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.     

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.     

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.     

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.     

纳米尺度下页岩基质中的页岩气渗流及渗吸特征

基于页岩基质的纳米尺度孔隙特征,分析了页岩气在纳米孔隙中渗流的扩散、滑脱和达西渗流等对页岩气流动流量的影响.压差作用下页岩气流量的特征研究表明:达西流动产生的流量与地层压力、压力梯度和渗透率成正比;扩散引发的流量与压力梯度成正比,与平均压力成反比,与渗透率无关;滑脱引发的流量与压力梯度、渗透率成正比,压力梯度和渗透率一定时,滑脱流量为定值,与地层平均压力无关.低压下,气体的扩散效应和滑脱效应明显,扩散产生的流量所占比例较大,高压下渗流以达西流为主;在整个从低压到高压的地层压力区间,在低压下由于扩散作用,总的页岩气有一定的流量,随着地层压力的增大扩散产生的流量减小,到一定值后随着达西流量的进一步增大,总流量随地层压力的增加而增大,说明页岩气生产中存在一个最低效生产的压力区域.水在页岩薄片上吸水过程近似分为三个阶段:(1)水在页岩薄片表面的快速吸附;(2)水在裂缝中较快速度的渗吸;(3)水沿着微裂缝的缓慢渗吸.为页岩气开发中的压裂水的反排特征研究提供了理论基础.     

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.     

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.     

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.     

空化螺旋桨非定常粘性流场特征分析

基于粘性多相流理论,在均匀入流条件下,利用混合网格和滑动网格数值求解非定常纳维-斯托克斯（N-S）方程和空泡动力学方程来预报螺旋桨尾流场压力、速度和蒸汽体积分数.螺旋桨片空化、毂涡空化、尾流场梢涡空化和压力等的数值计算结果与相关实验一致.预报的尾流场压力信号叶频和轴频等特征与螺旋桨模型及设定参数一致.叶频信号的衰减速度随着进速系数和空化数的减小而增加.梢涡空化对近尾流场压力波动具有重要作用.     

新型三元催化器设计及其压力损失数值分析与试验

在传统三元催化器的基础上,设计了一种新型三元催化器,提高了气流均匀性,降低了系统流阻,提升了系统性能。建立了新型三元催化器数值计算模型,并考察了不同的扩张角、收缩角和来流速度对催化器流动特性的影响。此外,还搭建了三元催化器压力损失测试试验台,验证了数值模拟得出的催化器压力损失随流量的变化趋势与试验测试变化趋势的一致性。试验结果表明,新型三元催化器中的导流板和旁通孔可以减小压力损失,且在设计三元催化器需要考虑压力损失的影响时,FLUENT数值模拟仿真计算可以提供一定的帮助。     

带隔板底水气藏不完善井临界产量及水锥高度计算方法

以往的带隔板底水气藏临界产量计算公式大多只考虑了气井底部刚好位于隔板顶端的情况,忽略了打开程度的影响。本文基于多孔介质中质点渗流规律和气体稳定流动及水锥稳定条件,推导带隔板底水气藏不完善井临界产量公式,并分析打开程度对临界产量的影响;通过分区计算临界产量,得到各区临界产量与总临界产量的关系,进而推导出带隔板底水气藏水锥高度的计算公式。该临界产量公式考虑了打开程度和表皮系数的影响;水锥高度计算公式考虑了气井产量对隔板上下区块水锥高度的影响。实例计算表明,考虑了打开程度和表皮系数的临界产量公式和水锥高度计算公式更符合实际情况,对带隔板底水气藏的合理生产具有一定指导作用。     

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.     

考虑井间干扰的底水气藏临界产量计算方法

对于井间距较小的开发井网,井间干扰会对气井临界产量的计算造成较大影响。在以往单井临界产量计算模型的基础上,根据气水两相渗流理论及叠加原理,分析井间干扰对气井临界产量的影响,推导考虑井间干扰的底水气藏气井水锥高度和临界产量公式,并通过牛顿迭代法计算气井临界产量。实例计算表明,井间干扰对气井临界产量有很大影响,考虑了井间干扰的气井临界产量比不考虑井间干扰的临界产量小26.67%。该研究对于底水气藏的合理开发具有一定的指导意义。     

爆轰波绕射问题的高精度数值模拟研究

高精度数值模拟方法在具有化学反应及强间断的炸药爆轰问题数值模拟中具有重要的应用价值.本文通过求解柱坐标系下二维轴对称反应流欧拉方程组,采用基于Level set界面捕捉方法的欧拉型高精度多介质数值方法,编写了凝聚相炸药非理想爆轰程序,并对TATB基炸药在拐角效应中的死区现象进行了数值模拟研究.通过对比基于压力的点火增长...     

考虑基质收缩影响的煤层气流动模型及应用

基于表面物理化学原理，提出了考虑应变与煤基质收缩耦合影响的孔隙度和渗透率理论模型。在此基础上，建立了双重介质煤层气藏三维、非平衡吸附、拟稳态条件下气水两相流动数学模型。采用全隐式方法和正交极小化方法对模型进行了数值求解，并结合沁水盆地TL003井的生产实际进行了历史拟合。结果显示该井的渗透率随生产时间的推移呈现明显的改善趋势，但由于含水层的持续补给致使15^#煤层迟迟达不到临界解吸压力，产水量却居高不下，因此建议封堵15^#煤层只单独排采3^#煤层。     

微三角形槽道内非均匀定热流加热下的滑移流动换热

针对微三角形槽道, 利用正交函数法求解了滑移流区内带温度跳跃边界条件的能量方程, 理论分析了多种不同非均匀定热流密度加热条件下不可压缩气体在微三角形槽道内热充分发展滑移流动的换热特性, 获得了相应的温度分布及平均Nusselt数的计算式. 讨论了Knudsen数、微槽高宽比及不同加热边界条件对平均Nusselt数的影响. 计算结果表明: 正交函数法适用于微三角形槽道内滑移流动换热特性的分析计算; 在滑移流区, 微三角形槽道内的平均Nusselt数随Kn数的增加而减小, 但减小的幅度随微槽的高宽比和加热边界条件的不同而不同. 对微正三角形槽道而言, 相比单独底边加热条件, 两斜边加热条件下的换热性能在小Kn数时下降较缓, 在大Kn数时下降较大. 最后得到了非均匀加热边界条件下微正三角形槽道内平均Nusselt数的计算关联式.     

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.     

页岩气藏数值模拟方法评价及选择

复杂的裂缝网络给页岩气藏数值模拟研究带来巨大挑战.本文利用离散裂缝模型(DFM),分别建立微尺度模型和矿场尺度模型,研究了不同基质渗透率和裂缝开度对应条件下,不同类型裂缝对页岩气总产量的贡献率.研究结果表明:在量级约为(10–8~10–4)×10–3μm2的页岩气藏基质渗透率范围内,且存在SRV改造区的条件下,页岩气产量以SRV内人工裂缝的贡献为主,SRV内以及SRV外天然裂缝的贡献量相对较小.因此,综合考虑计算复杂度和计算精度,可通过构建基质-天然裂缝表观渗透率和连续介质模型的方法表征天然裂缝,采用离散介质模型中计算网格少、效率高的离散裂缝网络(DFN)模型表征人工裂缝.