页岩气有机质纳米孔气体传输微尺度效应

页岩气有机质孔隙多为纳米尺度且气体赋存方式多样,因此页岩气有机质纳米孔中的气体存在多种传输机理,而如何建立能描述高压条件下所有传输机理的纳米孔体相气体传输模型、如何描述页岩有机质纳米孔表面扩散,以及确定表面扩散对气体传输贡献究竟有多大等则是目前亟待解决的难题。为此,综合考虑体相气体传输、表面扩散、真实气体、吸附层和应力敏感等微尺度效应的影响,建立了页岩气有机质纳米孔气体传输模型。研究结果表明:①通过滑脱流动和努森扩散加权叠加建立的体相气体传输模型能合理描述体相气体传输;②表面扩散是重要的传输机理,尤其在尺度小的纳米孔中,主宰了气体传输;③页岩气应力敏感效应不同于常规油气藏,其不仅与有机质力学属性、有效应力等有关,而且还与气体传输机理有关。结论认为,所建模型能够从室内低压条件直接推广到页岩储集层高压条件,能为页岩气生产动态分析、产能预测和生产制度制订提供指导。     

页岩气纳米孔气体传输模型

页岩气纳米孔气体传输模型是准确进行页岩气数值模拟的基础,对页岩气经济开发具有重要的意义。页岩气纳米孔气体传输机理包括纳米孔体相气体传输和吸附气表面扩散,而纳米孔体相气体传输机理包括连续流动、滑脱流动和努森扩散。基于滑脱流动和努森扩散两种传输机理,分别以分子之间碰撞频率和分子与孔隙壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和努森扩散的权重因子,将这两种传输机理叠加,建立了纳米孔体相气体传输模型。基于Hwang模型,考虑高压条件下吸附气覆盖度的影响,建立了纳米孔吸附气表面扩散模型。结合纳米孔体相气体传输和吸附气表面扩散模型,建立了页岩气纳米孔气体传输模型,并采用分子模拟和实验数据进行了验证。结果表明:①滑脱流动、努森扩散和表面扩散对气体传输的贡献是此消彼长的,其主要受孔隙尺度和压力的支配。②滑脱流动在介、宏孔(半径> 2 nm)和高压条件下,对气体传输贡献大;在微孔(半径≤2 nm)和低压条件下,其贡献小,可忽略。③努森扩散在宏孔(半径> 50 nm)和低压条件下,对气体传输贡献不可忽略,在其他条件下均可忽略。④表面扩散在微孔(半径≤2 nm)和全压力范围内,总是主宰了气体传输;当孔隙半径> 25 nm和压力高于1 MPa时,表面扩散贡献可忽略;当孔隙半径在2~25 nm和压力低于5 MPa时,表面扩散贡献较高,不能忽略。     

基于页岩气多重运移机制的二项式视渗透率公式

针对页岩气视渗透率公式与实验数据吻合性差,不能很好地反映页岩气的黏性流、滑脱流、Knudsen扩散和表面扩散等多重运移机制的问题,运用理论推导结合实验数据分析的方法,得到了基于页岩气多重运移机制的视渗透率与平均压力倒数的二项式公式。该公式考虑了速度梯度随孔壁距离的变化及与压力倒数的平方有关的表面扩散视渗透率。将研究成果应用于页岩气视渗透率测试数据分析,结果表明:速度梯度的变化导致视渗透率与平均压力倒数关系曲线出现负曲率,而表面扩散导致曲线出现正曲率。通过曲线回归,可得到二项式参数a和b计算表面扩散引起的视渗透率和表面扩散系数。研究成果能更有效地解释已有实验数据,对研究页岩气的多重运移机制和分析开发动态具有十分重要的意义。     

