[发明专利]确定浮力作用下限及动力平衡的物理模拟实验装置以及确定浮力作用下限及动力平衡的方法

权利要求书

1.一种确定浮力作用下限及动力平衡的物理模拟实验装置，所述物理模拟实验装置包括的部件及结构关系如下：

（1）致密砂岩储层孔喉模拟单元，包括“漏斗状”的模拟孔喉（1），处于立方体状石英玻璃载体（2）的中间；

（2）充气及测压单元，用来模拟天然气充注，包括充气钢管（3）、甲烷气瓶（4）、压力表（5），其中，充气钢管（3）两端各连接模拟孔喉（1）和甲烷气瓶（4），压力表（5）装在甲烷气瓶（4）瓶口处；和

（3）地层水模拟单元，用来模拟不同的静水压力大小，包括水管（6），连接在模拟孔喉（1）上部。

2.根据权利要求1所述的物理模拟实验装置，其特征在于，所述模拟孔喉（1）用石英玻璃加工而成，高度50 cm，孔喉直径大小从下到上由0.2mm逐渐增大到30mm。

3.根据权利要求1所述的物理模拟实验装置，其特征在于，所述甲烷气瓶（4）装有体积比纯度为99%的甲烷气体。

4.根据权利要求1所述的物理模拟实验装置，其特征在于，所述压力表（5）的测量范围为0~ 6MPa，最小刻度为0.01MPa。

5.根据权利要求1所述的物理模拟实验装置，其特征在于所述水管（6）为塑料水管，直径2cm，高40m，其上标有最小间隔为1cm的刻度尺。

6.一种采用根据权利要求1所述的物理模拟实验装置来确定浮力作用下限及动力平衡的方法，所述方法包括：

（1）从上部水管注水至H₁高度，开始充气并不断调节气压大小，观察“孔喉”内气托水活塞式运移到突然冒气泡的临界条件；记录下此时的水柱高度H₁，气压大小P₁，临界孔喉直径Φ₁；

（2）注水至H₂高度，继续充气并不断调节气压大小，观察“孔喉”内气托水活塞式运移到突然冒气泡的临界条件；记录下此时的水柱高度H₂，气压大小P₂，临界孔喉直径Φ₂；

（3）不断改变水柱高度H₃、H₄……H_n，重复以上操作，记录下对应的P₃、P₄……P_n和Φ₃、Φ₄……Φ_n；

（4）建立临界孔喉（7）直径与水柱高度的关系；

（5）建立浮力作用下限处的动力学平衡关系；和

（6）建立致密砂岩储层浮力作用下限的临界孔喉半径计算模型，进而确定浮力作用下限。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤（4）建立的临界孔喉（7）直径与水柱高度的关系为：

Φ=6.285exp(-0.06H)

其中，Φ为临界孔喉直径，mm；H为对应的水柱高度，m。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤（5）建立的浮力作用下限处的动力学平衡关系为：

P_e=P_c+P_w

其中，P_e为充气气压，用来模拟气体膨胀力，MPa；P_c为毛细管力，MPa；P_w为静水柱压力，MPa。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤（6）建立的致密砂岩储层浮力作用下限的临界孔喉半径计算模型为：

r=2σcosθZρgRT/Mg-ρwgH]]>

其中，σ为气水界面张力，N/m；θ为润湿角，°；r为临界孔喉半径，m；ρ_w为地层水的密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；H为地层水的高度，m；Z为天然气的压缩因子，无量纲；ρ_g为天然气的密度，kg/m³；M_g为天然气摩尔质量，g/mol；R为气体常数，8.31433；T为天然气的地下温度，k。