考虑页岩储层微观渗流的压裂产能数值模拟

考虑页岩微观渗流特征下的产能评价方法有利于提高压后动态分析的准确性和可靠性。压裂改造后页岩储层中,页岩气将在纳米孔隙中通过解吸附、扩散和滑脱流进入天然裂缝,再由天然裂缝流向人工裂缝,常规的产能评价数学模型已无法进行刻画和描述。为此,在考虑页岩气生产过程中基岩纳米孔隙中Knudsen扩散、滑脱流、吸附解吸微观流动特征,天然裂缝应力敏感以及人工裂缝非达西流效应基础上,基于双重介质模型,人工裂缝考虑为离散裂缝,建立了页岩储层基质—天然裂缝—人工裂缝的渗流数学模型,并给出了数值解法。模拟分析了页岩水平井压裂裂缝与储层参数对生产动态的影响。研究表明:吸附解吸效应、Knudsen扩散与滑脱流、天然裂缝渗透率、应力敏感系数、裂缝导流能力、裂缝半长与压裂段数对页岩气井生产具有重要影响。该研究为完善页岩气渗流理论,建立适合页岩气的动态评价模型,准确评价页岩气产能具有重要意义。     

页岩气藏表观渗透率和综合渗流模型建立

页岩储层结构复杂,多尺度效应明显,存在黏性流动、滑脱效应、Knudsen扩散以及表面扩散等多重运移机制。利用Knudsen数划分流态,绘制了考虑真实气体效应的流态图版。考虑多重运移机制,建立了页岩气藏表观渗透率模型;在此基础上综合考虑吸附解吸以及溶解气扩散影响,建立了页岩气藏多重介质不稳定渗流数学模型,明确了不同运移机制对页岩气藏非稳态产能的影响。结果表明:不同运移机制之间既相互联系又相互制约;Knudsen扩散和表面扩散均通过改变表观渗透率大小,对生产中期阶段的气体流动能力产生重要影响;溶解气和吸附气均是页岩气的重要赋存形式,是开发过程中自由气的补充,对气井生产中晚期非稳态产能具有显著影响;溶解气与吸附气能够增加气藏的累产气量,减缓气藏压力的下降速度。     

致密多孔介质气体运移机理

气体在致密多孔介质中的运移受多种因素的影响,如孔隙结构、气体的赋存方式、温度和压力等。地层压力大,气体密度高,应属于稠密气体|另外,在页岩、煤岩、致密砂岩等多孔介质中发育了丰富的纳米级孔隙,使气体的运移机制极为复杂。详细研究了气体在致密多孔介质中的运移机理,并引入稠密气体理论,通过计算分子平均自由程,发现直径大于2nm的孔隙中,压力大于1.135MPa时(76.85℃),气体不会发生Knudsen型扩散,Fick型扩散和表面扩散可能是主要的扩散方式|并得到Knudsen渗透率修正因子随压力增加而减小,随温度的升高而增加,随孔隙半径的减小而增加,在较小孔隙中温度的影响更显著;气体从小孔扩散至大孔和裂缝系统是多种扩散机制的结果,孔隙的大小、气体的赋存方式和压力直接关系到气体的运移机理。对比分析Klinkenberg渗透率和Knudsen渗透率修正因子,发现Knudsen渗透率模型是更精确的渗透率模型,Klinkenberg渗透率修正因子可以看作是Knudsen渗透率修正因子的一级修正。      

多尺度孔隙介质视渗透率模型

为研究页岩气在多尺度孔隙介质中的渗流率表征,以及分析各种流动状态对渗透率的贡献。基于页岩储层孔径分布特征,利用Kundsen数对流动状态进行划分,建立气体分子在多孔介质中的渗透率理论计算模型,分析了孔隙流体压力与渗透率的关系以及不同流动状态对渗透率的贡献。模型研究表明:多孔介质渗透率受气体达西流、滑脱流、Fick扩散流、过渡扩散流及Kundsen扩散流的影响;气体流动状态受流体压力和孔径分布决定,流体压力降低导致气体在多孔介质中的流动状态发生改变;随着储层流体压力降低,过渡扩散流对渗透率贡献增加,页岩储层渗透率增大。储层流体压力低于1 MPa时,Kundsen扩散流对渗透率贡献逐渐增大,渗透率迅速增加。     

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。     

页岩储层气体扩散机理

根据多孔介质中气体分子的扩散形式,结合页岩气储层多尺度分布的结构特点,分析了页岩储集空间中页岩气的扩散机理,包括:有机干酪根中溶解气的扩散和纳米孔隙中游离气的扩散。其中纳米孔隙中游离气的扩散又根据克努森(Kn)数的不同分为Knudsen扩散、Fick扩散和过渡扩散。根据Fick第二定律,建立了干酪根中溶解气扩散模型,给出了纳米孔隙中3种扩散机理扩散系数的计算方法。分析了压缩性对气体平均自由程计算的影响,重点讨论了温度、压力、孔隙直径以及气体压缩性等对纳米孑L隙中扩散机理选择的影响。得出:不同扩散机理的选择对扩散能力的影响不可忽略,实际计算中必须根据Knudsen数,选取相应扩散机理对应的扩散系数。     

