滑脱效应其实并不存在

岩心气测渗透率具有较强的压力依赖性，该现象在1941年被L.J.Klinjenberg所发现，在传统渗流力学中称作滑脱效应或Klinenberg效应。从对气测岩心渗透率流程和计算公式分析入手，依据气体地下渗流力学原理，研究认为，由于气体滑脱要求岩心孔隙中存在着无穷大的剪切应力，这实际上是不可能的。因此滑脱效应不具有发生的条件。气测渗透率偏高和对压力依赖性的原因，主要是在计算气测渗透率时气体黏度选用为定值所造成的。由于实验中测试都是在低压下进行的，低压气体黏度对压力十分敏感。因此在测试过程中气体黏度随压力而变化，但在计算渗透率时却只用一个气体黏度值，这就出现了上述现象。同时通过分析，认为气测渗透率还与边界层的存在、气体高速非达西渗流有关。因此正确认识气测渗透偏高和压力依赖性的原因有助于理解气体渗流机理和气测渗透率实验方法的改进。     

低渗致密砂岩气体滑脱流动机理研究

以苏里格气田盒8段低渗致密砂岩为研究对象,开展了常规条件下(出口端为大气压)和回压条件下的气体滑脱流动实验。结果表明:无回压条件下,相对高渗岩样的气测渗透率与平均压力倒数关系符合Klinkenberg模型,对于相对低渗且孔隙半径更小的岩样,则需要采用二次曲线模型描述;当施加回压时,气体滑脱随回压的增大而减弱,达到临界回压时,气测渗透率趋于稳定,但该临界值随岩样渗透率的减小而增大。分析认为,Knudsen数(Kn数)能综合反映渗透率(平均孔隙半径)和气体压力(回压)对气体滑脱程度的影响。高压压汞表明,研究区块渗透率越低的岩样,具有更小的孔隙半径,从而具有更大的Kn数,产生更强的气体滑脱;增大回压有助于减小分子平均自由程,从而减小Kn数,弱化甚至消除气体滑脱效应。     

页岩滑脱效应实验

滑脱效应存在条件及其对页岩渗透率影响程度研究对页岩气开发尤为重要。引入稠密气体理论,利用克努森渗透率修正因子理论研究了页岩的滑脱效应,并通过实验分别测试了同一围压不同渗透率和同一渗透率不同围压条件下滑脱因子的大小,分析了不同孔隙压力、不同渗透率条件下滑脱效应对表观渗透率的影响。结果表明:渗透率分别为(0.000 8、0.005 3、0.017 0)×10~(-3)μm~2的页岩在围压为10 MPa时滑脱因子分别为0.98、0.43、0.31 MPa;渗透率为0.002 5×10~(-3)μm~2的页岩在围压分别为10、15、25 MPa时滑脱因子分别为0.68、0.42、0.36 MPa;孔隙压力小于5 MPa时随孔隙压力减小滑脱效应显著增加,孔隙压力大于20 MPa时滑脱效应可以忽略,孔隙压力介于5 MPa和20 MPa之间随着孔隙压力增大滑脱因子近似线性缓慢降低;孔隙压力为10MPa的储层在渗透率小于0.1×10~(-3)μm~2时随渗透率减小滑脱因子显著增加,渗透率大于1.0×10~(-3)μm~2时滑脱效应对渗透率的贡献小于1%。     

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。     

气体滑脱因子快速实验测定的理论及方法

为了研究气体在多孔介质中渗流时的滑脱行为机理及其渗流规律，需要快速实验测定气体滑脱因子和低渗、特低渗岩心的绝对渗透率，常规方法须经多次测量方可获得一个滑脱因子和绝对渗透率值。为此，依据达西定理和波-马定律研究了一个压力容器内的理想气体经岩心自由渗流的过程，导出了描述岩心气测渗透率与容器内两不同时刻气体压力及其时间隔的关系式，从而提出了一种新的测试岩心气测渗透率的方法。由此可在气体经岩心自由渗流、容器内压力下降的过程中，用计算机计录下多个压力、时间点，并利用这些数据计算出多个气测渗透率值，再由克氏方程经最小二乘法拟合得出绝对渗透率和滑脱因子。该测试方法可在一次压力下降过程中完成对绝对渗透率和滑脱因子的测量，而且测量速度较快。     

