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.     

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。     

基于均匀化理论的页岩基岩运移机制尺度升级研究

基岩孔隙是页岩气藏的主要储集空间.页岩有机质孔隙和非有机孔隙具有不同的赋存方式和传输机制:有机质孔隙存在吸附气、游离气两种赋存方式,无机质内仅存在游离气,气体在有机质孔隙存在吸附解吸和吸附气的表面扩散.传统的数值模拟方法未考虑页岩基岩内不同孔隙介质储集方式和运移机制的差异性,未考虑有机质分布结构特征的影响.本文基于均匀化理论建立了考虑页岩基岩有机质分布特征和相应运移机制的尺度升级数学模型,在小尺度模型中考虑有机质和无机质赋存方式和运移机制的差异性.数值模拟结果表明,传统上具有相同宏观运移参数的基岩,若其有机质分布不同,采用尺度升级后的宏观模型计算的压力变化和产量均不同,必须进行尺度升级才能实现复杂结构分布的页岩基岩模拟的准确性.     

基于微观机理的页岩气运移分析

认识气体在页岩孔隙中的运移机理对页岩气开采具有重要的科学意义.页岩作为一种致密岩石,孔隙尺寸分布主要集中在几纳米到百纳米之间,小孔隙尺寸与气体的平均分子自由程在同一个数量级,气体与孔隙边壁的碰撞对流动起到控制作用.本文针对页岩气开采过程中孔隙中气体流动过程,建立了考虑气体滑移、Knudsen扩散、Langmuir等温吸附、孔隙压缩等过程的多场耦合控制方程.分析了流态变化对滑移效应的影响,得到了考虑滑移效应的临界孔径,并针对实际中不同页岩储层有机质含量的差异,分析了解吸机制对页岩气产气率、产气量的贡献.研究还表明孔隙压缩性对产气率影响显著,通过考虑开采过程中孔隙压缩,可以更真实地反映页岩气运移过程.     

考虑表面扩散的页岩气藏多级压裂水平井数值模拟

考虑页岩气黏性流动、Knudsen扩散、吸附气表面扩散和解吸等渗流机理,建立了页岩气在基质孔隙中的渗流数学模型;并在此基础上建立了页岩气藏多级压裂水平井渗流数学模型,该模型包含由基质、水力诱导裂缝和水力裂缝组成的压裂改造区(SRV)和只含基质的未改造区(USRV)。采用嵌入式离散裂缝模型和拟牛顿迭代法求解,得到页岩气藏压力分布和页岩气累积产量,并分析了参数敏感性。在纳米级孔隙中,吸附气表面扩散是页岩气主要渗流机理;而且孔隙半径越小,吸附气表面扩散对页岩气累积产量影响越大。     

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。     

考虑多重流动机制各向异性的页岩气运移数值模拟

为研究多重流动机制各向异性对页岩气运移的影响,基于Biot线弹性孔隙介质模型,考虑黏性流动、气体流动动态效应和表面吸附扩散等流动机制的各向异性,采用各向同性应力依赖模型,建立流-固耦合的视渗透率模型,对应力约束边界条件下的页岩气运移过程进行数值模拟,定量分析流动各向异性对页岩气运移的影响。结果表明各种流动机制的各向异性均对页岩气运移有显著影响：固有渗透率各向异性可明显改变页岩气运移开始时间和流通量大小,其影响随页岩储层渗透率增加而放大;当固有渗透率较小时,动态效应各向异性会削弱气体流动的动态效应,对页岩气运移开始时间和流通量的影响十分显著,但在固有渗透率较大时其影响可以忽略;表面吸附扩散各向异性的影响与固有渗透率各向异性相似。准确评估页岩气的运移能力和产能应考虑运移过程中的流动各向异性。     

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。     

基于均匀化理论的页岩基质流固耦合尺度升级

页岩基质通常由微尺度的有机质和无机质组成,由于这两种介质的力学性质差异较大,且气体在两者中的赋存方式和流动机制均不相同,要准确刻画气体在页岩基质中的流固耦合过程,需针对两种介质建立不同的微尺度模型,但由于计算效率问题,微尺度模型无法直接用于宏观模拟。基于均匀化理论建立一种页岩基质流固耦合尺度升级方法,将微尺度上有机质和无机质各自特征有效地表征到宏观模拟中。首先,将页岩基质看成是由有机质和无机质组成的非均质多孔弹性介质,考虑真实气体在这两种介质中不同的赋存方式和流动机制,建立微尺度流固耦合模型;然后,采用均匀化理论进行尺度升级,推导得到页岩基质的宏观等效流固耦合模型,并给出相关等效参数的定义和计算方式;最后,通过数值算例验证方法的正确性,并分析有机质力学性质、体积分数和分布对页岩气藏宏观流固耦合数值模拟的影响。结果表明有机质弹性模量越小、无机质连通性越好,累积产气量越高,而有机质体积分数越高,早期的累积产气量越低,后期的累积产气量越高。     

