CN113392528A - 基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字岩心的气体‑液硫两相流动规律模拟方法，包括以下步骤：S1：建立目标岩心的数字岩心；S2：定义液硫为润湿相，气体为非润湿相，分别计算所述液硫和所述气体的密度和粘度；S3：在两相流模拟软件中，进行模拟地层条件下的气体‑液硫两相渗流模拟，得到气体‑液硫两相相渗曲线。本发明针对性强，能够在微米尺度下精准地还原岩心的孔隙结构，并进行定量定性分析；且还具有误差小、安全系数高等特点，能够避免实验过程中液硫和气体流量检测不准确的问题，以及液硫与氧气发生反应导致质量减少而产生较大测试误差的问题；防止实验过程中液硫与氧气接触，发生氧化反应，生成二氧化硫等有害气体，避免对实验人员的健康造成伤害。

Description

基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法

技术领域

本发明涉及油气开发技术领域，特别涉及一种基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法。

背景技术

高含硫气藏主要为碳酸盐岩沉积类型，储集空间为溶洞孔隙结构，富含硫元素，以硫化氢和单质硫的形式存在为主。当地层温度高于硫的熔点温度时，硫在地层中以液态的形式聚集在井筒周围。因此在气田开发过程中，不仅存在复杂的物理化学相变过程，而且还存在多相渗流问题，会导致其流动机理异常复杂，对气井生产的影响难以判别。

然而同时满足气-液硫同流现象的两相驱替实验研究的装置和方法较少，主要存在以下几点问题：1)安全问题：液硫易与氧气反应，一旦在高温高压环境下与氧气接触会剧烈氧化生成二氧化硫，对实验操作人员的健康造成严重危害。2)计量问题：液硫易与氧气反应，在高温环境下与氧气接触会剧烈氧化生成二氧化硫，导致硫的质量减少产生较大的测试误差。且在对气-液硫进行分离过程中，会产生管线震动，天平并不能得到相对精准的读数。3)实验局限性：常规的相渗实验，只能从宏观角度获取相对渗透率、毛细管压力和残余饱和度等参数，无法将这些参数在微观的角度进行对比分析，尝试从机理的角度对数据进行剖析。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法，包括以下步骤：

S1：建立目标岩心的数字岩心；

S2：定义液硫为润湿相，气体为非润湿相，分别计算所述液硫和所述气体的密度和粘度；

S3：在两相流模拟软件中，进行模拟地层条件下的气体-液硫两相渗流模拟，得到气体-液硫两相相渗曲线。

作为优选，所述液硫和所述气体的密度均通过下式进行计算：

α(T)＝α⁽⁰⁾+ω(α⁽¹⁾-α⁽⁰⁾) (4)

α^(0,1)＝T_r ^N(M-1)exp[L(1-T_r ^NM)] (5)

式中：P为压力，bar；R为通用气体常数，83.14472cm³·bar/(mol·K)；T为温度，K；ν为体积，cm³；n、m(T)、α(T)、α⁽⁰⁾、α⁽¹⁾均为中间参数；T_c为物质临界温度，K；P_c为物质临界压力，bar；ω为物质的偏心因子，无量纲；T_r为对比温度，无量纲；L、M、N均为系数，无量纲。

作为优选，公式(5)中的L、M、N取值根据所述T_r的大小进行确定，具体的：

当T_r≤1时，α⁽⁰⁾中的L＝1.511442、M＝2.78827、N＝0.16159；α⁽¹⁾中的L＝0.567879、M＝0.74427、N＝2.575067；

当T_r＞1时，α⁽⁰⁾中的L＝0.401219、M＝4.96307、N＝-0.20000；α⁽¹⁾中的L＝0.024955、M＝1.248089、N＝-8.00000。

作为优选，所述气体的粘度随着温度的升高而下降；所述液硫的粘度随着温度的升高先下降、然后升高、最后再下降；

所述气体的粘度、以及随着温度的升高而下降的液硫的粘度均通过以下步骤进行计算：

当物质处于非临界点时，通过下式进行计算：

R′＝(e₀(1-(P/P_c)^-1)-0.02715(P/P_c)^-1[((P/P_c)^-1+0.25)^-1-0.8]+(P/P_c)^-1)r_c (7)

e₀＝0.03192-3.3125×10^-4M_wω (8)

r_c＝13.7768T_c ^5/6M_w ^1/2P_c ^-1/3 (9)

