页岩储集层微观渗流的微尺度效应

<正>页岩有机质中存在大量纳米孔隙。气体在纳米孔隙中的流动存在微尺度效应,宏观流体流动规律难以准确描述其流动行为。考虑气体分子在有机质孔隙中的滑脱效应、扩散和吸附解吸作用,用格子Boltzmann方法模拟气体在有机质纳米孔道中的流动。结果表明:气体在有机质纳米孔道中存在压缩效应,压缩效应导致压力沿纳米孔道呈非线性分布,且孔道两端的压差越大,非线性程度越大。随着Knudsen数增大,稀薄效应     

纳米尺度下页岩储层气体渗流动态特征

页岩储层孔隙结构复杂,孔隙直径小,纳米级孔隙普遍发育,大量的页岩气是以吸附态储存在页岩中。页岩气开采时,由于地层压力的下降和吸附气解吸会引起孔隙结构改变,从而使页岩渗流特征产生动态变化,渗透率的大小也随之改变。利用Beskok-Karniandakis模型和Polanyi吸附理论并结合毛细管理论模型,建立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,计算得出：①应力敏感效应会明显降低页岩的表观渗透率。②当孔隙半径小于2 nm时,在开发初期压力较高(大于10 MPa)时,孔径越小,吸附气对表观渗透率影响程度越大; 在开发后期压力较低(小于6 MPa)时,孔径越小,滑脱效应和自由分子流动效应对表观渗透率增加程度越大。③当孔隙半径小于4 nm时,吸附对表观渗透率的影响占主导地位,当孔隙半径大于4 nm时,应力敏感对表观渗透率的影响占主导地位。     

页岩纳米孔隙分形特征

以氮气分子为探测介质,采用氮气吸附分形分析方法研究了页岩孔隙结构及其不规则性,计算了页岩纳米孔隙分形维数,给出了分形维数与有机碳含量、页岩组成、孔隙结构参数之间的关系曲线,讨论了分形维数对气体吸附和渗流的影响。结果表明,页岩纳米孔隙具有明显的分形特征。分形维数与有机碳含量、微孔发育程度有关。有机碳含量越高,分形维数越大。分形维数反映了页岩微孔的发育程度,微孔越发育,平均孔径越小,比表面积越大,分形维数越大。分形维数对气体的赋存和运移有着不同的影响,分形维数越大,孔隙结构趋于复杂,这有利于气体吸附存储,但不利于气体渗流。     

考虑多层吸附诱导流的页岩微纳米孔道渗流分形模型

针对页岩气渗流过程模拟难度大的问题,运用分形理论描述页岩气储层微观结构,基于吸附层多层吸附现象,考虑了压力敏感效应和真实气体效应,推导了微纳米页岩气的质量流量表达式,建立了页岩气微纳米分形表观渗透率模型。通过数值模拟与昭通页岩气田A1井实际生产数据进行对比,验证了模型的准确性。结果表明：孔道表面吸附气层数对压力变化的敏感性较高,对温度变化的敏感性较低;受压力敏感效应的影响,页岩气扩散阻力随之增大,使得表观渗透率下降;随着气体压缩因子的增大,吸附层厚度增加,吸附区截面面积占比提高,同时,页岩孔道的压力敏感效应使得孔道直径减小,吸附气诱导流随之先减小后趋于平缓,使得页岩气整体表观渗透率减小。研究成果可为页岩气数值模拟提供部分理论基础,通过控制影响页岩气分形渗透的主控要素提高页岩气压裂开发采收率。     

