页岩储层气体流动能力实验研究

针对采用常规渗透率无法有效表征页岩储层流动能力的现状,运用自主研发的页岩气稳态流动和衰竭开发物理模拟实验装置,测试了压力为0. 0～30. 0 MPa的气体流动能力,结合孔隙分布和应力敏感测试,建立了页岩储层基质气体流动能力的表征方法。研究表明:页岩储层中气体流态以滑脱流为主,明确了滑脱因子、吸附以及应力敏感对流动能力的影响,建立了氦气渗透率、氮气渗透率与甲烷渗透率三者之间的转换关系;建立了考虑滑脱、吸附和应力敏感的表观渗透率模型,能表征页岩气在基质中的流动能力。建立的表观渗透率模型更接近原始储层气体的真实流动状态,能反应页岩气开发过程中储层的实际渗流能力,从而为页岩产气规律评价和生产动态预测提供科学依据。     

基于LBM页岩微观尺度气体流动模拟研究

页岩有机质存在大量的微纳米孔隙,分布在该尺度孔隙中的页岩气在开采条件下的流动表现为特殊复杂的流动形态,达西渗流定律已不适用于页岩储层微纳米尺度孔隙中气体流动的模拟计算与表征。采用格子Boltzmann方法,基于页岩气微观尺度气体流动特征,结合真实气体状态方程,建立了页岩微尺度气体流动的物理模型和数学模型,得到不同参数下微观气体边界滑移速度分布和压力分布规律。计算结果表明:孔隙尺寸和压力是页岩气在微纳米孔隙中的流动能力的决定性参数,孔隙尺寸和压力的增加将导致气体压缩效应增强,滑脱效应减弱;温度升高和压力降低均能促进吸附气体发生解吸,且页岩气的解吸吸附效应对于温度的变化相对于压力更敏感。该研究对认识页岩气微观流动规律具有重要的理论价值,对制订合理的开采制度,实现页岩气长效生产具有重要指导意义。     

页岩气开采模拟实验方法研究

为提高对页岩气特有的赋存状态和产气规律的认识水平,利用自主研发的模拟实验装置,采用天然页岩储层岩心和甲烷气开展了气体流动能力、气井生产动态和全生命周期生产模拟实验。实验结果表明,研发的模拟实验装置和配套技术具有高压力、超长周期、多点测压等特点,能够较真实模拟页岩储层条件下的页岩气流动过程,初步揭示了扩散是主要的传质输运机理、页岩基质压力传播较慢、生产初期主要产出游离气、后期吸附气开始供给等页岩气的传质输运机理和衰竭开发规律,从而为页岩气开发技术政策制定提供了实验依据。     

页岩气在基质纳米孔隙中的渗流模型

基质孔隙中页岩气包括孔隙中的自由气、孔隙壁面的吸附气、溶解于有机质中的溶解气,大量文献显示页岩孔隙和喉道皆为纳米级,尽管孔隙小、气体扩散慢,但页岩基质比表面较大、溶解气量大,溶解气的扩散作用具有重要影响。根据Farzam Javadpour渗流理论,假设页岩基质为岩石颗粒、黏土、干酪根的均质体,认为基质纳米孔隙中气体运移是压力作用下气体滑脱、克努森扩散、气体吸附解吸、溶解于干酪根中的气体向孔隙动力扩散等共同作用的结果,且吸附气符合Langmuir等温吸附机理,从而采用微元法推导出页岩气基质孔隙渗流模型。     

