应力敏感页岩气藏水力压裂直井试井分析

应力敏感效应普遍存在于天然裂缝发育的页岩气藏中。本文根据页岩气渗流理论及吸附气解吸特征,引入Langmuir等温吸附公式和渗透率模数,建立了应力敏感双孔单渗页岩气藏水力压裂直井的不稳定渗流数学模型。并用变换式和摄动技术线性化处理非线性偏微分方程,同时应用Lord Kelvin点源基本解、Poisson求和公式、修正Bessel函数积分等方法求解出应力敏感页岩气藏水力压裂直井在Laplace空间中的无因次井底压力响应函数。通过Duhamel叠加定理和Stehfest数值反演算法得到实空间的数值解,并绘制无因次压力和压力导数双对数变化曲线,进一步分析渗流特征及Langmuir体积、Langmuir压力、无因次渗透率模数、储容比、窜流系数等对无因次压力和压力导数动态特征的影响。     

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。     

页岩气产能评价方法及模型研究

非常规气藏渗流机理复杂,具有独特的渗流机理和生产动态特征,难以用常规的气井产能方法评价产能,预测可采储量。从渗流力学出发,根据页岩气藏压裂后储层特征,建立了页岩气藏复合模型,确定了页岩气井稳产时间,分析了内外区渗透率、内区半径、启动压力梯度、解吸压缩系数和储层厚度等影响规律;并参照Vogel方程建立了页岩气井产能方程。结果表明:内区渗透率、外区渗透率、内区半径、储层厚度和解吸压缩系数是影响页岩气井产能的敏感因素;表皮因子和启动压力梯度不是敏感因素。通过可靠性分析,参照Vogel方程建立的页岩气井产能公式能够快速、准确的判断页岩气井的产能。     

考虑超临界高压吸附方程的页岩气传质输运模型

目前页岩气渗流方程中常用Langmuir模型来描述吸附项对流动的影响,但在储层条件下Langmuir模型不足以描述页岩气的超临界高压吸附特征,因此需要探索建立考虑超临界高压吸附模型的页岩气渗流方程。首先本文根据统计热力学基本原理并结合相应假设建立了超临界高压吸附模型,然后根据渗流理论建立了考虑超临界高压吸附模型的页岩气渗流模型,并与考虑Langmuir模型的渗流方程进行了对比。研究表明:与Langmuir模型相比新吸附模型更能准确的描述页岩的超临界高压等温吸附曲线;新渗流方程拟合页岩气流动实验结果的精度更高,更利于描述吸附解吸对流动的影响;认为吸附解吸作用对中期日产气量的影响较大。     

考虑微裂缝的页岩气藏三重介质不稳定产量递减研究

据观测,用传统模型得到的页岩气生产数据要远低于现场数据。而为了达到拟合的目的,要人为修改缺乏物理依据支撑的储层参数。为了达到提高裂缝性页岩气藏产能模拟能力的目的,需要对页岩气的流动规律及产能进行研究。通过结合页岩气藏特征扩展双重介质模型的非稳态方程,在双重介质模型的基础上加入微裂缝作为沟通基质与人工裂缝网络的通道,并利用Langmuir等温吸附方程描述页岩气的吸附现象,建立了一个新的三重介质模型。分析了窜流系数、Langmuir体积和Langmuir压力对页岩气井不稳定产量的影响,对比了新模型与传统双重介质模型所预测的产量。     

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.     

页岩气藏单井产能预测的影响因素

为了预测页岩气井的产能,指导页岩气高效开发,该研究在对页岩的渗流机理进行调研的基础上,建立了考虑气体吸附解吸作用、渗透率应力敏感性、近井筒表皮效应、气体滑脱效应等四个关键因素的页岩气在单一介质中渗流的数学模型,并利用数值差分方法进行求解,分析了页岩气井产能的影响因素。研究结果表明：（1）页岩的气体吸附能力越强,页岩气井稳产时间变长,产量递减变慢。（2）随着近井筒表皮系数的增大,井底附近渗流阻力增大,压力损耗升高,页岩气井产量递减速度加快。（3）随着滑脱系数的增大,页岩气井产稳产时间变长。（4）随着应力敏感系数的增大,页岩气井产量降低,稳产时间变短。     

