判據,是混相驅的重要參數之一;在油藏數值模擬過程中,準確的狀態方程提高組分模擬的精度,并被廣泛地運用于注二氧化碳驅模擬。


界面張力


Zhang等[11]設計出納米實驗裝置,并測量甲烷-正葵烷(C1-nC10)和氮氣-正葵烷(N2-nC10)混合物在納米孔(rp=50 nm)中的界面張力,其具體測量值見表1。對比實驗測量的界面張力與模型預測值,是檢驗建模正確性的重要方法之一。因此,筆者對不同溫度下的C1-nC10和N2-nC10混合物的界面張力進行預測,其使用到的純組分狀態方程參數列于表2。

表1 C1-nC10和N2-nC10混合物在298.15 K、326.15 K下的納米孔中測量和模型預測的界面張力(IFT)

表2本文使用的純物質狀態方程參數


結論


(1)基于修正的SRK狀態方程和修正的vdW混合規則,建立一個預測納米孔中油氣界面張力的狀態方程模型,該模型能描述納米孔中孔隙半徑和分子—分子間相互作用的影響。


(2)與vdW模型和實驗數據對比表明:在相同的溫度下,隨著壓力的升高,C1-nC10和N2-nC10混合物在納米孔中的界面張力逐漸減小,SRK和vdW模型均能準確地預測界面張力。


(3)通過SRK模型對體積相和納米孔中的界面張力預測表明:在相同的溫度壓力條件下,體積相中的C1-nC10和N2-nC10混合物界面張力大于納米孔中的界面張力。對不同孔隙半徑的納米孔中的界面張力預測表明:隨著孔隙半徑的減小,混合物的界面張力逐漸減小,且在較低的壓力下,孔隙半徑越小,界面張力的減小程度越大,而在較高的壓力下,由于界面張力比較小,孔隙半徑的影響也較小。


(4)在相同的壓力和孔徑下,隨著溫度升高,混合物的界面張力逐漸減小,在較高的溫度下,界面張力減小程度增加。在相同的溫度和壓力下,孔隙半徑越小,界面張力的減小程度越大,界面張力越小。


(5)在相同的溫度壓力下,孔隙半徑越小,界面張力的減小程度越大,界面張力越小;當孔徑大于50 nm時,隨著孔徑的增加,界面張力幾乎不變,表明孔隙對流體的影響幾乎可以忽略。


(6)SRK模型能準確地預測納米孔中的界面張力,為預測納米孔中油氣界面張力提供了一種新思路。


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