页岩气储层水平井与压裂工程基础问题探讨

水平井钻井和压裂改造是页岩气高效开发的关键技术,我国页岩气储层水平井与压裂工程面临诸多工程与地质挑战:(1)钻头适应性差,破岩效率低,"一趟钻"难突破;(2)层理裂隙发育,井眼垮塌和井漏问题突出,坍塌周期明显;(3)压裂缝网形成机制仍需深入认识,复杂裂缝系统的压裂设计理论有待完善.指出页岩气储层岩石破碎机理与高效破岩、长水平段井壁失稳机理与控制、复杂缝网形成机制与调控等是亟需解决的关键基础问题.探索工作流体(钻井、完井、压裂流体)与页岩之间的多重耦合作用机理,建立流体-固体、力学-化学耦合的理论模型将是未来研究的重点和难点,具体包括:(1)考虑页岩自发渗吸、水膜润滑裂缝面、岩石脆性等条件下的页岩破碎机理;(2)考虑水岩反应、力学-化学耦合作用的页岩长水平段井壁失稳机理;(3)压裂液作用下的流体压力分配与多裂缝竞争开裂机制.针对关键基础问题综述了研究进展和发展趋势,对促进我国页岩气储层水平井与压裂工程的科学发展有一定借鉴作用.     

页岩微裂缝内气-水两相流动规律

气-水两相流动广泛存在于页岩气藏压裂液返排及页岩气生产阶段,直接决定页岩气藏压裂及开发效果.页岩微裂缝是储层流体运移的主要通道.然而由于物理实验尺度及精度的限制,准确模拟页岩微裂缝中的气-水两相流动存在巨大挑战.为探究页岩微裂缝中气-水两相流动规律,本文系统考虑了气-水两相流体多重微尺度效应,包括:(1)气相滑移;(2)水相滑移及边界层黏度变化;(3)气驱水条件下,存在沿壁面流动的水膜.建立气-水两相流体微尺度流动模型,采用侵入逾渗判断两相分布,求解真实页岩微裂缝内气-水相对渗透率,并验证模型的正确性.研究结果表明,微裂缝开度小于3μm时,微尺度效应影响不可忽略;微裂缝开度及水膜对气-水相对渗透率的影响均取决于各相流体所占流动空间的相对大小;气藏开采过程中压力降低,导致气相表观渗透率升高及微裂缝开度减小,均会造成气相相对渗透率减小;水膜的存在对气相流动能力造成影响的微裂缝开度界限为0.65μm.该研究揭示了页岩微裂缝内气-水两相流动规律,为评价页岩气井压裂及生产效果提供了理论基础.     

页岩气组分模型产能预测及压裂优化

我国页岩、致密油气等非常规油气的储量极大,非常规油气的开发对保障国家能源安全有重要的意义.准确模拟预测非常规油气的流动行为是经济高效开采的关键.不同于常规油气,页岩气在地层中存在滑脱效应以及吸附现象,为准确描述此类机理和现象,本文在以非结构PEBI网格为主的混合网格的基础上建立了组分数值模型,并对气体组分比例、吸附作用以及滑脱效应对产能的影响进行了分析.同时,对国内某页岩气藏水平井的压裂进行了优化.结果表明,页岩气产量随裂缝数量的增多以及裂缝半长的增长而增加,但当裂缝数量达到一定数量,裂缝半长达到一定长度时,产量的增加不再明显.因此,为使页岩气的经济效益达到最大化,应合理布置裂缝数量及裂缝半长.     

