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预测纳米孔中油气界面张力的状态方程模型构建

来源:大庆石油地质与开发 浏览 289 次 发布时间:2023-12-26

页岩油气和致密油气具有重要的开采价值[1-2]。与常规的油气藏相比,页岩储层和致密储层的孔隙达到纳米级,在纳米孔内的受限流体的界面张力(IFT)不同于常规的体积流体。因此,建立预测纳米孔中油气界面张力模型,对页岩油气和致密油气勘探开发具有重要意义。


付东等[3]基于二阶微扰理论建立状态方程(EoS)模型,并结合密度泛函理论,研究不同量程参数的Yukawa流体的界面张力.李小森等[4]基于基础度量理论,密度泛函理论和一阶平均球近似理论建立Lennard-Jones(LJ)流体自由能模型,研究汽液平衡时的界面张力。曾志勇等[5]基于状态方程和毛细管Kelvin模型,建立甲烷水合物和二氧化碳水合物界面张力预测模型。近年来,许多学者研究受限流体的临界属性移位现象[6]。Zhang等[7]基于修正的Peng-Robinson(PR)EoS,提出一种递减界面张力法计算最小混相压力。Zhang等[8]基于van der Waals(vdW)EoS和受限流体临界温度和压力移位建立一个半解析状态方程。Zhang等[9]将Travalloni等[10]提出的纳米孔吸附理论引入到状态方程中,并推导预测吸附厚度的经验关联式。Zhang等[11]设计纳米实验装置并测量在纳米孔中的界面张力,同时提出计算纳米孔中界面张力的理论方法。


页岩包含有矿物孔及有机孔等复杂孔隙类型,在状态方程模型中,所有孔隙类型均假设为圆柱孔[8]。因此,孔隙对模型的影响简化成孔隙半径对模型预测结果的影响。Jin等[12]将孔隙分为三种类型:孔隙尺寸大于10 nm,孔隙中的吸附作用很弱且可以忽略,孔隙中流体是均匀的,常规的状态方程能够描述流体的相行为;孔隙尺寸小于等于10 nm,孔隙中有很强的吸附作用,孔隙中流体是非均匀的,常规的状态方程不能用于非均匀体系,应该采用分子模拟方法,例如蒙特卡洛模拟;最后一种类型是分子移向干酪根。Tan等[13]的研究表明,状态方程不能描述孔隙中流体的吸附过程。本文针对孔隙尺寸大于10 nm的均匀流体,只考虑流体之间的相互作用,忽略分子—孔隙之间的相互作用。


本文基于修正的SRK状态方程和修正的vdW混合规则,建立一个预测纳米孔中油气界面张力的状态方程模型,该模型能描述纳米孔中孔隙半径和分子—分子间相互作用的影响。将状态方程与等张比容模型结合,建立基于气液相平衡的界面张力计算模型,并提出具体计算方法。建立的SRK模型的预测结果与vdW模型[11]和实验数据进行对比分析。同时,分析压力、温度和孔隙半径对流体界面张力的影响。准确计算纳米孔内流体的界面张力在油田勘探开发中具有重要作用,如注二氧化碳提高采收率过程中,准确计算界面张力是合理设计注入参数的重要条件之一,此外,界面张力还可作为混相判据,是混相驱的重要参数之一;在油藏数值模拟过程中,准确的状态方程提高组分模拟的精度,并被广泛地运用于注二氧化碳驱模拟。


界面张力


Zhang等[11]设计出纳米实验装置,并测量甲烷-正葵烷(C1-nC10)和氮气-正葵烷(N2-nC10)混合物在纳米孔(rp=50 nm)中的界面张力,其具体测量值见表1。对比实验测量的界面张力与模型预测值,是检验建模正确性的重要方法之一。因此,笔者对不同温度下的C1-nC10和N2-nC10混合物的界面张力进行预测,其使用到的纯组分状态方程参数列于表2。

表1 C1-nC10和N2-nC10混合物在298.15 K、326.15 K下的纳米孔中测量和模型预测的界面张力(IFT)

表2本文使用的纯物质状态方程参数


结论


(1)基于修正的SRK状态方程和修正的vdW混合规则,建立一个预测纳米孔中油气界面张力的状态方程模型,该模型能描述纳米孔中孔隙半径和分子—分子间相互作用的影响。


(2)与vdW模型和实验数据对比表明:在相同的温度下,随着压力的升高,C1-nC10和N2-nC10混合物在纳米孔中的界面张力逐渐减小,SRK和vdW模型均能准确地预测界面张力。


(3)通过SRK模型对体积相和纳米孔中的界面张力预测表明:在相同的温度压力条件下,体积相中的C1-nC10和N2-nC10混合物界面张力大于纳米孔中的界面张力。对不同孔隙半径的纳米孔中的界面张力预测表明:随着孔隙半径的减小,混合物的界面张力逐渐减小,且在较低的压力下,孔隙半径越小,界面张力的减小程度越大,而在较高的压力下,由于界面张力比较小,孔隙半径的影响也较小。


(4)在相同的压力和孔径下,随着温度升高,混合物的界面张力逐渐减小,在较高的温度下,界面张力减小程度增加。在相同的温度和压力下,孔隙半径越小,界面张力的减小程度越大,界面张力越小。


(5)在相同的温度压力下,孔隙半径越小,界面张力的减小程度越大,界面张力越小;当孔径大于50 nm时,随着孔径的增加,界面张力几乎不变,表明孔隙对流体的影响几乎可以忽略。


(6)SRK模型能准确地预测纳米孔中的界面张力,为预测纳米孔中油气界面张力提供了一种新思路。



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