耦合基质-天然裂缝渗流机理的页岩气表观渗透率

页岩储层微纳米孔隙、天然裂缝发育,不同类型孔隙中气体赋存状态和传输机理各异.本文在对天然裂缝定量表征的基础上,兼顾页岩气渗流特征和实际工程应用需要,综合考虑页岩岩芯孔-缝发育特征,基于渗透率串-并联模型建立耦合基质微纳米孔隙气体滑脱效应、扩散效应和天然裂缝渗流特征的页岩气表观渗透率模型,利用四川盆地牛蹄塘组天然裂缝发育的页岩岩样对理论模型进行验证.研究结果表明,该渗透率模型即能高度拟合天然页岩岩芯渗透率实验测量结果,又准确描述了岩芯内部基质孔隙和天然裂缝共同渗流的特点,更加符合实际渗流情况.总之,本文建立的页岩天然裂缝定量表征方法和综合考虑微纳米孔隙、天然裂缝渗流特征的表观渗透率模型不仅为页岩气藏复杂裂缝网络建模提供了一种新的手段,而且进一步推动了复杂缝网页岩气藏数值模拟研究工程应用的实现.     

页岩气多尺度复杂流动机理与模型研究

页岩气储层纳微米孔隙、裂缝结构复杂,存在多尺度流动,气体的流动规律不同于常规气藏.本文对多孔介质内气体流动进行了研究,利用努森数划分不同尺度下气体流态,阐明了不同区域的流动机理和流动特征;综合考虑达西渗流、滑移扩散效应、井筒附近高速非达西效应等多重非线性效应,建立了页岩气储层多尺度统一流动模型.引入页岩气储层基质-压裂缝耦合两区模型,建立了页岩气储层压裂井定压条件下的两区压力分布和产能预测方程,并结合生产实例进行了参数敏感性分析.结果表明:随着滑移扩散系数、分形系数、压裂半径的增大,页岩气井产能增加,且增加幅度减小;考虑高速非达西效应较不考虑高速非达西效应时,页岩储层产能偏低,且高速非达西效应的影响小于滑移扩散对产能的影响.该模型为体积压裂页岩气产能预测及开发指标优化提供了理论依据.     

气体吸附对页岩裂缝表观渗透率和页岩气采收率的影响

页岩气以及无水压裂技术采用的二氧化碳都可使页岩发生吸附变形,影响其裂缝表观渗透率,同时表观渗透率还受到有效应力和流体流态的影响.页岩气渗流过程中多种物理场相互耦合使得吸附应变对表观渗透率的影响不易被分析,常被忽略.本文基于多孔弹性理论和页岩吸附变形的特点,建立了适用于多种边界条件的页岩裂缝表观渗透率模型,提出了分析吸附变形对表观渗透率影响的方案,并分析了一组富有机质页岩样品中吸附应变对其表观渗透率的影响,最终结合页岩气多尺度渗流模型分析了吸附变形对页岩气采收率的影响.研究结果表明:采用不同边界条件和气体测量页岩表观渗透率时,其主控机理并不相同;基于此特点,结合"固定围压"和"固定孔隙压力"条件下的非吸附性气体和吸附性气体测量所得的页岩表观渗透率数据,可以确定内部吸附变形对表观渗透率有较大影响,不可忽略;此外,相较于内部吸附变形,气体吸附引起的页岩整体变形对表观渗透率和页岩气采收率有更大影响.     

基于数字岩心和LBM的页岩气流固耦合数值模拟

页岩具有很强的压力敏感性,围压和孔压的变化会改变页岩孔隙的大小,从而对页岩气的流动规律产生影响,利用数字岩心结合格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM)来研究页岩气微观渗流规律得到越来越多学者的重视.本文建立了应力条件下的数字岩心应力应变模型和页岩气渗流LBM模型,研究了应力对页岩气渗流的影响规律.研究结果表明:有机质中的纳米孔隙对应力更加敏感,随应力变化的程度相比矿物骨架孔隙更大,从而影响页岩气在纳米孔隙中的解吸和扩散;孔压对各渗流机理的影响要比围压的影响大,是因为孔压的变化不仅影响了孔隙的尺寸还影响了气体的平均分子自由程;当平均孔压从17 MPa降低到5 MPa时,解吸的气体量和通过扩散流动的气体量占总气体流量的比例不断增加,分别增加了2%和1.9%,而通过滑脱流动的气体量占总气体流量的比例不断减少,减少了3.8%.利用应力条件下的数字岩心和格子Boltzmann方法可以更精确地模拟页岩气在储层中的流动规律,更好地理解页岩气的产出机理.     

