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。     

页岩气藏运移机制及数值模拟

基于双重连续介质,采用尘气模型(DGM)建立基岩和裂缝运动方程,基岩中考虑气体在基岩孔隙中黏性流、Knudsen扩散、分子扩散以及气体在基岩孔隙表面的吸附解吸,吸附采用Langmuir等温吸附方程;裂缝中考虑黏性流、Knudesen扩散和分子扩散机制,在此基础上建立基岩-裂缝双重介质数值模型并采用有限元方法对模型进行求解.根据数值模拟结果对影响页岩气藏产能的因素进行分析.结果表明:页岩气产出气是游离气和吸附气解吸共同采出的结果,在给定的页岩气藏条件下,游离气影响更大,吸附对页岩气产能有较大影响,忽略吸附会导致预测产能偏低;Knudsen扩散(或Klinkenberg效应)对基岩视渗透率影响较大,越靠近生产井,Knudsen扩散和Klinkenberg效应的影响越大,基岩视渗透率随生产时间延长变大;裂缝渗透率越大,页岩气产量越大,基岩渗透率对页岩气产能影响不大.     

基于微观机理的页岩气运移分析

认识气体在页岩孔隙中的运移机理对页岩气开采具有重要的科学意义.页岩作为一种致密岩石,孔隙尺寸分布主要集中在几纳米到百纳米之间,小孔隙尺寸与气体的平均分子自由程在同一个数量级,气体与孔隙边壁的碰撞对流动起到控制作用.本文针对页岩气开采过程中孔隙中气体流动过程,建立了考虑气体滑移、Knudsen扩散、Langmuir等温吸附、孔隙压缩等过程的多场耦合控制方程.分析了流态变化对滑移效应的影响,得到了考虑滑移效应的临界孔径,并针对实际中不同页岩储层有机质含量的差异,分析了解吸机制对页岩气产气率、产气量的贡献.研究还表明孔隙压缩性对产气率影响显著,通过考虑开采过程中孔隙压缩,可以更真实地反映页岩气运移过程.     

考虑吸附效应的非达西流压裂水平井试井分析

页岩气藏渗透率较低,流动过程中存在边界层影响和吸附解吸现象。在建立页岩气藏压裂水平井试井模型过程中,非压裂区域考虑为存在吸附效应的非达西流动,压裂区域考虑为双重孔隙介质达西流动,水力压裂裂缝区为达西流动。基于油气渗流理论和数学物理方法,建立了考虑吸附效应的非达西流压裂水平井试井模型,求解得到了考虑井筒存储和表皮效应的压裂水平井井底压力响应,并进行了压力响应参数敏感性分析。结果表明:启动压力梯度主要影响特征曲线后期上翘程度;窜流系数主要影响"凹槽"的位置,当同时考虑启动压力梯度和吸附解吸时,窜流系数还影响着解吸时间的长短;解吸系数主要反映解吸扩散程度,随着压力降低,页岩气解吸效果越明显,特征曲线中的"凹槽"宽度和下凹程度越大。研究对于页岩气藏压裂水平井的开发与动态监测具有一定的指导意义。     

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。     

考虑表面扩散的实际状态页岩气表观渗透率新模型

为了表征实际状态下的页岩气在纳米孔隙中的运移,考虑黏滞流、Knudsen扩散以及表面扩散机制,推导出页岩气表观渗透率模型。以224组试验数据为依据,优选所建模型中压缩因子及黏度的计算方法,并通过实际试验数据系统验证所建模型的准确性。通过定义黏滞流、Knudsen扩散以及表面扩散渗透率比重,计算各机制的贡献率。分析压力、孔隙半径等因素的影响。结果表明:所建模型能够准确预测页岩气的表观渗透率,误差为3.02%,优于现有模型;优选出的DK模型和Sutton模型计算压缩因子和黏度误差分别为0.53%和2.7%,压力和孔隙半径对表观渗透率影响最大;Langmuir最大吸附量、Langmuir压力以及等量吸附热主要影响表面扩散渗透率比重;在低压和高压条件下,各因素对表观渗透率及比重的影响表现出不同的变化规律;孔隙半径为1 nm、压力分别为0.1和20 MPa时,表面扩散对渗透率的贡献率达75%和30%,说明低孔隙半径或低压条件下表面扩散现象不可忽略。     

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.     

