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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

辛176断块沙四段油藏低阻成因机理研究

辛176断块沙四段油水层测井响应电阻率相当,存在低阻现象,制约了断块的勘探开发.为对低阻油藏进行识别,从储层特征和四性关系研究出发,通过岩心观察,岩心分析化验、录井等资料分析研究和室内试验等手段对低阻油藏成因机理进行了研究,明确了沙四段低阻成因控制因素,为沙四段低阻油藏识别杌理和勘探开发奠定了基础.     

科学家眼中的“地球末日”

辛176断块沙四段油水层测井响应电阻率相当,存在低阻现象,制约了断块的勘探开发。为对低阻油藏进行识别,从储层特征和四性关系研究出发,通过岩心观察,岩心分析化验、录井等资料分析研究和室内试验等手段对低阻油藏成因机理进行了研究,明确了沙四段低阻成因控制因素,为沙四段低阻油藏识别机理和勘探开发奠定了基础。     

辛176断块沙四段油藏低阻成因机理研究

辛176断块沙四段油水层测井响应电阻率相当,存在低阻现象,制约了断块的勘探开发。为对低阻油藏进行识别,从储层特征和四性关系研究出发,通过岩心观察,岩心分析化验、录井等资料分析研究和室内试验等手段对低阻油藏成因机理进行了研究,明确了沙四段低阻成因控制因素,为沙四段低阻油藏识别机理和勘探开发奠定了基础。     

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.     

天然气耦合煤炭的低碳能源系统:中国向低碳能源过渡时期的解决方案?

基于我国向低碳能源过渡时期所面临的以高碳能源为主的能源结构与绿色、低碳发展迫切需求之间的巨大矛盾,本文根据绿色碳科学的概念,提出了"天然气耦合煤炭的低碳能源系统"的设想,即根据我国煤层气、页岩气、致密气等天然气资源和煤炭资源地理分布的一致性,就地利用低碳高氢的天然气与高碳低氢的煤炭耦合制合成气,取消水煤气变换装置,提高系统的碳效和能效,使得碳氧化生成CO2反应发生于能源使用过程而非能源工业自身,最终实现二氧化碳的减排,使其成为近期我国向低碳能源过渡时期最有可能实现的低碳能源战略解决方案.在此基础上,构建了集成煤-天然气制油系统(CGTL)、集成煤-天然气制甲醇-MTG制汽油系统(CGTG)和集成微藻生物质-煤-天然气制油系统(BCGTL),并对其进行相应技术评价.     

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.     

特高含水期剩余油分布及形成机理

目前我国东部老油区普遍进入特高含水阶段,水驱开发效果变差,采收率明显下降,有效挖掘剩余油潜力是当前开发的重点所在.特高含水期油相主要以非连续状态存在于孔隙空间内,基于宏观认识的达西定律很难准确描述地下剩余油的真实流动状态.为摸清特高含水期剩余油分布状况,研究剩余油形成机理并挖掘剩余油潜力,基于N-S方程模拟油水两相在微尺度多孔介质内流动,运用相场方法实时追踪驱替过程中的两相界面,建立微观流动模型.研究特高含水期剩余油分布,并从力学角度分析残余油形成机理.结果表明特高含水期多孔介质内剩余油主要可以分为5种类型:孤立油滴、孔喉残余油、簇状非均质残余油、油膜、盲端残余油.毛管力,孔隙结构以及壁面润湿性是影响特高含水期剩余油的分布与类型的主要因素.孔隙尺度流动模拟得到的水驱曲线与矿场规律基本一致.特高含水期增注与注入表面活性剂均是通过驱替出簇状非均质剩余油,孔喉残余油以及孤立油滴达到提高剩余油采收程度的目的.簇状非均质剩余油的减少是采收程度提高的主要原因.矿场增注时机对经济开发有重要影响.该研究初步揭示了特高含水期剩余油分布及形成机理,为水驱油藏的后期开发提供有效指导.     