页岩纳米孔隙气体流动的滑脱效应

页岩具有超低基质渗透率及纳米尺度的孔喉结构,天然气在页岩纳米孔隙中的流动不再遵循达西定律,受到较常规储层更加显著的滑脱效应影响,研究页岩纳米孔隙气体流动的滑脱效应,对于指导页岩气的压裂设计、产能预测、气藏数值模拟等都具有重要的意义。为此,在文献调研的基础上,分析对比了目前页岩中气体流动的多尺度流动规律,并着重分析了评价滑脱效应对气体在页岩中流动的影响规律,以及气体解吸对于页岩纳米孔隙滑脱效应的影响。结果表明:Klinkenberg方程无法准确地描述页岩的滑脱效应,孔隙尺寸越小,滑脱效应对于气体流动影响越大,且页岩受到滑脱效应影响的压力范围更大,这不仅仅局限于低压范围内,如果在页岩气产能预测与气藏数值模拟过程中,不考虑滑脱效应将会带来更大的计算偏差;有机质孔隙表面的气体吸附、解吸会改变气体的流动通道,对纳米孔隙中气体滑脱效应存在重要的影响;最后指出,多尺度流动效应和基于孔喉分布的应力—温度—流动耦合模型是页岩气储层渗流机理的下一步研究方向。     

火山岩气藏滑脱效应影响因素研究

对大庆徐深火山岩气藏42块岩心进行了滑脱效应试验研究,分析了渗透率、孔隙半径和岩性分布度对火山岩气藏滑脱效应的影响。拟合出了绝对渗透率K∞与滑脱因子b的关系式,计算出了不同渗透率和孔隙压力下滑脱效应对渗流的贡献;通过试验数据证实了滑脱效应的强弱不仅与渗透率有关。还受孔隙半径分布的影响。得出了不同岩性火山岩的滑脱效应由强到弱依次为：流纹岩、晶屑凝灰岩、熔结凝灰岩、角砾熔岩、火山角砾岩。     

气体滑脱及有效应力对煤岩气相渗透率的控制作用

动态的煤储层渗透率影响煤层气的开采,已引起广泛关注。针对6块采自沁水盆地南部煤矿的无烟煤样品,测试了4.3MPa围压条件下煤岩气相(氦气)渗透率变化特征,基于气体滑脱及有效应力效应分析进一步探讨了渗透率变化的控制机理。结果表明,气体压力降低过程中:①渗透率呈现“先降低后升高”的变化趋势,转折点进口气体压力约为1.9MPa(对应于平均气体压力1.0MPa);②平均气体压力小于1.0MPa时,氦气产生滑脱现象;③渗透率—有效应力之间呈近似负相关关系;④进口气体压力大于1.9MPa时,为有效应力负效应作用阶段,导致渗透率降低;进口气体压力降至1.9MPa以下时,有效应力与气体滑脱效应同时作用,此阶段气体滑脱正效应强于有效应力负效应,引起渗透率升高。      

