管道和多孔介质中两相流非均匀相分布条件下电学响应特性数值模拟研究

作     者：李馨 

作者单位：中国石油大学(华东) 

学位级别：硕士

导师姓名：邢兰昌

授予年度：2019年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：多孔介质 两相流 相分布 电学特性 流场-电场耦合 数值模拟 

摘      要：天然气水合物钻探取样技术复杂且成本高,实物样品极其有限,物理模拟实验成本高且周期长,可模拟的实际条件有限、探测信息较少。岩石物理数值模拟为克服上述困难提供了一条可行的途径。本课题基于流场-电场耦合的有限元数值模拟方法研究了两相流体在管道和多孔介质中的非均匀分布状态以及相应的电学响应特性,从而为含天然气水合物或含油水岩石物理数值模拟实验提供了建模思路,为电学传感器的参数优化、电学测试数据的分析提供模型和理论基础。为了探索流场-电场耦合数值模拟方法以及检验数值仿真模型的正确性,建立了气液两相流流场与双环形电极电场耦合数值仿真模型,分析了气液两相流典型流型对双环形电极间电场响应特性的影响规律以及混合电导率与液相含率之间的定量关系。研究结果表明:（1）利用流场-电场耦合数值模拟能够在模拟分层流、波浪流、段塞流、泡状流和环状流等5种典型流型的条件下获得电极间的电学响应特性;（2）通过分析电极间轴向电流密度空间分布能够判断管道内气液两相流的流型和相分布;（3）利用无量纲混合电导率可计算平均液相含率。为了模拟水合物在多孔介质中的非均匀分布状态,考虑到油与天然气水合物电学性质和微观分布状态的相似性,利用水驱油过程所形成的油/水分布来模拟水合物/水在多孔介质孔隙中的非均匀分布状态,建立了流场-电场耦合数值仿真模型,基于此讨论了微观因素（骨架颗粒形状、骨架非均质性、壁面接触角、界面张力、油水粘度比、入口速度）对多孔介质内油水两相分布形态的影响,研究了两相流体空间分布、电极形状和电极位置对电场响应特性的影响,最后基于数值模拟数据讨论了含油/水合物饱和度计算方法。研究结果表明:（1）调节数值仿真模型中多孔介质微观因素,通过流场计算可以获得流体在多孔介质中多种非均匀相分布;（2）电极形状和电极位置影响电场强度空间分布均匀性以及对流体相分布的灵敏程度;（3）电场频率在0.001～1000Hz范围内含油水多孔介质无量纲阻抗幅值呈现出频散特性,阻抗幅值的频散度与含油饱和度之间呈现出近似线性的关系,可建立用来计算含油/水合物饱和度的方法。