页岩气开发机理和关键问题

页岩气是重要的非常规天然气资源,从长远的能源发展角度来看,开发页岩气是保障我国天然气供给、优化能源结构、促进能源清洁发展的重要战略.虽然美国页岩气开发已有20余年的历史,超低渗页岩储层的开发机理仍有诸多不清楚之处,问题的核心是发展更完善页岩储层流动模型.受机理研究制约,目前页岩储层的实验测试、油藏模拟等技术仍需要进一步研究和突破.中国处于页岩气开发的起步阶段,开发机理研究对页岩气开发关键技术有重要指导意义,是发展这些技术的理论基础和科学依据;同时,页岩气开发的环境影响也不容忽视,是贯穿开发过程始终的关键问题.本文重点分析页岩气开采中纳米孔隙微观流动、流固耦合、裂缝描述等机理问题及其研究进展,介绍页岩储层实验测试、油藏模拟和开发环境风险等关键问题,讨论未来的研究方向和热点.     

页岩气储层改造的体破裂理论与技术构想

中国页岩气可采储量居世界第一位,但是中国页岩气开发面临气藏赋存条件复杂、地质构造运动剧烈、储层渗透性极低、气藏富集区水资源匮乏等一系列难题,迫切需要创新页岩储层改造的理论和方法,探索适合中国页岩气高效开发的非常规理论与技术.本文简要分析了目前储层压裂改造的主要方法、原理及面临的难题和挑战,提出了储层改造的体破裂理论及技术构想.定义体破裂是三维岩体在载荷作用下,内部孔隙、层理裂隙及人工裂隙互相作用、充分发展和贯穿、并形成新的三维裂隙网络系统这一完整力学过程,是岩体大尺度、多裂隙、高强度的破坏和能量释放的过程.指出页岩三维断裂形态和扩展机理、人工裂隙与结构裂隙相互作用、缝网形态和演化、实现高度体破裂的载荷类型、方式与介质以及真实三维断裂过程的可视化与计算模拟新技术等构建了体破裂力学理论的研究框架.基于早期实验室以及现场实验的探索,提出和分析了实现体破裂的新技术及有待研究的关键科学问题和技术难点.     

低渗透非均质砂砾岩的三维重构与水压致裂模拟

运用?CT成像、X射线衍射等方法,构建了考虑砂砾矿物成分与分布特征的非均质砂砾岩的三维重构模型,采用基于连续介质的离散元程序(CDEM)模拟分析了不同水平地应力下砂砾岩水力压裂裂缝的起裂与扩展行为.通过与均质砂岩计算结果的对比,阐述了水平应力比变化和砾石颗粒对砂砾岩压裂裂缝起裂、扩展和空间展布的影响.同时,完成了非均质砂砾岩和均质砂岩物理模型的水力压裂试验,并与数值模拟结果进行了对比.研究表明,砂砾岩的非均质性显著影响压裂裂缝的起裂和扩展行为.相同应力条件下砂砾岩压裂裂缝的起裂压力小于均质砂岩起裂压力,随水平应力比增大两者起裂压力的差异逐渐减小,非均质性强的砂砾岩的起裂压力受水平应力比变化的影响较小.无论非均质砂砾岩或均质砂岩,水平应力比变化均影响压裂裂缝的空间展布和形态.     

页岩气开发中的几个关键现代力学问题

伴随着现代信息技术的发展,现代力学的研究进入了一个新的阶段.本文将钱学森先生介绍的现代力学概念赋予了新的内涵,概括了现代力学的研究主体、研究方法和主要研究方向.从拉格朗日方程出发,按照表征元的物理变量和积分区域的几何表述,对计算力学的基本方法进行了分类,提出了通过实验和数值模拟共同获得介质的力学参数、研究介质力学特性和行为的思路和方法,在此基础上建立了表征元(计算单元)的积分——微分方程,体现了现代力学基本理论框架的特点.表征元的材料特性、力学行为以及由表征元构成的宏观介质全场运动规律均是现代力学的重要研究内容.现有材料实验目的是获得抽象为连续介质的材料应力应变关系和材料强度,而现代力学可以突破这个限制,通过多变量测量并结合数值模拟获得材料的特征和演化规律.在现代力学中全场解可以由数值计算获得,并由监测结果校核.通过与丰富的监测结果比较,数值模拟不可信的问题会逐步化解.页岩气开发的关键问题是研究地下页岩在各种条件下的破裂演化规律.页岩气开发新方案的技术路线应该是现代力学先行,以避免盲目在工程尺度上进行方案论证;借助现代力学可以打破水力压裂技术的局限性,探索新的技术方案.主要理论研究包括以下几个方面:(1)在认识表征元破裂度、渗透性演化的基础上,寻求关联性的理论表述方法;(2)研究体破裂度的渗流场、破裂场以及颗粒的相互作用规律;(3)时空全尺度模拟需要从理论上研究新的力学模型,其中包括借用岩体表征元破裂度和灾变破裂度的概念,实现破裂场与材料渗透性关联;(4)由流量、井口压力曲线计算出的岩体破裂参量可以被页岩气的产量校核,从而为提出新的工程方案、指导工程施工提供可参考的技术指标.     

