页岩储层多尺度渗流实验及数学模型研究

页岩储层中存在纳米孔隙、微米孔隙、微裂隙和裂缝等多尺度孔隙结构。为了认识页岩储层的多尺度渗流规律,采集涪陵龙马溪组页岩岩样,利用改进的实验装置,开展了吸附/解吸、应力敏感和扩散等实验。实验结果表明:吸附/解吸基本符合兰格缪尔方程;渗透率与有效应力符合指数函数关系;扩散系数随温度的升高而增大,符合Fick扩散定律。基于渗流力学理论分析了页岩储层的多尺度渗流机理,认为页岩气在基质中的流动包括由压力差所引起的渗流、浓度差引起的扩散以及由于压力降低而引起的页岩气解吸,裂缝中的流动为压力差引起的渗流。基于实验及理论分析,建立了页岩储层多尺度综合渗流数学模型,为页岩气井渗流规律研究、产能评价及生产动态分析奠定基础。     

考虑吸附和扩散的页岩视渗透率及其与温度、压力之关系

页岩纳米级孔隙中气体渗流存在吸附、扩散和滑脱效应,为了表征其渗流能力,并分析温度和压力对它的影响,利用Polanyi吸附理论和Langmuir等温吸附方程并结合纳米孔中气体扩散和渗流方程得到了考虑吸附、扩散和滑脱效应的页岩视渗透率的计算模型.计算发现:甲烷吸附层厚度随压力的降低而减小,随温度的降低而增加,并且压力越低温度的影响越大;考虑吸附、扩散和滑脱的页岩视渗透率虽然同仅考虑扩散和滑脱的视渗透率一样都随温度的下降而减小,但整体要低于后者,且下降幅度更大;考虑吸附、扩散和滑脱的页岩视渗透率与仅考虑扩散和滑脱时的视渗透率之间的差异随着压力的降低而逐渐减小;考虑吸附、扩散和滑脱的视渗透率与达西渗透率的比值随压力的降低先减小后增加,最终趋近于仅考虑扩散和滑脱时的情况.     

页岩储层纳米孔气体传输耦合模型新研究

页岩气在纳米孔隙的传输过程中受多种因素影响,包括孔隙尺寸和压力、孔隙壁面粗糙度、孔隙力学反应、吸附诱导膨胀反应以及权重因子等。因此需要综合考虑以上因素以及吸附气分子在孔隙中所占空间对气体流动影响的条件下,厘清页岩气的不同运移机制（表面扩散、滑脱流、Knudsen扩散和黏性流动）在不同孔隙尺寸和压力下对纳米孔中总气体流量的贡献率。首先,对页岩气的不同运移方式进行了物理描述及数学表征,然后,在考虑孔隙壁面粗糙度、孔隙力学反应、吸附诱导膨胀反应和权重因子等因素的条件下,建立页岩气在储层纳米孔中的气体传输耦合数学模型,模型可靠性通过格子Boltzmann方法计算结果验证。研究结果表明,当孔径小于10 nm时,纳米孔的总流量主要由表面扩散流量组成,孔径越小,表面扩散流量越大;当孔径为40~250 nm和低压条件下,滑脱流和Knudsen扩散对气体传输影响较大;当孔径大于10 μm时,纳米孔的总流量主要为黏性流量。     

页岩气藏纳米孔隙微观渗流动态研究

页岩储层孔隙结构复杂,孔隙空间小,纳米结构所占比例大,气体主要吸附于纳米孔隙表面。基于分析页岩纳米孔隙结构和划分孔隙内流态后,考虑克努森扩散、气体滑脱、解吸和干酪根扩散等多种现象,推导微观孔隙内气体渗流物理模型的物理渗流模型,并将得到的计算结果与达西流情况进行对比,发现多种效应存在下的渗流机制复杂,压降慢,累计产量大,生产周期长。     

