龙马溪组页岩高压等温吸附规律研究

页岩储层微纳米孔隙中赋存着大量吸附气,针对储层高压条件下页岩等温吸附规律认识不清的现状,采用国外引进的高温高压（69 MPa,177 ℃）等温吸附设备,并首次考虑了含水饱和度,研究了长宁—威远地区下志留统龙马溪组页岩样品的静态吸附规律,探讨了页岩过剩吸附量与绝对吸附量的关系,对其主控因素进行了敏感性分析,并建立了高压过剩吸附量模型。研究结果表明,等温吸附曲线随压力变化存在极值,即临界解吸压力,通常介于10～15 MPa。压力大于临界解吸压力,过剩吸附量随着压力的增加而降低,对现场开发而言,储层压力低于临界解吸压力,吸附气开始供给。页岩的最大过剩吸附量与表面积、TOC含量呈正相关,与孔隙半径、温度呈负相关。含水的存在极大地降低了页岩的吸附量,含水饱和度达到46%,含气量最大值降低40%,需要对储层含水页岩的吸附作进一步的研究。基于吸附相体积理论建立了修正Langmuir高压等温吸附模型,能够拟合与表征高温高压吸附等温规律。页岩的高压吸附规律研究对含气量计算、储量评价、吸附气动用规律和生产递减分析方法提供理论支持。     

柴达木盆地三湖地区第四系七个泉组含水泥页岩气体吸附及流动能力分析

柴达木盆地三湖地区第四系七个泉组泥页岩处于成岩早期阶段,含水饱和度高,极大地影响到天然气的吸附以及流动能力,进而影响泥页岩层段含气性以及气井产能。为此选用三湖台南地区和察尔汗地区第四系七个泉组泥页岩样品,开展扫描电镜与气体吸附—压汞联测,明确七个泉组泥页岩孔隙发育特征;开展不同含水饱和度条件下的等温吸附及覆压渗透率实验,以揭示含水饱和度对泥页岩的甲烷吸附作用与气体流动能力的影响。研究结果表明：七个泉组泥页岩黏土矿物含量较高,平均为33.0%;储集空间包括矿物粒间孔和粒内孔2类,孔径分布为单峰型,主峰孔径在50~150 nm之间,宏孔对孔体积的贡献最大,占比可达66.8%;七个泉组泥页岩随着含水饱和度的上升吸附气量逐渐降低,当含水饱和度超过临界值10%~20%,吸附气量下降幅度减缓。吸附气量与黏土矿物具有较好的正相关关系,其中伊利石对吸附气量的贡献最大;七个泉组泥页岩气体流动方式以滑脱流动为主。含水使得气体流动能力减弱,2 MPa条件下,当含水饱和度从10%升至50%,泥页岩渗透率平均降低52.93%。在同沉积背斜构造外围平缓区域,泥页岩气能够滞留成藏,泥页岩气井具有较好的含气丰度,开发潜力较强,为勘探有利区。     

页岩无机质孔隙含水饱和度分布量化模型

目前对于页岩储层含水饱和度的评价多侧重于宏观尺度,而对页岩纳米孔隙内含水饱和度分布特征缺乏深入研究。在考虑页岩储层"超低含水饱和度"特征基础上,分析了储层液态水与气态水热力学平衡关系,结合水膜理论,建立了页岩无机质孔隙水膜厚度量化模型。研究表明：孔隙尺度、孔隙形状及天然气相对湿度是影响水膜厚度的主要因素;在原始含水条件下,部分微小孔隙可以被毛细管水充填,以研究样品为例,当储层含水饱和度为50 % ,天然气相对湿度为0.98时,孔隙直径为5.35 nm以内的孔隙将被毛细管水阻塞,此类孔隙对页岩气的吸附及流动不起作用。在微观尺度下,研究孔隙类型、孔隙半径、孔隙形状等对含水饱和度的影响规律对进一步认识页岩储层流体赋存方式、吸附特征及产气机理具有重要意义。     

