页岩气藏多尺度微观传质机理研究

页岩气藏微-纳米孔隙发育,天然气以游离和吸附态富集,与常规气藏比较、天然气富集特征、气体传质过程等都更为复杂。页岩气藏经压裂改造后形成人工裂缝-天然裂缝-基质多尺度传质路径,其微观传质过程涉及多种方式,对页岩气藏多尺度微观传质机理的研究将有助于提高页岩气藏开采效率。调研认为,气体传质过程包括有机孔隙和无机孔隙中气体的流动,扩散-渗流模型应考虑吸附-解吸附、滑脱效应、Knudsen扩散以及无机孔隙含水等因素的影响;根据其成藏特点,建立不同孔隙类型、不同尺度孔隙通道条件下气体传质数学模型,可为页岩气藏的开发设计提供依据。     

页岩气藏多尺度微观传质机理研究

页岩气藏微-纳米孔隙发育,天然气以游离和吸附态富集,与常规气藏比较、天然气富集特征、气体传质过程等都更为复杂。页岩气藏经压裂改造后形成人工裂缝-天然裂缝-基质多尺度传质路径,其微观传质过程涉及多种方式,对页岩气藏多尺度微观传质机理的研究将有助于提高页岩气藏开采效率。调研认为,气体传质过程包括有机孔隙和无机孔隙中气体的流动,扩散-渗流模型应考虑吸附-解吸附、滑脱效应、Knudsen扩散以及无机孔隙含水等因素的影响;根据其成藏特点,建立不同孔隙类型、不同尺度孔隙通道条件下气体传质数学模型,可为页岩气藏的开发设计提供依据。     

页岩中气体流动规律数值模拟研究

为了更好地对页岩气进行开发,亟需对其渗流规律进行深入研究。常规气藏的气体渗流理论没有考虑气体在页岩纳米尺度孔隙中流动规律的特殊性。本文考虑气体在页岩微观孔隙中流动时的Knudsen扩散和壁面滑脱效应,建立了针对页岩一维流动的非线性渗流数学模型及求解方法,研究了页岩中气体的渗流特征和规律。通过实验,对本文的数学模型和常规气藏数学模型的结果进行了验证,可以看出:本文的模型结果能更好地符合实验规律,而常规气藏模型计算的流动平衡时间和实验结果有50%左右的差别,因此考虑气体在页岩中的特殊渗流规律的影响,对于页岩气渗流规律的研究是必要的。     

考虑次生裂缝的页岩气藏有限导流缝网模型

为了考虑次生裂缝对页岩气井压力响应特征的影响,建立了耦合多重运移机制的页岩气藏有限导流缝网流动模型,并开展了压力动态特征的研究。首先,通过Laplace空间源函数、局部坐标转换及叠加原理得到耦合吸附-解吸、扩散、渗流的气藏解析解。然后,基于有限差分方法及交汇单元流量分配变换,推导得到裂缝单元的数值解。耦合气藏及裂缝两部分的流动,半解析计算求解得到了考虑次生裂缝影响的压力响应曲线,并对次生裂缝组数、导流能力、裂缝角度等反映次生裂缝特征的参数进行了敏感性分析。结果表明,该模型存在10个典型流动阶段,能有效表征次生裂缝对曲线形态的影响,对页岩气压力动态特征的研究具有重要指导意义。     

考虑应力敏感和水力裂缝方位角的页岩产能模型

产能预测对页岩气的高效合理开发有着重要的作用,而目前国内外对于页岩气分段压裂水平井产能的研究没有同时考虑到天然裂缝应力敏感和水力裂缝形态及渗流特征对产能的影响。为此,根据双重介质渗流理论,综合考虑了页岩储层的吸附解吸、扩散运移、天然裂缝的应力敏感效应,建立了页岩储层渗流模型;同时考虑水力裂缝的有限导流能力、裂缝方位角等因素,利用点源函数方法将裂缝离散,之后叠加建立水力裂缝模型,最后将两种模型耦合得到页岩气藏压力水平井不稳定渗流模型和产能模型。根据已建立的页岩气压裂水平井产能模型,编程计算出产能特征曲线;通过对比模拟结果分析出,与实例类似的页岩气压裂水平井的最优水力裂缝导流能为15～18 D·cm,最优缝长分布方式为外高内低的U型,最优水力裂缝间距分布为等间距分布;模拟结果与页岩气井的现场数据的对比,也验证了该模型的准确性。该研究对页岩气开发有着重要的指导意义。     