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。     

微纳米孔隙页岩气藏分形表观渗透率计算模型

微纳米孔隙页岩气藏运移机制多样,孔隙结构复杂,分形理论能比较精确地描述复杂系统。基于单根直圆管质量流量公式,推导出考虑迂曲分形维数的单根分形迂曲毛细管质量流量表达式,进一步推导出单位分形集内考虑管径分形维数与迂曲分形维数的总质量流量表达式,从而获得微纳米孔隙页岩气藏分形表观渗透率计算公式。通过实验数据,完成模型验证,对比分析文中模型与传统模型的差异,进行分形参数敏感性分析。结果表明:文中分形表观渗透率计算模型计算结果略高于Javadpour模型,略低于Xiong X模型,但与实验结果最为接近;页岩气藏分形表观渗透率随有效压力增大而逐渐减小,在压力较低时,下降较快,压力较高时,趋于平稳;分形表观渗透率受管径分形维数与迂曲分形维数的影响,随管径分形维数的增大呈非线性增大,随迂曲分形维数增大呈非线性减小。     

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。     

The effect of capillary condensation on the phase behavior of hydrocarbon mixtures in the organic nanopores

In nanoscale pores, the adsorption of gas is a multilayer adsorption process, and the conventional Langmuir model is no longer valid. In particular for the unconventional gas condensate reservoir, the adsorbed gas will become condensate once the pressure is above the critical condensate pressure at pore scale. In this study, considering the effect of adsorption (wetting) film, the multicomponent Kelvin equation is modified to computing the isotherm of capillary condensation. Then it is coupled with the multispace adsorption model and Peng-Robinson equation of state to investigate and represent the phase behavior of hydrocarbons in organic nanopores. Then, a prediction process for the behavior of a four-component mixture of methane, n-butane, n-pentane, n-hexane are performed. The actual Marcellus shale gas is also used to examine the performance of this model.     

基于渗流特征的低渗透致密砂岩气藏气井生产规律

低渗透致密气藏的气井存在井底或井口压力、产量随开采生产时间延长而快速下降的特征,掌握其随开采生产时间变化的规律,可在开发早期准确预测气井稳产年限和递减规律,测算经济可采储量,指导气井工作制度的合理调整和气田合理开发。以渗流理论为指导,以气井长期生产过程中取得的大量生产动态数据为基础,以不同生产阶段进行的压力恢复试井成果为检验手段,借鉴不稳定试井资料解释方法,研究了此类气井压力、产量与开采生产时间等参数间的关系,并在气井生产历史拟合、生产动态预测等方面进行了实际应用。通过研究,认为具有人工裂缝的气井压力响应特征多符合地层线性渗流模型,且地层线性流动期持续时间较长,这对同类气藏的开发具有指导意义。     

基于分形理论的低渗透油藏油水相对渗透率模型

油水相对渗透率是研究低渗透油藏注水开发特征的重要参数之一,明确油水相对渗透率的影响因素对认识低渗透油藏的渗流规律有重要意义。在多孔介质分形理论的基础上,建立低渗透油藏油水相对渗透率模型和归一化的油水相对渗透率模型。新建立的油水相对渗透率模型是含水饱和度、驱替压力、毛细管力的函数,可以综合反映储层孔隙结构、非线性渗流和渗流干扰对油水相对渗透率的影响。理论分析结果表明:岩心孔隙结构越复杂,油水相对渗透率越低;驱替压力对油相相对渗透率有影响,表明在注水开发过程中相对渗透率存在动态变化特征;非线性渗流对油相相对渗透率的影响较大,而对水相的影响可忽略不计,随着油相非线性系数的增大油相相对渗透率减小;渗流干扰对油水相对渗透率均存在影响,油水相对渗透率随着干扰系数的增大而降低。为了验证模型的可靠性,将模型预测的油水相对渗透率与实验测试结果进行了对比,其结果表明吻合程度高。与经典相对渗透率理论模型预测结果的对比表明,新建模型对水相相对渗透率的预测结果优于经典理论模型的预测结果。     

四川盆地须家河组低渗透气层渗透率模型的建立

四川盆地上三叠统须家河组发育大量低渗透气层,不同层位孔渗关系不同,常规建模方法得到的渗透率不能代表储层真实情况,这给储层评价带来了困难。为了建立适合低渗透气层的渗透率模型,从反映孔隙结构的毛细管压力资料出发,通过对Thomeer模型的求解,找到了有效渗流孔隙与无效渗流孔隙分界点。该点反映了控制流体流动的主孔隙系统,代表了非润湿相完全占据有效孔隙空间时的状态。将岩心渗透率与该点交会,分层段建立了反映孔隙结构的渗透率模型。将新模型应用于实际储层进行检验,结果表明新模型精度较高,值得推广。     

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。     

两相低速非达西渗流模型及相对渗透率曲线求取方法

流体在特低渗透-致密油藏中的渗流规律不符合达西定律,传统计算两相相对渗透率曲线的JBN方法并不适用.为了解决此类低速非达西渗流实验数据的处理问题,得到更为准确的相对渗透率曲线,在考虑两相渗流拟启动压力梯度的基础上,统计得到经验关系式,可计算不同空气渗透率岩样任意含水率下的拟启动压力梯度.依据低渗透岩样两相稳定流实验结果...     