页岩气渗流数学模型

针对页岩气藏流体运移机理复杂、传统模型难以准确描述的难题,本文综合考虑页岩气在孔隙中的黏性流动、Knudsen扩散以及吸附气的表面扩散和因岩石变形引起的滑移分别建立自由气和吸附气扩散方程,建立页岩气在基质与裂缝中的渗流数学模型,并采用非线性非平衡Langmuir吸附理论分析页岩气渗流过程中的解吸附机理.通过数值模拟方法研究了不同流动机制对页岩气产量的影响,结果表明,吸附气的表面扩散与滑移对页岩气产量的影响均在0.1%以下,可以忽略;黏性流动与Knudsen扩散主导页岩气的渗流;非平衡吸附速率对页岩气产量影响较大,吸附速率越大,产量越大.本文建立的模型能较好地揭示页岩气的复杂渗流机理,并为页岩气藏的开发提供了科学基础.     

关于中国页岩气持续开发工程科学研究的一点认识

正北美发生的一场页岩气革命,使商业化、大规模生产页岩气成为现实.近年来,我国页岩气开发也有了成功的实例,引起了我国政府、工业界、科学界和工程界的广泛兴趣.页岩气的成功开发基于两个技术:水平井技术和水力压裂技术.对油气界来说,水平井技术并不新,例如,在海洋油气开发中经常被使用.但页岩气开发所     

页岩压裂中压裂液返排率低的孔隙尺度模拟与解释

针对页岩压裂过程中,压裂液返排效率普遍很低的现象,基于高分辨率页岩岩样SEM(scanning electron microscope)电子显微镜扫描图像,利用马尔科夫链蒙特卡罗(Markov Chain Monte Carlo)方法重构得到页岩的三维数字岩心,采用具有高密度比的格子Boltzmann模型,从孔隙尺度来模拟页岩中气水两相驱替过程.首先通过计算表面张力和相对渗透率来验证模型的准确性,然后模拟页岩数字岩心中的油水两相流动,页岩中首先饱和水(气)相,然后从一端注入气(水)相,模拟终止条件为驱替相在出口端发生突破,气水运动黏度比和密度比分别设置为10:1和1:1000.水驱气过程中发生突破时,水相的饱和度为70%,而气驱水过程中发生突破时,气相的饱和度只有4.5%,给出了三维数字岩心中驱替相分布,在气驱水的过程中发生突破时,大部分水被滞留在页岩孔隙中,从而解释了页岩水力压裂中,压裂液返排效率低于10%的现象.     