中国南方海相页岩气体滑脱效应实验研究

为了研究滑脱效应的存在条件,以及对页岩气在页岩储层中的渗流规律,基于页岩气的渗流机理和气体渗流的滑脱机制,通过室内实验测定了不同孔隙压力条件下滑脱因子的大小,研究了孔隙压力对页岩气滑脱效应的影响,以及滑脱效应对气体渗透率的影响情况;对含裂缝和不含裂缝的页岩开展了不同孔隙压力下的渗流特征分析。结果表明:页岩中气体滑脱效应是客观存在的;对于不含裂缝的岩心,气体在页岩渗流过程中滑脱效应的强弱很大程度上取决于储层孔隙压力的大小;当储层孔隙压力1 MPa的时候,滑脱效应明显;当储层孔隙压力大于1 MPa的时候,滑脱效应不明显,整个流动过程为先滑脱流后达西流。对于含明显裂缝的岩心,渗透率随着平均孔隙压力的增大而呈现出三段不同的关系,随着孔隙压力越来越大,渗透率越来越低,且下降趋势越来越大,滑脱效应愈发明显。     

页岩气体积压裂水平井非稳态产能评价模型

页岩基质渗透率极低,天然裂缝发育,是一种典型的双重介质。气体在页岩纳米级孔隙中同时存在吸附解吸、扩散和渗流等多种流动机理,同时,天然裂缝渗透率会随地层压力的降低而降低。以平板双重介质模型为基础,综合气体在页岩纳米级基质孔隙中的吸附解吸、扩散和渗流机理,考虑天然裂缝的应力敏感效应,建立了一个页岩气体积压裂水平井非稳态产能评价模型,采用摄动法和Laplace变换,求取了模型的解析解,绘制了典型生产曲线。结果表明,吸附解吸和扩散作用分别影响早期产能和中后期产能,而天然裂缝的应力敏感性影响所有流动阶段的产能。     

页岩气与煤层气开发特征模拟实验研究

为明确不同吸附气比例对气体开采特征的影响,优选具有代表性的页岩和煤岩样品,分析了页岩气与煤层气赋存与开发机理的异同,建立了高压吸附特征测试和多点测压串联开发模拟实验方法,对比分析了页岩气和煤层气的压力传播规律和气体动用规律。结果表明：页岩和煤岩基质的渗流能力均较低,煤岩样品的吸附能力约为页岩样品吸附能力的9倍,储层中煤层吸附气达到79%,占主导地位,而页岩储层中以游离气为主;页岩与煤岩的压力传播速度均较慢,煤层动用能力高于页岩储层,开发300d煤岩采出程度达到95%,页岩采出程度仅为75%。研究认为,在开发中后期,压力降低,吸附气解吸参与供给,页岩和煤岩压力下降均明显变缓,单位压降产气量增加,煤样的单位压降产气量增加程度远高于页岩,页岩气开发技术政策应以高效动用游离气为主,而煤层气开发技术政策应以有效动用吸附气为主。研究成果为完善非常规天然气渗流理论、优化开发技术政策奠定了基础。     

涪陵地区五峰-龙马溪组页岩流动特征

涪陵页岩气田是我国第一个实现商业化开发的页岩气田,上奥陶统五峰-龙马溪组为该区主力产气层。通过开展核磁共振实验、高温高压等温吸附实验、分子动力学模拟、扩散实验、低速渗流实验,同时结合理论计算,初步揭示了目的含气页岩层页岩气流动特征。研究表明,涪陵地区五峰-龙马溪组页岩孔径以小于10nm为主,占比80%以上;气体分子主要以单层吸附为主。涪陵地区页岩地层压力低于10~15MPa时,页岩气开始大量解吸;扩散系数随孔隙压力、含水饱和度增大而减小,随温度增加而增大;甲烷气体在孔隙压力小于5MPa时,滑脱效应显著;在地层温度和压力条件下,页岩气在孔径大于200nm孔隙中,流态为达西流,在孔径介于2~200nm孔隙中,页岩气流态以扩散和滑脱流为主。     

页岩气吸附解吸效应对基质物性影响特征

为了研究页岩气降压开采过程中吸附气解吸作用对基质表观物性(如有效孔隙半径、有效孔隙度、表观渗透率)及气体流动机制的影响,推导了吸附解吸作用下页岩基质孔隙有效半径和表观渗透率动态模型,建立了考虑吸附解吸影响基质表观物性和气体传输机制的页岩气渗流数学模型。采用有限体积法对模型进行求解,利用实验及矿场数据验证了模型的可靠性,最后应用该模型研究了页岩气开采过程中基质物性参数、气体流动机制变化特征以及吸附效应对页岩气开发的影响规律。研究结果表明,页岩气开采过程中基质孔隙有效半径、有效孔隙度和表观渗透率逐渐变大,体积压裂改造区域流动机制由滑脱流转变为过渡流;忽略吸附层影响将导致地质储量和产气量严重高估;随着吸附层厚度增加,累计产气量变化不大,但采收率逐渐降低。     