页岩气储层微观渗流机理研究

页岩气储层孔隙结构复杂,纳米孔隙所占比例大,而纳米孔内部气体流动机理不同于宏观流体流动,因此认识页岩气在纳米孔隙中的流动机理对页岩气的高效开采具有重要的科学意义.页岩气开采过程中,纳米孔的吸附解吸、应力敏感效应及滑脱效应使渗透率发生显著变化.为此,基于毛细管模型耦合考虑吸附变形修正应力应变的渗透率模型,在此基础上,考虑滑脱效应影响,建立页岩表观渗透率模型来描述气体流动.通过试验数据验证其合理性,并对模型相关参数对表观渗透率的影响进行讨论.研究结果表明,新建页岩表观渗透率模型能够合理地描述页岩气真实储层条件下气体的流动,考虑了吸附变形、应力敏感及应力变化下纳米孔气体滑脱效应等微观机理.在围压恒定条件下,新建模型计算出的曲线均与实测值吻合较好;随孔隙压力升高,页岩表观渗透率呈指数函数降低.两种气体的表观渗透率随平均分子自由程的增大而增大;孔径越大,在压力区间内渗透率越高,且随孔隙压力升高,渗透率逐渐降低.页岩表观渗透率对弹性模量较为敏感,弹性模量增大会导致在其压力阶段内有较高的渗透率;在孔隙压力升高过程中,裂隙压缩系数越小,渗透率越高;随温度的升高,页岩表观渗透率呈上升趋势.所建模型能为页岩气生产动态分析、产能预测和生产制度制订提供指导.     

孔隙和裂缝分形油藏的瞬态压力分析

研究了孔隙与裂缝分形油藏中流体的流动．通过引进流动路径长度的微分关系式和单位横截面面积得出分形渗透率、孔隙度和渗流速度三个基本公式．阐明了分形孔隙介质与分形裂缝介质中渗透率和孔隙度表达式的区别．建立起分形油藏中单相流体渗流的压力扩散方程，给出相关方程的解，绘制了用于瞬态压力分析的典型曲线．讨论了孔隙分形油藏和裂缝分形油藏试井解释的方法和步骤．对于多维各向异性分形介质，在直角坐标和圆柱坐标系中也给出了相应的渗流压力扩散方程．对分形油气藏勘探和开发具有重要意义．     

页岩气直井非稳态非线性渗流的数值计算及产能预测

结合我国南方海相页岩气藏的实际,针对页岩气藏的特殊孔隙结构及多尺度流动的特征,首先由Knudsen数判断出储层主体流态为滑移流,并指出页岩气在页岩多孔介质中的传输过程是一个等温过程.然后修正了Beskok-Karniadakis二阶近似模型,建立了致密页岩气直井平面径向非稳态非线性渗流问题的数学模型.进一步应用玻尔兹曼变换将问题简化,并给出了求解压力场的数值离散显式迭代格式.最后数值计算得到了内边界定压条件下直井的压力场随时间、空间分布曲线,预测了产量随时间变化的规律,并分析了解吸、滑移和扩散效应对产量的影响.     

页岩气多尺度传质特征及过程协调机制研究

页岩气开发过程中的多尺度传质行为显著,综合考虑页岩多尺度孔隙结构、多种气体传输机理和多种微尺度效应,构建了页岩表观等效渗透率数学模型,分析了实际生产过程中的页岩渗透性变化特征,明确了页岩气多尺度传质行为主控因素(气-固系统性质、孔隙类型及连通性、温度压力条件)的影响,提出了页岩气多尺度传质行为评价指标,即孔隙直径介于50~200 nm孔隙所占比例,从介科学的角度形成了页岩气多尺度传质行为评价方法,并结合页岩气开发所面临的主要问题,凝练了页岩气多尺度传质过程协调机制,即降低水相圈闭损害、沟通基质纳米孔及纳米孔扩容、促进解吸-扩散.     