页岩气藏压裂井产能评价及分析

页岩气储存在自生自储的纳米级孔隙中,压裂成为页岩气开发的重要技术。在考虑了多尺度非达西渗流机理的基础上,建立了多种流态多尺度渗流模型,求出考虑有限裂缝流动的页岩气藏压裂井稳态产能方程,在该模型中充分考虑了孔隙尺寸对Knudsen扩散系数的影响,并探索了滑脱现象、Knudsen扩散系数D_K、渗透率K、裂缝半长L_f、裂缝穿透比L_f/R_e与裂缝流动能力K_f·W_f对压裂井产能的影响规律。研究结果表明,渗透率修正因子ξ对产能的影响较大,以多尺度渗流模型确定的页岩气压裂井产能与实际生产数据非常稳合。当井底流压<15 MPa时,滑脱效应对压裂井产能的影响开始增强,并且随着滑脱因子增加,压裂井的产能随之增加;岩芯渗透率越低,Knudsen扩散系数D_K和滑脱效应对产能影响越大。     

页岩气藏缝网压裂力学分析

采取岩石力学分析法,计算页岩气藏中天然裂缝张开压力和延伸后沟通压力,分析层理对岩石强度的影响,并给出层理薄弱面形成剪切裂缝的力学条件。结果表明:以前的设计所需井底压力较高,当考虑地层中天然裂缝的张开和延伸沟通后,在较低的井底压力下,就能够形成复杂的裂缝网络;页岩层理会降低岩石的整体强度,在一定的井底压力下,岩石发生破碎,有利于形成缝网;页岩层理薄弱面在较低的压力下容易产生剪切裂缝,这是页岩气藏形成复杂缝网系统的重要基础。因此,对于天然裂缝和层理比较发育的页岩气藏,可以不需要达到以往的较高设计和施工压力就能形成缝网。     

裂缝性页岩气藏水平井产能预测模型

基于页岩气藏线性、非稳态流动特点,考虑未压裂区双重介质特点及其对产气的贡献,建立页岩气多级压裂水平井渗流模型并求得定压条件下Laplace空间解。数值模型验证表明解析解与数值解吻合度高,在此基础上推导新的页岩气双孔瞬态产量典型曲线,补充和发展原有页岩气SRV模型典型曲线,并进行参数敏感分析,将新建典型曲线与SRV模型、Brohi模型典型曲线进行对比。结果表明:新典型曲线流动阶段表现为线性流与过渡流交替,较Brohi单孔外区模型典型曲线更复杂;气藏尺寸、窜流系数、内外区裂缝渗透率比对典型曲线影响很大,而储容比的影响不明显;未压裂区天然裂缝对气井产量有积极作用,对页岩气藏进行产能预测时不可忽略。     

页岩气开采过程中储藏压力影响因素研究

页岩气的流动是一个跨流态、多尺度的复杂问题,研究其在开采过程中,储层压力的变化规律,对其产能效率具有重要意义。基于连续介质模型、双重介质模型以及离散裂缝模型,建立页岩气流固耦合渗流模型。本文采用COMSOL Multiphysics软件建立页岩气水力压裂开采物理模型并进行求解,并且模拟页岩气开采过程中气体流动。通过改变压裂裂缝参数以及采用不同介质模型,探究页岩储层压力的变化规律。     

考虑支撑剂颗粒破碎的页岩分支裂缝导流能力

页岩储层体积压裂复杂裂缝通常被分为主裂缝、分支缝和自支撑裂缝3种形态。页岩气井投产初期,储层压力快速下降,裂缝闭合压力增大,裂缝的长期导流能力直接影响页岩气井的总产量。采用自主研制的多场耦合岩石力学试验测试系统,提出页岩分支裂缝导流能力测试新方法,开展页岩分支裂缝的导流能力试验。结合页岩储层特征,建立考虑支撑剂破碎作用的页岩分支裂缝导流能力的渗流-应力耦合模型,对影响页岩分支裂缝的铺砂方式、裂缝表面形态、支撑剂组合形式等因素进行研究。结果表明:在分支裂缝中,一定铺砂浓度条件下,部分单层铺砂导流效果要好于全部单层铺砂;当闭合压力低时,不同组合形式支撑剂的粒径越大,导流能力越强。     

煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型及无因次解算

 考虑瓦斯在煤层中的解吸、放散与渗流,利用达西定律分别描述煤基质与裂隙内的瓦斯运移,以煤基质与裂隙之间的传质通量为桥梁,发展煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型,推导无因次模型,并运用有限差分法进行编程解算。结果表明：瓦斯压力、含量在裂隙内的下降速度要远大于煤基质;基质空间内瓦斯压力及含量的分布具有非均匀性及非稳态性;增大裂隙渗透性或煤层瓦斯压力,或减小煤壁表面瓦斯压力,均能导致瓦斯涌出速度的增大;煤体游离瓦斯含量对瓦斯涌出速度影响较小。结合潘一矿煤层瓦斯参数,对比模拟结果和实测数据,验证了煤体双重孔隙瓦斯双渗流模型的正确性。     

