太空环境下低渗透岩石的渗流研究

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  我国是一个发展中大国,对能源的需求日趋加大,对石油的需求也更加依赖。我国大部分属于低渗透油层,开发难度极大,石油资源又是一种不可再生资源,如何提高低渗透油田的采收率成为当前研究重点。
  探究低渗透岩石在失重环境下的渗流机理,为地面研究渗流机理提供新思路,从而进一步降低开采成本、提高低渗透油田的产能,以缓解能源紧缺问题。也为今后人类拓展宇宙生存空间打下基础。
  为此,我将“太空环境下低渗透岩石的渗流研究”作为我的“希望号”奥运星搭载方案。
  
  一、“希望号”奥运星搭载方案约束条件
  
  ①2个彼此独立的长方体空间,每个长方体安装空间为长220毫米、宽60毫米、高100毫米。
  ②每个空间载荷质量≤0.8千克,总质量≤1.6千克。
  ③电源功率:最大稳态功耗:<2.0瓦;最大瞬态功耗:<3.0瓦。
  ④工作时间:单次试验可持续时间为1小时。
  ⑤轨道高度499千米,为太阳同步轨道。
  ⑥卫星星体内部温度变化范围:-20℃~+45℃,近真空环境。
  ①力学环境:试验载荷基频大干100赫兹。
  ⑧不返回。
  ⑨提前密封3个月。
  
  二、实验原理
  
  低渗透岩石的渗流机理应符合线性渗流的基本规律——达西定律,其表达式为:Q=kAJ
  其中Q为出口处流量;k为多孔介质的渗透系数;A为过水截面面积;H1、H2为上、下游过水断面的水的压力;L为渗透经过路程;J为水力梯度(J=(H1-H2)/L),等于两个计算截面之间的压力差除以渗透经过的路程。
  达西定律临界条件:当雷诺数Re<10的条件下,通过多孔介质的流体作层流运动,渗流才满足达西定律,即Q和J呈线性关系。
  太空环境与地面环境在微重力方面有着明显的不同,所以对上述公式中的k和J可能会有影响,对油气的渗流状态也有影响,从而影响到Q。
  
  三、准备工作
  
  岩石的各种性质会决定该试验的成功与否,所以选择岩石是必要的准备步骤。我认为有些现象可能会影响实验效果:
  ①“气锁”现象:气体先于液体析出,封锁孔道,没有渗流或只有少量气、液渗流。
  ②石油凝固现象:在该卫星内温度变化范围是-20℃~45℃,而原油的凝固点是-50℃~35℃,所以原油可能会有凝固现象,以固态形式存在于岩石中。
  根据上述预想,低渗透应该选择含气量少,含油量多;其中原油的凝固点在20℃以下;并且要详细知道该岩石的物理性质。
  
  四、实验步骤
  
  ①将岩心装入有机玻璃容器内,形成一维渗流;
  ②在岩石渗流出口处,设置一张带坐标的棉纸,通过观察绵纸的污染面积,与地面吸收渗流样本绵纸进行对照,来推测渗流量,从而进一步研究渗流机理;
  ③在有机玻璃口处放置一张绵纸,吸收油污,并在中心开口,安装摄像头;
  ④需要卫星提供摄像头(根据卫星传输能力设置摄像头分辨率及拍摄频率)、照明电源,图像信号传送到地面等服务保障。
  
  五、实验意义
  
  ①对地面研究低渗透岩石的渗透机理提供一些启示,例如,如何提高低渗透岩石的渗透性,提高采集率,同时降低原油采集成本。
  ②星际能源的开发:科学家陆续在银河系外发现类地行星,可能这项渗流实验为今后人类移居外星球、开发太空能源、解决人类对能源的需求打下基础。
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