页岩油储层多尺度孔隙结构三维表征及应用

中国陆相页岩油发育的地质时代跨度较大,沉积相变化快,热演化程度整体偏低,岩性复杂多样。为明确复杂岩性的渗流规律,以鄂尔多斯盆地延长组长7₃、渤海湾盆地沙河街组页岩样品为研究对象,利用微米CT和聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)成像技术,结合Avizo软件建立页岩油储层多尺度三维重构模型,定性定量分析了页岩油储层多尺度孔隙结构特征,并通过数值模拟计算了岩心渗透率。研究结果表明：微米尺度下,样品C(纹层状页岩)孔隙最为发育,样品G(层状页岩)次之,样品F(块状页岩)最差;纳米尺度下,3块样品孔隙发育相当,其中样品G连通性更好,得出微纳尺度下具有不同的孔隙发育特征。渗透率数值模拟计算得到样品C、F、G的渗透率分别为0.437 mD、0.031 mD、0.224 mD,和气测渗透率结果具有一致性,表明渗透率数值模拟方法可快速准确计算岩心渗透率。结合微纳尺度孔隙发育情况和渗透率数值模拟结果,可知样品C品质最好,油气勘探开发应重点关注纹层状页岩储层。因此,结合微米CT和FIB-SEM可准确表征页岩储层多尺度孔隙结构特征,识别优质储层,对页岩油气高效开发具有指导意义。     

基于分形理论的页岩纳米孔隙粒度效应探究

为了研究低温液氮吸附实验中样品粒径对页岩孔隙结构特征的影响,文中以贵州南部三都水族自治县北部的牛蹄塘组页岩为例,通过物理破碎获得不同粒径的页岩样品,分别对破碎后6组不同粒径的页岩样品开展了常规物性实验,并将破碎筛分后的样品进行了扫描电镜观测实验,同时基于分形维数理论,探索破碎筛分后纳米孔隙的粒度效应及分维特征,并从微观孔隙变化特征揭示了孔隙影响机理。结果表明：破碎筛分后的样品中,粒径小于74μm的样品孔隙体积与其余粒径的样品相差很大,并且孔径达到14.359 nm,表明过度的破碎筛分会使实验结果产生误差;粒径96～120μm的样品孔隙体积比120～150μm的大,表明页岩在研磨破碎过程中,部分封闭的有机质孔可能会变为开放孔,同时也可能会在有机质中形成一些新的人工微裂缝,进而增加页岩的孔隙体积。综合实验数据的可靠性及时效性等因素,建议采用120～180μm的样品来开展研究区页岩的孔径参数分析测试实验。     

页岩油储层微纳米孔隙小角中子散射实验研究

随着页岩孔隙结构测量技术的发展,页岩孔喉结构测量也更加准确以及定量化。为明确中国不同类型页岩油储层纳米级孔隙分布特征,确定了不同层理方向取样对小角散射结果的影响,并提出结合小角中子散射技术及高压压汞法进行全尺度孔径表征方法,进一步研究不同地区闭孔率及孔径分布特征。结果表明,垂直于样品层理取样切片所测的页岩孔隙度一般大于平行于页岩样品层理取样所测的页岩孔隙度;小角中子散射能测量孔径在1～100 nm左右的孔径分布特征,且结合压汞法能很好地进行全尺度孔径表征。所研究三个地区按样品闭孔率大小排序依次为：鄂尔多斯盆地长7段(L组及C67)、大港岐口凹陷沙三段(F39-0)、松辽盆地青山口组(Q1);三个地区孔径分布特征差异明显,以下降型和波浪形为主。小角中子散射技术结合高压压汞法进行全尺度孔径表征方法对研究孔隙结构具有借鉴意义。     

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。     

基于多实验成像和机器学习的页岩多尺度孔隙结构表征新方法

准确、全面地认识页岩孔隙结构是精准评估储量和高效开采油气的基础和关键。为此,以渤海湾盆地济阳坳陷古近系始新统沙河街组页岩为例,综合应用包括X射线计算断层扫描、大视域扫描电子显微镜、扫描电子显微镜和聚焦离子束扫描电子显微镜在内的多实验联用成像技术,获取了二维和三维多分辨率页岩微观结构图像,并结合图像处理和机器学习算法,实现了对页岩孔隙结构进行单一尺度与多尺度的同步表征。研究结果表明：(1)研究区页岩的孔隙空间主要由微裂缝、无机质孔隙、有机质和有机质孔隙组成,且都呈现出多尺度特征。(2)无机质孔隙类型多样,其中溶蚀孔隙发育丰富;有机质呈现出条状和散块状分布,部分有机质中未发现有机质孔隙。(3)孔隙半径小于20 nm的占比为25%,20～50 nm的占比为19%,50～100 nm的占比为29%,100～500 nm的占比为14%,500 nm～20μm的占比为11%,20～50μm的占比为2%。(4)有机质孔隙的连通性弱于无机孔隙,有机质孔隙与无机质孔隙的连通对油气运移起着至关重要的作用,微裂缝主导流体流动通道。(5)孔隙半径小于50 nm的孔隙基本以有机质孔隙为主,孔隙半径介于50～50...     