异常高压气藏应力敏感性研究

 克拉2异常高压气藏是目前我国探明的最大整装干气气藏,属于异常高压气藏。对于这种具有极高异常压力的气藏,在衰竭式开采过程中,地层压力逐渐下降,作用在岩石颗粒上的有效应力增加。这种效应有可能产生岩石形变,产生应力敏感,使得岩石物性参数孔隙度、渗透率减小,从而影响到气藏流体的流动动态及气井产能,给高效、合理地开发带来许多困难和问题。为此,设计模拟地层条件下储层应力敏感的试验流程与试验方法,以克拉2异常高压气藏的砂岩岩芯为试验对象,进行不同有效应力下储层物性应力敏感性试验以及应力敏感岩芯往复试验研究。试验结果表明,初始渗透率越低,则应力敏感性越强,孔隙度对有效应力的敏感性低于渗透率的应力敏感性。同时,通过三轴高温、高压岩石变形与渗透试验仪得到岩石典型的全应力–应变曲线,定量描述地层压力降低后,岩石出现永久塑性变形的特征,这是储层物性产生应力敏感性的原因。这些研究对该气藏合理开发是非常必要的,对气藏动态储量的计算、产能评价及合理生产工作制度的确定具有重要意义。     

基于岩土介质三维孔隙结构的两相流模型

地下储层中岩土介质一般具有较低的孔隙连通性,宏观流动模拟一般忽略微观尺度的孔隙连通性,通过渗透率、弯曲度等参数反映储层的整体特性。但岩土介质的多孔性及孔隙间复杂的连通性,使得宏观描述流体在岩土介质中流动不能反映其内在流动特征。孔隙结构模型的建立可以反映岩土介质中孔隙的几何形态及空间连通性,为解释流体在复杂多孔介质中的流动特性提供有效手段。通过考虑岩土介质孔隙尺寸分布、孔隙孔喉空间相关性、孔隙连通性等特征参数,建立了反映不同岩土介质连通性、各向异性特征的等效孔隙网络模型。等效孔隙网络模型通过水力特征参数等效的方式反映岩土介质三维微观孔隙结构,通过渗透率计算验证了模型的有效性。此外,基于建立的孔隙结构模型,开发了孔隙尺度动态两相流计算模型,模型可以反映孔隙内弯液面的动态运动过程,直观反映多孔介质中的优势渗流,可以为不同孔隙尺度岩土介质提供表观渗透率、击穿曲线、相对渗透率曲线等宏观计算参数。将孔隙尺度两相流模型应用于页岩气开采中水力阻滞特性研究,结果表明：页岩基质的残余饱和度约为30%,随着平均配位数的增加,残余饱和度显著降低。     

页岩气储层井壁坍塌压力研究

页岩气储层各向异性强,易发生井壁失稳。利用四川盆地所取页岩气储层岩芯测试钻井液对页岩基体及层理面强度的影响规律,结合单一弱面准则,建立页岩气井井壁稳定预测模型,分析层理面倾角、钻井方位、钻井时间及钻井液类型等因素对页岩储层水平井坍塌压力的影响规律。研究结果表明：层理面倾角小于45°时,井壁岩石发生层理面破坏,倾角大于45°时,在某些井眼方位井壁会发生本体破坏;沿最小水平地应力方位附近钻进水平井最容易发生井壁坍塌;随钻井时间的增加,坍塌压力逐渐升高,井壁破坏形式可能会由初始的页岩基体破坏变为层理面破坏;使用油基钻井液比使用水基钻井液更容易保持井壁的长期稳定。研究结果可以为页岩气井钻井设计提供参考依据。     

含夹层盐岩储气库气体渗透规律研究

 盐岩储气库气体密封性能是储气库的一项重要技术和安全指标,层状盐岩储气库极可能会使天然气沿着岩层逃逸,造成天然气的外部渗漏。含软弱夹层盐岩储气库的气体渗透机制十分复杂,含软弱夹层的渗流力学模型与数值计算方法是解决评估储气库气体渗透范围的关键。考虑夹层与盐岩层之间存在层面,假设软弱夹层和盐岩为多孔介质,建立了等效边界气体渗流模型,该模型既克服了等效介质模型不能正确反映层理面渗流问题,又克服了双孔双渗裂隙介质模型计算量大的缺点。结合金坛储气库建设,数值仿真了储气库在注–采气不同循环压力作用下5 a内围岩气体压力分布;研究了软弱夹层与盐岩的层理面渗透系数、采气速率和腔体群不同时注–采气等工况对储库围岩气体压力分布的影响。研究结果表明：层理面渗透系数对储气库压力分布有着至关重要的影响,溶腔群的采气速率和注–采方法对相邻矿柱的气体压力分布影响明显。研究结果为含夹层废弃盐腔储气库的设计和合理注采参数的确定提供了科学依据。     