页岩纳米孔吸附气表面扩散机理和数学模型

页岩富含纳米孔,且吸附气占总气量可高达85%,因此页岩气表面扩散对气体传输具有重要的作用.页岩气藏压力高,页岩表面能量非均质性强,吸附气非等温解吸附等,均加剧了吸附气表面扩散模拟的复杂性.基于低压条件下推导的Hwang模型,考虑高压条件下吸附气覆盖度的影响,建立了页岩吸附气表面扩散模型.同时,该模型还考虑了页岩表面能量非均质性、等量吸附热和非等温解吸附对表面扩散的影响.研究表明:1)表面扩散系数随压力的增大而增大,随温度的升高而增大,随表面活化能的减小而增大,随气体分子量的减小而增大;2)黏性流动、努森扩散和表面扩散对气体传输的贡献是此消彼长的,主要受孔隙尺度和压力的控制;3)表面扩散在微孔(半径2 nm)中,对气体传输贡献大,可高达92.95%;在宏孔(半径50 nm)中,贡献低于4.39%,可忽略;在介孔(2半径50 nm)中,表面扩散的贡献介于微孔和宏孔之间.     

考虑水蒸气压力的平衡水页岩等温吸附

基于改进的容积法等温吸附实验装置,分别测量了甲烷在干燥、平衡水条件下的页岩等温吸附曲线,实验温度为303.15,323.15和353.15 K,实验最高压力达20 MPa,实验数据采用修正的Langmuir方程进行拟合.在开展平衡水页岩吸附实验时,考虑了水蒸气压力,认为实验气体为甲烷与水蒸气混合气体,重新计算了混合气体中甲烷吸附量,并从吸附热力学角度阐述考虑水蒸气压力的意义,最后在地层条件下讨论了水蒸气压力对页岩吸附的影响.结果表明,考虑/未考虑水蒸气压力的平衡水页岩Langmuir最大吸附量分别为0.053和0.039 mmol/g,未考虑水蒸气压力的甲烷吸附量被低估26.4%.干燥页岩的等量吸附热为11.6 k J/mol,考虑与不考虑水蒸气压力的平衡水页岩等量吸附热分别为10.7和12.3 k J/mol,由于水分优先吸附于能量较高的吸附位,在水分存在情况下,平衡水页岩对甲烷的等量吸附热应该小于干燥页岩,因此,经水蒸气压力校正后的等量吸附热更加符合热力学一致性.在地层条件下,水蒸气压力对页岩吸附的影响分为两个阶段:(1)浅埋藏阶段(地层深度小于700 m),此阶段由压力梯度主导,压力梯度越大,水蒸气压力对吸附的影响越大;(2)深埋藏阶段(地层深度大于700 m),此阶段由压力梯度和温度梯度同时控制,压力梯度越大,温度梯度越小,水蒸气压力对吸附的影响越大.     

页岩气复杂孔裂隙真实气体传输机理和数学模型

基于滑脱流动和努森扩散,分别以分子之间碰撞频率和分子与壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和努森扩散的权重系数,进行权重叠加,建立了页岩气复杂孔裂隙气体传输模型.该模型综合考虑了滑脱效应和真实气体效应,同时还分别考虑了截面类型(圆形和矩形)和形状对气体传输的影响.用公开发表的分子模拟数据验证模型.结果表明:(1)本文模型能够合理地描述页岩气复杂孔裂隙气体传输机理,包括连续流动、滑脱流动和过渡流动;(2)页岩气孔裂隙截面类型和形状影响气体传输能力,相同截面面积,圆形截面孔裂隙气体传输能力大于矩形截面孔裂隙气体传输能力,矩形截面孔裂隙气体传输能力随纵横比增大而减小;与截面类型相比,截面形状对气体传输能力的影响更大;(3)真实气体效应提高了气体传输能力,且这种影响随压力增大而增大,随孔裂隙尺度减小而增大;(4)与圆形截面相比,真实气体效应对矩形截面气体传导率影响更大,且随矩形截面纵横比增大而增大.本文模型能为页岩气准确数值模拟奠定一些理论基础.     

