页岩储层中气体多机理耦合渗流研究

页岩储层中有纳米孔、微米孔、微裂隙、人工裂缝等储集空间和运移通道,多尺度的孔隙结构使气体具有扩散、滑脱、达西渗流等多种流动形式。当储层压力、温度、应力改变时,赋存气体的运动状态、孔隙结构会发生改变,使渗流复杂化。利用毛管束模型和平板模型,分别讨论了扩散、吸附、应力解吸对页岩中气体渗流的影响。研究表明:1当温度一定时,在低压小孔隙中,气体的扩散主要是Kudsen扩散;当压力和孔径变大时,则以Fick扩散为主;2在低压小孔隙储层中,扩散对渗流影响不可忽略;但当压力和孔径达到一定值后,可以忽略扩散的影响;3滑脱对气体渗流的影响程度与压力和孔隙尺度有关;4吸附会减小孔隙直径,影响气体渗流,孔隙越小,吸附对渗流的影响越严重;5随有效应力的增加,页岩渗透率降低;页岩中裂缝越多,渗透率降低越显著;气体解吸后页岩的渗透率变大。     

页岩储层纳米孔隙流动模拟研究

页岩气作为一种重要的非常规天然气资源已受到普遍关注,但页岩储层主要发育纳米孔隙,而针对页岩气在
纳米孔喉中运移的研究还相对滞后,这严重制约了页岩气藏的高效开发。针对纳米尺度孔隙,考虑页岩气的吸附解
吸及吸附相表面扩散,自由气的黏性流、滑脱效应及Knudsen 扩散等运移机制,建立了页岩气单相流动数学模型,并开
展了流动模拟研究。模拟结果表明：对于以纳米孔隙为主的页岩基质,甲烷在孔隙壁面的附着及表面扩散、气体滑脱
及Knudsen 扩散等均将影响气体流动,造成表观渗透率显著高于Darcy 渗透率,且孔喉越细小,压力越低,表观渗透率
与Darcy 渗透率相差越大。通过分析各运移机制对页岩气流动的影响,有助于深入了解页岩气运移产出过程,从而指
导页岩气藏的有效、高效开发。     

页岩基质中甲烷传质输运产能计算模型

页岩气藏基质中存在吸附气和游离气,通过扩散和渗流两种传输机制进行流动。为了研究页岩气藏基质产气规律,推导了一维页岩基质产气量计算公式,扩散体积流量与入口压力成线性正比关系,渗流体积流量与入口压力成二次函数关系,渗透率越高、扩散系数越大,则体积流量越大。在此基础上,设计了全直径页岩岩心甲烷解吸、扩散、渗流耦合实验,研究了产气量与压力的变化关系;并通过拟稳态阶段的实验数据验证了一维页岩基质产气量计算公式的正确性。利用模型计算结果预测了页岩气传质输运实验未来体积流量的变化趋势:当入口压力达到15 MPa时,渗流体积流量在耦合流量中所占比例接近50%;当入口压力低于15 MPa时,扩散体积流量在耦合流量中所占比例较高。     

储层条件下页岩样品吸附潜力预测模型

合理预测页岩在储层温度和压力条件下的吸附量对于储层描述、资源量的估算具有重要意义,而等温吸附试验下的温度与储层真实温度出入较大。该研究以吸附势理论为基础,构建吸附量随温度压力变化的模型,通过样品在30℃的吸附数据建立的关系模型,理论上可以预测样品在任意温度压力条件下的吸附量。对比60℃和90℃时等温吸附实际数据与该模型预测的吸附量发现:低温下,模型预测的吸附量与实验值较为符合,但压力增高的情况下,模型的精度也随之降低;运用球状模型对最大吸附量进行限定,能较好地纠正高压下的偏差。     