基于分形理论的页岩基质表观渗透率研究

为了表征页岩基质表观渗透率,研究其动态变化规律,基于迂曲毛细管束分形理论及气体微观渗流机理,分别建立考虑吸附、滑脱、扩散及渗流的无机质和有机质表观渗透率模型,并通过面积系数加权得到页岩基质表观渗透率模型。结合实验数据及已有模型验证了新建模型的可靠性,定量分析了页岩基质微观孔隙结构(孔径、孔隙度、分形维数),外界环境(压力、含水饱和度、有效直径修正因子)及气体性质对页岩基质表观渗透率的影响。研究结果表明:随着储层压力的降低,无机质孔隙水膜厚度增大,有效直径减小,迂曲度分形维数增大,孔隙分形维数减小,气体滑脱效应增强,但仍以吸附影响为主,无机质表观渗透率总体呈下降趋势;有机质孔隙吸附气解吸使有效直径修正因子逐渐增大,迂曲度分形维数减小,孔隙分形维数增大,滑脱效应及努森扩散在低压小孔中增强,有机质表观渗透率总体呈上升趋势;有机质与无机质表观物性参数随压力、吸附层变化规律不同,渗透率差值较大,因此在页岩基质表观渗透率研究时应予以区分计算,避免其差异性所带来的误差。     

致密储层气体滑脱效应研究

针对气体滑脱效应产生机理认识不清的问题,通过不同类型气体测试贝雷砂岩和页岩岩样的渗透率实验,提出产生气体滑脱效应的原因为不同类型流体通过储层孔喉的下限不同和流体-固体界面张力不同导致界面处流体存在流速差异,并且气体滑脱系数与岩石类型和气体种类有关,压力、温度主要影响气体的高压物性。同时,基于达西公式和拟压力函数建立考虑滑脱效应影响的产气量方程,分析认为在常规气井产能评价中可以忽略滑脱效应对气井产能的影响,仅在低压、低渗储层中予以考虑。     

低渗气藏气体渗流滑脱效应影响研究

低渗透气藏储层致密、渗透率极低、以微孔道为主，当气体在低渗孔隙介质中低速渗流时，气体渗流的主要物理特征是具有“滑脱效应”。为此，研究了具有滑脱效应的储层渗透率界限以及孔隙压力条件。通过对苏里格气田32块低渗岩心样品所进行的实验，探讨了低渗气藏天然气渗流规律。研究表明，当努森数介于0.1~1时，气体渗流不遵从克氏方程。实验结果还表明：克氏系数随储层渗透率的增大而减小，当储层渗透率大于0.1×10^-3μm²时，气体滑脱效应可以忽略不计；克氏系数随平均孔隙压力的增大而减小，当孔隙压力大于1.5 MPa时，气体滑脱效应也可以忽略不计。     

研究低渗气藏气体滑脱效应需注意的问题

气体在低渗介质中渗流时存在滑脱效应，气体滑脱系数是一个有物理量纲的系数，但国内研究者却往往把它当成一个无量纲常数处理，甚至连教科书对此问题也含糊不清。由于国内外研究者采用的单位不一致，国内研究者在研究低渗气藏滑脱效应时引用外文数据不考虑单位转换就把滑脱系数当常量直接引用，造成数量级上的差别，在进行滑脱效应评定时，夸大了滑脱效应对低渗气藏生产的有利影响。因此研究低渗气藏滑脱效应时必须注意量纲和单位的问题。在进行了上百组气体滑脱效应实验的基础上，回归出了滑脱系数与克氏渗透率的函数关系，综合考虑气藏渗透率以及气藏压力后做出了滑脱效应对产量影响的理论图版，根据图版可得知不同渗透率的低渗气藏在不同生产阶段时滑脱效应对生产的影响程度，具有实际的工程应用价值。     

苏里格气藏滑脱作用影响下的渗流机理模式

通过试验和理论相结合的方法建立了考虑科林贝尔效应的低渗透气藏非线性渗流方程。通过渗流流量和压力相关试验测定了滑脱修正系数和渗流指数以及渗流系数,并将该方程的计算结果和现场产量做了对比,证明了该方法的正确性。气体渗流存在着滑脱效应,特别是在低渗、低速和低压时,滑脱效应更为显著。该项研究成功实现了对低渗透气藏的产量动态预报,为低渗透气田开发设计和开采方案优化提供了一项强有力的技术手段,为进一步开展低渗透气藏渗流理论研究、油藏工程研究和动态分析建立了基础。     