等温条件下页岩储层视渗透率随压力变化规律研究

储层中页岩气通常在较大压差和压力梯度条件下流动,流动过程受努森扩散、滑脱效应等多种机理综合作用,流动特征也随流动机制改变而产生相应的变化。实验选取9块页岩岩心,通过开展氮气与氦气的页岩流态实验,得到等温条件下一定压力范围内不同流动机制下的页岩视渗透率变化规律。实验结果表明:发生努森扩散的页岩视渗透率可高于常规气测值数十倍以上,低压差或低压力梯度条件下储层因扩散作用增强实际流动能力增加。当压力水平或压力梯度较低时,扩散是传质的重要机制。认识这一特征对于进一步了解页岩气流动规律以及指导提高页岩气产量有着重要意义。     

页岩气资源/储量计算中吸附参数确定的新方法——以四川盆地五峰组—龙马溪组页岩为例

页岩气资源/储量计算过程中，等温吸附参数的确定主要采用实验温度条件下的干燥样品数据，并存在总有机碳含量(TOC)和等温吸附参数回归效果差的问题。为此，以四川盆地上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组海相页岩为例，从Langmuir吸附模型和Henry吸附模型中关键参数的物理意义出发，分析了页岩气资源/储量计算过程中等温吸附参数确定中存在的问题，并基于大量等温吸附实测数据，分析影响页岩气吸附参数的TOC、温度和含水饱和度等因素，建立了TOC、温度和含水饱和度对页岩等温吸附参数的影响模型，提出了从实验条件到储层原始条件下页岩气吸附参数计算的新方法。研究结果表明：(1)页岩气资源/储量计算过程中存在等温吸附参数与TOC关系拟合规律差且互有矛盾、范特霍夫方程难以有效转换、含水饱和度(S_w)在资源/储量计算中不易直接应用等问题。(2)将Langmuir吸附模型和Henry吸附模型结合，建立页岩对甲烷的吸附能力新参数Henry常数a，有效地解决了Langmuir压力(pL)与TOC直接拟合效果不佳的问题。(3)当S_w<40%时，Langmuir体积(VL...     

基于煤层气理论下的页岩气吸附与解吸附理论新认识

页岩气在储层中的赋存状态分为吸附态和游离态。其比例受页岩性质和储集层条件的影响,一般吸附气占总含气量的25%~82%,页岩对气体的吸附能力取决于岩性、储层温度、压力和孔隙结构等因素。对页岩气等温吸附特征进行研究分析,页岩中气体两种存在状态对页岩气井产能的影响。结果表明页岩吸附与解吸附受到成藏圈闭、赋存水以及页岩含碳量等因素的影响。     

川南深层页岩气储层含气量测井计算方法

页岩储层含气性是页岩气井获产的基础,含气量是页岩气储层评价的关键指标。通过岩心含水饱和度分析,建立了基于黏土含量与有机质含量双重因素影响的非电法页岩储层饱和度计算方法。通过岩心等温吸附实验,确立了兰格缪尔体积和兰格缪尔压力多因素动态计算方法。结合研究区地层在纵向上温度、压力以及总有机碳含量动态变化的特征,建立了基于兰格缪尔等温吸附模型的页岩吸附含气量测井计算模型,在川南地区龙马溪组五峰组深层页岩气储层含气性评价中取得了良好的应用效果。     

基于渗流新模型分析页岩气流动影响因素及规律

储层条件下Langmuir吸附模型不足以描述页岩气的超临界高压吸附特征,故含Langmuir吸附模型的渗流方程不利于描述超临界高压吸附解吸作用下页岩气的流动特征,因此建立了考虑超临界高压吸附模型的页岩气渗流方程,并与考虑Langmuir吸附模型的渗流方程进行了对比,同时分析了渗透率、孔隙度及吸附解吸作用对页岩气流动的影响规律及程度。研究表明:与Langmuir吸附模型相比新吸附模型能更加准确地描述页岩的超临界高压等温吸附特征;基于新吸附模型的渗流方程拟合实验结果的精度更高,更利于描述吸附解吸对流动的影响;当平均压力下降小于32.70%时,日产量影响程度排序为渗透率孔隙度吸附解吸作用;当平均压力下降为32.70%~42.58%时,日产量影响程度排序为孔隙度渗透率吸附解吸作用;当平均压力下降大于42.58%时,日产量影响程度排序为孔隙度吸附解吸作用渗透率;孔隙度、渗透率仍为页岩气传质输运的主控因素,但不可忽略吸附解吸作用对页岩气井生产中后期的影响。     

