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.     

有机质孔隙对页岩气流动能力影响研究

页岩中存在有机质孔隙和无机质孔隙,目前页岩气表观渗透率模型忽略了孔隙类型、孔隙半径分布对气体流动能力的影响.本文基于页岩二维剖光扫描电镜图像数值重建页岩三维数字岩心,并提取孔隙相中轴拓扑结构.根据地质上对有机质孔隙空间分布、有机质孔隙和无机质孔隙半径分布的认识,在对应孔隙喉道位置,充填满足对应孔隙半径分布以及空间分布关系的有机质孔隙和无机质孔隙,建立3种不同有机质孔隙分布模式的页岩孔隙网络模型:有机质孔隙条带状分布、有机质孔隙连片分布、有机质孔隙分散在无机质孔隙中.有机质孔隙中气体流动考虑吸附解吸、表面扩散、黏性流、努森扩散,无机质孔隙中气体流动考虑黏性流、努森扩散,气体性质计算考虑真实气体效应以及在微纳米孔道中相态变化.结果表明,当有机质孔隙半径分布小于无机质孔隙半径分布,有机质孔隙成条带状分布模型气体流动能力最强,有机质孔隙连片分布模型气体流动能力最弱.当有机质孔隙半径分布大于无机质孔隙半径分布,有机质孔隙成条带状分布模型气体流动能力最强,有机质孔隙分散在无机质孔隙模型气体流动能力最弱.本文的研究对认识页岩气流动能力具有显著意义.     

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.     

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.     

分形多孔材料双尺度孔隙内气体脱附扩散过程数值模拟

为了研究多孔材料内气体脱附、扩散规律,结合实际多孔材料的结构特征,利用分形布朗运动模型(FBM)构造出由宏观孔隙和固相基质组成的三维各向同性和各向异性的分形多孔材料.基于格子Boltzmann方法(LBM)在2个空间尺度上建立气体在宏观孔隙中扩散和在固相基质内微观孔隙中脱附、迁移的数值模型.通过数值模拟,研究了多孔材料的吸附量和结构特性对其脱附、扩散过程的影响.结果表明:微观孔隙内较小的吸附量会造成脱附过程中气体向宏观孔隙内迁移速度降低,从而造成宏观孔隙内气体浓度减少;对于不同分形特性的多孔材料,较高的Hurst指数会提高宏观孔隙的等效扩散系数并降低多孔材料的比表面积,从而降低宏观孔隙内的瞬态气体浓度.     

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.     

煤层气窜流–扩散过程及其对开发效果的影响

基于煤层气的赋存和运移规律,综合考虑煤层气从煤基质中解吸,并以扩散和窜流方式进入煤层割理,通过渗透和扩散方式从割理流入生产井筒的过程,将煤层气在微孔中的非平衡吸附模型与气水两相渗流模型耦合,建立了双重介质煤层气藏拟稳态渗流数学模型。采用该模型研究了窜流和扩散机理对开发效果的影响。结果表明:窜流和扩散对开发后期产气量的影响较明显,窜流因子或扩散系数越大,后期产气量越多。     

断陷湖盆细粒区页岩组构特征与页岩油富集成藏规律：以黄骅坳陷古近系为例

为明确断陷湖盆细粒区页岩微观组构特征及页岩油富集成藏规律,基于黄骅坳陷古近系孔二段、沙三段、沙一段3套页岩层系取心、测井、录井及试油等资料,综合利用矿物分析-场发射扫描电镜、氩离子抛光-场发射扫描电镜、聚焦离子束-场发射扫描电镜等技术手段,针对页岩样品开展多尺度、多维度精细表征,从微观、定量的角度系统分析了页岩矿物、有机质、孔隙及页岩油赋存特征,揭示了页岩油成藏富集规律并建立了富集模式。研究结果表明：在微观视域下,多类型矿物以“组分混合”和“组构叠置”构成复杂页岩类型;储集空间可划分为无机孔隙、有机孔隙和微裂缝3大类9小类,其中无机孔隙贡献率平均可达85%以上,孔径<50 nm的孔隙占据储集空间的主体;微观上有机质可划分为同沉积有机质、交生分异有机质和运移充填有机质3种类型;烃类主要赋存于长英质纹层、灰云质纹层或粉砂岩纹层中。基于矿物、有机质、储集空间、烃类4个要素的“四元耦合”页岩油富集成藏规律,建立了3类富集成藏模式。在该模式指导下,沧东凹陷孔二段实施多口水平井获高产,优质页岩油区块已经实现当今油价下的效益开发,歧口凹陷沙三段及沙一下亚段页岩油均获得重要突破,展示出黄骅坳陷古...     

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.     

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。     

基于有限元分析的页岩气扩散数值模拟

本文基于Fick扩散定律,结合页岩气赋存形式和运移特点,针对干酪根有机质中溶解气扩散形式,建立干酪根中页岩气扩散数学模型。利用有限元分析方法进行数值求解,得到不同时刻干酪根内部页岩气浓度分布,分析干酪根内部不同位置浓度变化规律,内边界气体平均扩散通量变化规律,并通过计算得出给定符合页岩储层有机干酪根存在条件下干酪根扩散通量。同时在该扩散模型基础上改变边界条件,可以理论上计算多孔介质中气体有效扩散系数,为今后关于页岩气渗流理论和数值模拟研究奠定了基础。     

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.     