页岩储层纳米孔隙流动模拟研究

页岩气作为一种重要的非常规天然气资源已受到普遍关注,但页岩储层主要发育纳米孔隙,而针对页岩气在
纳米孔喉中运移的研究还相对滞后,这严重制约了页岩气藏的高效开发。针对纳米尺度孔隙,考虑页岩气的吸附解
吸及吸附相表面扩散,自由气的黏性流、滑脱效应及Knudsen 扩散等运移机制,建立了页岩气单相流动数学模型,并开
展了流动模拟研究。模拟结果表明：对于以纳米孔隙为主的页岩基质,甲烷在孔隙壁面的附着及表面扩散、气体滑脱
及Knudsen 扩散等均将影响气体流动,造成表观渗透率显著高于Darcy 渗透率,且孔喉越细小,压力越低,表观渗透率
与Darcy 渗透率相差越大。通过分析各运移机制对页岩气流动的影响,有助于深入了解页岩气运移产出过程,从而指
导页岩气藏的有效、高效开发。     

页岩气藏运移机制及数值模拟

基于双重连续介质,采用尘气模型(DGM)建立基岩和裂缝运动方程,基岩中考虑气体在基岩孔隙中黏性流、Knudsen扩散、分子扩散以及气体在基岩孔隙表面的吸附解吸,吸附采用Langmuir等温吸附方程;裂缝中考虑黏性流、Knudesen扩散和分子扩散机制,在此基础上建立基岩-裂缝双重介质数值模型并采用有限元方法对模型进行求解.根据数值模拟结果对影响页岩气藏产能的因素进行分析.结果表明:页岩气产出气是游离气和吸附气解吸共同采出的结果,在给定的页岩气藏条件下,游离气影响更大,吸附对页岩气产能有较大影响,忽略吸附会导致预测产能偏低;Knudsen扩散(或Klinkenberg效应)对基岩视渗透率影响较大,越靠近生产井,Knudsen扩散和Klinkenberg效应的影响越大,基岩视渗透率随生产时间延长变大;裂缝渗透率越大,页岩气产量越大,基岩渗透率对页岩气产能影响不大.     

基于离散裂缝模型的页岩气动态特征分析

页岩储层孔隙结构复杂,基质渗透率低,天然裂缝发育,水平井体积压裂为其主要生产手段,表现出以裂缝系统裂缝渗流为主,基质系统扩散流、滑脱流以及吸附-解吸附现象共同作用的多尺度流动特点。基于离散裂缝建立页岩气渗流数学模型,利用有限元分析方法进行数值求解,通过实例研究分析页岩气生产动态特征,以及开发过程中压裂级数和裂缝半长对储层压力分布和页岩气井生产动态特征的影响。结果表明:页岩气井初期产量高,但递减快,生产周期长;开发初期以裂缝渗流为主,压裂级数起主导作用,级数越多,压力波传播越快,储层压力下降明显,产能主要集中在生产初期;开发后期以基质渗流为主,裂缝半长作用增强,产量递减率下降,生产井附近压力接近废弃压力,生产能力下降。     

纳米尺度下页岩气运移特征分析

研究表明,页岩气藏孔隙尺寸主要分布在2~20 nm之间,经典的达西定律已不能准确地描述气体在纳米孔隙中的运移行为.为此,基于表观渗透率的定义,考虑了页岩气藏在生产过程中吸附层及粘度变化的影响,建立了粘性流、滑脱流、过渡流及Knudsen扩散4种运移模式综合作用下的数学模型.模型研究结果表明,表观渗透率远大于达西渗透率,而且孔隙半径越小、压力越低,表观渗透率与达西定律的比值越大,滑脱流、过渡流及Knudsen扩散产生的流量所占的比例越大;温度的影响作用较小,可以忽略;孔隙越小,吸附层变化的影响作用越大,压力越小,粘度变化的影响作用越大.     

三维页岩储层多重压力流固耦合模型研究

研究裂缝页岩储层在生产过程中的流固耦合力学过程是准确认识气藏生产动态的关键科学问题.针对页岩储渗机制复杂的难题,本文建立有机质-基质孔-天然裂缝和离散人工裂缝的多尺度流动介质与多重压力系统;考虑吸附气的非平衡解吸附和表面扩散,自由气的黏性流和Knudsen扩散,以及基质孔、天然裂缝和人工裂缝压力系统对页岩变形的影响,建立了页岩双重有效应力流固耦合数学模型,分析了压裂井生产过程中岩石变形对气体流动的影响规律.研究发现:天然裂缝压力系统是引起页岩气生产过程中应力敏感性的主要因素;固体变形对基质孔渗透率的影响小于Knudsen扩散,基质孔的表观渗透率并不会发生应力敏感;随着天然裂缝密度的增大,天然裂缝压力系统的有效应力系数迅速增大,页岩气产量应力敏感效应增强.     