含水页岩吸附甲烷实验研究综述

页岩气吸附特征和吸附机理以及以其为基础的页岩气藏吸附气储量正确评价,是正确制定页岩气藏开发技术政策和开发方案的基础。美国的页岩调查显示北美页岩的含水饱和度均不为零,我国南方海相页岩的调查资料也显示其储层都是含水的。由此我们可以得出一个结论:不论国内还是国外,页岩气藏都有不同程度含水。目前,页岩吸附实验是按煤层气标准,利用烘干粉碎页岩样品进行,而页岩储层含水,实验条件与页岩气藏实际条件相差甚远,致使得到的实验结果与页岩气储层实际相差甚远,也无法正确评价实际页岩气藏吸附气含量。     

页岩中基于孔隙度和有机碳含量的甲烷吸附量计算

根据四川盆地页岩气勘探开发经验,页岩气在地下的赋存状态为吸附态和游离态,以及少量溶解态,其中游离态的含量可达20%~85%。因此,研究地层高压条件下页岩中甲烷吸附特征对页岩储层的准确评价以及储量预测具有重要意义。以四川地区页岩气储层为对象进行等温吸附实验,分析实验结果后发现,甲烷在页岩孔隙中随压力增加其吸附量逐渐增加,但吸附量的增加率呈逐渐下降的特性。通过分析常用吸附量计算模型,发现甲烷在页岩中的吸附量受孔隙度和有机碳含量的影响。通过与实验结果的拟合,引入由孔隙度与有机碳含量决定的计算因数,进而得到新的等温吸附量计算方法,平均相对误差为8%左右。该研究对简化页岩吸附量计算方法,准确预测页岩层储量具有重要意义。      

页岩纳米级孔隙气体流动特征

页岩气在孔隙中的流动规律是评价页岩气产能的基础,而气体流动规律与页岩的孔隙大小密切相关。通过液氮等温吸附对昭通地区龙马溪组以及五峰组页岩的孔隙进行研究发现,该地区页岩孔隙大小主要分布在4~6 nm。利用Kn数和Beskok-Karniandakis方程计算了页岩的表观渗透率,分析了压力、温度以及吸附作用对气体流动规律的影响:在直径小于10 nm的孔隙中,气体表观渗透率与达西渗透率的比值高达30,气体的吸附会缩小页岩的孔径,吸附层的存在会使得孔径小于10 nm的孔隙表观渗透率与达西渗透率的比值增大。温度与压力都会影响Kn数,从而影响气体的表观渗透率和页岩吸附层厚度。在不考虑吸附层的影响下,压力升高,页岩表观渗透率下降,温度升高,表观渗透率稍有变化,变化不明显;考虑吸附层影响下,页岩表观渗透率与达西渗透率之比与不考虑吸附时表观渗透率与达西渗透率之比随压力降低或温度上升呈下降趋势。     