考虑基质收缩效应的页岩气双孔双渗模型

为了研究吸附性页岩储层基质收缩效应对气体渗流特征的影响,引入吉布斯表面自由能函数,建立考虑基质收缩效应、应力敏感效应、滑脱效应和自由分子流动效应的双孔双渗介质数学模型;采用隐式裂缝压力-显式基质压力离散方法对模型求解。并针对鄂尔多斯盆地古生界山西组页岩讨论基质收缩效应、应力敏感效应、滑脱效应和自由分子流动效应对气体流动机制及产量的影响。结果表明:①基质绝对渗透率的反弹点和兰缪尔体积、页岩密度、温度、杨氏模量、压缩系数有关,与兰缪尔压力无关;②基质收缩效应减少黏性流量占总流通量比例,增加滑脱流量和自由分子流量占总流通量比例;③基质收缩效应和应力敏感效应在基质孔径较大时对产量影响比较显著,当孔径小于2nm时,可以忽略基质收缩效应和应力敏感效应的影响;④滑脱效应和自由分子流动效应在低压小孔时对产量的贡献量变大,当孔径大于50nm时,滑脱效应和自由分子流动效应对产量基本没有贡献。     

致密砂岩孔隙内水的赋存特征及其对气体渗流的影响——以松辽盆地长岭气田登娄库组气藏为例

致密砂岩储层岩石孔隙结构复杂,孔隙内水的赋存状态和可动性难以确定,影响气井的产能确定和生产动态预测。为了认识该类储层气水渗流特征,根据铸体薄片和压汞等实验资料,分析了松辽盆地长岭气田下白垩统登娄库组气藏储层的孔隙结构,选取具有代表性的岩样,通过核磁共振、气驱水等实验,研究了岩石孔隙中水的赋存特征及其流动性,进而研究储层岩石在不同含水条件下对气体渗流的影响。结果表明:致密砂岩细小孔喉内的水流动性差,残余水饱和度较高,其大小不仅与岩石孔隙结构和物性相关,而且还与其中的气体流动有关;气体在含水孔隙内的流动受毛细管压力和滑脱效应影响存在非达西渗流特征,启动压力梯度的大小与储层渗透率和含水饱和度密切相关,登娄库组储层Sw/K值大于1 000mD-1以后,启动压力显著增大。该成果为该类气藏合理开发技术政策的制定提供了依据。     

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当气体在致密孔隙介质中低速渗流时，表现出有别于油、水等液体渗流的重要物理现象—滑脱现象，章认为气体分子与孔隙壁的碰撞作用是滑脱现象发生的物理机理，它由孔隙介质的结构和气体分子随自由程的分布共同决定。滑脱现象将在低压力段引起气体渗流规律对达西线性关系的偏离，孔隙愈致密，气体压力愈低，该现象引起的偏离愈明显。通过对气体在孔隙介质中低速渗流时发生的基本作用分析和应用量纲理论，确定描述滑脱现象的综合特征参数是d√-λ。实验测得当d√-λ≤4．5时，对于低速渗流的气体，这是既存在粘滞流动，同时滑脱流动又不可忽略的情况，在其渗流规律中应考虑由于滑脱现象的存在所带来的影响。章分别由理论计算和对实验结果的分析拟合得到了关于d√-λ的函数，二基本吻合。该函数能正确描述这种情况下气体的渗流规律。     

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低渗透气藏中气体的渗流有其独特的特征，气体渗流受到启动压差、介质变形和滑脱效应三重因素的影响，从而导致气体在储层中的渗流为偏离达西规律的非线性流动。正是由于这种非线性流动的存在，使得低渗气藏的开发动态与中高渗透气藏相比有很大的差异。文章基于大量的实验研究，系统地分析了启动压差、变形介质和滑脱效应对低渗气藏渗流规律的影响，通过实验和机理研究建立了一种新的低渗气藏渗流的基本数学模型。实例计算表明，该模型较传统的气田开发数值模拟模型更能准确地反映低渗气藏开发动态，更好地指导了气田开发生产。