低渗透储层中氮气的微尺度流动及其对渗流的影响

从气体在低渗透储层微米量级孔喉中的微尺度流动规律研究入手,探讨低渗透储层中气体的非线性渗流机理.实验研究了气体(N2)在内径为2.05～10.10μm微管中的流动规律.结果表明:气体在微管中的流动具有明显的微尺度效应,表现为实测流量大于经典流体力学理论预测流量;管径越小,流动压力越小,微尺度流动效应越强,实测流量与预测流量的偏离越显著.根据微管实验数据,结合毛管束模型,研究了气体微尺度流动效应对渗流的影响.结果表明:考虑孔喉中气体的微尺度流动效应后,低渗透多孔介质中气体的渗流具有非线性特征,表现为视渗透率随流动压力的减小而增加;多孔介质平均孔喉直径越小,视渗透率随压力的变化越明显.     

页岩气表观渗透率与多流动机理及有效应力演化关系

由于多尺度孔隙存在纳米尺度到宏观尺度的过渡,气体在页岩中流动的主导机制会在达西流和努森扩散等运移机理之间发生转换,该现象结合页岩基质内的气体吸附作用使得页岩气渗透率的测算变得更为复杂.因此,在实验室尺度确定有效应力及气体运移方式对渗透率的综合影响力对实际页岩气开采中的渗透率及产量评估准确性有着不可忽视的影响.采用脉冲衰减渗透率测算法,在不同围压条件下,对氦气和二氧化碳在富含有机质的页岩薄片中的气体渗透率进行测量.结果表明:努森扩散作用在低孔压时对页岩气渗透率有显著的正面影响,其强度与孔压成反比.在较大围压作用下的高孔压下的超临界二氧化碳可导致页岩基质最大吸附量降低,进而增加表观渗透率.表观渗透率随着有效应力的变化在不同孔压区间有着截然相反的趋势,有效应力系数此时出现非单一值,其主要是由于孔压变化带来的气体流动机理变化而引起的.     

考虑稀薄效应的页岩视渗透率研究

页岩孔隙细小,页岩气在页岩孔隙中的渗流会受到稀薄、克努森扩散、滑移效应的影响。为了表征页岩中气体渗流能力,在考虑稀薄效应对气体黏度影响的基础上,对气体质量通量方程进行了修正,得到了考虑稀薄效应、克努森扩散、滑移效应和孔隙壁面粗糙度的视渗透率计算模型。研究表明,当温度一定时,考虑稀薄效应影响的页岩视渗透率比不考虑稀薄效应的视渗透率大,两者间的差值随着压力的降低而减小。当压力一定时,考虑稀薄效应的页岩视渗透率比不考虑稀薄效应的视渗透率大,两者间的差值随着温度的增加而增大。当温度和压力都恒定时,考虑稀薄效应的页岩视渗透率比不考虑稀薄效应的视渗透率大,两者间的差值随着孔隙半径减小而增大。     

吸附对页岩中气体临界参数的影响

页岩孔隙细小,气体存在吸附现象。应用毛管束模型,在考虑吸附的基础上,建立了气体临界参数变化计算模型,研究了气体组成、压力、孔隙半径等因素对气体临界参数变化的影响。研究发现:页岩有效孔隙半径随气藏平均压力的增加而增大;随着孔隙半径的减小,气体的临界温度和临界压力变化率明显增加;临界温度变化率和临界压力变化率随着压力减小而增加。研究对于页岩气藏储层评价和开发方案设计具有重要意义。     

考虑吸附效应的非达西流压裂水平井试井分析

页岩气藏渗透率较低,流动过程中存在边界层影响和吸附解吸现象。在建立页岩气藏压裂水平井试井模型过程中,非压裂区域考虑为存在吸附效应的非达西流动,压裂区域考虑为双重孔隙介质达西流动,水力压裂裂缝区为达西流动。基于油气渗流理论和数学物理方法,建立了考虑吸附效应的非达西流压裂水平井试井模型,求解得到了考虑井筒存储和表皮效应的压裂水平井井底压力响应,并进行了压力响应参数敏感性分析。结果表明:启动压力梯度主要影响特征曲线后期上翘程度;窜流系数主要影响"凹槽"的位置,当同时考虑启动压力梯度和吸附解吸时,窜流系数还影响着解吸时间的长短;解吸系数主要反映解吸扩散程度,随着压力降低,页岩气解吸效果越明显,特征曲线中的"凹槽"宽度和下凹程度越大。研究对于页岩气藏压裂水平井的开发与动态监测具有一定的指导意义。     