储层建模致密低渗气藏开发调整研究

针对新场气田上沙气藏致密低渗储层的地质特征,利用随机模拟方法建立储层参数定量三维地质模型,应用网格粗化技术由地质模型生成数值模拟应用模型,最后,通过数值模拟中的历史拟合、参数调整、完善地质模型,优化气藏地质认识,指导开发方案调整.生产实际表明:基于地质模型进行致密低渗气藏研究能较好解决石油地质研究和气藏工程的衔接问题,能从动态和静态角度研究气藏,从而为气藏开发的动态预测和方案优化奠定基础.     

基于分子模拟的纳米孔内甲烷吸附与扩散特征

页岩气是目前非常规油气研究热点，加强甲烷渗流机理研究对页岩气藏开发具有重要意义。基于分子动力学模拟甲烷分子在纳米孔隙中的流动行为，构建了狭缝孔隙模型，并在此基础上分析孔径、压力、矿物种类和孔隙含水量对甲烷分子扩散能力的影响，讨论了天然气在微观多孔介质中的扩散规律。研究表明，甲烷分子在温度升高和孔径增大时扩散加快，而在压力增大时扩散变缓。孔隙壁面的矿物类型对甲烷分子的扩散有显著影响，在有机质、石英和高岭石中扩散系数依次减小。石墨烯构成的有机质孔隙对甲烷的吸附能力大于无机孔隙，主要是因为石墨烯特有的结构和光滑的表面对甲烷分子的扩散有促进作用。水分子对甲烷分子的扩散起抑制作用，甲烷的扩散系数随含水量的增加逐步下降，在有机孔隙中水分子以团簇的形式阻碍甲烷分子的扩散，而无机孔隙中水分子则以"水膜"的形式吸附在孔隙壁表面。当无机矿物孔隙内水含量过高（ρ_w≥50%）时，孔隙内的水分子会聚集形成"水桥"，导致无机孔隙内甲烷的扩散系数低于有机孔隙。     

低渗透气井试井解释渗透率异常现象分析

根据气井压降或压恢曲线解释的渗透率与测试产量的大小基本无关。但低渗透气井不同产量测试、修正等时试井"等时间隔"测试的压降或压恢曲线解释的渗透率随产气量的增大而降低,与通常的不稳定试井解释理论相悖。通过气井不稳定试井理论研究,结合矿场不稳定试井资料解释、分析,认为上述现象主要是由于气井工作制度不合理所引起。提出气井只有以合理工作制度测试,才能根据其压降、压恢曲线解释得到可靠的渗透率。这对气井试井及其解释工作起到重要指导作用。     

基于分子模拟的纳米孔内甲烷吸附与扩散特征

页岩气是目前非常规油气研究热点,加强甲烷渗流机理研究对页岩气藏开发具有重要意义。基于分子动力学模拟甲烷分子在纳米孔隙中的流动行为,构建了狭缝孔隙模型,并在此基础上分析孔径、压力、矿物种类和孔隙含水量对甲烷分子扩散能力的影响,讨论了天然气在微观多孔介质中的扩散规律。研究表明,甲烷分子在温度升高和孔径增大时扩散加快,而在压力增大时扩散变缓。孔隙壁面的矿物类型对甲烷分子的扩散有显著影响,在有机质、石英和高岭石中扩散系数依次减小。石墨烯构成的有机质孔隙对甲烷的吸附能力大于无机孔隙,主要是因为石墨烯特有的结构和光滑的表面对甲烷分子的扩散有促进作用。水分子对甲烷分子的扩散起抑制作用,甲烷的扩散系数随含水量的增加逐步下降,在有机孔隙中水分子以团簇的形式阻碍甲烷分子的扩散,而无机孔隙中水分子则以"水膜"的形式吸附在孔隙壁表面。当无机矿物孔隙内水含量过高(ρ_w≥50%)时,孔隙内的水分子会聚集形成"水桥",导致无机孔隙内甲烷的扩散系数低于有机孔隙。     

