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預(yù)測(cè)納米孔中油氣界面張力的狀態(tài)方程模型構(gòu)建

來(lái)源:大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā) 瀏覽 530 次 發(fā)布時(shí)間:2023-12-26

頁(yè)巖油氣和致密油氣具有重要的開(kāi)采價(jià)值[1-2]。與常規(guī)的油氣藏相比,頁(yè)巖儲(chǔ)層和致密儲(chǔ)層的孔隙達(dá)到納米級(jí),在納米孔內(nèi)的受限流體的界面張力(IFT)不同于常規(guī)的體積流體。因此,建立預(yù)測(cè)納米孔中油氣界面張力模型,對(duì)頁(yè)巖油氣和致密油氣勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。


付東等[3]基于二階微擾理論建立狀態(tài)方程(EoS)模型,并結(jié)合密度泛函理論,研究不同量程參數(shù)的Yukawa流體的界面張力.李小森等[4]基于基礎(chǔ)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(shí)的界面張力。曾志勇等[5]基于狀態(tài)方程和毛細(xì)管Kelvin模型,建立甲烷水合物和二氧化碳水合物界面張力預(yù)測(cè)模型。近年來(lái),許多學(xué)者研究受限流體的臨界屬性移位現(xiàn)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(jì)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(gè)半解析狀態(tài)方程。Zhang等[9]將Travalloni等[10]提出的納米孔吸附理論引入到狀態(tài)方程中,并推導(dǎo)預(yù)測(cè)吸附厚度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。Zhang等[11]設(shè)計(jì)納米實(shí)驗(yàn)裝置并測(cè)量在納米孔中的界面張力,同時(shí)提出計(jì)算納米孔中界面張力的理論方法。


頁(yè)巖包含有礦物孔及有機(jī)孔等復(fù)雜孔隙類型,在狀態(tài)方程模型中,所有孔隙類型均假設(shè)為圓柱孔[8]。因此,孔隙對(duì)模型的影響簡(jiǎn)化成孔隙半徑對(duì)模型預(yù)測(cè)結(jié)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(guī)的狀態(tài)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(qiáng)的吸附作用,孔隙中流體是非均勻的,常規(guī)的狀態(tài)方程不能用于非均勻體系,應(yīng)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(tài)方程不能描述孔隙中流體的吸附過(guò)程。本文針對(duì)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(tài)方程和修正的vdW混合規(guī)則,建立一個(gè)預(yù)測(cè)納米孔中油氣界面張力的狀態(tài)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(tài)方程與等張比容模型結(jié)合,建立基于氣液相平衡的界面張力計(jì)算模型,并提出具體計(jì)算方法。建立的SRK模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與vdW模型[11]和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。同時(shí),分析壓力、溫度和孔隙半徑對(duì)流體界面張力的影響。準(zhǔn)確計(jì)算納米孔內(nèi)流體的界面張力在油田勘探開(kāi)發(fā)中具有重要作用,如注二氧化碳提高采收率過(guò)程中,準(zhǔn)確計(jì)算界面張力是合理設(shè)計(jì)注入?yún)?shù)的重要條件之一,此外,界面張力還可作為混相判據(jù),是混相驅(qū)的重要參數(shù)之一;在油藏?cái)?shù)值模擬過(guò)程中,準(zhǔn)確的狀態(tài)方程提高組分模擬的精度,并被廣泛地運(yùn)用于注二氧化碳驅(qū)模擬。


界面張力


Zhang等[11]設(shè)計(jì)出納米實(shí)驗(yàn)裝置,并測(cè)量甲烷-正葵烷(C1-nC10)和氮?dú)?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(cè)量值見(jiàn)表1。對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)量的界面張力與模型預(yù)測(cè)值,是檢驗(yàn)建模正確性的重要方法之一。因此,筆者對(duì)不同溫度下的C1-nC10和N2-nC10混合物的界面張力進(jìn)行預(yù)測(cè),其使用到的純組分狀態(tài)方程參數(shù)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(cè)量和模型預(yù)測(cè)的界面張力(IFT)

表2本文使用的純物質(zhì)狀態(tài)方程參數(shù)


結(jié)論


(1)基于修正的SRK狀態(tài)方程和修正的vdW混合規(guī)則,建立一個(gè)預(yù)測(cè)納米孔中油氣界面張力的狀態(tài)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)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(zhǔn)確地預(yù)測(cè)界面張力。


(3)通過(guò)SRK模型對(duì)體積相和納米孔中的界面張力預(yù)測(cè)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(duì)不同孔隙半徑的納米孔中的界面張力預(yù)測(cè)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??;當(dāng)孔徑大于50 nm時(shí),隨著孔徑的增加,界面張力幾乎不變,表明孔隙對(duì)流體的影響幾乎可以忽略。


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