33188

شبيه‌سازي ميكرو-مقياس انتقال جرم در فصل مشترك گاز-نفت در شكاف‌هاي مخزن با استفاده از روش شبكه بولتزمن

كارشناسي ارشد

مهندسي مخازن هيدروكربوري

1400

28/11/1403

روح الدين ميري

حسين فاضلي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

مخازن شكاف‌دار به دليل ساختار دوگانه ماتريس و شكاف، رفتار پيچيده‌تري نسبت به مخازن متعارف دارند. در اين مخازن، توليد اوليه نفت عمدتاً از شكاف‌ها صورت مي‌گيرد، در حالي كه ماتريس‌هاي متراكم و كم‌تراوا تقريباً دست‌نخورده و اشباع از نفت باقي مي‌مانند. اين موضوع منجر به بازيافت اوليه پايين شده و نيازمند روش‌هاي بهبود بازيافت مي‌شود. تزريق گاز غيرتعادلي با هدف فعال كردن مكانيزم نفوذ مولكولي، به عنوان يك روش مؤثر ازدياد برداشت در اين مخازن شناخته مي‌شود كه طي آن، ناحيه‌اي به نام منطقه نفوذ گاز در اطراف شكاف‌ها تشكيل مي‌گردد. در اين ناحيه، حل شدن تدريجي گاز در نفت باعث تغيير خواص سيال و در نتيجه بهبود بازيافت نفت مي‌شود. با اين حال، اندازه‌گيري تجربي ضريب انتقال جرم در محيط متخلخل به دليل پيچيدگي‌هاي هندسي و تداخل مكانيزم‌هاي مختلف انتقال، بسيار چالش برانگيز است. در اين مطالعه، يك مدل عددي مبتني بر روش شبكه بولتزمن براي شبيه‌سازي انتقال جرم در مقياس حفره توسعه داده شده‌است. اين مدل از دو بخش اصلي تشكيل شده‌است: مدل شبه‌پتانسيل براي شبيه‌سازي جريان چندفازي و مدل انتقال جرم پيوسته ذرات (CST-LB) براي تعيين غلظت اجزا در هر فاز. اين رويكرد يكپارچه، امكان شبيه‌سازي همزمان جريان سيال و انتقال جرم در فصل مشترك گاز-نفت را فراهم مي‌كند و قادر است اثرات متقابل نيروهاي بين‌سطحي، ترشوندگي و نفوذ مولكولي را در نظر بگيرد. اين مدل با مقايسه نتايج عددي با حل‌هاي تحليلي موجود براي مسائل انتقال جرم يك‌بعدي اعتبارسنجي شده و تطابق خوبي نشان داده‌است. تحليل‌هاي حساسيت‌سنجي در سه مدل (Bulk، Pore-throat و Dead-end pore) نشان داد كه هندسه محيط (مانند عرض گلوگاه و هندسه كانال) و شرايط محيطي (مانند غلظت نفت در فاز گازي) عوامل اصلي بازده انتقال جرم هستند. ضرايب نفوذ و دما نيز نقش مهمي در بهبود حل شدن متان ايفا مي‌كنند، در حالي كه ترشوندگي و افت فشار تأثير كم‌تري داشتند. نتايج نشان داد كه محدوديت‌هاي هندسي در گلوگاه‌ها و حفره‌هاي بسته، نفوذ مولكولي را كند كرده و بازده را كاهش مي‌دهند، اما بهينه‌سازي پارامترهايي مانند عرض گلوگاه، غلظت نفت در فاز گازي و دما مي‌تواند بازيافت نفت را در ناحيه كلاهك گازي بهبود بخشد.

1403/12/20

Micro-scale Simulation of Mass Transfer in Gas-Oil Interface in Reservoir’s Fractures Using Lattice Boltzmann Method

2/16/2026 12:00:00 AM

Fractured reservoirs exhibit more complex behavior compared to conventional reservoirs due to their dual-structure of matrix and fractures. In these reservoirs, primary oil production mainly occurs from fractures, while the dense, low-permeability matrix remains almost untouched and saturated with oil. This results in low primary recovery, necessitating enhanced oil recovery (EOR) methods. Non-equilibrium gas injection, aimed at activating molecular diffusion mechanisms, is recognized as an effective EOR technique in such reservoirs. During this process, a region known as the gas-invaded zone forms around the fractures, where the gradual dissolution of gas into the oil alters fluid properties and enhances oil recovery. However, experimentally measuring mass transfer coefficients in porous media is highly challenging due to geometric complexities and the interaction of multiple transport mechanisms. In this study, a numerical model based on the lattice Boltzmann method (LBM) is developed to simulate mass transfer at the pore scale. This model consists of two main components: a pseudo-potential model for multiphase flow simulation and a continuous species transfer lattice Boltzmann (CST-LB) model for determining component concentrations in each phase. This integrated approach enables the simultaneous simulation of fluid flow and mass transfer at the gas-oil interface while considering interfacial forces, wettability, and molecular diffusion effects. The model has been validated by comparing numerical results with existing analytical solutions for one-dimensional mass transfer problems, showing good agreement. Sensitivity analyses conducted on three models (Bulk, Pore-throat, and Dead-end pore) revealed that the geometry of the porous medium (such as throat width and channel shape) and environmental conditions (such as oil concentration in the gas phase) are key factors in mass transfer efficiency. Diffusion coefficients and temperature also play a significant role in enhancing methane dissolution and consequently oil evaporation, while wettability and pressure drop had a lesser impact. The results indicate that geometric constraints in throats and isolated pores slow down molecular diffusion and reduce efficiency. However, optimizing parameters such as throat width, oil concentration in the gas phase, and temperature can improve oil recovery in the gas-cap region.

مخزن شكاف‌دار , تزريق گاز غيرتعادلي , نفوذ مولكولي , مدل‌سازي شبكه حفره‌اي , مدل شبكه‌اي بولتزمن , مكانيزم‌هاي ميكروسكوپي , انتقال جرم

Fractured reservoir , Non-equilibrium gas injection , Molecular diffusion , Pore-scale modeling , Lattice Boltzmann model , Microscopic mechanisms , Mass transfer

Mahdi Mehrparvar

Rohaldin Miri