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。      

考虑应力敏感和吸附的页岩表观渗透率模型

页岩气流动存在明显的多尺度效应,而应力敏感和吸附现象的存在使得页岩气的渗流机理更为复杂。 基于 Beskok-Karniandakis 模型,推导了考虑应力敏感和吸附的页岩表观渗透率计算模型。利用该模型进行计算并分析了应力敏感和吸附对页岩表观渗透率的影响。 当页岩孔隙半径大于 5 nm 时,应力敏感对表观渗透率的影响占主要地位,应力敏感和吸附综合作用下的页岩表观渗透率随压力降低呈先降后升的趋势;当孔隙半径小于 5 nm 时,应力敏感导致的渗透率损失要小于气体解吸和滑脱引起的渗透率增大,页岩表观渗透率随压力降低而增大。     

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。     

考虑应力敏感与非达西效应的页岩气产能模型

页岩气在储层中存在解吸、扩散和渗流相互作用,同时由于其特殊的孔渗特征,裂缝闭合引起的应力敏感效应和近筒地带的高速非达西效应对页岩气产能影响不能忽略。为此,基于块状模型,综合考虑页岩气解吸、扩散,渗流,应力敏感效应以及非达西渗流,建立了页岩气藏压裂水平井产能模型,应用全隐式有限差分法和牛顿—拉普森迭代法,进行数值离散,获得产量数值解,并绘制了页岩气无因次产量和无因次产量导数曲线。分析结果表明:1页岩气流动过程分为线性流阶段、双线性流阶段、窜流阶段和边界控制流阶段;2应力敏感主要发生在双线性流和边界控制流阶段,随着应力敏感系数的增大,产能降低;3考虑非达西效应影响,页岩气产能降低,并且产能越大,非达西效应影响越显著;4兰格缪尔体积越大,兰格缪尔压力越小,无因次产量递减积分导数曲线出现下凹时间越晚。上述成果对认识页岩气藏压裂水平井产能递减规律、评价预测产能及优化压裂参数具有一定的借鉴意义。     

页岩气藏体积压裂水平井产能有限元数值模拟

考虑到压裂过程中的多重复合作用,将压后页岩储层分为支撑主裂缝、缝网波及区与未压裂区。考虑基岩纳米孔隙中气体吸附与解吸、Knudsen扩散、滑脱流、黏性流,以及水压诱导裂缝应力敏感效应,建立了页岩气藏体积压裂生产动态模拟的物理模型和渗流数学模型。结合Galerkin有限元方法,对基质和裂缝渗流方程进行空间上的离散,推导了三角形单元有限元数值模型,给出了压裂水平井二维渗流场内、外边界条件和水力裂缝处理方法,对时间域采用向后差分,最后顺序求解裂缝和基质压力方程,模拟了页岩气藏体积压裂水平井生产动态和压力场分布。该研究为页岩气储层体积压裂产能评价提供了理论模型,对于有限元法模拟双重介质渗流场和产能预测具有现实意义。     

鄂尔多斯盆地东南部长7段陆相页岩孔隙特征与吸附能力

为了深入研究鄂尔多斯盆地东南部延长组长7 段页岩孔隙特征与吸附能力,选取8 个岩心样品进行氩离子抛光—场发射扫描电镜、低温氮气吸附及等温吸附等实验。结果表明：该段页岩主要发育粒间孔、粒内孔、黄铁矿晶间孔、有机质孔及微裂缝等5 种微观孔隙类型;BET 比表面积为1.166～6.964 m2/g,孔体积为0.004 8～0.024 2 cm3/g,平均孔径为8.812～17.882 nm。等温吸附实验模拟了长7 段实际温压条件下的页岩吸附量,其最大吸附量为2.0～4.0 mg/g。长7 段页岩孔隙以中孔为主,大孔和微孔次之,纳米级孔隙发育,具有较好的吸附能力,可为进一步开展页岩气资源评价提供理论依据。     

