非常规天然气资源是能源结构中的重要组成部分。要实现深层非常规天然气产量的准确预测，并合理规划气田的开发，有效预测气体在储层微裂隙中的渗流无疑是关键的一环。目前，国内外对微孔介质中的渗流问题研究已达到相当水平，相应的数学模型和数值模拟方法也日趋成熟，但对于气体在微裂隙中的理论研究较少。原位条件下气体在微裂隙渗流过程中主要存在以下几个挑战：（1）针对埋深较大的非常规气藏，需要考虑复杂的裂隙形态、微尺度流动、地下深层的高压条件与气体流动的耦合；（2）传统的达西尺度分析无法精准描述微观粗糙裂隙中的渗流规律及微尺度流动中的非达西效应；（3）数值模拟方法虽然能解决复杂结构中的微流动问题，但缺少相应理论方法对其进行有效验证。
针对上述科学问题，我校能源学院讲师王钧剑在汤达祯教授的指导下，与澳大利亚新南威尔士大学敬彧研究员围绕气体在粗糙微裂隙中的渗流行为开展深入的研究。研究取得的创新性成果和认识如下：
（1） 基于Stocks方程和一阶滑移边界条件，考虑非理想气体效应，推导了气体在微裂隙中的渗流解析解，进一步优化并拓展了立方定律（Cubic-Law）在滑移流区间（努森数Kn＜0.1）的应用；
（2） 基于体积平均法推导了粗糙微裂隙渗流张量的理论计算公式，既精确反映了表征单元体（REV）尺度微裂缝中的气体流动行为，又捕捉了局部参数对气体渗流的影响，为进一步发展相应的数值模拟方法提供了验证基准；
（3） 在理论上分析了微裂隙中的气体滑移效应与地下深层高压导致的非理想气体效应之间的耦合机理。通过探究甲烷和二氧化碳在不同压力、粗糙度、裂缝宽度及切向动量协调系数（TMAC）条件下的渗流行为，阐明了高努森数效应和非理想气体效应的耦合作用，从而澄清了文献中关于非理想气体效应的争议。
本论文所述的工作为裂缝性储层和非常规天然气藏微观流体流动研究提供了理论分析与验证方法等方面的支持。

图1 粗糙微裂隙结构示意图

图2 体积平均法理论示意图

图3 粗糙裂隙中甲烷渗透张量及其相对误差随裂隙粗糙度变化计算结果
上述研究成果发表在水资源国际权威刊物《Water Resources Research》上：Wang J*., Tang D., Jing Y., 2019. Analytical solution of gas flow in rough-walled micro-fracture at in-situ conditions. Water Resources Research, 55: 6001-6017. [IF2018=4.14]
全文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2018WR024666




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