页岩储层纳米孔气体传输耦合模型新研究

页岩气在纳米孔隙的传输过程中受多种因素影响,包括孔隙尺寸和压力、孔隙壁面粗糙度、孔隙力学反应、吸附诱导膨胀反应以及权重因子等。因此需要综合考虑以上因素以及吸附气分子在孔隙中所占空间对气体流动影响的条件下,厘清页岩气的不同运移机制（表面扩散、滑脱流、Knudsen扩散和黏性流动）在不同孔隙尺寸和压力下对纳米孔中总气体流量的贡献率。首先,对页岩气的不同运移方式进行了物理描述及数学表征,然后,在考虑孔隙壁面粗糙度、孔隙力学反应、吸附诱导膨胀反应和权重因子等因素的条件下,建立页岩气在储层纳米孔中的气体传输耦合数学模型,模型可靠性通过格子Boltzmann方法计算结果验证。研究结果表明,当孔径小于10 nm时,纳米孔的总流量主要由表面扩散流量组成,孔径越小,表面扩散流量越大;当孔径为40~250 nm和低压条件下,滑脱流和Knudsen扩散对气体传输影响较大;当孔径大于10 μm时,纳米孔的总流量主要为黏性流量。     

考虑多重流动机制各向异性的页岩气运移数值模拟

为研究多重流动机制各向异性对页岩气运移的影响,基于Biot线弹性孔隙介质模型,考虑黏性流动、气体流动动态效应和表面吸附扩散等流动机制的各向异性,采用各向同性应力依赖模型,建立流-固耦合的视渗透率模型,对应力约束边界条件下的页岩气运移过程进行数值模拟,定量分析流动各向异性对页岩气运移的影响。结果表明各种流动机制的各向异性均对页岩气运移有显著影响：固有渗透率各向异性可明显改变页岩气运移开始时间和流通量大小,其影响随页岩储层渗透率增加而放大;当固有渗透率较小时,动态效应各向异性会削弱气体流动的动态效应,对页岩气运移开始时间和流通量的影响十分显著,但在固有渗透率较大时其影响可以忽略;表面吸附扩散各向异性的影响与固有渗透率各向异性相似。准确评估页岩气的运移能力和产能应考虑运移过程中的流动各向异性。     

页岩气储层损害机制及保护水基钻完井液技术

针对页岩气藏特征及开采方式,通过X射线衍射、扫描电镜分析、气体膨胀置换法、脉冲衰减法和敏感性评价等手段,分析胜利油田沙河街组页岩气储层潜在损害因素及敏感性损害程度。提出页岩气储层保护水基钻完井液对策,研选出微乳型页岩气储层保护剂YYBH-1和聚胺类表面水化抑制剂BMYZ-1,研制出页岩气储层水基钻井液体系。结果表明:该页岩气储层黏土矿物以伊利石为主,孔隙度分布在0.45%~2.50%,平均孔隙直径主要在4.54~6.17 nm,渗透率小于0.026×10-3μm2,为低孔超低渗储层;页岩气储层存在中等偏弱水敏性和碱敏性损害以及中等程度应力敏感性损害;页岩气储层水基钻井液体系能有效防止水敏性,增强水的返排能力,降低页岩渗透率损害率和对甲烷气体的吸附能力,具有优良的页岩气储层综合保护作用。     

基于储层构型的流动单元划分及对开发的影响

三角洲沉积储层非均质性强,储层内部渗流特征复杂,制约油藏高效开发。以南湖油田E1 f 43 油藏为例,采用
基于储层构型的渗流屏障识别技术及基于多参数聚类分析和逐步判别的流动单元划分方法,结合开发动态资料,开展
了渗流屏障分布规律和储层流动单元发育特征研究,分析了不同类型流动单元组合模式的连通关系,总结了渗流屏障
和渗流差异对开发的影响。结果表明：（1）研究区发育连片状和条带状2 种储层砂体类型,其中,条带状储层因注采井
砂体分别存在于砂体和渗流屏障内而产生注水不受效,剩余油富集;（2）研究区发育5 类流动单元,以II～III 类为主;
（3）储层连通砂体内部存在5 种不同的流动单元组合模式,不同模式下的储层砂体连通关系存在差异,连通砂体内不
同流动单元间形成渗流差异界面,使连通体内形成弱连通或差连通关系,制约油藏开发,造成剩余油大量富集。     