考虑吸附和多流动形式共存的页岩气藏纳米级孔隙基质视渗透率计算方法

为计算页岩气储层纳米级孔隙(d100 nm)基质视渗透率,得到考虑吸附层厚度的气体有效流通孔道直径,利用Knudsen方程推导划分气体流动形式的临界孔道直径,依据质量通量表达式得到多流动形式共存时的视渗透率计算公式。算例分析表明:页岩气储层中温度对流动形式的影响可以忽略;随着储层压力增加,以20 MPa为临界,较低压力时气体视渗透率迅速降低,较高压力时降低趋势平缓;气体流动形式对视渗透率影响很大,储层温度下滑脱渗流与过渡扩散视渗透率计算结果在不同压力下存在7~10倍的差距;储层条件下吸附气体使得视渗透率减小约13%,高压下吸附对气体视渗透率影响更明显。     

页岩储层流动机制综述

 为了研究页岩储层的流动机制,对国内外页岩气流动机理相关文献进行了广泛调研,详细阐述了解吸附、扩散和渗流的数学描述方法、影响因素、适用条件及存在的问题,为流动机制的深入研究提供参考.分析表明：气体在页岩储层中的流动主要经历解吸附、扩散和渗流3个过程.Langmuir等温吸附定律很好地描述了页岩气的解吸附规律,但在描述多组分气体解吸附时仍存在一定问题,需要进一步研究;Fick第二扩散定律能够准确地描述页岩气的扩散过程,如何划分渗流和扩散的流动区间并进行耦合还需进一步研究;气体在天然裂缝网络中的流动遵循滑脱效应的广义达西定律,在压裂诱导裂缝中的流动遵循Forchheimer定律;天然气在页岩储层的流动存在压敏、气水两相流动、温度变化引起的热效应、相变等多种流动机制,需要进一步研究.     

三维页岩储层多重压力流固耦合模型研究

研究裂缝页岩储层在生产过程中的流固耦合力学过程是准确认识气藏生产动态的关键科学问题.针对页岩储渗机制复杂的难题,本文建立有机质-基质孔-天然裂缝和离散人工裂缝的多尺度流动介质与多重压力系统;考虑吸附气的非平衡解吸附和表面扩散,自由气的黏性流和Knudsen扩散,以及基质孔、天然裂缝和人工裂缝压力系统对页岩变形的影响,建立了页岩双重有效应力流固耦合数学模型,分析了压裂井生产过程中岩石变形对气体流动的影响规律.研究发现:天然裂缝压力系统是引起页岩气生产过程中应力敏感性的主要因素;固体变形对基质孔渗透率的影响小于Knudsen扩散,基质孔的表观渗透率并不会发生应力敏感;随着天然裂缝密度的增大,天然裂缝压力系统的有效应力系数迅速增大,页岩气产量应力敏感效应增强.     

考虑气体多层吸附的表面扩散传输模型

纳米孔内气体主要以吸附态为主,孔隙壁面的表面扩散传输对多孔介质内气体流动的贡献不容忽视。鉴于Langmuir单层吸附模型不能有效描述高温高压条件下的气体吸附特征,以单层吸附覆盖度为基础,推导出新的吸附气体表面扩散系数的理论计算公式,并利用相关实验和理论数据验证其合理性和准确性。在此基础上构建纳米孔隙壁面气体多层吸附表面扩散模型,分析压力和温度对表面扩散传输的影响效应和规律。结果表明:提出的新的吸附气体表面扩散系数计算公式在计算吸附气体表面扩散系数方面更具优势,有效反映了气体分子的多层吸附特征;基于多层吸附理论所建立起来的吸附气体表面扩散新模型,综合考虑了温度和压力的耦合效应,比传统气体表面扩散模型更加准确可靠;压力和温度是影响吸附气体表面扩散的两个重要方面,在以表面扩散传输为主的纳米孔中,气体表面扩散通量的压力影响效应显著(压力升高9 MPa,通量增大2个数量级),温度影响效应较弱(平均温度每升高1℃,通量降低1.13%)。     

纳米尺度下页岩气运移特征分析

研究表明,页岩气藏孔隙尺寸主要分布在2~20 nm之间,经典的达西定律已不能准确地描述气体在纳米孔隙中的运移行为.为此,基于表观渗透率的定义,考虑了页岩气藏在生产过程中吸附层及粘度变化的影响,建立了粘性流、滑脱流、过渡流及Knudsen扩散4种运移模式综合作用下的数学模型.模型研究结果表明,表观渗透率远大于达西渗透率,而且孔隙半径越小、压力越低,表观渗透率与达西定律的比值越大,滑脱流、过渡流及Knudsen扩散产生的流量所占的比例越大;温度的影响作用较小,可以忽略;孔隙越小,吸附层变化的影响作用越大,压力越小,粘度变化的影响作用越大.     