温度对成品油管道顺序输送过程的影响研究进展

温度梯度是传热传质过程的动力来源之一,顺序输送本质上是传热与流动、传质的耦合过程.当前,对混油拖尾现象、与热力耦合的调度方法、管内三维传热传质模拟、考虑油品质量潜力的批次跟踪的相关研究中大多未考虑温度的影响也未阐明温度的作用机制.本文总结了未充分考虑温度影响的管输油品相关研究(混油、调度、热油管道、批次跟踪)的现状和局限性.评述了考虑温度对混油机理影响、温度对管输过程流动传热传质影响的国内外研究成果,并梳理了相关的实验研究.最后指出了水热力耦合的调度、考虑温度影响的反常扩散、可压缩多相紊流的三维数值模拟、复杂管道中的批次跟踪是该领域今后研究的关键问题和发展方向.     

蜡晶析出沉积与水合物结晶生成耦合热力学与动力学研究进展

在深水油气田开发过程中,高压、低温的环境,使得具有高含蜡、高凝点、高黏度特性的油气,在从油藏到下游设备的输送体系内,面临着蜡和水合物同时存在的可能,这会极大地增加流动堵塞风险,从而加重输送体系的安全隐患.因此,开展蜡和水合物共存体系的耦合研究,具有十分重要的意义,是流动保障的重要研究课题之一.本文分别从热力学和动力学两方面,简要总结了蜡和水合物单独存在体系的研究成果,重点阐述了在此基础上所开展的二者共存体系耦合的初步研究,结合在高压反应釜和环道开展的探索实验对其进行简要分析.指出应在已开展的蜡与水合物热力学和动力学独立研究的基础上,开展二者耦合研究:在二者耦合热力学研究方面,应选用能更好地描述液相和固相非理想性的改进模型,抓住二者共存体系组分在各相中的分布变化,建立有效而精确的耦合热力学计算模型,以深入理解蜡与水合物之间相态行为的相互影响机理;在耦合动力学研究方面,应借助可视化的测试手段和实验仪器,分析二者共存体系固体颗粒与乳化液相的微观分布机理,探究蜡分子扩散机理、水合物界面吸附与生长特性,综合考虑复杂的多影响因素,从蜡晶对水合物生成、水合物对蜡晶析出沉积影响的两方面分别着手,以获得蜡与水合物之间动力学行为的相互作用机理.     

新能源

地球上的各种能源,有的已被大规模开发和广泛利用,如煤炭、石油、天然气、水力等,称常规能源;还有一些能源,如太阳能、风能、地热能、海洋能、氢能、生物质能等,是正在研究开发和利用的能源,被通俗地称为新能源.其实太阳能、风能等,人类很早就已开始利用,这里把它称作新能源,是指在新技术的基础上进行大规模开发利用而言.新能源与常规能源的区分也是相对的,今天的新能源将来也会成为常规能源.如核裂变,过去是新能源,现在由于技术基本成熟,许多国家已把它看作常规能源.上述这些新能源都是可再生能源和清洁能源,被作为未来经济和社会可持续发展的能源基础,受到了高度重视.     

异相光催化技术在能源与环境及有机合成领域的研究进展

光催化技术由于其简单、有效和环保等特点,在能源、环境及化学合成领域受到广泛关注.近年来,随着原位表征技术的飞速发展,学术界对光催化过程的理解逐步加深,并提出了多种理性设计光催化剂的策略.此外,物理、化学、材料、医学等学科的高度交叉进一步推动了光催化技术的应用前景.本文总结了近年光催化技术机理方面的深度认识及光催化技术在能源、环境及有机合成领域的研究进展,包括光解水制氢、小分子活化等能源领域的研究,以及选择性氧化还原、偶联、氘代化等有机合成领域的研究;还分析总结了光催化技术在应用领域亟需解决的关键问题.