页岩气藏流固耦合数学模型

页岩层是超低渗透率的储气层,页岩气藏开采过程中流固耦合效应表现明显.基于渗流力学和Biot固结理论,综合考虑页岩气藏储层的启动压力梯度,页岩气渗流过程中的解吸附,建立了一个适用于滑脱流、孔内扩散等页岩基质孔隙内所有气体流态形式的流固耦合数学模型.页岩气开采流固耦合数学模型包含了气体渗流和页岩变形相互作用的耦合项,必须进行耦合求解.使用显式迭代编制相应程序求解其数值解,计算结果表明,考虑流固耦合和不考虑流固耦合对页岩气开采过程中压力分布影响较大,考虑流固耦合情况下,压力降低趋势比不考虑耦合情况下要快,更符合实际开采情况.流固耦合现象对页岩气渗流过程影响较大,页岩气开采过程中必须考虑流固耦合影响.     

考虑吸附、滑脱和自由分子流动效应的页岩基质渗透率计算模型

为了研究页岩吸附层在不同含水饱和度和压力下对基质渗透率的影响,采用毛细管模型,并结合现有表观渗透率计算模型,分别建立考虑吸附、滑脱和自由分子流动效应的有机质渗透率、无机质渗透率和综合渗透率计算模型;通过与实验结果、现有渗透率计算模型结果对比,该模型在计算具有吸附特性的页岩气藏基质渗透率时与实验结果更接近,更符合实际情况。以鄂尔多斯盆地上古生界山西组页岩为例,探讨页岩基质渗透率变化特征,结果表明:1对于孔径小于10 nm的有机质孔,在开发初期压力较高(30 MPa)时,孔径越小,吸附气对有机质渗透率影响程度越大;在开发后期压力较低(5 MPa)时,孔径越小,滑脱效应和自由分子流动效应对有机质渗透率增加程度越大。开发过程中,兰缪尔压力越大,有机质渗透率增大率越大。2无机质孔径越大,吸附水对无机质渗透率伤害越严重。     

页岩气藏部分压开压裂井压力动态分析

 压裂井因为能够提高单井产量和降低成本在页岩气藏的开发过程中得到了广泛应用,然而在实际生产过程中由于页岩储层普遍厚度较大,难以被完全压开。为此,综合考虑页岩气的解吸、扩散和渗流特征,建立了页岩气藏部分压开压裂井的渗流模型,应用Laplace变换、Fourier变换和Duhamel原理,结合Stehfest数值反演对模型进行求解,绘制了相应的压力特征曲线并对其进行了流动阶段的划分,讨论了相关参数对压力动态的影响。研究表明,页岩气藏部分压开压裂井的压力特征曲线存在7个主要流动阶段;裂缝的压开程度主要影响球形流阶段表现的明显程度及压力导数曲线前期位置的高低,解吸系数主要影响压力导数曲线下凹的深度,无因次储容系数主要影响压力导数曲线下凹的宽度和深度,无因次窜流系数主要影响解吸扩散阶段出现的早晚。所获得的结果可为利用压裂井合理高效地开发页岩气藏提供理论支持。     

