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。     

分形纳米毛细管中水的有效渗透率

结合页岩纳米毛细管的分形特征,建立了页岩纳米毛细管中水流动时的流量以及有效渗透率的分形模型。基于该模型分析可知,毛细管两端压力梯度越大,纳米毛细管中水的流量就越大;页岩基质纳米毛细管直径越大,水在纳米毛细管中流动时的有效渗透率就越大;而页岩基质纳米毛细管的迂曲度分形维数越大,水在其中流动时的流量以及有效渗透率就越小;且有机纳米毛细管的自吸能力高于无机纳米毛细管。     

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.     

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.     

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。     

页岩气藏压裂水平井线性耦合渗流模型研究

为研究页岩基质孔隙中气体低速流动时启动压力梯度对试井的影响、解决页岩气复杂流动机理耦合的困难,提出了一种新的圆柱状三重孔隙页岩基质模型,并与五线性渗流模型结合,建立了表征气体流动过程的多级压裂水平井线性耦合渗流模型;应用Laplace变换、Green函数等方法得到模型的解,利用Stehfest数值反演算法计算并绘制了气井无因次拟压力响应曲线并进行敏感性分析。结果表明,基于新模型的压力响应曲线可划分为七个流动阶段;启动压力梯度主要影响曲线的中晚期阶段,若启动压力梯度越大,则渗流阻力越大、拟压力及其导数值越大;基质渗透率越小,则基质向裂缝系统窜流越困难、边界控制流动阶段发生时间越晚。     

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.     

考虑吸附和多流动形式共存的页岩气藏纳米级孔隙基质视渗透率计算方法

为计算页岩气储层纳米级孔隙(d100 nm)基质视渗透率,得到考虑吸附层厚度的气体有效流通孔道直径,利用Knudsen方程推导划分气体流动形式的临界孔道直径,依据质量通量表达式得到多流动形式共存时的视渗透率计算公式。算例分析表明:页岩气储层中温度对流动形式的影响可以忽略;随着储层压力增加,以20 MPa为临界,较低压力时气体视渗透率迅速降低,较高压力时降低趋势平缓;气体流动形式对视渗透率影响很大,储层温度下滑脱渗流与过渡扩散视渗透率计算结果在不同压力下存在7~10倍的差距;储层条件下吸附气体使得视渗透率减小约13%,高压下吸附对气体视渗透率影响更明显。     

页岩基质中甲烷传质输运产能计算模型

页岩气藏基质中存在吸附气和游离气,通过扩散和渗流两种传输机制进行流动。为了研究页岩气藏基质产气规律,推导了一维页岩基质产气量计算公式,扩散体积流量与入口压力成线性正比关系,渗流体积流量与入口压力成二次函数关系,渗透率越高、扩散系数越大,则体积流量越大。在此基础上,设计了全直径页岩岩心甲烷解吸、扩散、渗流耦合实验,研究了产气量与压力的变化关系;并通过拟稳态阶段的实验数据验证了一维页岩基质产气量计算公式的正确性。利用模型计算结果预测了页岩气传质输运实验未来体积流量的变化趋势:当入口压力达到15 MPa时,渗流体积流量在耦合流量中所占比例接近50%;当入口压力低于15 MPa时,扩散体积流量在耦合流量中所占比例较高。     

页岩储层中气体多机理耦合渗流研究

页岩储层中有纳米孔、微米孔、微裂隙、人工裂缝等储集空间和运移通道,多尺度的孔隙结构使气体具有扩散、滑脱、达西渗流等多种流动形式。当储层压力、温度、应力改变时,赋存气体的运动状态、孔隙结构会发生改变,使渗流复杂化。利用毛管束模型和平板模型,分别讨论了扩散、吸附、应力解吸对页岩中气体渗流的影响。研究表明:1当温度一定时,在低压小孔隙中,气体的扩散主要是Kudsen扩散;当压力和孔径变大时,则以Fick扩散为主;2在低压小孔隙储层中,扩散对渗流影响不可忽略;但当压力和孔径达到一定值后,可以忽略扩散的影响;3滑脱对气体渗流的影响程度与压力和孔隙尺度有关;4吸附会减小孔隙直径,影响气体渗流,孔隙越小,吸附对渗流的影响越严重;5随有效应力的增加,页岩渗透率降低;页岩中裂缝越多,渗透率降低越显著;气体解吸后页岩的渗透率变大。