考虑微尺度效应的页岩气藏压裂水平井压力动态分析

为了更加准确地进行页岩气井产能预测、压裂设计,研究页岩气渗流的微尺度效应,进行井底压力分析。从微观角度,用带有Langmuir滑移边界的格子Boltzmann方法模拟页岩气在有机质纳米孔道中的流动,并拟合出基质渗透率。在宏观角度,将微观基质渗透率引入试井模型,用Laplace变换、点源方程、叠加原理和数值离散等方法建立页岩气藏多级压裂水平井试井模型,并通过Stehfest算法对Laplace空间下的压力值进行反演,得到典型的压力动态曲线,并分析流动参数对井底压力的影响。结果表明:纳米孔道中气体的稀薄效应显著,孔道直径越小,孔壁的滑移速度越大,甚至大于孔道中的气体速度;页岩气在纳米孔中流动时发生"双滑脱效应","双滑脱效应"导致页岩气的渗透率大于等效液体渗透率,并引起在克氏渗透率图中气体渗透率与平均压力的倒数偏离直线关系;压裂水平井渗流可划分为9个流动区域;拟稳态模型可更好描述吸附解吸阶段压力的变化;吸附系数影响吸附解吸的强度,窜流系数影响吸附解吸出现的时机,弹性储容比影响整个流动阶段,而裂缝只影响早期渗流阶段。     

页岩气藏流固耦合渗流模型及有限元求解

 页岩气渗流模型是页岩气藏动态分析和数值模拟的基础。将裂缝性页岩气藏视为基质孔隙–裂缝双重介质,同时考虑岩石骨架变形对气体渗流场的影响,建立页岩气藏流固耦合渗流模型。模型假设基质孔隙内作克努森流动,裂缝中作达西渗流,综合考虑页岩气壁面滑脱流动与孔内扩散作用、吸附与脱附、应力敏感性等渗流机制。采用有限元法离散控制方程及全隐式耦合求解方法,编制计算机程序。考虑真实页岩参数取值,利用该模型进行算例分析。结果表明,页岩气藏压力下降速率小于常规裂缝性气藏压力下降速率;裂缝渗透率是影响裂缝渗流压力衰减的主要因素,需考虑页岩裂缝导流能力与基质产气速率的匹配关系;原始地层压力越小,裂缝渗流压力衰减越慢。所建模型可为页岩气藏模拟器开发及动态分析提供理论基础。     

考虑Klinkenberg效应的多孔介质气体渗流模型

基于渗流力学理论,建立了考虑气体可压缩性及Klinkenberg效应的多孔介质气体渗流数学模型,并给出了两种边界条件下多孔介质气体渗流方程的解析解;采用数值模拟方法对所得结果进行验证。结果表明,Klinkenberg效应可有效增大多孔介质中气体的渗透系数,降低气体压力,对煤层气、致密砂岩气的抽采具有一定的工程指导意义。     

考虑滑脱效应的煤层气渗流数学模型及数值模拟

在千米深度下赋存煤层气的煤层处于高地层压力作用，因此可认为是致密的多孔介质。煤层的渗透率低，对于致密的多孔介质渗流，滑脱效应将十分显著。据此，建立了低渗透率情况下考虑高地层压力作用和滑脱效应的煤层气渗流数学模型，并采用有限元方法对建立的数学模型进行了数值求解；比较低渗透率情况下考虑高地层压力作用的滑脱流和原有的达西流对压力分布的影响。建立的煤层气滑脱数学模型为研究煤层气非线性渗流问题奠定基础，对高地层压力作用下低渗透率储层的煤层气产量估算具有重要的理论价值。     

