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.     

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.     

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.     

地层水促进原油裂解成气的模拟实验证据

原油裂解成气是决定深部油气资源勘探潜力和策略的关键,查明影响原油裂解成气下限、潜力大小及可能影响因素将为深层油气勘探提供科学依据.本文通过对比原油、原油加水及各种水介质的恒温(350℃)热解模拟实验,发现水在原油裂解成气过程中起着巨大的作用:①有水参与的情况下,天然气产量有明显的增加,这其中包括烷烃气和非烃类气体:烷烃气产量增加幅度为1.8～3倍;H2,CO2产量也有明显增加.表明水参与了原油裂解生气过程,为其提供了氢.因此,水的存在将大幅提高原油裂解气的潜力;②地层水中Mg2+对原油+水的反应有一定促进作用,使烷烃气总量、H2与CO2产量均有所增加;更为有意思的是,i-C4/n-C4与i-C5/n-C5比值具有明显的增加.说明地层水中Mg2+起到催化作用,在原油+水的反应中增加了歧化反应进程.本项研究对认识影响原油裂解气的因素、评价沉积盆地中的油气资源具有重要意义.     

混凝土裂缝产生原因及控制方法探析

随着基础建设的迅猛发展,混凝土建筑鳞次栉比.但是,在混凝土使用过程中,往往会出现裂缝而影响工程质量.混凝土表面的裂缝是混凝土结构中普遍存在的现象.若我们采取一定的设计和施工技巧,有很多裂缝是可以避免的.为了进一步加强对混凝土结构裂缝的认识,尽量避免工程中出现危害较大的裂缝,尽可能对混凝土裂缝的种类和产生的原因作较全面的、科学的分析,达到防范于未然的目的.     

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.     

塔里木盆地轮南地区奥陶系碳酸盐岩油气富集特点

轮南凸起经历了晚加里东期、海西期的强烈隆升剥蚀及印支期以来的叠加改造过程．轮南凸起及其周围地区长期处在油气运移的指向上，经历了3个一级波动周期的油气成藏旋回：第一成藏旋回以破坏为特点，第二成藏旋回以改造为特点，第三成藏旋回以富集为特点。轮南地区溶洞系统有3个发育段，缝洞系统发育程度及其连通性是风化壳型油气富集的重要因素，密集发育的裂缝及小断层沟通溶洞就形成油气富集区；而孤立的溶洞由于没有油气来源，钻到溶洞发育区也是出水。在断垒带顶部泄漏区含水；紧邻的斜坡高部位盖层条件欠佳为高渗漏区，是稠油分布区；斜坡低部位以及平台区，晚期油气的充注形成轻质油和凝析油分布区；中、上奥陶统的残存区是寻找早期形成的碳酸盐岩原生油气藏的有利地区．围绕轮南低凸起沿斜坡往下向着凹陷的方向是碳酸盐岩有利油气富集区．准确预测碳酸盐岩缝洞分布区是本区发现油气的前提，而准确识别裂缝及小断裂的分布更是提高勘探成功率的关键．     

页岩水力压裂的关键力学问题

页岩气的开采成为我国绿色能源开发的新领域.尽管北美页岩气革命取得了成功,水力压裂是成功的开采方式,目前采收率仅为5%~15%,问题出在哪里呢?由此给力学家提出了巨大的挑战和机遇.本文针对页岩水力压裂的关键力学问题,阐述理论、计算和实验的研究进展和技术难点,主要内容有:页岩人工裂缝扩展的大型物理实验模拟平台;考虑时间相关性的各向异性本构模型;页岩起裂、分叉及多裂缝相互作用的断裂力学准则和模拟方法;裂缝簇稳定性扩展的力学条件和创造缝网的多尺度有限元模型;耦合断裂力学和流场压力的裂缝网扩展数值模拟方法.     

森林与降水关系的初步研究

本文依据兴隆山、小陇山林业局北秦岭部分两林区和在同一气候带内非林区年平均降水量的气象观测资料,以及两林区的森林资源等,就森林与降水的关系进行了初步研究.结果表明,在我国北方地区,具有一定数量和质量的森林能够增加降水.而且森林作用的年降水净增量在温带半干旱区可能在23.02%～30.84%,温带半湿润区可能在9.88～24.52%.     

二甲醚发动机超细颗粒排放属性实验研究

采用两级稀释取样装置和颗粒粒径分析仪——SMPS, 研究了不同转速和负荷下二甲醚发动机排放超细颗粒的数浓度和粒径分布特征, 并与原柴油机的颗粒排放进行了比较, 发现燃料组分显著影响排气颗粒的数浓度、质量浓度和粒径分布. 二甲醚发动机颗粒质量排放与柴油机相比有显著改善, 柴油机颗粒质量排放高出二甲醚发动机5.7~17.7倍; 高转速下(n = 2200 r/min), 二甲醚发动机颗粒数量排放与柴油机相比有一定程度的改善, 柴油机颗粒数量排放高出二甲醚发动机0.75~2.2倍; 而中间转速下(n = 1400 r/min), 中、高负荷时柴油机颗粒数量排放与二甲醚发动机相比反而下降50%~80%左右. 与二甲醚发动机相比较, 柴油机排放积聚模态数浓度增加 4.2~62.6倍, 积聚模态几何平均粒径增大10~30 nm左右, 这与二甲醚分子结构中不含C—C键以及燃料含氧有关; 二甲醚发动机排放大量核模态粒子, 这与二甲醚发动机排气中的挥发和半挥发性组分的成核和凝结作用有关.     