考虑页岩气赋存及非线性流动机理的产能预测半解析方法

常规油气井可较容易求得解析产能,而页岩气的解吸、滑脱和扩散等非线性流动机理导致产能模型具有严重的非线性.本文运用三线性流模型,引入新的拟压力和拟时间处理页岩气的解吸和压缩性的非线性,运用逐次替换法处理滑脱和扩散的非线性.引入动用范围的概念,结合物质平衡方法和牛顿迭代法求得不同时间下的平均压力,以此不断更新模型参数,获得产能的半解析解.结果表明:(1)该方法能高效处理模型的非线性,准确快速地获得页岩气井的产能;(2)忽略气体的压缩性会严重低估气井产能;滑脱和扩散提高了气井产能,但加剧了产量递减;吸附解吸提高了中后期的产能,减缓了产量递减;(3)该方法能很好地拟合矿场生产数据,并预测气井的产能和可采储量.     

页岩气非线性渗流的有限元模拟方法

基于考虑解吸、扩散和滑移作用的页岩气非线性渗流理论模型,构建了以压力为自变量的页岩气非线性渗流的三维有限元方程.通过一个忽略解吸效应的页岩气稳定渗流算例和一个考虑解吸附效应的页岩气非稳定渗流算例,求解井筒附近压力场,以及压力和气井产量随时间的变化,并与文献中的理论解进行对比,验证数值方法的合理性.结果表明,本文提供的页岩气非稳定渗流数值计算方法,其结果与理论解吻合,且收敛性好,可用于页岩气开发中气井周围压力变化和气井产量的预测,为页岩气井设计和页岩气开采提供重要的手段.     

致密气藏裂缝岩心渗透率非稳态测试理论研究

准确评价致密气藏裂缝和基质系统渗透率对评价其可采储量和产能等方面具有重要意义.基于致密气藏裂缝岩心非稳态测试流动特征和物理模型,建立了裂缝岩心非稳态测试流动数学模型,采用Laplace变换和Stehfest数值反演,得到了上游和下游腔室的无因次拟压力解和特征曲线,分析了不同参数对无因次拟压力特征曲线的影响.结果表明,裂缝岩心的非稳态渗流可划分为3个阶段:裂缝渗流阶段、基质渗流阶段和系统平衡阶段.在裂缝渗流阶段,裂缝渗透率越大,持续时间越短;裂缝孔隙度对该渗流阶段基本没有影响.在基质渗流阶段,基质渗透率越小,达到平衡所需时间越长;基质孔隙度越小,平衡系统压力越大.本文研究为评价致密气藏裂缝岩心属性提供一种评价方法.     

孔隙网络模型模拟人工裂缝渗流研究

传统支撑剂导流能力试验需要耗费大量时间和成本,设备复杂并且对不同流体的适用性较差,基于支撑剂的排列分析和孔隙网络模型的基本原理,本文提出用孔隙网络模型模拟人工裂缝的思想,并建立了模型.以实测支撑剂渗透率作为指导,通过调整模型参数使模型预测结果与实测数据相符;并用所建立的模型对支撑剂的渗透率进行预测,达到较好的效果.针对压裂液和稠油等非牛顿流体,利用调整好的模型研究了非牛顿流体在人工裂缝中的流动特征.本文证明了孔隙网络模型模拟人工裂缝内渗流的可行性,相对于传统支撑剂导流能力试验,本方法经济高效,并且针对不同的流体有更广泛的适用性.     