Some open problems in granular matter mechanics

Granular matter is a large assemblage of solid particles, which is fundamentally different from any other type of matters, such as solid and liquid. Most models presented for granular matter are phenomenological and are only suitable for solving engineering problems. Many fundamental mechanical problems remain open. By analyzing characteristics of internal state structure, we propose that granular matter is intrinsically multiscale, i.e. microscale of particle size, mesoscale of force chain, and macroscale of the bulk of granular matter. The correlations among difference scales would be crucial. The mesoscale force chain network is determined by both particle properties and macroscopic boundary conditions. The evolution of the force the chain network contributes to macroscopic mechanical properties of granular matter. In addition, we discuss the drawbacks in simplifying contact forces in the current models, and the difficulties in analyzing the interaction of interstitial fluid in wet granular matter. As an appropriate application of granular matter, debris flow can be studied with granular matter mechanics; meanwhile, debris flow brings more challenges which certainly motivate future studies on granular matter.     

基于热模拟实验的富有机质泥页岩孔隙演化研究进展

富有机质泥页岩是非常规油气领域重要的研究对象,揭示其孔隙演化特征对于研究页岩油气赋存机理具有重要意义,并为页岩油气资源评价以及勘探开发提供参数。热模拟实验结合扫描电镜,气体吸附和高压压汞等实验技术手段可应用于泥页岩孔隙演化的研究。相比于开放体系和封闭体系,半封闭半开放实验体系的设计是更接近地下真实地质过程,其更适用于孔隙演化的研究。富有机质泥页岩孔隙演化是有机质和矿物在高温高压及流体等多因素长时间共同作用的结果,基于热模拟实验条件下总结归纳了富有机质泥页岩孔隙演化特征(有机孔和无机孔两个方面)、孔隙演化主要控制因素(有机质生烃作用,矿物转化和压实作用)以及孔隙演化模型。尽管热模拟实验实现了对同一泥页岩样品全孔隙演化阶段的研究,但孔隙演化的研究还不够系统,问题在于:泥页岩样品在热模拟实验高温高压条件下易碎裂,导致样品制备上的困难;热模拟实验温压条件很难模拟地下真实成岩和生烃的过程;热模拟实验成本较高导致其不能大量开展,因此得到的样品和孔隙相关参数的数据也不够充足。如何系统地研究富有机质泥页岩孔隙演化也正是未来需要关注和研究的重点。     

孔结构对有机相变物质相变行为的调节作用

采用了 4种孔结构不同的多孔介质作为有机相变物质的储藏介质 ,研究了有机相变物质在这些多孔介质中的储藏情况和相变行为 ,分析了多孔介质的孔结构对有机相变物质的相变行为的调节作用 .对于比较纯的有机相变物质 ,孔结构的调节作用使得相变温度范围宽化 .随着储藏量的增加 ,相变温度移动的幅度增大 ,但对于成分复杂的有机相变物质 ,多孔介质孔空间对其相变行为的调节作用比较复杂 ,甚至会出现截然相反的变化规律 .     

页岩气藏压裂缝网扩展流动一体化模拟技术

页岩气藏天然裂缝分布复杂,地层非均质性强,水平井压裂技术是开发的必要手段,建立页岩气藏压裂缝网扩展与流动一体化模拟方法对于制定生产方案及评价压裂措施具有重要的现实意义。采用基于闪电模拟的油藏压裂裂缝网络扩展计算方法来模拟页岩气藏多分支裂缝网络形态,在此基础上进一步运用嵌入式离散裂缝模型（EDFM）来定量表征页岩气藏有机质-无机质-裂缝网络之间的复杂流动机制,从而实现页岩气藏压裂缝网扩展流动一体化模拟。基于该方法建立了200 m×200 m的地质模型进行缝网形态模拟以及流动表征,通过缝网扩展模拟方法得到裂缝网络分布规律,在此基础上基于嵌入式离散裂缝模型进行流动模拟,得到模型生产200 d后的含气饱和度分布以及产气量分布曲线。同时,基于本文模型分析了压裂液注入压力、分形概率指数、压裂液黏度以及裂缝网格精细程度等参数对裂缝网络形态、含气饱和度分布以及页岩气产量的影响。研究表明,压裂液注入压力越高分形概率指数越小、压裂液黏度越小裂缝扩展范围越大、含气饱和度下降范围越大单井产量越高,裂缝模拟精度会显著影响产量误差。基于该页岩气藏压裂缝网扩展流动一体化模型可以大规模模拟页岩气藏缝网形态以及多重介质复杂流动,为评价页岩气藏压裂施工好坏以及产量预测提供了有效的帮助。     

烃源岩中有机质测定及分布规律研究

烃源岩是一种富含有机质和各种无机矿物的集合体,而有机质是未熟-低熟原油和烃源岩抽提物的常见组分。采用不同方法对烃源岩进行有机质抽提并进行了四组分分析,考察了不同层位和深度有机质总抽提率和四组分的分布规律。结果表明,三元溶剂的抽提率相对较高,并且总体含量上在Es3有机质的含量较高,颜色深的页岩含有机质的量较高。     

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。     

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.     

基于核磁共振测量的页岩气游离吸附比例关系确定研究-以涪陵页岩气储层为例

本文对页岩岩心开展了不同条件下饱和油水的核磁共振观测对比研究,并基于饱和油的核磁T2谱,确定了页岩有机孔中游离空间与吸附空间大小及比例。研究表明：1. 有机孔隙和无机孔隙的润湿性通过饱和油水的核磁响应得到体现,与自吸油状态下的核磁信号相比,干燥抽真空饱和油页岩的核磁T2谱在大孔段信号明显增大,反映出干燥后粘土孔喉能够允许更多的油分子进入有机孔中,此时核磁T2谱主要反映有机孔信号;2. 通过对地层条件下有机孔的模拟计算,确定了游离气和吸附气含量相等时对应的有机孔孔径大小,根据有机孔的核磁连续孔径分布,确定出储层游离气和吸附气所占比例。总体上,优质页岩气储层具有更大的核磁孔径响应分布及游离吸附比,对应着更好的资源潜力和产气能力。