Synthesis and behavior evaluation of a relative permeability modifier

Using N, N-dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) and methoxy polyethylene glycol methacrylate (MPEGMA) as raw materials, hydrophobically associating copolymer was synthesized by inverse emulsion polymerization and structurally confirmed by FTIR. Choosing partially hydrolyzed polymer of the copolymer as a relative permeability modifier, its intrinsic viscosity reaches 212.66 mL/g at 25 °C. Its adsorbability on the oil sandstone is investigated, that is to say, the equilibrium concentration is approximately 5100 mg/L while the saturated adsorption is about 0.652 mg/g. Temperature and salt also have a certain effect of RPM system based on the partially hydrolyzed polymer. Finally, the residual resistance factors to water and oil were measured by core displacement test. The results show that the flow resistance of the system to water is 19.9 times as large as that to oil. That is, the system has obvious selectivity to water and oil.     

渗透率对低渗气藏单井控制储量的影响

在低渗气田开发中,单井控制储量的计算是一个不可缺少的部分,关系着对气藏的客观综合评价、开发方案的设计和调整.控制储量的大小往往受到储层物性及流体性质的影响,而气体的有效渗透率又是一个与储层物性及流体性质相关的参数,并且实验已证实低渗透气藏也存在的启动压力,且梯度值也与气体有效渗透率相关.所以,探讨渗透率与气井的控制储量之间有何影响是必须的.为此,通过建立考虑启动压力梯度的产能方程来计算低渗气藏单井控制储量,并分析了渗透率的变化对低渗气井控制储量的影响,最后通过实例加以论证.     

中低渗枯竭气藏改建地下储气库难点及对策

枯竭油气藏是改建地下储气库的最佳类型,但在天然气用户区域,很多中低渗枯竭油气藏的储层条件不够理想。中低渗枯竭气藏改建储气库存在气井单井产能低、储层改造难度大、有效期持续时间短等难点。针对上述问题,在中低渗枯竭气藏改建储气库时,采取的主要措施是提高垫气比例,控制水体的侵入,利用水平井注采提高单井注采气能力,采用欠平衡钻井等方式加强储层保护,并且避免利用中低渗储气库进行日调峰,尽量使储气库的调峰平稳运行。通过这些措施,中低渗枯竭气藏改建储气库基本上可以满足局部地区季节调峰的需要。     

深层页岩体积压裂缝网动态渗透率模型及其应用

深层页岩具有闭合应力高、非均质性强、流动性差等特点,体积压裂是提高深层页岩产能的重要手段。为表征体积压裂改造区非均质缝网形态及其渗透率动态变化,通过CT扫描人工造缝岩心得到二值化图像并计算分形维数,利用蒙特卡洛随机建模并统计裂缝参数,基于流量等效原理分解非均质缝网。耦合页岩气黏性流、克努森扩散、表面扩散建立单缝流量方程,通过分形理论尺度升级并结合缝宽动态变化特征,建立了非均质缝网动态表观渗透率模型。结果表明：①小尺度缝网表面扩散在地层压力大于10 MPa时可忽略,黏性流比重与地层压力成正比,克努森扩散相反;②大尺度缝网克努森扩散随地层压力增加,先增大后减小,表面扩散和黏性流呈此消彼长的趋势,小尺度缝网渗透率随地层压力增加先减小后增大,大尺度缝网渗透率与地层压力成正比;③最小缝宽（b_min=10^-7 m）不变时,最大缝宽增大10倍,缝网渗透率增大100倍,缝网渗透率与缝宽呈正比;④最大缝宽（b_max=10^-4 m）不变时,小尺度缝网渗透率低压（5 MPa）时略大于大尺度,最小缝宽对渗透率影响不大;⑤裂缝孔隙度越大,缝网分布越密集,渗透率越高。研究成果对缝网改造区的渗流特征以及不同压力、缝网尺度下渗流机理研究具有指导意义。