某地下工程自防水泵送混凝土应用研究

针对地下工程泵送混凝土施工时易产生裂缝、渗水现象,采用粉煤灰、膨胀剂、缓凝高效减水荆"三掺"技术,优化配合比设计,配制自密实混凝土,可以有效控制裂缝,达到自防水效果.试验研究和工程实践表明复合外掺剂有效地提高了混凝土流动性,增加了混凝土的密实度,提高了混凝土的抗渗性能,可以满足地下工程结构自防水的设计要求.     

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.     

一种新的基于拓扑结构特征的微裂隙-孔隙空间描述方法

微裂隙在多孔介质储层大量发育并与基质孔隙连通,是流体渗流特别是非常规储层油气渗流的重要通道.高精度无损成像技术以及数字岩心技术的快速发展,为孔裂隙空间描述、孔裂隙模型构建等研究提供了数据支撑.本文基于传统孔隙空间拓扑学,分析裂隙拓扑结构特征,充分考虑三维裂隙空间区别于普通孔隙的面状特征以及与基质孔隙之间的相互连通关系,提出"特征点化"的思路,将裂隙空间点进行分类,形成了适用于多种孔裂隙空间的描述以及结构特征分析方法.首先基于传统孔隙拓扑结构分析方法,提出"线面共存"的新骨架模型,提取裂隙中轴骨架面、中轴骨架线,精细刻画裂隙轮廓以及孔裂隙连通关系;其次,基于各类空间点的拓扑结构共性分别提取相应点集,分割孔隙、裂隙空间,构建微裂隙-孔隙骨架模型;第三,基于新的孔裂隙骨架模型提取孔裂隙空间的几何-拓扑结构特征参数,获取裂隙孔隙度、开度、倾角等重要裂隙几何参数,以及孔裂隙配位数、裂隙发育范围等拓扑参数;最后基于上述骨架提取描述方法,对理想与真实孔裂隙空间的数字岩心进行了骨架提取和分析.从微裂隙拓扑形态开展研究进而对裂隙-孔隙空间描述,可简化此类孔隙介质的建模过程,为后续气、液流动模拟提供准确数据基础,促进缝洞介质油气开发的进展.     

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.     

吐-哈盆地煤中基质镜质体生烃潜力与特征

吐鲁番-哈密盆地油气勘探已取得重要成果,找到了一系列的油气藏.油源对比结果,其主力油气源岩确认是盆地内中下侏罗统煤及煤系有机质.本区煤及煤系有机质显微组分组成以镜质组为主,其含量占总有机质的40%—95%,一般为60%—80%.镜质组中又以无结构基质镜质体为主,见少量的结构镜质体;惰质组分含量变化为0.4%—89%,一般为10%—25%,半丝质体含量高是本区惰质组组成最主要特征;壳质组分含量为0.8%—23%,一般为5%—15%,主要是孢子体、角质体和木栓质体,树脂体及藻类体偶见,还可见到沥青质体、渗出沥青体,并见有较多的碎屑壳质体.     

鄂尔多斯盆地南部延长组中段剪裂缝方向分析

鄂尔多斯盆地南部延长组中段长6~长8段发育6组高角度天然构造剪性缝,组成3组共轭裂缝系统,分别为走向60°和120°的共轭剪裂缝,最大主应力为E-W向;走向150°和75°的共轭剪裂缝,最大主应力为NWW-SEE向;走向30°和90°的共轭剪裂缝,最大主应力为NEE-SWW向.由于延长组地层的各向异性,走向约75°的裂缝为延长组中段的优势裂缝.地震各向异性计算和成像测井识别得到的裂缝走向玫瑰图均显示:和长6与长8相比,长7中的优势裂缝走向顺时针偏转了约5°.而各层的平面裂缝分布图也显示各层的裂缝密度分布发生了改变.根据常规测井曲线计算划分岩性,分别统计成像测井的图像识别结果中泥页岩和砂岩中的裂缝.走向玫瑰图结果显示,同一构造背景下,砂岩中的优势裂缝走向和泥岩相比较,逆时针方向旋转了约10°,和野外露头的节理测量结果一致.由常规测曲线的值带入公式和前人总结的经验数学关系中,计算得到泥岩的内摩擦角较砂岩的大18.6°,因此泥岩的剪裂角较砂岩小约9.2°.根据库伦破裂准则,一组共轭剪裂缝的锐角平分线方向与最大挤压应力方向一致,剪裂缝和最大挤压应力的夹角为剪裂角.而延长组地层在鄂尔多斯盆地南部近水平,成像测井中识别的剪性天然构造张开缝均为高角度近垂直,由于优势裂缝走向约75°,对应的最大主应力方向为NWW-SEE向,因此砂岩中的NEE至E-W向的裂缝较泥岩中的向逆时针方向发生偏转.根据单井中自然伽马值(GR)的分布具有正态分布的特点,进行了各层砂泥比计算:长6砂泥比0.72;长7砂泥比0.24;长8砂泥比1.04.将长7作为纯泥岩段,长8作为砂泥互层段,计算得到的剪破裂角和成像识别出的裂缝走向差异一致.     

探讨现浇混凝土楼板裂缝原因及控制措施

由于夏季日照长、高温无法避免,而高温会使现浇混凝土提前终凝干缩加快,水化不充分,混凝土构件强度降低,产生贯穿性裂缝.因此做好混凝土楼板裂缝的防治工作十分重要,文章对现浇混凝土楼板旱期裂缝原因进行了分析.