当物质处于临界点时，通过下式进行计算：

式中：T为温度，K；T_c为临界点温度，K；R'、a、b、r_c均为中间参数；μ为粘度，10^-7Pa·s；e₀为耦合参数；P为压力，bar；P_c为临界点压力，bar；M_w为物质的分子量，无量纲；ω为物质的偏心因子，无量纲；

随着温度的升高而升高的液硫的粘度通过下式进行计算：

式中：P₁、P₂、P₃、P₄、P₅均为中间参数，无量纲。

作为优选，液硫粘度随着温度的升高而升高的温度区间为[162.35℃，191.20℃]。

作为优选，计算液硫的粘度时：

当温度小于162.35℃时，T_c＝1115.0292K，M_w＝256.528，P_c＝10.4209MPa，ω＝0.5581；

当温度大于191.20℃时，T_c＝1039.85K，M_w＝256.528，P_c＝18.2081MPa，ω＝0.246346；

当温度在[162.35℃，191.20℃]区间内时，P₁＝-2.9E+09，P₂＝-5.4E+07，P₃＝17.47705，P₄＝3.49E+08，P₅＝7.29E+10。

作为优选，步骤S1中，建立目标岩心的数字岩心具体包括以下子步骤：

S11：对目标岩心进行物性测试，获得所述目标岩心的孔隙度和渗透率；

S12：对所述目标岩心进行CT扫描，获得所述目标岩心的CT图像；

S13：将所述CT图像中的结构划分为孔隙空间、微孔隙、以及颗粒；

S14：以所述孔隙空间为研究对象，测定所述CT图像的孔隙度，并将该孔隙度与步骤S11获得的孔隙度进行对比：

若两者的相对误差大于等于误差阈值一，则返回步骤S13对所述CT图像进行重新划分；

若两者的相对误差小于误差阈值一，则进入步骤S15；

S15：利用PerGeos软件，结合步骤S14获得的孔隙度，建立孔隙球棍模型；

S16：对步骤S15获得的孔隙球棍模型进行单相渗流模拟，获得所述孔隙球棍模型的绝对渗透率，并将该绝对渗透率与步骤S11获得的渗透率进行对比：

若两者的相对误差大于等于误差阈值二，则返回步骤S13对所述CT图像进行重新划分；

若两者的相对误差小于误差阈值二，则步骤S15获得的孔隙球棍模型即为所述数字岩心。

作为优选，步骤S13划分所述CT图像的结构之前，还包括对所述CT图像进行图片降噪处理的步骤。

作为优选，采用图像滤波器对所述CT图像进行图片降噪处理。

作为优选，步骤S14中，所述误差阈值一和所述误差阈值二均为5％。

本发明的有益效果是：

1)本发明误差小。通过数字岩心还原地层条件下的气体-液硫的流动，模拟气体-液硫两相流体在数字岩心孔隙空间的多相渗流过程，从而避免实验过程中液硫以及气流量检测不准确的问题，以及防止实验过程中由于液硫与氧气反应导致质量减少而产生较大测试误差。

2)本发明实验安全系数高。数值模拟能够防止实验过程中液硫与氧气接触，发生氧化反应，形成二氧化硫等有害气体，避免对实验人员的健康造成伤害。

3)本发明针对性强。能够在微米级别孔隙结构角度上研究渗流机理，传统的宏观渗流实验难以实现；通过数字岩心技术可以在微米尺度下精准地还原岩心的孔隙结构，并进行定量定性分析，避免宏观实验下，复杂渗流空间下，岩心的气体-液硫两相渗流特征不明显，影响结论的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法的流程示意图；