川北元坝地区大安寨段页岩微观孔隙空间定量表征

为了分析元坝地区大安寨段湖相页岩的天然气赋存特点,通过扫描电镜、氮气吸附、高压压汞等实验方法,研究了该区大安寨段页岩的孔隙类型与孔径分布,并探讨了页岩的孔隙结构对页岩气赋存状态的影响。结果表明:页岩中发育无机质孔隙(76.92%)、有机质孔隙(9.17%)与微裂缝(13.91%),其中无机质孔隙主要为蒙脱石伊利石化过程中形成的黏土矿物孔隙,有机质孔隙欠发育的原因与有机质类型以Ⅲ型为主且总有机碳含量低有关;页岩的全孔径分布中,微孔、中孔与宏孔分别贡献6.76%、76.92%与16.30%的孔体积。可见,元坝地区大安寨段页岩以无机孔为主,主要发育中-宏孔,与储层高温高压共同控制了该区页岩气的赋存方式以游离气为主。     

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。     

纳米尺度页岩储层的气体流动行为分析

理论分析及矿场实践表明,页岩气藏采用传统渗流模型预测的产量总是比实际产量低,经典的达西渗流定律
不再具有适应性,需要建立能准确描述页岩介质气体流动行为的数学模型。目前针对页岩气藏的渗流模型基本都是
对传统黏性流动的校正或者在黏性流动模型上简单的附加分子流动项,忽略了黏性流与分子流中间流态的问题。考
虑页岩介质中可能存在不同流态,建立了描述页岩气藏的流动分析模型。计算结果表明：页岩储层的孔隙越小、气体
分子摩尔质量越小、地层压力越低,气体流动越倾向表现为微观流态,表观渗透率与达西渗透率的比值越大。模型可
解释页岩气藏生产时实际产量高于达西模型预测产量,该研究对于指导页岩气藏生产具有重要的指导意义。     

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。     

页岩气扩散系数和视渗透率的计算与分析

目的探究页岩低至纳米级孔隙中气体渗流能力以及分析扩散对总质量通量的贡献。方法先由Kn数划分流动区域,求得各区域对应扩散系数作为系统的扩散系数,然后将其代入气体在纳米孔隙介质中的扩散和渗流方程,最终求出相应的质量通量和视渗透率并分析孔隙半径大小和气体种类对它们的影响。结果页岩储层中气体扩散主要处在过渡扩散和Fick扩散区域;视渗透率与达西渗透率的比值以及扩散质量通量占总质量通量百分比都随孔隙半径的减小而增加;甲烷的扩散能力强于乙烷。结论页岩扩散系数的计算,如果只用Knudsen扩散系数模型会使计算结果偏大;考虑了扩散和滑脱效应后,在储层一般的温压条件下,甲烷在页岩纳米级孔隙中的视渗透率值为10-6μm2级,而非10-9μm2级。     

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.     

页岩吸附气壁面扩散机理及现场应用

与常规天然气藏开发不同,页岩气藏无机质与有机质孔隙中的吸附气对开发的影响不可忽略.为准确表征混合气体吸附解析过程中的真实气体效应,建立了页岩气壁面扩散模型.将模型与现场数据结合,分析表明:吸附位点覆盖率与气藏压力呈正向关系,即随着压力升高,吸附厚度平均值增大.在现场实践中,应适当进行降压开发,维持壁面吸附气向游离气的转化;对于现场实践而言,注入二氧化碳等分子直径较小的工作气体可有效降低吸附层厚度,进而减小体相气体扩散过程中的堵塞系数,提高页岩气井产能;在矿场对气井产能的评价当中,不考虑实际气体在高压条件下的短程排斥力作用,将导致气井产能预测值偏低.     

页岩气藏流固耦合数学模型

页岩层是超低渗透率的储气层,页岩气藏开采过程中流固耦合效应表现明显.基于渗流力学和Biot固结理论,综合考虑页岩气藏储层的启动压力梯度,页岩气渗流过程中的解吸附,建立了一个适用于滑脱流、孔内扩散等页岩基质孔隙内所有气体流态形式的流固耦合数学模型.页岩气开采流固耦合数学模型包含了气体渗流和页岩变形相互作用的耦合项,必须进行耦合求解.使用显式迭代编制相应程序求解其数值解,计算结果表明,考虑流固耦合和不考虑流固耦合对页岩气开采过程中压力分布影响较大,考虑流固耦合情况下,压力降低趋势比不考虑耦合情况下要快,更符合实际开采情况.流固耦合现象对页岩气渗流过程影响较大,页岩气开采过程中必须考虑流固耦合影响.     

基于扩散的页岩气藏压裂水平井渗流模型研究

针对页岩储层纳米孔隙中天然气扩散作用对压裂水平井产能有多大影响这一问题,开展了渗流数学模型建
立、求解及定量计算分析研究,研究中采用了三线性渗流机理、克努森扩散机理及扩散引起渗透率增加值公式,绘制了
不同孔隙直径下克努森数与储层压力关系图版,得到了可用于实际生产预测的单井产能方程,从孔隙大小、储层压力、
气藏深度等3 个方面进行了扩散作用的分析,给出了页岩气藏生产过程中需要考虑扩散作用的各指标阈值。结果表
明,在储层压力条件下,孔隙越小的储层,扩散作用对产能的影响越大,而对于较大孔隙的储层,当井底压力低于模型
中计算出的阈值时,扩散作用就不应该被忽略。