基于LBM-IMB-DEM分析岩土多孔介质的渗透淤堵特性

岩土多孔介质中发生的渗透淤堵本质上是渗流与颗粒耦合作用的结果。开发了适用于岩土渗流-颗粒耦合模拟的格子Boltzmann方法-浸入运动边界-离散元法(LBM-IMB-DEM)数值计算平台并对岩土多孔介质的渗透淤堵过程开展了孔隙尺度的模拟,分析了多孔介质骨架颗粒分布、骨架颗粒粒径、孔隙率、骨架颗粒定向性及水压力等因素对其渗透淤堵特性的影响。结果表明:多孔介质中骨架颗粒的空间分布不同,其渗透淤堵特性也有所区别;多孔介质的骨架颗粒粒径或孔隙率越小,淤堵后的滞留颗粒越多,淤堵越严重;骨架颗粒定向性对淤堵特性有一定影响,当骨架颗粒为条形且其长轴与流动方向垂直时淤堵最为严重;随水压力增大,淤堵后滞留颗粒在多孔介质中的分布更趋于分散,淤堵更为严重;岩土多孔介质渗透淤堵的程度与其淤堵前的渗透性密切相关,透水性强的多孔介质相对不易发生淤堵。     

基于组合式平板模型预测曲面裂缝数字岩心渗透率的方法

针对碳酸盐岩微裂缝系统中曲面裂缝特征复杂,流动模拟难以进行的问题,提出一种求解曲面裂缝数字岩心渗透率的方法。首先构建平板裂缝数学模型,并利用格子布尔兹曼方法,得到以开度和倾角为基本参数的微裂缝模型的流动规律;其次基于平板模型的流动规律和曲面裂缝的基本特征将平板模型进行组合求解曲面裂缝的绝对渗透率;最后进行实例验证。结果表明该方法准确有效,可在识别出裂缝相关参数后预测岩心绝对渗透率,避免了大量数值模拟,提高了计算效率。     

低渗煤储层气体滑脱效应试验研究

 在千米深度下赋存煤层气的煤层是致密的多孔介质,煤层的渗透率低,对于致密的多孔介质渗流,滑脱效应十分显著,而滑脱效应又可以增加煤储层的渗透性能。采用试验研究的方法对吉林和阜新两地的低渗煤样进行滑脱试验,研究围压和孔隙对煤层气滑脱效应的影响,分析不同围压和孔隙水压力下滑脱渗透率对气体渗透率的影响,找到滑脱效应对不同低渗储层气测渗透率的有利影响的围压范围,验证低渗煤样中气体滑脱效应存在的普遍性。对弄清煤体内部结构特性和煤层气在煤层中的滑脱流动机制,实现低渗储层煤层气工业化开采具有一定的理论价值。     

多孔介质渗流行为的数值模拟研究

采用分形布朗运动模型对多孔介质进行定量描述,建立了层流条件下多孔介质内部渗流的理论模型并进行了数值模拟,分析了流体在多孔介质内部的流动特性。研究结果表明,多孔介质内部的孔隙结构对其渗流特性有着重要的影响。分形多孔介质内部的速度分布呈现非均匀现象,流线不再是常规通道内的直线,流线出现了扭曲。另外,多孔介质内部流动的雷诺数Re对其渗透率的影响存在一转折点。当Re1时,分形多孔介质的无量纲渗透率几乎保持不变,但随着雷诺数Re的增大,渗透率逐渐降低。此外,随着孔隙率的增大,分形多孔介质的渗透率单调增大。     

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。     

格子Boltzmann方法在斜坡非饱和带土体大孔隙流研究中的应用

大孔隙结构的建立和大孔隙流的渗流模拟能定性和定量的解释大孔隙流的产生机理及其动态变化过程。采用CT扫描获取斜坡非饱和带大孔隙域,基于不考虑外力项的格子Boltzmann方法,通过确定离散速度模型、平衡态分布函数和分布函数的演化方程三大组成部分,其中边界条件与计算假设依据染色示踪试验设定,定性定量化研究二维大孔隙流的渗流过程,研究结果表明:该方法能清晰定量化描述大孔隙流湿润前锋的推进过程,大孔隙效应明显,渗流场流速随着时间推移逐渐趋于稳定,大孔隙效应逐渐减弱;在连通性较好、孔径较大的区域流体流速较快,且在大孔隙中心流速最大,往两侧逐级递减;下层深度处的流体流量和流速往往受控于上一层大孔隙的孔径尺度。格子Boltzmann方法的应用能为大孔隙流特别是三维渗流过程的研究提供新手段。