图2为液硫粘度随温度变化的关系曲线示意图；

图3为本发明一个具体实施例的目标岩心CT扫描结果示意图；

图4为本发明一个具体实施例的目标岩心的数字岩心示意图；

图5为本发明一个具体实施例的气体-液硫两相相渗曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

如图1所示，本发明提供一种基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法，包括以下步骤：

S1：建立目标岩心的数字岩心。

在一个具体的实施例中，建立目标岩心的数字岩心具体包括以下子步骤：

S11：对目标岩心进行物性测试，获得所述目标岩心的孔隙度和渗透率；

S12：对所述目标岩心进行CT扫描，获得所述目标岩心的CT图像；

S13：将所述CT图像中的结构划分为孔隙空间、微孔隙(指在实验分辨率下不能够被识别的孔隙结构)、以及颗粒；

S14：以所述孔隙空间为研究对象，测定所述CT图像的孔隙度，并将该孔隙度与步骤S11获得的孔隙度进行对比：

若两者的相对误差大于等于误差阈值一，则返回步骤S13对所述CT图像进行重新划分；

若两者的相对误差小于误差阈值一，则进入步骤S15；

S15：利用PerGeos软件，结合步骤S14获得的孔隙度，建立孔隙球棍模型；

S16：对步骤S15获得的孔隙球棍模型进行单相渗流模拟，获得所述孔隙球棍模型的绝对渗透率，并将该绝对渗透率与步骤S11获得的渗透率进行对比：

若两者的相对误差大于等于误差阈值二，则返回步骤S13对所述CT图像进行重新划分；

若两者的相对误差小于误差阈值二，则步骤S15获得的孔隙球棍模型即为所述数字岩心。

在一个具体的实施例中，步骤S13划分所述CT图像的结构之前，还包括采用图像滤波器对所述CT图像进行图片降噪处理的步骤。需要说明的是，除了采用本实施例的方法进行图片降噪处理外，本发明还可采用现有技术中的其他图片降噪处理方法进行处理。

在一个具体的实施例中，步骤S14中，所述误差阈值一和所述误差阈值二均为5％。需要说明的是，所述误差阈值一和所述误差阈值二分别独立取值，除了本实施例的取值外，也可根据需要选择其他的阈值，例如3％、4％、6％等等，阈值越小，最后得到的数字岩心越接近所述目标岩心，具体根据用户的需求精度进行选择。

需要说明的是，本发明的数字岩心，除了采用上述实施例的方法外，还可以采用现有技术中的其他数字岩心建立方法进行建立。

S2：定义液硫为润湿相，气体为非润湿相，分别计算所述液硫和所述气体的密度和粘度；所述液硫和所述气体的密度均通过下式进行计算：

α(T)＝α⁽⁰⁾+ω(α⁽¹⁾-α⁽⁰⁾) (4)

α^(0,1)＝T_r ^N(M-1)exp[L(1-T_r ^NM)] (5)

式中：P为压力，bar；R为通用气体常数，83.14472cm³·bar/(mol·K)；T为温度，K；ν为体积，cm³；n、m(T)、α(T)、α⁽⁰⁾、α⁽¹⁾均为中间参数；T_c为物质临界温度，K；P_c为物质临界压力，bar；ω为物质的偏心因子，无量纲；T_r为对比温度，无量纲；L、M、N均为系数，无量纲。

在一个具体的实施例中，公式(5)中的L、M、N取值根据所述T_r的大小进行确定，具体的：

当T_r≤1时，α⁽⁰⁾中的L＝1.511442、M＝2.78827、N＝0.16159；α⁽¹⁾中的L＝0.567879、M＝0.74427、N＝2.575067；

当T_r＞1时，α⁽⁰⁾中的L＝0.401219、M＝4.96307、N＝-0.20000；α⁽¹⁾中的L＝0.024955、M＝1.248089、N＝-8.00000。

所述气体的粘度随着温度的升高而下降；如图2所示，所述液硫的粘度随着温度的升高先下降、然后升高、最后再下降；其中，液硫粘度随着温度的升高而升高的温度区间为[162.35℃，191.20℃]