页岩气压裂水平井不稳定流动模型

水平井多级压裂技术已经成为目前开发页岩气藏的主要手段。针对气体在页岩流动过程中存在的吸附解吸、扩散、滑脱、启动压力梯度和应力敏感等效应,基于三线性渗流方程的基础上,推导出五线性渗流方程,建立了页岩气藏压裂水平井渗流数学模型。运用Laplace变换和Duhamel原理,求解出考虎井筒储集效应和表皮效应的页岩气藏压裂水平井Laplace空间的无因次井底拟压力解。通过Stefest数值反演,绘制了无因次拟压力曲线和拟压力导数曲线。依据特征曲线划分了流动阶段,并分析了不同影响因素对气井压力特征曲线的影响。研究结果表明：压裂水平井泄流范围可划分为五个流动区域,气井的压力特征曲线可划分为六个流动阶段。裂缝导流能力对水平井压力特征曲线的影响主要在过渡阶段、双线性流阶段;吸附系数主要影响过渡段、双线性流段、线性流段以及拟稳定流阶段;视渗透率系数主要影响双线性流动阶段、过渡阶段、窜流扩散阶段、地层线性阶段和拟稳定流阶段;导压系数影响窜流扩散阶段、地层线性流阶段和拟稳定流阶段;压裂改造区宽度主要影响地层线性流和系统拟稳态流动段。模型可以正确认识页岩储层复杂渗流规律,判别页岩气藏压裂水平井流动阶段,为预测单井产能和优化压裂设计参数提供了科学依据。     

基于扩散的页岩气藏压裂水平井渗流模型研究

针对页岩储层纳米孔隙中天然气扩散作用对压裂水平井产能有多大影响这一问题,开展了渗流数学模型建
立、求解及定量计算分析研究,研究中采用了三线性渗流机理、克努森扩散机理及扩散引起渗透率增加值公式,绘制了
不同孔隙直径下克努森数与储层压力关系图版,得到了可用于实际生产预测的单井产能方程,从孔隙大小、储层压力、
气藏深度等3 个方面进行了扩散作用的分析,给出了页岩气藏生产过程中需要考虑扩散作用的各指标阈值。结果表
明,在储层压力条件下,孔隙越小的储层,扩散作用对产能的影响越大,而对于较大孔隙的储层,当井底压力低于模型
中计算出的阈值时,扩散作用就不应该被忽略。     

页岩储层非稳态渗透率测试方法综述

为了研究页岩储层非稳态渗透率测试方法,对国内外脉冲衰减法和压汞法相关文献进行了广泛深入地调研。详细阐述了岩芯柱脉冲衰减法、岩屑脉冲衰减法、脱气法三种脉冲衰减渗透率测试方法的实验原理、数学处理方法、影响因素、适用条件和存在的问题。针对压汞法,给出了基于不同理论的预测模型。研究结果表明：岩芯柱脉冲衰减法具备较高的测试效率和精度,能够测试不同围压条件下的储层渗透率,为页岩储层原始条件下的渗透率测试和应力敏感性研究提供了有效手段;岩芯柱脉冲衰减法对实验仪器和样品制备要求严格,适用于室内对页岩等致密储层进行精密的渗透率测试,且数学处理上还需要进一步的研究,以区分基质和天然裂缝的作用。岩屑脉冲衰减法不受样品形状限制,缩小了样品测试尺寸,理论上能够避免天然裂缝的影响,为页岩储层基质渗透率测试提供有效手段。脱气法和压汞法精度相对较低,测试结果可作为参考数据。     

页岩气藏水力压裂渗吸机理数值模拟研究

针对页岩储层在水力压裂作业和生产中渗吸机理及作用规律不清的问题,开展了渗吸机理及其引起的地层伤害评估的研究。建立了考虑不同影响因素的页岩水力压裂渗吸数学模型,包括基质和裂缝流动,气体扩散和解吸,应力敏感效应和毛细管压力,然后,讨论了在压裂气藏和后续生产期间如何通过量化裂缝面表皮演变来评估由于渗吸机制导致的储层伤害现象。结果表明,（1）在试井以及生产阶段渗吸对储层特性有较大影响,极大的毛细管压力是导致渗吸现象和水力裂缝附近水封的主要原因;（2）对于实施了水力压裂增产措施的新井通过探测裂缝压力可以获得原始气体压力;（3）润湿相阻塞导致的储层伤害是影响致密气藏水力压裂井生产能力的主要来源之一。研究结果对于页岩气藏的渗流特性能够提供深刻的理解,尤其是为早期生产阶段降低由渗吸作用可能造成的储层伤害来优化生产提供理论依据。     