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。     

页岩气藏纳米孔隙气体渗流特征分析

页岩气藏储层孔隙非常细小,国内外页岩孔隙半径主要集中在几个纳米到20个纳米之间,国内部分页岩孔隙半径小于10个纳米。页岩气藏生产受到纳米孔隙中的游离气和吸附于干酪根中吸附气两大主体气源影响,这2种气源气在生产中表现出4种机理。研究了纳米孔隙中气体分子克努森扩散、气体滑脱、达西渗流及吸附于干酪根中气体扩散4种机理下页岩气体渗透率及孔隙压力的变化情况,并以此建立圆柱管内平面单向稳定渗流数学模型。模型模拟结果表明页岩的表观渗透率远远大于达西渗透率,孔隙半径越小,则两者比值越大,当孔隙半径从20个纳米减小到几个纳米,两者比值将会从十增大到几十;孔隙压力越小,则两者比值越大,而当压力小于5MPa时,表观渗透率与达西渗透率之比明显增加1~2个数量级。随着压力降低,克努森扩散作用不断增强,相应的压力损耗不断增加,使得纳米管柱内平面单向从供给边缘到排液道的稳定渗流压力分布已不再是线性分布。干酪根中气体由于扩散速度慢、扩散量小而对压力影响不明显。
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页岩气纳米级孔隙渗流动态特征

页岩储层的孔隙结构比较复杂,孔隙直径较小,纳米级孔隙普遍发育,大量的页岩气是以吸附态储存于页岩中的。页岩气开采时,纳米级的孔隙结构和吸附气解吸会引起孔隙结构改变,从而使页岩渗透率产生动态变化。为此,基于毛细管模型,引用固体变形理论,研究了气体分子在纳米级孔隙中渗流动态特征。结果表明：孔隙直径小于10 nm时,受扩散与解吸作用的影响,渗透率随储层压力下降呈现出先增加后减小的趋势;孔隙直径越大,渗透率拐点压力值越低,渗透率下降速度越快;孔隙直径大于20 nm,气体分子间的扩散作用对渗流影响较小;压力较低（小于10 MPa）时,气体渗流受分子扩散效应作用明显。     

页岩油微观渗流机理研究进展

页岩油已成为全球非常规油气资源勘探开发的重点,但其开发面临诸多挑战。针对页岩油赋存孔隙空间复杂、渗流机理尚不明确和研究方法亟需探索的关键问题,从孔隙尺度和岩心尺度,系统阐述了页岩油微观渗流机理在实验方法和计算模拟方面的研究现状,探讨了目前存在的问题和未来研究的发展趋势。结果显示,目前多种实验方法结合能较好表征页岩孔隙结构,但对微尺度与岩心尺度流动的表征尚存在不足;孔隙尺度流动机理研究以格子玻尔兹曼方法为代表的直接法和以孔隙网络模拟为代表的间接法为主,但对微尺度效应的考虑有待完善;岩心尺度流动机理研究主要为基于毛管束模型和分形理论,建立考虑边界层效应的渗流模型。指出充分考虑页岩油微纳米孔隙中流动边界吸附/滑移、密度/黏度非均质性、应力敏感、启动压力梯度等因素,耦合不同尺度渗流机理,构建能够准确表征页岩油多相多尺度流动特征的数学模型是未来的主要研究方向。     

页岩纳米级孔隙甲烷渗透特性模拟

通过四参数随机增长法构造二维多孔介质模型,采用格子Boltzmann方法模拟甲烷在多孔介质中的流动,研究了多孔介质孔隙率(ε)、进出口压差和吸附解吸对于甲烷气体渗透率(K)的影响。实验结果表明,ε对K影响最明显,ε越大,K越大;K随进出口压差的增大而增大;而甲烷在固体表面吸附解吸对K的影响较小。     

