2裂缝性水封气藏解封孔隙尺度模拟

在明确储层物性、润湿性、水封程度、裂缝压力对解封压差影响规律的基础上，建立裂缝性水封气藏解封的微观排水孔隙尺度模型，研究壁面润湿性、气水界面张力和裂缝压力对微观气驱排水和解封效率的影响规律，揭示解封过程的微观排水作用机制。

2.1控制方程

在计算流体力学中，控制方程是描述流体运动的基本数学方程。控制方程主要包括动量守恒方程（N—S方程）和质量守恒方程（连续性方程），如下所示[36]：

式中ρ表示流体密度，kg/m3；u表示速度矢量，m/s；p表示压力，Pa；I表示单位矩阵；μ表示流体的动力黏度，mPa·s；Fst表示气水两相的界面张力，N/m。

2.2界面追踪方程

为更准确地模拟微观排水过程的气水两相流动行为，通过N—S方程和质量守恒方程描述多相流体流动机制，同时耦合关于相变量的界面追踪法（水平集法、流体体积法、相场法等）追踪气水界面。本文采用水平集方法，该方法可以在固定网格上进行数值计算，大幅降低计算复杂度。在气水两相流中，引入水平集函数（φ）来定义各自的体积分数，用来描述具有一定厚度的相界面，它是一个从0到1呈梯度变化的值，其中φ=0表示流体为气相，φ=1表示流体为水相，取φ=0.5的等值面作为相界面。水平集方法相变量的演化方程如式（4）所示，描述了微观排水过程的气水界面变化[37-38]。

式描述相界面的移动，其中表示时间的积累项，表示对流项，φ表示水平集函数；γ表示水平集函数重新初始化参数，m/s；ε表示界面厚度参数，m。

计算域内气水两相流体的全局密度和动力黏度，以满足水平集函数的平滑阶跃特性[39]：

式中ρw、ρg分别表示水、气的密度，kg/m3；μw、μg分别是水、气的黏度，mPa·s。

2.3边界与初始条件

气水两相微观渗流仿真中，提出以下假设条件：初始化状态下孔隙域内全饱和为水相；左端入口面为气相，满足定流边界条件，右端出口面为定压边界条件，入口和出口处的初始状态方程如式（6）所示；四周为封闭边界，无流体通过，封闭壁面的边界条件如式（7）所示[36,40]。

式中n表示固体壁面的单位法向量；u0表示入口处的速度，m/s；p1表示出口处的压力，Pa，nwall表示封闭边界的单位法向量。

2.4模型建立

采用物理场数值模拟方法建立水封气藏解封预测模型，研究气体驱动排水过程中储层孔隙内的气水两相渗流机制。首先，提出储层真实孔隙模型建立方法：基于CT扫描技术对岩心柱进行精细成像，通过图像处理技术获得其灰度图像；经过降噪、滤波、二值化等步骤，运用Avizo软件构建出高精度的3D立体真实孔隙模型；然后，从模型中提取典型的孔喉结构（直径143µm，长度400µm的圆柱体，与实验岩心尺寸比例一致），导入COMSOL Multiphysics软件以构建基础模型。最后，通过模拟实验实时追踪气水两相界面的动态变化，探究气水两相渗流特征查明影响气驱排水效果的关键因素，如注入速度、岩石壁面润湿性、气水界面张力和出口端压力等，揭示气驱排水过程的微观两相渗流机理。