太空環(huán)境下低滲透巖石的滲流研究

我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中大國(guó)，對(duì)能源的需求日趨加大，對(duì)石油的需求也更加依賴。我國(guó)大部分屬于低滲透油層，開(kāi)發(fā)難度極大，石油資源又是一種不可再生資源，如何提高低滲透油田的采收率成為當(dāng)前研究重點(diǎn)。

探究低滲透巖石在失重環(huán)境下的滲流機(jī)理，為地面研究滲流機(jī)理提供新思路，從而進(jìn)一步降低開(kāi)采成本、提高低滲透油田的產(chǎn)能，以緩解能源緊缺問(wèn)題。也為今后人類拓展宇宙生存空間打下基礎(chǔ)。

為此，我將“太空環(huán)境下低滲透巖石的滲流研究”作為我的“希望號(hào)”奧運(yùn)星搭載方案。

一、“希望號(hào)”奧運(yùn)星搭載方案約束條件

①2個(gè)彼此獨(dú)立的長(zhǎng)方體空間，每個(gè)長(zhǎng)方體安裝空間為長(zhǎng)220毫米、寬60毫米、高100毫米。

②每個(gè)空間載荷質(zhì)量≤0.8千克，總質(zhì)量≤1.6千克。

③電源功率：最大穩(wěn)態(tài)功耗：＜2.0瓦；最大瞬態(tài)功耗：＜3.0瓦。

④工作時(shí)間：?jiǎn)未卧囼?yàn)可持續(xù)時(shí)間為1小時(shí)。

⑤軌道高度499千米，為太陽(yáng)同步軌道。

⑥衛(wèi)星星體內(nèi)部溫度變化范圍：-20℃～+45℃，近真空環(huán)境。

①力學(xué)環(huán)境：試驗(yàn)載荷基頻大干100赫茲。

⑧不返回。

⑨提前密封3個(gè)月。

二、實(shí)驗(yàn)原理

低滲透巖石的滲流機(jī)理應(yīng)符合線性滲流的基本規(guī)律——達(dá)西定律，其表達(dá)式為：Q=kAJ

其中Q為出口處流量；k為多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)；A為過(guò)水截面面積；H1、H2為上、下游過(guò)水?dāng)嗝娴乃膲毫Γ籐為滲透經(jīng)過(guò)路程；J為水力梯度(J=(H1-H2)/L)，等于兩個(gè)計(jì)算截面之間的壓力差除以滲透經(jīng)過(guò)的路程。

達(dá)西定律臨界條件：當(dāng)雷諾數(shù)Re＜10的條件下，通過(guò)多孔介質(zhì)的流體作層流運(yùn)動(dòng)，滲流才滿足達(dá)西定律，即Q和J呈線性關(guān)系。

太空環(huán)境與地面環(huán)境在微重力方面有著明顯的不同，所以對(duì)上述公式中的k和J可能會(huì)有影響，對(duì)油氣的滲流狀態(tài)也有影響，從而影響到Q。

三、準(zhǔn)備工作

巖石的各種性質(zhì)會(huì)決定該試驗(yàn)的成功與否，所以選擇巖石是必要的準(zhǔn)備步驟。我認(rèn)為有些現(xiàn)象可能會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果：

①“氣鎖”現(xiàn)象：氣體先于液體析出，封鎖孔道，沒(méi)有滲流或只有少量氣、液滲流。

②石油凝固現(xiàn)象：在該衛(wèi)星內(nèi)溫度變化范圍是-20℃～45℃，而原油的凝固點(diǎn)是-50℃～35℃，所以原油可能會(huì)有凝固現(xiàn)象，以固態(tài)形式存在于巖石中。

根據(jù)上述預(yù)想，低滲透應(yīng)該選擇含氣量少，含油量多；其中原油的凝固點(diǎn)在20℃以下；并且要詳細(xì)知道該巖石的物理性質(zhì)。

四、實(shí)驗(yàn)步驟

①將巖心裝入有機(jī)玻璃容器內(nèi)，形成一維滲流；

②在巖石滲流出口處，設(shè)置一張帶坐標(biāo)的棉紙，通過(guò)觀察綿紙的污染面積，與地面吸收滲流樣本綿紙進(jìn)行對(duì)照，來(lái)推測(cè)滲流量，從而進(jìn)一步研究滲流機(jī)理；

③在有機(jī)玻璃口處放置一張綿紙，吸收油污，并在中心開(kāi)口，安裝攝像頭；

④需要衛(wèi)星提供攝像頭(根據(jù)衛(wèi)星傳輸能力設(shè)置攝像頭分辨率及拍攝頻率)、照明電源，圖像信號(hào)傳送到地面等服務(wù)保障。

五、實(shí)驗(yàn)意義

①對(duì)地面研究低滲透巖石的滲透機(jī)理提供一些啟示，例如，如何提高低滲透巖石的滲透性，提高采集率，同時(shí)降低原油采集成本。

②星際能源的開(kāi)發(fā)：科學(xué)家陸續(xù)在銀河系外發(fā)現(xiàn)類地行星，可能這項(xiàng)滲流實(shí)驗(yàn)為今后人類移居外星球、開(kāi)發(fā)太空能源、解決人類對(duì)能源的需求打下基礎(chǔ)。