有机质孔隙对页岩气流动能力影响研究

页岩中存在有机质孔隙和无机质孔隙,目前页岩气表观渗透率模型忽略了孔隙类型、孔隙半径分布对气体流动能力的影响.本文基于页岩二维剖光扫描电镜图像数值重建页岩三维数字岩心,并提取孔隙相中轴拓扑结构.根据地质上对有机质孔隙空间分布、有机质孔隙和无机质孔隙半径分布的认识,在对应孔隙喉道位置,充填满足对应孔隙半径分布以及空间分布关系的有机质孔隙和无机质孔隙,建立3种不同有机质孔隙分布模式的页岩孔隙网络模型:有机质孔隙条带状分布、有机质孔隙连片分布、有机质孔隙分散在无机质孔隙中.有机质孔隙中气体流动考虑吸附解吸、表面扩散、黏性流、努森扩散,无机质孔隙中气体流动考虑黏性流、努森扩散,气体性质计算考虑真实气体效应以及在微纳米孔道中相态变化.结果表明,当有机质孔隙半径分布小于无机质孔隙半径分布,有机质孔隙成条带状分布模型气体流动能力最强,有机质孔隙连片分布模型气体流动能力最弱.当有机质孔隙半径分布大于无机质孔隙半径分布,有机质孔隙成条带状分布模型气体流动能力最强,有机质孔隙分散在无机质孔隙模型气体流动能力最弱.本文的研究对认识页岩气流动能力具有显著意义.     

页岩气渗流过程中的多场耦合机理

本文简要概述了目前模拟页岩气渗流机理数学模型的不足之处,基于线弹性多孔介质力学,建立了自由气渗流、吸附气表面扩散、吸附气非平衡解吸附、岩石变形的全耦合页岩气微观渗流数学模型,推导了纯孔隙介质与包含裂隙介质的主要物性参数的应力敏感模型,并推导了解吸附过程非平衡效应的理论模型,形成了一套较全面的描述页岩气在线弹性微纳多孔介质中的微观流动数学模型.通过数值模拟分析了应力敏感、表面扩散、非平衡效应对页岩气传输的影响,结果表明:页岩的应力敏感效应由基质中的天然裂缝决定,页岩孔隙本身的应力敏感性可以忽略;吸附气的表面扩散十分缓慢,可以忽略;平衡常数与孔隙度对非平衡效应影响显著,吸附速率对页岩气流动的影响十分明显,吸附速率越大,页岩气流速越大.本文建立的数学模型为深入理解页岩气渗流微观机理,科学开发页岩气藏提供了一定的理论基础.     

页岩气藏多级压裂水平井压力动态分析

基于非结构Voronoi网格技术生成压裂水平井非结构网格,引入尘气模型(DGM)建立考虑页岩气藏吸附解吸、扩散和达西流的运移数学模型,并结合控制体有限差分法和全隐式法推导得到页岩气藏压裂水平井压力动态分析数学模型离散格式,编程绘制页岩气藏压裂水平井不稳定压力动态分析典型曲线。研究结果表明:页岩气藏压裂水平井压力动态分析典型曲线可划分为井筒储集、过渡流、裂缝线性流、早期径向流、复合线性流、系统径向流和边界流7个流动阶段;吸附解吸作用越强,试井典型曲线的位置越低,同时生产时井底附近压力降落最大,近井带解吸气对气井供给量最大,使得过渡流出现一个"凹子",但受吸附解吸强度的影响,过渡流的"凹子"可能被掩盖掉;扩散系数能提高极低页岩渗透率储层的气体流动能力,当扩散系数达到一定值时,试井曲线中对应影响的流动阶段位置偏低;渗透率、裂缝数量、裂缝半长和裂缝间距对页岩气藏压裂水平井压力动态的影响与对常规气藏的影响一致。     

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.     

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。     

考虑岩石变形效应的页岩气渗流模型

页岩气藏孔渗结构具有强烈的多尺度性,渗流机理复杂,纳米级基质孔隙克努森扩散效应、裂缝应力敏感效应,以及气体解吸收缩效应等多重机制对页岩气多尺度流动特征及页岩气产能模型都有一定影响。建立考虑纳米级基质孔隙克努森扩散流、裂缝应力敏感变形、基质解吸收缩效应协同作用的非线性渗流数学模型。应用全隐式有限差分和牛顿-拉普森迭代法进行数值求解。对相关因素分析得到,裂缝变形负相关于中前期气体产能;而基质解吸收缩正相关于中后期气体产能。实际生产过程中,应当结合不同生产阶段,合理调整页岩气生产条件;协同考虑裂缝变形和基质解吸收缩耦合效应,最终优化页岩气生产制度,提高页岩气采收率。     

考虑稀薄效应的页岩视渗透率研究

页岩孔隙细小,页岩气在页岩孔隙中的渗流会受到稀薄、克努森扩散、滑移效应的影响。为了表征页岩中气体渗流能力,在考虑稀薄效应对气体黏度影响的基础上,对气体质量通量方程进行了修正,得到了考虑稀薄效应、克努森扩散、滑移效应和孔隙壁面粗糙度的视渗透率计算模型。研究表明,当温度一定时,考虑稀薄效应影响的页岩视渗透率比不考虑稀薄效应的视渗透率大,两者间的差值随着压力的降低而减小。当压力一定时,考虑稀薄效应的页岩视渗透率比不考虑稀薄效应的视渗透率大,两者间的差值随着温度的增加而增大。当温度和压力都恒定时,考虑稀薄效应的页岩视渗透率比不考虑稀薄效应的视渗透率大,两者间的差值随着孔隙半径减小而增大。