页岩气渗流机理研究进展及发展趋势

页岩气在复杂孔渗空间的流动属典型的多尺度多场耦合流动。开展页岩气渗流机理研究,有助于揭示页岩气藏中流体运移机制,为后期建立数学模型、开展数值模拟研究及产能评价与预测奠定理论基础。在调研国内外相关文献的基础上,并结合近期已开展的工作,从页岩孔隙结构特征、吸附解吸规律、含气量测试、应力敏感性、储层流体运移等实验内容以及分子动力学方法、直接蒙特卡洛方法和格子Boltzmann方法等微观流动机理模拟方法两方面进行归纳总结,阐述了页岩气渗流机理的研究进展,指出气体吸附程度对渗流规律的影响研究、页岩气多尺度介质流动机理实验评价装置研制、页岩气藏气水两相流动实验与理论研究是未来的发展方向。     

页岩气表观渗透率与多流动机理及有效应力演化关系

由于多尺度孔隙存在纳米尺度到宏观尺度的过渡,气体在页岩中流动的主导机制会在达西流和努森扩散等运移机理之间发生转换,该现象结合页岩基质内的气体吸附作用使得页岩气渗透率的测算变得更为复杂.因此,在实验室尺度确定有效应力及气体运移方式对渗透率的综合影响力对实际页岩气开采中的渗透率及产量评估准确性有着不可忽视的影响.采用脉冲衰减渗透率测算法,在不同围压条件下,对氦气和二氧化碳在富含有机质的页岩薄片中的气体渗透率进行测量.结果表明:努森扩散作用在低孔压时对页岩气渗透率有显著的正面影响,其强度与孔压成反比.在较大围压作用下的高孔压下的超临界二氧化碳可导致页岩基质最大吸附量降低,进而增加表观渗透率.表观渗透率随着有效应力的变化在不同孔压区间有着截然相反的趋势,有效应力系数此时出现非单一值,其主要是由于孔压变化带来的气体流动机理变化而引起的.     

纳米尺度页岩储层的气体流动行为分析

理论分析及矿场实践表明,页岩气藏采用传统渗流模型预测的产量总是比实际产量低,经典的达西渗流定律
不再具有适应性,需要建立能准确描述页岩介质气体流动行为的数学模型。目前针对页岩气藏的渗流模型基本都是
对传统黏性流动的校正或者在黏性流动模型上简单的附加分子流动项,忽略了黏性流与分子流中间流态的问题。考
虑页岩介质中可能存在不同流态,建立了描述页岩气藏的流动分析模型。计算结果表明：页岩储层的孔隙越小、气体
分子摩尔质量越小、地层压力越低,气体流动越倾向表现为微观流态,表观渗透率与达西渗透率的比值越大。模型可
解释页岩气藏生产时实际产量高于达西模型预测产量,该研究对于指导页岩气藏生产具有重要的指导意义。     

页岩气储层压裂水平井非线性渗流模型

水平井+体积压裂技术已经成为目前高效高速开发页岩气藏的主要技术手段。针对页岩储层存在的吸附扩散效应和应力敏感效应以及流体的滑脱效应和高速紊流效应,建立了水平井多级压裂复合渗流模型,并获得了其在Laplace空间的解析解;通过Stefest数值反演和Duhamel原理,得到了考虑井筒储集效应和表皮效应影响下的实空间无因次产量模型,从而绘制了无因次产能模型图版并进行了产能影响因素敏感性分析。根据实践应用结果显示,模型能够预测水平井产量并具有更高的预测精度。研究结果表明:页岩气藏压裂水平井产能可划分为三个渗流区域和五个流动阶段,前期由裂缝线性流占主导地位,产量高但递减速度快;中期由天然裂缝供气,是处于基质和裂缝供气的过渡阶段;后期由基质线性流占主导地位,产量低但递减缓慢。启动压力梯度对水平井前期产量影响较大,而储层应力敏感性对后期产量影响较大。模型为认识体积压裂水平井复杂渗流规律、预测页岩气藏压裂水平井产能、评价压裂效果以及优化水平井压裂参数提供了有效的科学依据和理论支撑。