缝网页岩储层非线性耦合渗流模型研究

页岩气藏裂缝发育,流体渗流机理复杂,认识流体在缝网页岩储层中的流动规律是准确评价气藏产能的关键科学问题.本文建立多重连续/离散裂缝模型描述水力压裂后的页岩储渗空间,建立了综合考虑吸附气非线性非平衡解吸附、表面扩散,自由气黏性流和Knudsen扩散机理的非线性耦合渗流数学模型.模型认为吸附气在有机质表面发生表面扩散,并与无机质基质孔之间发生非平衡解吸附,无机质基质孔内存在黏性流和努森扩散,而天然裂缝和压裂形成的水力裂缝内只有黏性流.通过压裂水平井的数值模拟结果,揭示了缝网页岩储层中吸附气净解吸附速率的时空演变规律,发现了最大净解吸附速率由缝网逐渐向基质扩散的现象.通过多重压力系统分析,发现了裂缝中自由气、基质无机质孔隙中自由气、有机质中吸附气依次滞后的浓度扩散现象;通过对天然裂缝渗流场的分析,发现离散缝网区域包络线外的流动形式随时间依次出现:椭圆径向流、线性流和缝间干扰产生的非线性流.本文研究揭示了缝网页岩储层的渗流机理,为页岩气藏的开发提供了科学基础.     

页岩气渗流过程中的多场耦合机理

本文简要概述了目前模拟页岩气渗流机理数学模型的不足之处,基于线弹性多孔介质力学,建立了自由气渗流、吸附气表面扩散、吸附气非平衡解吸附、岩石变形的全耦合页岩气微观渗流数学模型,推导了纯孔隙介质与包含裂隙介质的主要物性参数的应力敏感模型,并推导了解吸附过程非平衡效应的理论模型,形成了一套较全面的描述页岩气在线弹性微纳多孔介质中的微观流动数学模型.通过数值模拟分析了应力敏感、表面扩散、非平衡效应对页岩气传输的影响,结果表明:页岩的应力敏感效应由基质中的天然裂缝决定,页岩孔隙本身的应力敏感性可以忽略;吸附气的表面扩散十分缓慢,可以忽略;平衡常数与孔隙度对非平衡效应影响显著,吸附速率对页岩气流动的影响十分明显,吸附速率越大,页岩气流速越大.本文建立的数学模型为深入理解页岩气渗流微观机理,科学开发页岩气藏提供了一定的理论基础.     

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。     

页岩气藏分段多簇压裂水平井产能模型及影响因素分析

根据页岩气藏储集特征和分段多簇压裂水平井的开发方式,基于双重介质模型建立了考虑吸附气和游离气共存以及气体滑脱效应的页岩气藏不稳定渗流数学模型。利用Laplace变换、镜像映射和叠加原理,得到了定井底流压生产时分段多簇压裂水平井的产能解析解;结合Stehfest数值反演计算并绘制了产能曲线。研究结果表明:发生窜流后,随着压力下降,基质系统的吸附气解吸向裂缝系统供气,压裂水平井的产能增加;分段多簇压裂水平井的端部外侧裂缝对产量贡献最大,对裂缝半长非常敏感,同一段内中间裂缝对产量贡献最小,受簇间距离影响较大;水力裂缝的分布方式对分段多簇压裂水平井的产能影响较大,裂缝段簇比越大,累积产气量越高;气藏压力越低,滑脱效应对页岩气井产能的影响越大。     

页岩气藏压裂水平井渗流数值模型的建立

水力压裂后的页岩气藏水平井渗流区域内储层呈现复杂的裂缝网络形态,考虑解吸–吸附机理的单井渗流数
值模型的建立对单井产能影响因素分析具有较强的理论价值和现实意义,基于Warren-Root 双重介质模型思想,建立
了考虑解吸–吸附的基质渗流数学模型和裂缝渗流数学模型,并进行了差分离散方法的设计及渗流方程的IMPES 方
法线性化处理,最后实现了通过Gauss-Seidel 迭代编程模拟。现场应用中,在页岩储层水平井压裂时的微地震结果基
础上构建了地质模型,所建立的数值模型可分析压力、吸附气量、渗透率、地层物性等多个参数特征对生产的影响,并
与页岩气产出规律相符,因此该简便模型可有效指导现场的工程设计及动态分析。     

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.     

页岩气藏压裂数值模拟敏感参数分析

针对页岩气藏压裂形成复杂裂缝网络后,单一的裂缝描述方法不再适用的问题,采用Eclipse 软件中的页岩 气模型,建立了一种“等效方法”,将页岩气有效改造体积表征为“主裂缝+ 网络裂缝渗透率”,代替“主裂缝+ 次裂 缝”的模拟方法,两种方法产量和长期压力驱替是等效的,解决了手工划分网格工作量大、计算速度慢的问题。运用 Plackett-Burman 型线性试验设计方法,对水力裂缝参数和储层参数进行敏感性排序,结果表明：水力裂缝参数中,压裂 纵向改造程度、网络裂缝渗透率和有效改造体积对产量影响最敏感,储层参数对产量影响敏感程度由强到弱为：地层 压力系数、总含气量、储层有效厚度、吸附气比例、井底流压、基质渗透率。为页岩气压裂选井选层和压裂设计方案优 化提供了依据。     

