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渗透率是表征多孔介质输运性质的重要参数,对油气储层评价和开发有着重要影响。微纳米孔隙发育、孔隙形态复杂以及孔隙各向异性和分布非均质性(文中简称非均质性)等孔隙结构性质导致致密气岩石中气体高Kn效应显著,传统的解析/半解析模型不再适用,且渗透率取决于孔隙结构和流体压力。尽管国内外学者对多孔介质中气体高Kn效应作了大量研究,但是关于致密岩石孔隙各向异性和非均质性的定量表征仍较为缺乏,孔隙形态、各向异性和非均质性等影响渗透率的内在因素仍不清晰。为此,本文结合微观实验,采用数值方法构建二维和三维随机多孔介质,运用多弛豫时间格子-Boltzmann(MRT-LB)模型模拟复杂多孔介质中流体运移,探索孔隙形态、各向异性和非均质性与渗透率和滑脱系数的内在联系。论文主要开展的工作如下:(1)对致密砂岩岩样开展扫描电镜、铸体薄片、X-衍射、恒压压汞、核磁共振和CT扫描等实验,获取其矿物组成、胶结类型、孔隙类型、孔径大小和分布等;结合分辨率620nm的CT扫描图像,建立致密砂岩三维数字岩心,分析其三维孔隙形态,并基于形态学原理定量评价其孔隙各向异性和非均质性,为后续模拟研究奠定基础;(2)运用四参数随机生成(QSGS)、随机堆积、随机裂缝生成和改进的QSGS等算法,构建了各向异性、非均质性、不同孔隙形态(圆形孔、粒间孔和裂缝)和裂缝-孔隙等6类二维随机多孔介质,采用四连通区域标记算法去除其中孤立孔隙;结合反弹边界条件,运用D2Q9 MRT-LBM模拟二维多孔介质中流体运移;随后,运用最大圆法获取二维多孔介质的孔径分布,明确了二维多孔介质固有渗透率和迂曲度与各向异性、非均质性和孔隙形态等的关系,并建立迂曲度与孔隙度和各向异性的定量模型;(3)采用Bosanquet-type粘度模型修正高Kn效应对气体粘度的影响,结合漫反射边界,运用D2Q9 MRT-LBM模拟微通道和二维多孔介质中气体高Kn流动,分析了微通道中速度剖面、无因次速度剖面以及多孔介质中孔隙尺度速度剖面、无因次速度频率分布和表观渗透率等随Kn的变化,明确了多孔介质中大小孔隙及裂缝的流量贡献比重与Kn的关系;(4)运用QSGS、随机堆积和随机裂缝生成等算法进一步构建三维各向异性、非均质性和不同孔隙形态随机多孔介质;采用高斯列主元消去法求解转换矩阵的逆矩阵,运用D3Q19 MRT-LBM模拟三维多孔介质中流体运移;结合最大球法获取三维多孔介质孔隙结构,揭示了三维多孔介质固有渗透率与孔隙尺度各向异性、非均质性和孔隙形态的内在联系;对比二维和三维多孔介质孔隙结构和渗流性质差异,明确了致密储层渗透率低的主要原因;(5)基于Navier-Stokes方程和Maxwell一阶滑脱边界条件,在柱坐标下推导了微圆管中气体流动方程,分析了粘性流、滑脱流和Knudsen扩散等机理对气体高Kn流动的影响;将推导的模型与已有表观渗透率模型作对比,指出了各解析/半解析模型的异同;随后,结合Bosanquet-type粘度模型和漫反射边界条件,运用D3Q19 MRT-LBM模拟了三维多孔介质中气体流动,进一步揭示了滑脱系数与多孔介质孔隙尺度各向异性、非均质性、孔隙形状以及Kn的关系。本文通过实验及LBM模拟研究,明确了多孔介质固有渗透率、迂曲度和滑脱系数与孔隙各向异性、非均质性和孔隙形态等的内在联系,有助于进一步认识致密气储层中流体真实的运移过程,为更准确地指导致密气高效开发提供支撑。