人类活动对深地微生物的影响

在深地环境中生活着数量庞大且种类众多的微生物,主要是细菌和古菌,并包括真菌和病毒.水-岩相互作用产生的氢气和甲烷是这些微生物主要的能量来源.人类活动改变了深地环境及其微生物群落组成和功能.页岩气是存在于深地页岩中的天然气,开采页岩气所使用的水力压裂技术会对深地微生物产生显著影响,在水力压裂开发的不同阶段,微生物群落结构存在显著差异,产甲烷菌能够提高页岩气产量,而产酸细菌则会造成储层酸化和设备锈蚀,降低页岩气的采收率.核废料是指含有高于安全剂量放射性同位素或被其污染的物质,核废料的安全处置是决定核工业能否持续发展的关键因素.地质处置是目前公认的、唯一可行的长期安全处置半衰期长、高放射性核废料的方式,但是,硫酸盐还原菌的活性会导致储存室的锈蚀,微生物产生的气体也会影响地下空间的气压,这些微生物作用都可能对处置安全产生负面影响.CO_2深地封存可以控制其向大气排放,缓解全球暖化,但深地封存的超临界态CO_2能够引起地下水酸化,加速岩石和矿物的溶解,从而改变深地的化学环境和微生物群落,并对CO_2的长期有效封存产生影响.目前有关人类活动对深地微生物的科学研究均侧重于其短期影响,今后的研究应重点关注其长期影响.     

机器学习与计算力学的结合及应用初探

自20世纪50年代以来,随着计算机科学的不断进步,机器学习和数据科学得到了长足发展.这些技术一般依靠大量数据作支撑,通过训练过程提取出蕴藏在数据内部的抽象映射关系,目前已被成功应用于化学、生物等自然科学研究领域.近年来,这些技术也逐渐受到计算力学领域研究者的关注.本文结合作者的相关研究成果介绍了机器学习、数据科学与计算力学相结合的3种形式:第一种是与有限元方程求解方面的结合,直接应用卷积神经网络算法求解线性有限元方程;第二种方式结合有限元计算和机器学习预测复杂材料结构与力学性能的关系.本文作者应用该方法基于细观页岩扫描照片和随机建模算法,成功训练出可以有效预测细观页岩样本等效模量的卷积神经网络;第三种方式是建立基于数据驱动的计算力学方法,比如直接利用真实的材料实验数据代替材料本构模型.这些工作显示了机器学习、数据驱动在处理材料的力学实验数据、设计新型材料以及创建更高效的计算力学模型方面的广阔前景.随着计算力学的发展,未来将可能出现更多将数据科学、机器学习与计算力学相结合的应用场景,进一步开发出更加强健、高效和保真的计算力学方法.     

页岩气超临界吸附机理及模型

页岩气吸附机理和模型的研究对于页岩气地质储量计算和开发方案编制等具有重要意义.结合低温氮气吸附实验和高压甲烷等温吸附实验,对龙马溪组页岩的微观孔隙结构和超临界吸附特征进行了分析.结果表明,孔隙体积和比表面积主要受中孔(2~200 nm)控制;在压力较大时(10 MPa),页岩过剩吸附量随着压力增大而降低.4种常用吸附模型的对比分析表明:对于微孔充填方式,D-A模型的拟合效果要优于D-R模型;对于单层吸附方式,L-F模型的拟合效果要优于Langmuir模型.结合孔隙体积分析结果,通过两种假设,证明了甲烷不是以单一的微孔充填或者单分子层吸附方式在页岩中进行吸附的,推测其吸附机理为微孔充填和单分子层吸附并存.并基于该吸附机理,建立了页岩气超临界吸附新模型——DA-LF模型.新模型比4种常用模型具有更好的拟合效果,并可以分别计算出微孔和中孔的吸附量.计算表明微孔充填吸附量比单层吸附量大,占总吸附量的76%左右.这表明页岩气超临界吸附机理可以进一步深化为:微孔充填为主、单分子层吸附并存.     

考虑微裂缝的数字岩心多点统计学构建方法

页岩的微观孔隙结构决定了其宏观性质和流动规律,其微观孔隙结构呈现出典型多尺度特点,孔隙尺寸从纳米到微米不等,同时还伴有天然发育的微裂缝.物理实验方法受限于分辨率和样品尺寸之间的矛盾,无法获取能够同时含有微纳米孔隙信息和微裂缝特点的表征单元体,因此数值重建算法显得尤为重要.传统的重建算法只能构建单一孔隙类型的数字岩心,针对页岩多尺度特点,本文提出了一种基于模式的多点统计学方法,结合训练图像和数据模板捕获模式库和条件概率函数,利用模式法的插值方式对待模拟空间进行构建.通过自相关函数、孔隙形态拓扑结构及渗透率方面,对本文提出的数值重建算法进行评价.在不同类型模拟算例中,本文算法呈现较好的可靠性.与传统重建算法相比,本文算法能够构建页岩多相多尺度数字岩心.     