页岩储层渗吸过程中水的微观分布及其气测渗透率动态响应特征

在页岩油气储层水力压裂过程中,压裂液的滤失行为会增加储层的含水饱和度、降低储层渗透率。研究压裂液侵入对储层渗透率的影响,对于页岩油气的高效开发具有重要意义。为此,针对渤海湾盆地沾化凹陷沙河街组三段下亚段灰质页岩和混合质页岩岩相样品,通过自发渗吸实验获得了样品不同含水饱和度行为,利用核磁共振表征水在孔隙中的动态运移,结合覆压渗透率定量表征气测渗透率动态变化。实验结果表明：①在含水饱和度为5%~40%的渗吸过程中,以微孔（核磁共振T₂<1 ms）吸水为主,T₂谱累积信号呈上升趋势,占比逐渐增加,而中孔和大孔的T₂累积信号呈缓慢上升和波动状态且占比逐渐降低。当含水饱和度达到40%时,微孔累积信号占比高达87%以上。②水化改善作用与水锁和水敏损害相互制约,影响渗透率的动态变化,主要分为3种制约状态（水化远大于、大于、小于水锁和水敏）。结合矿物组分和孔隙结构分析发现,在黏土矿物含量为25%~43%的页岩中,渗透率损害率与黏土矿物和石英含量呈正相关,与脆性指数和碳酸盐矿物含量呈负相关性,灰质页岩水化改善作用优于混合质页岩,且大于1 μm孔喉的发育既能促进水化改善作用,又能降低水锁和水敏对孔喉的损害。     

页岩柱塞脉冲衰减测试的渗流机理再认识

在采用柱塞脉冲衰减法测试页岩渗透率时,对影响测试和分析精度的各种因素进行综合分析,有助于提高测试结果的准确性。由于页岩中发育大量的纳米级孔隙,测试压力越低,越容易出现非达西渗流。为了确保测试过程中气体呈达西渗流,根据克鲁得森数的定义,提出了孔隙中达西渗流的压力下限;针对柱塞脉冲衰减测试中的气体渗流过程,考虑气体在有机孔隙中吸附作用的影响,建立了气体解吸—渗流耦合模型;完成偏微分方程组的求解推导后,提出了相应的渗透率计算方法 ;柱塞脉冲衰减测试后,对页岩样品进行了配套的氮气等温吸附测试和甲烷等温吸附测试。实例分析结果表明:①在柱塞样脉冲衰减测试中,气体在岩样中作一维线性渗流,在构建渗流方程时,可以采用气体压力代替气体拟压力,简化计算难度;②氮气在页岩中的吸附性远弱于甲烷,上下游压差的变化在初始孔隙压力的5%范围之内时,氮气解吸对渗流的影响可以忽略。结论认为,现有的行业标准虽然没有考虑气体吸附的影响,但所得到的页岩渗透率仍然可以满足精度要求。     

Correction for and Geologic Significance of the Abnormal Adsorption of Methane to Shales

Abnormal adsorption phenomena are widely observed when applying isothermal adsorption to evaluate the adsorptive capacity of shales. Under experimental conditions, the isotherms of moisture-equilibrated samples initially behaved like Type I isotherms, then crossed the abscissa when saturated, indicating a limited adsorption capacity. As the pressure increased, the free gas density increased and the error associated with the adsorbed phase decreased the apparent value. Applying the Gibbs excess adsorption model provides a simple correction for the saturated adsorptive capacity. Compensating for the saturated adsorptive capacity reveals the true adsorptive capacity of shale gas reservoirs, which allows a more accurate estimate of the reservoir resources, as the adsorbed gas content calculated based on the apparent value would underestimate shale gas reserves. Deeply buried shale gas reservoirs will have a higher percentage of free gas, generally >60% if emissions are omitted while adsorbed gas is more easily retained in the reservoir than free gas.     

实际状态下的页岩气表观渗透率计算新模型

现有的页岩气表观渗透率计算模型均假设页岩气为理想状态,未考虑吸附气表面扩散等的影响,因而有可能与实际状态下的结果存在着差异。为此,针对实际状态下页岩气在纳米孔隙中的渗流情况,考虑了游离气的黏滞流、Knudsen扩散以及吸附气的表面扩散等影响因素,通过渗流力学方法,推导出了一种适用于实际状态的页岩气表观渗透率计算新模型;通过与实验测量结果的对比,验证了新模型的准确性,并利用所建模型分析了影响页岩气表观渗透率的各种因素。研究结果表明:(1)压力和孔隙半径对页岩气表观渗透率的影响最大,相对分子质量及阻塞系数对其的影响较小,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;(2)在低压和高压条件下,各因素对表观渗透率及各渗透率比重的影响趋势存在着差异,低压下温度及孔隙半径对表观渗透率的影响更明显,同时温度、孔隙半径、Langmuir最大吸附量、Langmuir压力、等量吸附热等因素对各渗透率比重的影响也更明显;(3)压力较小、孔隙半径较小时,表面扩散占主要地位,压力较大、孔隙半径较大时,黏滞流占主要地位,小孔隙半径或低压条件下,表面扩散现象不可忽略。     