孔隙尺度下动态剩余油渗流特征研究方法

动态剩余油是区别于静态剩余油,为产量提供主要贡献的一类剩余油。孔隙尺度下动态剩余油渗流特征的研究不仅可以从微观上解释剩余油流动机理,而且为提高油藏剩余油动用程度和采收率提供理论指导。对照静态剩余油,提出了动态剩余油的定义方法,并建立了一套利用微观玻璃刻蚀模型实验和计算机图像识别处理技术识别孔隙尺度下动态剩余油及其渗流特征的研究方法。该方法和人工识别结果对比误差小于5%,并且大大提高了识别速度,为研究和认识孔隙尺度下动态剩余油渗流特征奠定了基础。     

基于多尺度均匀化理论的页岩强度表征

页岩强度是页岩油气开发所必需的基础技术参数,目前宏观室内实验和测井解释在制样、参数连续解释等方面存在困难。为实现页岩多尺度强度的有效评价,基于最大塑性耗散能原理,并结合微观多孔介质理论建立了页岩微/细观强度均匀化Π函数模型。根据页岩微观力学测试评价了纯黏土矿物的基本力学属性,开展了页岩微/细观力学测试的数值模拟,并通过量纲分析求解页岩微/细观硬度-强度模型。结果表明,微观尺度下的黏土堆积密度对强度参数影响显著,细观尺度下受非黏土夹杂相的影响,硬度和内聚系数的比值与摩擦系数正相关。开展了页岩细观力学实验,根据模型求解结果开展页岩宏观强度预测。以常规实验结果作为约定真值进行归一化比对分析的结果显示,页岩内摩擦角的归一化均值为1.12,内聚力的归一化均值为1.21。页岩强度表征新体系为有效解决页岩油气开发提供了依据。     

页岩纳米孔隙分级量化评价方法研究

为了更好地评价页岩孔隙大小分布特征,通过高压压汞、液氮吸附以及低温二氧化碳吸附实验分别对页岩宏孔、介孔、微孔进行定量评价,并将实验测试结果有机结合起来,建立了页岩全尺度孔径分布评价方法,同时利用电镜扫描法描述页岩孔喉结构影响因素。研究结果表明,高压压汞法能准确获取大于20 nm的孔隙,液氮吸附法能准确获得2~50 nm大小的孔隙,低温二氧化碳吸附法能获取0.3~2 nm大小的孔隙,可最终获得页岩全尺度的孔径分布特征,页岩微孔和介孔比较发育,所占比例高达90%以上,大孔极少且比较分散,页岩微裂缝不发育,比较分散,连通性较差。此研究为评价页岩纳米孔隙中气体储集能力及可流动性提供了先进技术手段,从而指导页岩气水平井高效开发。     

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。     

富有机质泥页岩有机质孔隙研究进展

富有机质泥页岩有机质孔隙是页岩气储层的主要孔隙类型,是实现页岩气富集的关键环节和因素。近年来,随着有机质成因以及页岩气储层、储渗性能等方面的理论不断深入,泥页岩有机质孔隙的研究取得一定成效,同时,泥页岩中不同孔隙大小的划分以及页岩气在不同孔隙中的存在状态等方面的研究也在进行中。     

微尺度下的非线性渗流特征

用与低渗透储集层孔喉尺度相近的微管模拟储集层微小孔喉,以流体在微管中的流动特征为研究对象,采用微尺度方法研究低渗透储集层非线性渗流规律.对半径分别为10.0 μm、7.5μm、5.0 μm和2.5 μm的熔融石英微管中去离子水的流动特征进行实验研究,分析了4种尺寸微管中去离子水的平均流速与压力梯度的关系、压力梯度对流体边界层的影响以及流动阻力系数与雷诺数的关系.研究结果表明:微管中流体的低速流动具有非线性特征,且随着微管半径的减小,流动的非线性程度增强,可以用二次函数对非线性流动特征进行拟合;微流动中,有效流体边界层厚度占微管管径的比例随压力梯度的增大而降低;雷诺数可作为非线性流动的判据,雷诺数小于10<'-3>的低速流动具有非线性特征.