页岩气藏体积压裂水平井渗流模型

实现页岩气藏有效开发的关键在于页岩储层渗流机理的研究和产能模型的建立,但页岩气藏孔渗结构具有强烈的多尺度性,渗流机理复杂;纳米级孔隙存在克努森扩散,解吸介质变形等情形。同时,在增产改造过程中形成的复杂裂缝网络形态也对页岩气多尺度流动特征及页岩气产能造成不同程度的影响。建立了页岩气藏体积压裂后,水力裂缝与天然裂缝耦合条件下的产能预测模型,综合考虑吸附、解吸、扩散、裂缝网络等非线性流动效应的作用,并分别运用有限差分、嵌套性有限差分方法及牛顿拉普森迭代法进行求解。最后,结合我国某页岩区块实际井对体积压裂后产能进行影响因素分析。该模型对页岩气藏水平井压裂设计、压裂参数优化以及产能评价研究都具有一定的指导意义。     

蜀南地区富有机质页岩孔隙结构及超临界甲烷吸附能力

以蜀南地区龙马溪组下部富有机质页岩为研究对象,通过场发射扫描电镜（FE-SEM）、低压氩气吸附实验和重力法高压甲烷吸附实验,研究页岩孔隙结构特征及超临界状态下页岩储层的甲烷吸附能力,并讨论了页岩孔隙结构对甲烷吸附能力的影响。研究表明,蜀南地区龙马溪组富有机质页岩主要发育有机质孔隙,页岩孔隙结构非均质性强,比表面积为16.846~63.738 m²/g,孔体积为0.050~0.092 cm³/g,微孔和介孔贡献页岩90%以上的比表面积,介孔和宏孔贡献页岩90%以上的孔体积。甲烷在地层条件下处于超临界状态,过剩吸附曲线在约12 MPa时出现极大值,随后开始下降。使用修正过的四元Langmuir-Freundlich （L-F）方程拟合高温甲烷过剩吸附曲线,拟合效果较好,相关系数大于0.997。页岩饱和吸附量为0.067 0~0.220 2 mmol/g,不同页岩样品吸附能力差异明显。海相富有机质页岩中,随着有机质含量的增大,有机质孔隙数量增多,且页岩中微孔比例增大,微孔的吸附能力远大于介孔和宏孔,故页岩吸附能力增强。有机质含量是影响蜀南地区海相富有机质页岩孔隙结构和甲烷吸附能力的主要因素。     

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。      

页岩气多重复合模型流动规律研究

气体在页岩储层中运移受解吸、扩散及渗流多种机制共同作用,同时也受储层的应力敏感效应等因素影响。综合考虑解吸、扩散及应力敏感效应,基于线性流模型,构建了符合页岩储层改造特点及流体渗流特征的分段压裂水平井多重复合流动模型。利用Laplace变换和Stehfest数值反演,得到封闭边界定产量下无因次井底拟压力和无因次产量半解析解。研究了页岩气在基质-微裂缝-压裂缝多重孔隙介质的复合流动,认识流体特性参数与压裂缝网参数对产气量的影响规律,并利用北美页岩气井生产数据进行拟合,验证了模型可靠性。研究结果表明：吸附气的解吸扩散使井底压力响应曲线出现明显“下凹”阶段;解吸系数增大,解吸气量越大,气井日产气量越高;窜流系数越大,基质与裂缝间的流体交换时间越早,但持续时间越短;压裂改造体积大,储层流体流动性强,但存在最优值;对比拟合结果,考虑改造带宽有限性更符合矿场实际。研究结果旨在为页岩储层分段压裂水平井多重复合流动规律研究提供理论基础。