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。     

页岩气储层工作液伤害机理研究现状

目前工作液对页岩气产出的影响和与之对应的页岩储层伤害机理研究较少, 而其与常规天然气储层伤害有着较大差异。为此,首先分析了页岩气储层伤害潜在因素以及深层页岩气储层伤害的特殊性,其次阐述了页岩气渗流伤害相关的页岩储层的敏感性和工作液伤害机理、返排时伤害解除及渗吸机理、工作液对页岩气吸附/解吸与扩散的伤害机理的研究现状和进展,最后提出该研究方向需要关注和亟待解决的问题。     

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。     

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。     

孔隙网络模拟渗流速度对页岩气开采的影响

孔隙网络模型是预测多孔介质流动特性的有效手段。基于页岩气藏微观孔喉参数建立了随机孔隙网络模型，并模拟了气水两相流动，通过求解模型压力矩阵方程，绘制渗流图像；通过模拟不同速度下的渗流特征，分析了水侵现象、渗流速度对气水两相渗流路径的影响。结果表明，渗流速度与驱替压差呈正相关，在渗流速度大于临界流速v_c的驱替过程中，压降梯度对渗流路径起主要影响作用，不同的渗流速度会形成不同的渗流路径，渗流路径符合分形特征；而由于较高渗流速度（大于临界流速v_c）会破坏气/水界面稳定性，因此，高渗流速度更利于水侵而降低页岩气产量；若渗流速度小于临界流速v_c，气/水界面趋于稳定，促使页岩气大量产出。     

煤与页岩低温氮吸附孔隙结构特征与分形特征对比——以阳泉地区山西组15#煤与页岩为例

以山西组高煤级煤与页岩样品为例,通过低温氮气吸附实验研究了样品的孔隙结构特征,并基于FHH分形模型计算了样品的分维值,对页岩与煤层的孔隙分形特征进行了对比研究。结果表明:页岩样品以微孔为主,同时含有一定量的过渡孔,主要的储集空间由微孔和过渡孔提供。高煤级煤样品以过渡孔为主,主要的储集空间由过渡孔提供。在测试孔径范围内,页岩样品的比表面积远大于高煤级煤。页岩的孔隙形态上以四周开放的平行板孔和裂缝型孔为主,具有部分细颈瓶孔,高煤级煤的孔隙形态以封闭型孔为主,反映页岩储层微观渗流能力更强,可能是页岩中游离气比例高于煤层的原因之一。页岩与高煤级煤均具有显著的分形特征,页岩样品分维值高于高煤级煤,说明页岩孔隙的空间结构比高煤级煤更为复杂,非均质性更强;同时二者均具有双重分形特征,页岩渗流孔分维值低于吸附孔,反映页岩吸附孔孔隙结构更为复杂。与页岩相比,高煤级煤渗流孔和吸附孔的分维值均小于页岩,孔径分布集中于过渡孔,有利于煤层气快速到达产气高峰;而页岩孔径分布则集中于微孔和过渡孔,吸附气含量更高,并且过渡孔的孔隙结构以平行板孔为主,孔隙结构特征较微孔简单。     

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。     

页岩气藏压裂水平井物质平衡模型的建立

针对页岩气藏压裂水平井中裂缝、基质、游离气和解吸气等对产气量贡献比例定量计算的难点问题,开展了动态渗流分区的物质平衡模型的建立与分析研究,研究中采用了不同渗流区域内压力降传播速度及平均地层压力的计算方法,进行了动态渗流分区设计,给出了压裂液返排后储层受渗吸作用的含水饱和度计算方法,建立了由12项构成的综合物质平衡方程。通过模型的实例应用与分析,获得了气井生产的7个渗流阶段,揭示了不同生产时间的供气结构比例变化规律,认识到基质储层的游离气是气井长期生产的主要供给气来源,其次是解吸气。模型的建立简化了多尺度渗流方程的描述和复杂求解过程,为理论分析和现场应用提供了一种新的方法,也为深入理解和研究页岩气藏渗流特征提供了依据。