现代油气渗流力学体系及其发展趋势

油气渗流是油气藏开采的科学核心问题,以连续介质假设和达西方程为基础的传统渗流力学在常规油气资源开发中发挥了重要作用.近年来,非常规油气藏成为油气行业勘探开发的主要阵地,其开发理论和技术尤其是渗流问题也成为学术界研究的热点问题.非常规油气藏其岩石多孔介质具有明显的多尺度特征,尺度差异达到6个数量级之多,而且采用大规模的水平井分段压裂开发模式,储层应力强烈作用.因此,传统的油气渗流理论已无法准确描述非常规油气藏的流动特征.实质上,非常规油气资源的开发过程是一个典型的多场作用下的多流动模式的多相流体(油气水)在多尺度多孔介质的流动过程.为此,本文提出了"多场作用下的多流动模式的多相流体在多尺度多孔介质中流动动力学体系"的现代渗流力学体系的概念,并从纳微尺度油气流动模拟、流动模拟的多尺度升级、非常规油气藏的宏观流动模拟、大尺度缝洞碳酸盐岩油藏的流动模拟以及油气渗流物理模拟等方面系统阐述了其研究现状及发展趋势.     

基于多尺度混合有限元的离散裂缝两相渗流数值模拟

裂缝性介质通常具有多尺度特征,离散裂缝模型虽具有计算精度高、拟真性好的优点,但传统数值方法在解决此类多尺度流动问题时,难以突破计算量大的瓶颈,不利于实际应用.对此,本文将离散裂缝模型和多尺度混合有限元相结合,仅需进行宏观大尺度计算,通过多尺度基函数来刻画小尺度裂缝精细流动特征,在保证计算精度的同时降低了计算量.在小尺度上,采用模拟有限差分法构建离散裂缝模型的多尺度基函数,该方法不仅具有良好的局部守恒性,而且适用于任何复杂离散裂缝网格.文章详细阐述了离散裂缝模型多尺度混合有限元两相流动数值计算格式的建立,重点介绍了如何使用模拟有限差分法构建离散裂缝模型的多尺度基函数,并采用超样本技术进一步提高计算准确性.数值结果表明,本文计算方法不仅能够准确捕捉离散裂缝性介质中的精细流动特征,而且具有很高的计算效率.     

复杂裂缝内支撑剂输送的关键参数及算法

复杂裂缝内的支撑剂输送是压裂现场急需改善的关键问题之一,通过提高支撑剂在分支缝内的充填效率,能够显著提高油气增产效果.目前,复杂裂缝内的支撑剂输送研究还处于室内实验探索阶段,鲜有成熟的理论研究报道.本文总结了国内外最新研究进展,提出压裂液分流量和支撑剂转向条件是复杂裂缝携砂的两个关键参数,并将复杂裂缝系统抽象成单元化物理模型,分别开展了分流量和转向条件研究.借鉴限流压裂中压裂液分流量的计算方法和建模思路,分别建立了复杂裂缝单元模型中的压裂液分流量算法和改进算法,采用Fluent进行了分流量模拟和对比验证,结果表明,改进的算法与Fluent模拟结果相对误差为-2.76%,计算结果较准确.提出由砂堤表层支撑剂起动的临界流速表征支撑剂向分支缝转向输送的临界条件,并给出了临界转向条件的算法,将算法的计算结果与Colorado School of Mines的实验结果进行对比分析,平均误差为8.18%,表明该算法能够较好地预测支撑剂转向临界流速.综合压裂液分流量和支撑剂转向条件算法,在Katherine Thomas Technology Center的实验条件下,预测了不同粒径支撑剂在分支缝内的输送情况,结果与实验结论一致,从而为改善复杂裂缝内的支撑剂输送提供了理论和方法依据.     