人工裂缝宽度对页岩气渗流规律的影响

针对人工裂缝宽度是水力压裂后产生的评价气田开发效果的重要参数,为研究人工裂缝宽度对页岩气渗流规律的影响,建立了基质—裂缝系统双重介质气体渗流数学模型,采用有限元方法对页岩气在储层渗流过程中的压力进行求解,揭示在定产量条件下定性和定量的描述人工裂缝宽度对储层压力及井底压力的影响及其渗流规律,并优化人工裂缝宽度。结果表明:人工裂缝宽度对储层压力影响较小,增加人工裂缝宽度,基质和裂缝系统的压降未产生明显差异,但提高了压力波及范围。当人工裂缝宽度为7 mm时,页岩气的泄气面积最大,基质系统吸附气解吸量最大,压力波及范围最广且传播到井底的速度最快,气体渗流效果最佳;人工裂缝宽度增加对井底压力影响较小,但井底压力有小幅上升趋势且下降速度逐渐减慢。当人工裂缝宽度为7 mm时,井底压力最高,基质向裂缝方向压力波传播速度最快,基质系统吸附气解吸量最大,裂缝与基质沟通效果最优。综上,在裂缝宽度研究范围内,人工裂缝宽度为7 mm时为最优裂缝宽度。因此,压裂时应充分考虑人工裂缝宽度对页岩气渗流规律的影响,通过储层压力展布及井底压力变化有效指导压裂开采。     

页岩气藏压裂水平井产能特征研究

页岩气具有独特的储层特性与流动特征,其数值模拟方法与常规油气藏有很大差异。基于多重介质模型建立及基质离散模拟吸附气和游离气的瞬变流动方法,对储层进行体积压裂改造,实现了体积压裂模型的构建;在此基础上结合X井的生产数据对吸附类型、基质离散程度、裂缝-基质耦合系数、基质渗透率以及裂缝渗透率等因素对产能的影响进行了分析。结果表明,吸附类型、裂缝-基质传导率、油藏具有天然裂缝和基质裂缝渗透率以及压裂增产区域裂缝渗透率可以影响页岩气的生产年限、递减率以及裂缝导流能力,这对页岩气藏水平井进行压裂优化设计具有一定的指导作用。     

考虑岩石变形效应的页岩气渗流模型

页岩气藏孔渗结构具有强烈的多尺度性,渗流机理复杂,纳米级基质孔隙克努森扩散效应、裂缝应力敏感效应,以及气体解吸收缩效应等多重机制对页岩气多尺度流动特征及页岩气产能模型都有一定影响。建立考虑纳米级基质孔隙克努森扩散流、裂缝应力敏感变形、基质解吸收缩效应协同作用的非线性渗流数学模型。应用全隐式有限差分和牛顿-拉普森迭代法进行数值求解。对相关因素分析得到,裂缝变形负相关于中前期气体产能;而基质解吸收缩正相关于中后期气体产能。实际生产过程中,应当结合不同生产阶段,合理调整页岩气生产条件;协同考虑裂缝变形和基质解吸收缩耦合效应,最终优化页岩气生产制度,提高页岩气采收率。     

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.     

一种已压裂页岩气水平井的产量预测新方法

水平井加多段压裂已成为页岩气藏的主要开发模式,针对压裂后的页岩气藏具有人工裂缝、天然裂缝及纳米
级孔隙等多种流动空间,开展了渗流数学模型的建立与求解研究。通过等效简化构建了三线性渗流模型,考虑了具有
解吸吸附作用的基质空间线性渗流、以等效天然裂缝为主的裂缝网络空间线性渗流、等效主裂缝内的线性渗流。对
三重渗流分别建立了极坐标空间和拉普拉斯空间下的数学模型,并对数学模型进行求解,得出单井气藏的产能公式和
井底压力公式。应用所建立模型,对实际压裂水平井的产能进行了求解,与实际产量进行对比,表明利用文中方法建
立的模型及解析解进行产能预测分析是可行的。     

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。     

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。     

考虑应力敏感和水力裂缝方位角的页岩产能模型

产能预测对页岩气的高效合理开发有着重要的作用，而目前国内外对于页岩气分段压裂水平井产能的研究没有同时考虑到天然裂缝应力敏感和水力裂缝形态及渗流特征对产能的影响。为此，根据双重介质渗流理论，综合考虑了页岩储层的吸附解吸、扩散运移、天然裂缝的应力敏感效应，建立了页岩储层渗流模型；同时考虑水力裂缝的有限导流能力、裂缝方位角等因素，利用点源函数方法将裂缝离散，之后叠加建立水力裂缝模型，最后将两种模型耦合得到页岩气藏压力水平井不稳定渗流模型和产能模型。根据已建立的页岩气压裂水平井产能模型，编程计算出产能特征曲线；通过对比模拟结果分析出，与实例类似的页岩气压裂水平井的最优水力裂缝导流能为15~18 D·cm，最优缝长分布方式为外高内低的U型，最优水力裂缝间距分布为等间距分布；模拟结果与页岩气井的现场数据的对比，也验证了该模型的准确性。该研究对页岩气开发有着重要的指导意义。     

