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。     

中美页岩气开采压裂返排液处置政策分析及启示

页岩气压裂返排液因含化学添加剂、受地层水和岩屑影响而具有成分复杂、处理难的特点。通过比较中、美两国页岩气开发水环境保护和压裂返排液管理的相关政策及法律法规,认为中国在页岩气开发环境监管方面存在以下不足：页岩气开发环境监管统一协调机构尚未形成;页岩气开发相关环保法规和标准规范尚不完善;与页岩气开发水环境保护相关的基础科学研究薄弱。鉴于此,建议中国健全页岩气开采相关法规和标准体系,开展全过程的环境监管;加强基础科学研究,完善技术和管理体系。     

川南深层各向异性页岩井壁失稳力学机理

川南页岩埋藏深、岩性复杂、质地硬脆、层理发育、地应力复杂,水平井钻井井壁失稳事故时常发生,严重阻碍了深层页岩气高效开发进程。为此,以川南深层龙马溪页岩为对象,实验测定了页岩各向异性弹性和强度参数,通过成像测井分析了层理产状,通过室内实验和测井资料确定了地应力大小和方位,建立了各向异性页岩井壁坍塌压力模型,分析了不同地层条件的坍塌压力,并以川南深层页岩气井为例进行了验证。结果表明,页岩基质黏聚力和内摩擦角为13.00 MPa、39.50°,层理黏聚力和内摩擦角为11.10 MPa、28.50°,层理倾角5°～15°、倾向NE110°～NE120°;水平最大主应力114.69～117.23 MPa、水平最小主应力93.79～94.57 MPa、垂向地应力108.42～112.81 MPa;综合考虑弹性和强度各向异性计算的坍塌压力最高,强度各向异性的影响明显大于弹性各向异性;沿水平最大主应力钻进的水平井稳定性最好,其次为直井和小角度定向井,沿水平最小主应力方向钻进水平井时稳定性最差; L20X井实钻情况与预测结果基本一致,证实了模型的准确性。     

页岩油压裂水平井变导流能力试井模型研究

致密油气、页岩油气等非常规油气资源由于其储层渗透率低,在开采过程中往往采用水平井多级压裂技术来提高单井产量,实现经济开采。基于渗流力学,建立了考虑应力敏感、变裂缝导流能力的裂缝性油气藏多段压裂水平井试井数学模型,通过Laplace和Fourier变换等方法求得模型在Laplace空间下的无因次井底压力解;用Stehfest数值反演计算了实空间无因次井底压力。研究表明,当所有无因次裂缝导流能力之和不变时,如果井筒两端裂缝导流能力高于中部裂缝导流能力,早期阶段生产压差小,压力曲线低;当无因次裂缝导流能力沿裂缝方向减小时,无因次裂缝导流能力变化梯度越大,生产压差越大,早期阶段无因次压力曲线越高;应力敏感系数越大,无因次压力及压力导数曲线上翘幅度越大;裂缝储容比越小,窜流段压力导数曲线“凹子”越深;窜流系数越大,窜流发生越早。     

鄂尔多斯盆地长7段页岩油优质储层特征分析

以YJ1井为研究对象, 采用扫描电子显微镜和高压压汞技术, 对鄂尔多斯盆地长7段页岩油储集空间进行定性和定量表征; 通过核磁共振技术研究储层可动流体, 详细地探讨影响储层质量差异的主控因素。结果表明, 鄂尔多斯盆地长7段页岩油优质储层的岩性主要为细粒?极细粒岩屑砂岩, 沉积微相主要为砂质碎屑流沉积; 储集空间包括原生粒间孔隙和次生溶蚀孔隙, 粒间孔占比多于溶蚀孔。根据孔隙结构特征, 将储层划分为3类, 其中Ⅰ类储层为研究区内最优质储层。研究区储层流体的可动性主要受孔隙结构的影响, 可动流体主要分布在大孔隙内, 有效的孔隙体积是流体可动性的制约因素。研究区内砂质碎屑流成因的砂体是形成优质储层的必要条件, 岩石中骨架颗粒与胶结物的比例是导致储层物性变化的原因, 当骨架颗粒增加而胶结物含量降低时, 易形成优质储层。     