磁性液体数值模拟研究进展

磁性液体(magneticfluid)是一种力学性能受磁场调控的磁流变智能材料,在医学与工业生产中有广泛应用.近年来,随着计算机性能的发展,数值模拟日益成为研究磁性液体力学行为细观机理的重要方法.本文综述并评价了磁性液体理论与数值模拟领域的最新研究进展,介绍了磁性液体在剪切、挤压和阀模式3种工作模式下的力学模型,对磁性液体的现有模拟方法进行了总结,讨论了磁性液体数值模拟的研究现状,并展望了数值模拟的发展前景.磁性液体的数值模拟亟待开展以下三方面研究:(1)建立涵盖多种微观相互作用的精细理论模型,研究颗粒表面包覆、添加剂等非磁性成分对磁流变效应的影响;(2)将不同数值模拟方法相结合,建立磁性液体的多尺度模型,进一步提高模拟精度,利用机器学习协调不同尺度的数值模拟,压缩计算量,已成为一种可行思路;(3)将力学模型与电、磁学模型相结合,发展多尺度、多物理场耦合的数值模拟方法,模拟磁性液体其他物理性能.最终为高性能磁性液体的研制及其应用研究提供技术和理论支撑.     

膨胀性非饱和土中固-液相间的毛细与物理-化学作用的模型

膨胀性非饱和土中液相与固相基质间的相互作用,依据其形成机理不同,可分为毛细和物理-化学作用.然而,目前建立的非饱和土本构模型多是基于毛细机理提出的,忽略了后者对土体力学和水力行为的贡献.对于膨胀性非饱和土而言,固-液相间的物理-化学作用显著,并且致使土体具有复杂的行为特征.为了能够对膨胀性非饱和土的力学和水力行为进行全面、合理地解释和描述,本文建立了1个适用于膨胀性非饱和土的二元介质模型.首先,文中将膨胀性非饱和土抽象为由2个理想部分即理想毛细部分和理想黏吸部分组成,并且针对两者分别建立了理想模型.其次,利用参与函数反映土中2种理想部分所占的比重,以此描述实际情况下土体的力学和水力行为的特征.最后,利用该模型对膨胀性非饱和土在压缩和控制吸力情况下的力学和水力行为进行预测.通过模型预测结果和已有的试验数据的对比可知:该模型能够较好地描述膨胀性非饱和土的行为.     

核磁共振冷冻测孔法及其在页岩纳米孔隙表征的应用

页岩气已成为如今最具开采前景与价值的非常规天然气,而以纳米级孔隙为主体的页岩孔隙结构极大程度地决定着其成藏机理与运移机制,因此,能否准确地表征页岩孔隙结构是影响页岩气资源评价合理与否的关键因素.目前,扫描电子显微镜、压汞法、氮气吸附法、CT法等已被大量用于页岩的孔隙特征研究,然而由于页岩孔隙结构复杂、非均质性强等特点,不同方法在表征时往往受到适用范围和测试精度等方面的限制.针对新兴的核磁共振冷冻测孔法,利用标准孔隙样品对该基于核磁共振原理的变温测孔技术进行了方法验证,并将其用于页岩的孔隙度及孔径分布研究,同时探讨了块状、磨碎两种样品形态对测试结果的影响.测试结果表明该方法获取的孔隙度、孔径分布数据与压汞法、氮气吸附法在同一表征条件下吻合较好,且样品磨碎后相较块状样品能一定程度地获取封闭的不连通孔隙信息.该方法扰动小、直观、快速,能够很好地获取2~1000 nm范围的孔隙结构信息,可对其他测试手段进行补充和验证,为页岩等低渗介质复杂孔隙结构表征研究提供了新方法.研究除对技术特点与适用条件进行分析外,也针对技术改进、应用拓展等方面提出了展望.