所述气体的粘度、以及随着温度的升高而下降的液硫的粘度均通过以下步骤进行计算：

当物质处于非临界点时，通过下式进行计算：

R′＝(e₀(1-(P/P_c)^-1)-0.02715(P/P_c)^-1[((P/P_c)^-1+0.25)^-1-0.8]+(P/P_c)^-1)r_c (7)

e₀＝0.03192-3.3125×10^-4M_wω (8)

r_c＝13.7768T_c ^5/6M_w ^1/2P_c ^-1/3 (9)

当物质处于临界点时，通过下式进行计算：

式中：T为温度，K；T_c为临界点温度，K；R'、a、b、r_c均为中间参数；μ为粘度，10^-7Pa·s；e₀为耦合参数；P为压力，bar；P_c为临界点压力，bar；M_w为物质的分子量，无量纲；ω为物质的偏心因子，无量纲；

随着温度的升高而升高的液硫的粘度通过下式进行计算：

式中：P₁、P₂、P₃、P₄、P₅均为中间参数，无量纲。

计算液硫的粘度时：

当温度小于162.35℃时，T_c＝1115.0292K，M_w＝256.528，P_c＝10.4209MPa，ω＝0.5581；

当温度大于191.20℃时，T_c＝1039.85K，M_w＝256.528，P_c＝18.2081MPa，ω＝0.246346；

当温度在[162.35℃，191.20℃]区间内时，P₁＝-2.9E+09，P₂＝-5.4E+07，P₃＝17.47705，P₄＝3.49E+08，P₅＝7.29E+10。

本发明采用上述方法计算所述液硫和所述气体的密度和粘度，结果更符合地层条件下的真实密度和粘度，使得后续进行两相渗流模拟的结果更加符合实际地层，获得更真实的气体-液硫两相相渗曲线。

S3：在两相流模拟软件中，进行模拟地层条件下的气体-液硫两相渗流模拟，得到气体-液硫两相相渗曲线。

在一个具体的实施例中，步骤S3所述的两相流模拟软件采用PerGeos软件，所述模拟地层条件是指硫在地层中以液态形式存在时的高温高压条件。需要说明的是，除了所述PerGeos软件外，本发明还可采用其他例如Fluent软件等两相流模拟软件进行气体-液硫两相渗流模拟。

在一个具体的实施例中，以某目标岩心为例，一种基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法，包括以下步骤：

1)对所述目标岩心进行物性测试，获得所述目标岩心的孔隙度和渗透率；

2)对所述目标岩心进行CT扫描、滤波降噪、分离，获得如图3所示的目标岩心孔隙空间图像；

3)根据所述目标岩心CT图像，在PerGeos软件中建立如图4所示的数字岩心孔隙球棍模型；

4)定义液硫为润湿相，气体为非润湿相，所述气体采用5％H₂S+8％CO₂+87％CH₄，根据公式(1)-(5)计算所述液硫和所述气体的密度；根据公式(6)-(12)计算所述气体在不同温度下的粘度；根据公式(6)-(13)计算所述液硫在不同温度下的粘度；将所有密度和粘度的计算结果输入所述PerGeos软件中；

5)定义残余液硫饱和度、流体注入方向、液硫的最小润湿角和最大润湿角、液硫和气体的相互作用张力、饱和度计算步长，在PerGeos软件中，进行模拟地层条件下的气体-液硫两相渗流模拟，得到如图5所示的气体-液硫两相相渗曲线。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立目标岩心的数字岩心；

S2：定义液硫为润湿相，气体为非润湿相，分别计算所述液硫和所述气体的密度和粘度；

S3：在两相流模拟软件中，进行模拟地层条件下的气体-液硫两相渗流模拟，得到气体-液硫两相相渗曲线。

2.根据权利要求1所述的基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法，其特征在于，所述液硫和所述气体的密度均通过下式进行计算：

α(T)＝α⁽⁰⁾+ω(α⁽¹⁾-α⁽⁰⁾) (4)

α^(0,1)＝T_r ^N(M-1)exp[L(1-T_r ^NM)] (5)

式中：P为压力，bar；R为通用气体常数，83.14472cm³·bar/(mol·K)；T为温度，K；ν为体积，cm³；n、m(T)、α(T)、α⁽⁰⁾、α⁽¹⁾均为中间参数；T_c为物质临界温度，K；P_c为物质临界压力，bar；ω为物质的偏心因子，无量纲；T_r为对比温度，无量纲；L、M、N均为系数，无量纲。