页岩气藏多重介质流体跨尺度传质表征方法研究

页岩气藏多尺度孔隙介质发育、非均质性强,不同尺度介质流体运移机制复杂,明确多重介质流体跨尺度传质表征方法的适用范围对开展页岩气藏数值模拟研究具有重要意义.本文基于体积压裂改造页岩气藏储层多尺度介质分布特征及多尺度介质气体运移特性,以储层不同区域微小单元体为研究对象,分别建立离散介质、拟稳态窜流双重介质、瞬态窜流双重介质表征单元体模型,对比分析不同储层条件和裂缝参数时离散介质模型与不同窜流模式双重介质表征单元体模型内流体产量变化规律,得到页岩气藏多重介质流体跨尺度传质表征方法适用范围.研究结果表明:生产早期不同窜流模式对窜流量影响较大,多重介质渗透率相差越大,生产早期不同窜流模式得到的窜流量相差越大,窜流量差异持续时间越长;采用瞬态窜流或拟稳态窜流双重介质模型可以较为准确地描述干酪根有机质-无机基岩之间流体跨尺度传质规律;无机基岩-次生缝网流体跨尺度运移规律需要采用离散介质模型进行描述.离散缝网耦合干酪根-无机基岩双重介质模型可以比较精确描述体积改造页岩气藏流体运移规律,该模型对开展页岩气藏数值模拟器研究具有重要的理论意义.     

页岩气纳米孔真实气体传输模型

页岩富含纳米孔,纳米孔气体传输不同于宏观流体流动.基于滑脱流动和克努森扩散两种传输机理,分别以分子之间碰撞频率和分子与壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和克努森扩散的权重系数,耦合这两种机理,建立了理想气体传输模型.同时考虑高压条件下真实气体分子间相互作用力和气体分子自身体积对气体传输的影响,建立了页岩纳米孔真实气体传输模型.模型可靠性通过分子模拟结果验证.结果表明:纳米孔真实气体传输模型能够更合理地描述所有的气体传输机理,包括连续流动、滑脱流动和过渡流动;真实气体效应对气体传输的影响可高达23%,其受压力、温度、纳米孔尺度和气体类型的控制;在室内实验条件下模拟页岩纳米孔气体传输时,用氦气代替甲烷,低估了甲烷的传输能力65.09%;用氮气代替甲烷,高估了甲烷的传输能力106.27%.     

浑水渗流理论及其工程应用

以Darcy定律为基础, 区分泥沙的渗透系数与地层的渗透系数相当或者相差较大、渗透层为均质或者为层状几种情况, 分别推导出浑水渗流时计算渗流量的积分方程和微分方程, 给出了求解这些浑水渗流微分方程的差分格式. 石嘴山市在全国首次开展利用电厂冷却尾水进行深层回灌回采试验, 利用本文方法研究了回灌试验场冷却水浑水回灌时, 地表泥沙的淤积规律, 入渗量随时间的变化规律, 并预测了回灌影响下地下水位随时间的变化规律.     

考虑渗滤效应的水泥浆锋面扩散理论及试验研究

基于渗流连续性方程、Darcy渗流定律、质量守恒方程、线性滤过定律及压力降方程,建立了水泥浆锋面扩散理论模型,分析了渗滤效应下水泥颗粒的运移滤出机制和浆液锋面的扩散规律;应用自主研发的模型试验系统,研究了水泥浆锋面压力的动态变化规律,并与理论值进行了对比分析.结果表明,在渗滤效应作用下,沉积层渗透系数沿浆液扩散距离增大;锋面速度变化率与沉积层渗透系数呈负相关;特定扩散距离处,锋面压力降p'呈先增后减,而锋面压力p及平均单位压力降ΔP'呈先减后增趋势;锋面压力理论值与试验值偏差率仅为.10%~26%,两者吻合度较高.研究结论可指导注浆设计,对实际工程具有一定的应用价值.     

非均质底水油藏水平井沿程水淹模型

地层非均质性和井筒压降是水平井沿程见水不均匀的两个重要影响因素.本文建立了底水油藏地层两相渗流与水平井井筒变质量流的耦合模型,并给出求解方法.保持井筒沿程平均渗透率和变异系数不变,构造不同的渗透率分布,并以此为基础,利用所建模型对井筒沿程产液剖面与渗透率剖面关系、井筒沿程含水率变化规律和水平井井口含水率变化规律进行分析.研究表明,由于井筒压降的作用,沿程渗透率分布对水平井含水率的变化有很大的影响,井筒沿程产液剖面与渗透率剖面相关性沿流体流动方向逐渐变差;在井口定产液量的条件下,高渗带与跟端距离越近,高渗带处产液量越来越大、水平井见水越早、井口含水率上升得越慢、开发效果越差.