库车坳陷克拉苏构造带致密砂岩气储层物性特征

 在库车坳陷克拉苏构造带大北地区地质研究的基础上,利用显微镜观测、激光共聚焦显微扫描、高压压汞分析及孔渗测试等方法,研究了致密砂岩气储层物性特征。结果表明,库车坳陷的致密砂岩气储层孔隙类型以槽型孔、溶蚀孔为主;致密砂岩气储层排驱压力一般在5 MPa以上,孔隙分选性差,孔喉半径较小;致密砂岩气储层孔隙度小于5%时,孔隙度与渗透率之间的相关性较差,表现为孔隙度低而渗透率高,推断是微裂缝的发育提高了砂岩的渗透率;致密砂岩气储层岩石类型以长石岩屑质石英砂岩为主,胶结作用以方解石胶结为主,裂缝改造作用明显。     

基于温度与压力双重作用的致密储层渗透率定量评价模型

为了建立油气开采过程中,储层渗透率随温度、孔隙压力变化而改变的定量评价模型,假定岩石仅产生弹性变形,根据多孔介质弹性力学理论,推导出岩石孔隙体积和尺寸的应力-应变关系;再应用管流模拟渗流,根据Kozeny-Carman方程得到渗透率随温度、孔隙压力变化的定量计算模型.针对常规渗透率测试存在的问题,改进实验方法,模拟真实储层温度压力条件,开展了岩心力学和渗透率同步实验.研究结果表明,模型计算的渗透率损失与实验测试结果吻和良好.模型适用于裂缝不发育的致密岩石在弹性变形范围内的渗透率定量计算.随着油气采出,孔隙压力下降,导致渗透率减小,而地层温度降低,导致渗透率增大,这两方面对渗透率的影响具有相互抵消的作用.因此,由于温度、孔隙压力变化引起的储层岩石渗透率总体变化很小,一般不超过±2％.     

多孔介质对凝析气藏露点的影响机理研究

分析了多孔介质中的各种界面现象以及它们之间的相互关系,并分析了多孔介质影响凝析气藏露点的机理。认为,多孔介质对凝析气藏露点的影响体现在毛细凝聚和气体吸附的共同作用,由气藏流体的组成、状态及储集层的孔隙结构特征决定:多孔介质中的毛细凝聚和气体吸附均使得露点压力升高;富含凝析油的凝析气藏受吸附作用的影响较强,露点值升高的幅度相对较大;储层孔隙半径r越小,毛细凝聚作用的影响越强,露点值升高的幅度越大,当孔隙半径r<5×10-6cm时,毛细凝聚现象对露点的影响已不能忽略;对于低渗气藏,吸附态气体在总气量中所占的比重相对较大,吸附产生的影响相应也会增强;地露压差越大,吸附作用的影响越强;相同体系储层温度越高,由吸附和毛细凝聚引起的露点变化越小。     

松辽盆地南部泉四段扶余油层致密砂岩储层微观孔喉结构特征

综合运用铸体薄片观察、扫描电镜、高压压汞、恒速压汞及图像分析等技术手段,对松辽盆地南部泉四段扶余油层致密砂岩储层储集空间、储集物性、微观孔喉分布及不同尺度孔喉对储层物性的贡献等特征进行精细表征,并分析不同微观孔喉参数与储层物性的相关关系。结果表明,研究区致密砂岩储层物性差、孔喉半径小;储集空间以粒内和粒间溶孔为主,含部分原生孔和黏土矿物晶间孔。储层孔隙半径分布差异不明显,而喉道半径与孔喉比分布差异较大;储层物性越好,喉道半径分布范围越宽,峰值喉道半径越大,并且右偏特征越明显;储层渗透率越高,对渗透率起主要贡献的孔喉半径越大;孔喉比分布与喉道半径分布呈现相反的特征。渗透率主要由岩石中少量的微米级孔喉贡献;纳米级孔喉所占体积很大,却只有较小的渗流能力,并且渗透率越低,纳米级孔喉所占的相对比例越大。微观孔喉结构参数对储层物性的影响主要体现在渗透率上,而对孔隙度的影响较小。