页岩气储层压裂水平井非线性渗流模型

水平井+体积压裂技术已经成为目前高效高速开发页岩气藏的主要技术手段。针对页岩储层存在的吸附扩散效应和应力敏感效应以及流体的滑脱效应和高速紊流效应,建立了水平井多级压裂复合渗流模型,并获得了其在Laplace空间的解析解;通过Stefest数值反演和Duhamel原理,得到了考虑井筒储集效应和表皮效应影响下的实空间无因次产量模型,从而绘制了无因次产能模型图版并进行了产能影响因素敏感性分析。根据实践应用结果显示,模型能够预测水平井产量并具有更高的预测精度。研究结果表明:页岩气藏压裂水平井产能可划分为三个渗流区域和五个流动阶段,前期由裂缝线性流占主导地位,产量高但递减速度快;中期由天然裂缝供气,是处于基质和裂缝供气的过渡阶段;后期由基质线性流占主导地位,产量低但递减缓慢。启动压力梯度对水平井前期产量影响较大,而储层应力敏感性对后期产量影响较大。模型为认识体积压裂水平井复杂渗流规律、预测页岩气藏压裂水平井产能、评价压裂效果以及优化水平井压裂参数提供了有效的科学依据和理论支撑。     

考虑氧化作用的富有机质页岩吸附水量

页岩气井大型水力压裂后压裂液返排率普遍较低,滞留压裂液可能诱发页岩产生裂缝,但在水力裂缝与天然裂缝中占据有效气体传输通道,影响压裂效果。选取四川盆地龙马溪组典型富有机质页岩,采用填砂管与粒状页岩模拟体积改造的页岩气层,开展了蒸馏水与氧化液体积改造后页岩气层吸附水量的对比实验,明确了氧化对压裂液渗吸分散到裂缝附近基块孔隙的作用与机理。结果表明,与蒸馏水相比,氧化作用可以增强页岩渗吸分散水相作用,降低页岩孔隙空间内的自由水量,增加页岩吸附水量;富有机质页岩氧化作用消耗有机质,分解有机黏土复合体,裂缝与孔喉壁面更多的黏土矿物接触压裂液,增加黏土矿物吸附水量,降低裂缝面及基块孔隙含水饱和度,释放渗流空间。建议根据具体工程地质特征,优选氧化性流体的加入时间及用量,充分发挥滞留氧化性压裂液的造缝能力,促进压裂液渗吸分散,实现压裂液少返排或零返排,增大气体在裂缝中有效渗流通道。     

页岩气储层压裂水平井三线性渗流模型研究

具有天然裂缝发育及纳米级孔隙的页岩气储层渗流具有多种模式,压裂水平井开发模式已成为页岩气藏主要 开发模式,渗流数学模型的建立与求解具有很强的理论意义和现实价值。借鉴已有的三线性渗流模型思路,重新设计 了模型的构成,并建立了包括解吸吸附的渗流数学模型,借助无因次化及拉普拉斯变换推导出单井压裂水平井页岩气 藏的产能公式和井底压力公式,最后,应用得到的结果进行了单井生产过程中影响因素的分析。通过研究与应用表 明,由该简化模型得到的公式能方便而且准确地计算并预测页岩气的产量变化,而且对于压裂设计也可提供设计参数 的优化分析方法。     

水平井体积压裂基质-裂缝渗流规律分析

为了揭示水平井体积压裂流体渗流特征和优化裂缝参数,基于流体在基质改造区、未改造区、裂缝中的渗流特征,建立了一种新的水平井基质-裂缝流动模型,利用修正贝塞尔函数求得模型解析解,与现有模型和数值结果对比,验证了模型可靠性。研究了缝间距、导流能力、缝长和基质渗透率对流体渗流的影响。结果表明,缝间距越大,渗流距离越长,未改造区越大,渗流阻力越大;施工液量恒定时,产量随缝长的增加呈先增加后减小的趋势;基质渗透率越小,裂缝越趋近为无限导流裂缝。相比于改造区渗透率,裂缝之间未改造区渗透率对产量的影响更大。     

双重介质页岩气藏水平井压力动态特征

研究页岩气水平井开发渗流规律。依据页岩气藏储层地质及开发特征,建立页岩气渗流模型,充分考虑页岩气在基质中的吸附-解吸、Knudsen扩散及渗流作用,采用表观渗透率函数、岩石压缩性吸附影响系数,对常规油气藏渗流方程进行修正,并考虑球型基质向裂缝不稳态扩散窜流,建立无穷大外边界双重介质页岩气藏水平井渗流模型,绘制页岩气藏水平井渗流压力曲线图版,分析储层、渗流及水平井等敏感参数对水平井压力变化特征影响。结果表明在页岩气藏渗流中后期阶段,表观渗透率函数、岩石压缩性吸附影响系数对水平井压力特征影响较大。扩散-渗流、吸附-解吸特征是准确描述页岩气渗流规律的重要因素。