3.根据权利要求2所述的基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法，其特征在于，公式(5)中的L、M、N取值根据所述T_r的大小进行确定，具体的：

当T_r≤1时，α⁽⁰⁾中的L＝1.511442、M＝2.78827、N＝0.16159；α⁽¹⁾中的L＝0.567879、M＝0.74427、N＝2.575067；

当T_r＞1时，α⁽⁰⁾中的L＝0.401219、M＝4.96307、N＝-0.20000；α⁽¹⁾中的L＝0.024955、M＝1.248089、N＝-8.00000。

4.根据权利要求1所述的基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法，其特征在于，所述气体的粘度随着温度的升高而下降；所述液硫的粘度随着温度的升高先下降、然后升高、最后再下降；

所述气体的粘度、以及随着温度的升高而下降的液硫的粘度均通过以下步骤进行计算：

当物质处于非临界点时，通过下式进行计算：

e₀＝0.03192-3.3125×10^-4M_wω (8)

r_c＝13.7768T_c ^5/6M_w ^1/2P_c ^-1/3 (9)

当物质处于临界点时，通过下式进行计算：

式中：T为温度，K；T_c为临界点温度，K；R'、a、b、r_c均为中间参数；μ为粘度，10^-7Pa·s；e₀为耦合参数；P为压力，bar；P_c为临界点压力，bar；M_w为物质的分子量，无量纲；ω为物质的偏心因子，无量纲；

随着温度的升高而升高的液硫的粘度通过下式进行计算：

式中：P₁、P₂、P₃、P₄、P₅均为中间参数，无量纲。

5.根据权利要求4所述的基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法，其特征在于，液硫粘度随着温度的升高而升高的温度区间为[162.35℃，191.20℃]。

6.根据权利要求5所述的基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法，其特征在于，计算液硫的粘度时：

当温度小于162.35℃时，T_c＝1115.0292K，M_w＝256.528，P_c＝10.4209MPa，ω＝0.5581；

当温度大于191.20℃时，T_c＝1039.85K，M_w＝256.528，P_c＝18.2081MPa，ω＝0.246346；

当温度在[162.35℃，191.20℃]区间内时，P₁＝-2.9E+09，P₂＝-5.4E+07，P₃＝17.47705，P₄＝3.49E+08，P₅＝7.29E+10。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法，其特征在于，步骤S1中，建立目标岩心的数字岩心具体包括以下子步骤：

S11：对目标岩心进行物性测试，获得所述目标岩心的孔隙度和渗透率；

S12：对所述目标岩心进行CT扫描，获得所述目标岩心的CT图像；

S13：将所述CT图像中的结构划分为孔隙空间、微孔隙、以及颗粒；

S14：以所述孔隙空间为研究对象，测定所述CT图像的孔隙度，并将该孔隙度与步骤S11获得的孔隙度进行对比：

若两者的相对误差大于等于误差阈值一，则返回步骤S13对所述CT图像进行重新划分；

若两者的相对误差小于误差阈值一，则进入步骤S15；

S15：利用PerGeos软件，结合步骤S14获得的孔隙度，建立孔隙球棍模型；

S16：对步骤S15获得的孔隙球棍模型进行单相渗流模拟，获得所述孔隙球棍模型的绝对渗透率，并将该绝对渗透率与步骤S11获得的渗透率进行对比：

若两者的相对误差大于等于误差阈值二，则返回步骤S13对所述CT图像进行重新划分；

若两者的相对误差小于误差阈值二，则步骤S15获得的孔隙球棍模型即为所述数字岩心。

8.根据权利要求7所述的基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法，其特征在于，步骤S13划分所述CT图像的结构之前，还包括对所述CT图像进行图片降噪处理的步骤。

9.根据权利要求8所述的基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法，其特征在于，采用图像滤波器对所述CT图像进行图片降噪处理。

10.根据权利要求7所述的基于数字岩心的气体-液硫两相流动规律模拟方法，其特征在于，步骤S14中，所述误差阈值一和所述误差阈值二均为5％。

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