考虑层理、加载速率与尺寸效应的页岩裂纹扩展机理试验研究

分析裂纹扩展演化机理是认识井壁坍塌失稳的关键,尤其是层理和脆性特征显著的页岩地层,伴有节理与微裂隙发育,研究其裂纹扩展演化机制对于确定钻井导向、钻速及井眼尺寸更显重要。为此利用材料试验机开展了考虑层理倾角、加载速率与试件尺寸的页岩裂纹扩展演化试验研究。结果表明页岩层理平行于载荷时,裂纹沿层理呈张性破坏。层理倾角由0°~30°时,裂纹扩展形态由张性破坏向剪切破坏转变;当层理与轴向应力呈30°倾角时,剪切破坏最为明显,裂纹的平均扩展速率最大,且抗压强度最小;层理倾角由30°~90°时,裂纹由剪切破坏;逐渐转向张性破坏,当层理与轴向载荷垂直时,试件裂纹切割层理片层发生张性破坏。随加载率的增加,页岩峰值应力增大,裂纹长度逐渐减小,但加载速率越小,破坏后的页岩越为碎裂;在侧向尺寸不变的条件下,试件高度越大,越呈现张性破坏,主裂纹越长,且破碎后的页岩越呈现片状。     

湘鄂西地区五峰-龙马溪组泥页岩黄铁矿粒径特征

湘鄂西地区位于中扬子板块,该地区五峰-龙马溪组富有机质页岩有机质类型以Ⅱ1型为主,Ⅱ2型次之,具有高TOC含量(0.55%~4.28%)、高成熟度(2.4%~3.2%)的特征;且富有机质页岩中黄铁矿普遍发育。通过岩心样品及扫描电镜观察发现,龙马溪组黑色页岩常发育自形-半自形黄铁矿,扫描电镜下常见草莓状黄铁矿;五峰组黑色页岩岩心观察无明显晶形,扫描电镜下常现呈微晶黄铁矿颗粒,以细小颗粒状分布在有机质中。草莓状黄铁矿通常由微晶颗粒聚集而来,其草莓状直径大小由硫复铁矿的形成和沉积水动力控制。根据草莓状黄铁矿直径D与深度关系分析出湘鄂西地区黑色页岩的沉积环境表现为五峰组闭塞环境、龙马溪组闭塞环境、龙马溪组贫氧-缺氧环境三种。由草莓状黄铁矿直径D与微晶黄铁矿直径d建立D/d的关系表明:从沉积期到成岩期,五峰组闭塞环境的还原性比龙马溪组闭塞环境的还原性强;且五峰组闭塞环境的沉积水动力要比龙马溪组闭塞环境的沉积水动力要弱,水体更稳定。此外,D与d之间的关系能侧面反映该地区五峰-龙马溪组富有机质页岩孔隙度的变化趋势。D/d值与页岩解吸气量也有良好的对应关系,龙马溪组D/d值越大,解吸气量越少。五峰组D/d值较龙马溪组普遍偏小,解吸气量远大于龙马溪组。上述结果表明水体还原环境的强弱是湘鄂西烃源岩有机质形成和保存的重要因素,从而影响页岩气的富集。     

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。     

基于孔隙度-饱和度参数分析页岩油富集程度

沾化凹陷沙三下亚段为主力烃源岩,也是页岩油勘探评价的主要目标层系,如何筛选页岩油富集和可动层段是目前研究中面临的主要难题。采用氦气法和常压干馏法测定了沾化凹陷罗69井密闭取心的岩石样品,对实验数据的分析表明,沙三下亚段页岩储层含水饱和度随孔隙度增大而减小,当大于某一特定孔隙度界限时,含水饱和度值趋于稳定。提出了页岩储层孔隙度越大、含油饱和度不变或者更高,则可动烃类含量越高的观点,通过对已获油流层段测井响应的分析,提出利用孔隙度、含油饱和度等多参数对页岩油可动性表征的思路,并依据沾化凹陷页岩测井响应特征及参数分布范围对储层富集程度进行了分级评价,其中I类最好,可作为页岩油勘探的主要参考目标。     

页岩储层渗吸特性的实验研究

页岩含有大量黏土矿物,遇水会导致页岩中黏土矿物水化、膨胀,为研究页岩吸水特性及探究页岩气井返排率的影响因素。开展了页岩动态渗吸及静态渗吸实验;并对实验结果进行了详细的分析。研究表明:页岩水化作用主要发生在页岩与水或水基溶液接触的表层附近,液体侵入深度十分有限;不同的液体介质下页岩的吸水能力各不相同;页岩吸水量由表面水化吸水量、渗透水化吸水量和毛管吸水量组成,而且水化吸水量基本无法排出,在一定程度上降低了页岩气井压裂液的返排率;相同的成藏条件下页岩的渗透水化吸水量及表面水化吸水量相同;页岩水化能力及压裂效果是影响返排率的主控因素。