页岩气储层纳米级孔隙中气体的质量传输机理及流态实验

为了探究页岩气储层纳米级孔隙中气体的质量传输方式、机理、气体流态,以及页岩表观渗透率的合理表示方法,首先基于前人的研究成果,从微观和宏观的角度综合分析了页岩纳米孔隙中气体的质量传输机理;然后通过开展致密页岩中气体渗流实验,对纳米孔隙中气体的真实流态进行了分析,讨论了孔隙尺寸、压力等参数对页岩渗透率的影响;进而对不同页岩表观渗透率模型进行了比较,探讨了其合理的表示方法。研究结果表明:(1)页岩纳米孔隙中游离气质量传输方式主要为滑脱流、努森扩散及斐克扩散,吸附气质量传输方式主要为表面扩散,气体流态为滑脱流或过渡流,不存在连续流,并且孔隙越小、压力越低,滑脱流越弱,努森扩散越强;(2)在相同的实验条件下,Darcy渗透率最低,B-K表观渗透率和Civan表观渗透率非常接近,Klinkenberg表观渗透率居中,APF表观渗透率与Wu表观渗透率最高且出现了曲线交替;(3)在Wu表观渗透率中,滑脱流在滑脱区和过渡区都是气体质量主要的传输方式;(4)在APF表观渗透率中,滑脱流是滑脱区气体质量主要的传输方式,而努森扩散则是过渡区气体质量主要的传输方式。     

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在钻井、完井和增产改造等各种作业过程中，近井地带由于钻井完井液的侵入，含水饱和度升高，且有效应力也发生变化，二者综合作用使气层有效渗透率大幅度降低。文章选取鄂尔多斯盆地上古生界典型致密砂岩样品，进行了恒定有效应力不同含水饱和度下气相渗透率实验、干岩样和不同含水饱和度条件下岩样应力敏感实验。实验结果表明，含水饱和度升高对致密砂岩气相渗透率损害严重；水的存在加剧了致密砂岩应力敏感程度，且含水饱和度越高应力敏感性越强；干岩样在3 MPa围压时的渗透率大约是40~50 MPa围压下含水饱和度为45%时气相渗透率的10~3000倍，将常规测量渗透率校正为原地条件下渗透率要考虑有效应力和初始含水饱和度的影响，防止滤液侵入对于致密气层的保护具有十分重要的意义。     

页岩对甲烷的吸附作用及其固气效应初步研究———以渝东南残留向斜为例

页岩对甲烷的吸附作用既有普遍性,又有差异性,其对页岩气赋存状态、保存、富集成藏影响的研究有待深化。采用等温吸附、扫描电镜、液氮吸附、有机质地球化学等技术手段,对渝东南残留向斜区常压页岩气藏五峰—龙马溪组页岩的吸附作用进行了研究。结果表明,页岩吸附作用受控于页岩的孔隙结构、有机质特征等内在特性,以及其所处的温度和压力等外部环境条件;地层条件下页岩的吸附作用强度可以利用Langmuir模型进行预测,渝东南某残留向斜五峰—龙马溪组页岩吸附作用强度存在临界深度,在临界深度吸附作用强度达到峰值。结合理论分析及三轴应力吸附条件下页岩渗透率测定实验数据,认为页岩的吸附作用致使其渗透率降低,形成一种阻滞页岩气渗流扩散的"固气效应",这种固气效应对残留向斜页岩气保存及富集边界的影响值得进一步研究。