多场耦合作用下页岩渗透特性实验研究

页岩气开采过程,其储层页岩渗透率受多重因素的影响。采用自主研发的多场耦合作用下不同相态CO₂致裂驱替CH₄实验装置,实验研究了有效应力、孔隙压力、温度以及吸附膨胀效应等因素对裂隙页岩体与型岩渗透特性的影响。结果表明:(1)页岩渗透率随有效应力增加呈负指数关系减小,且型岩对于有效应力变化具有更强的敏感性;(2)在相同应力状态下,由于吸附引起的差异性膨胀效应会降低页岩渗透率,不同气体作用下测得的页岩渗透率表现为He＞N₂＞CO₂。(3)两种页岩中渗透率随孔隙压力变化规律具有差异性。SC-CO₂致裂页岩在低压条件下Klingkenberg效应不明显,渗透率随平均孔隙压力的增大而增大,型岩在低压阶段由于Klingkenberg效应对渗透率变化起主导作用,随着孔隙压力增加,其渗透率降低,在达到极小值后,随着孔隙压力的增加,Klingkenberg效应减弱,有效应力起主导作用,渗透率随孔隙压力增加而增加;(4)温度作用通过改变页岩的孔隙结构、力学性质等控制页岩渗透率的变化,随着温度增加,页岩渗透率降低。因此,在页岩气开采过程以及CO₂强化页岩气开采过程需要考虑多因素耦合作用对页岩渗透率的影响。     

页岩混合气纳米孔多传输机理耦合数学模型

在原始气层条件下,页岩气的气体组成往往含有一系列杂质气体。此外,二氧化碳等气体常被注入气层提高页岩气井产能。本文以页岩基质微纳米孔道中的混合气体传输特征为研究对象,考虑体相气体扩散传输机理,建立了页岩气纳米孔混合气传输模型。以甲烷和二氧化碳混合气为例,研究了不同二氧化碳含量条件下,混合气的流动特征。研究表明:(a)克努森数随着混合气中甲烷质量分数的下降而增大,且修正的滑脱流动传导率和克努森扩散传导率均下降;(b)在中等压力条件下(1 MPa),修正的滑脱流动和克努森扩散对页岩气传输的贡献程度具有可比性;(c)随着页岩气层压力的升高,修正的滑脱流动对总气体传输的贡献增大;(d)在全压力和孔隙半径条件下,混合气体效应对修正的滑脱流动和克努森扩散对总气体传输量的贡献可以忽略。     

陆相页岩CO2压裂裂缝起裂和扩展特征试验研究

富含黏土矿物的陆相页岩气储层在传统水基压裂过程中易出现基质黏土吸水膨胀现象,降低页岩双重孔隙介质渗透特性,使得页岩气开采遇到一定的阻碍。因此,针对高水敏性页岩气储层,采用CO₂等无水压裂技术的特性研究显得愈发重要。采用延长陆相页岩和致密砂岩试样开展CO₂与清水室内压裂对比试验,揭示了CO₂压裂起裂及扩展特征。实验结果表明:CO₂压裂起裂压力远低于清水压裂,平均值仅为后者的60%;页岩丰富软弱层理面削弱最大主应力对主裂缝扩展的影响,导致沿层理面产生剪切裂缝;低黏度CO₂的高渗滤导致孔隙压力升高,并降低基质缺陷及弱面处的有效应力,有利于裂缝尖端沿着试样内部缺陷薄弱区域扩展,从而形成粗糙裂隙表面。可见,CO₂无水压裂技术适用于超低渗透性页岩气储层改造,研究结果可为水敏性陆相页岩气的现场压裂施工与参数优化提供支撑。     

地层条件下凝析气藏的多相渗流特性

 在进行凝析气藏的数值模拟、试井分析以及开发动态预测的过程中,需要获取具有代表性的凝析油气、油水和气水相对渗透率曲线。深层高温高压凝析气藏在开采过程中地层流体渗流伴随着复杂的相变,因此,不能用传统的油气相渗曲线来代替实际地层条件下凝析油气相对渗透率的变化规律。在地层常规物性和流体特性分析的基础上,以实际凝析气藏的凝析油、气和地层水为实验流体,用实际凝析气藏的岩石作为多孔介质,在地层温度和压力条件下研究了多相渗流特征,得到了油气、油水和气水多相渗流的相渗曲线,表明地层条件下低孔低渗岩石的油水、油气和气水两相共渗能力较弱,而对于含裂缝或孔洞的高孔高渗岩石,油水、油气和气水两相共渗区较宽,驱替效率较高。这些成果为高温高压凝析气藏的动态模拟与预测提供重要的数据和相渗曲线。