页岩气藏多重介质耦合流动模型

为准确掌握页岩气流动规律以及精准评价水力压裂效果, 需要建立页岩气藏多重介质耦合流动模型。为此,基于页岩气 藏干酪根、无机基质及裂缝物性特征,综合考虑微纳米尺度气体黏性滑脱、努森扩散、吸附解吸、表面扩散等运移规律,通过表观 渗透率来综合表征页岩气藏多尺度介质渗流机理。在此基础上,考虑储层压裂改造特征及跨尺度流体传质机理,建立页岩气藏多重 介质耦合流动模型,应用Laplace 变换和Stehfest 数值反演,得到了定产和定压情况下封闭边界单裂缝井底无因次拟压力和产量半解 析解。在模型正确性验证的基础上,结合矿场参数对模型进行实例分析。结果表明：①干酪根是页岩气藏重要的烃源介质,干酪根 含量每增加10%,对页岩气累积产量的贡献度增加12% 左右;②无机基质滑脱效应及努森扩散在对生产中期气体流速产生较大影响 的同时也增大了孔隙压力衰竭速度。基于所建流动模型研究了页岩气藏分段压裂水平井流动规律,结果表明：不考虑井筒存储及表 皮效应时,储层有线性流、双线性流、“双窜流”、无机基质稳态流、拟边界流、“三线性”流、封闭边界流7 个流动阶段。     

页岩气压裂水平井产能模拟与布缝模式

由于目前对页岩气压后产能评价、布缝设计的认识还不够充分,因此基于页岩基质孔隙内Knudsen扩散、滑脱、基岩表面吸附解吸特征,考虑水力裂缝高速非达西渗流效应,建立了页岩气基质-人工裂缝渗流数学模型,采用有限差分法离散化求解耦合渗流模型。在此基础上,分析了裂缝条数、裂缝半长以及均匀型、纺锤型、哑铃型与交错型布缝对产能的影响。模拟计算表明:建立的页岩气压后产能预测模型可以模拟压后生产动态,分析裂缝参数与布缝方式对生产动态的影响,为页岩压裂参数设计、布缝方式选择与优化提供重要理论依据。     

考虑多重应力敏感效应的页岩气藏压裂水平井试井模型

页岩气藏存在多尺度孔隙结构,流体运移方式多样,包括吸附、扩散和非达西渗流。目前页岩气多重运移流动模型仅考虑天然裂缝的渗透率和孔隙度为应力敏感系数,但实验表明扩散系数也具有应力敏感性。建立考虑多重应力敏感效应的压裂水平井试井分析模型,能准确分析和预测页岩储集层和流体参数,对页岩气藏生产动态分析和开发方案编制十分必要。基于页岩储集层多尺度孔隙结构,假设页岩气藏具有基质和裂缝系统的双重介质,考虑流体多重流动机理,建立以扩散系数、天然裂缝渗透率和孔隙度为应力敏感系数的压裂水平井试井分析模型,分析了压裂规模和页岩储集层特征参数对试井曲线的影响。结果表明,压裂规模参数主要影响气藏开采早期,页岩储集层特征参数主要影响气藏开采晚期。针对中国典型页岩气区进行分析,提出的试井分析方法能较好地拟合生产数据,可为页岩气藏高效开发提供一定借鉴。     

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。     

考虑滑脱效应的页岩气压裂水平井产能评价理论模型

水平井多级压裂和储层低孔低渗特性使页岩气呈现长期的瞬态线性流,吸附气的解吸和纳米级基质孔隙中气体的滑脱效应使页岩气藏的产气规律不同于常规气藏.基于瞬态线性流和吸附气解吸的特点,考虑基质孔隙中气体的滑脱效应,建立并求解页岩气多级压裂水平井产能评价模型.在此基础上,通过数值反演和计算机编程绘制页岩气多级压裂水平井产量典型曲线,总结出页岩气多级压裂水平井包含裂缝线性流、双线性流、基质线性流和边界效应4个流动阶段.参数敏感性分析发现储容比、窜流系数、气藏尺寸对典型曲线的影响较大.通过分析滑脱效应对产能的影响,得到滑脱效应考虑与否的判定图版,对页岩气产能模型的选择具有指导意义.     

页岩气藏三重介质模型压力动态分析及其应用

不同于常规气藏,页岩气藏储层及页岩气的储存、运移都具有十分复杂的特性,其气体渗流过程描述也相当困难。为了解页岩气储层气体的流动规律、井底压力动态及影响因素,进而有效地开发页岩气,文中对页岩气藏渗流规律进行了研究,并基于双重介质模型,建立了新的三重介质模型。新模型考虑了页岩气吸附机理,假设基质为双重孔隙介质,且带有微裂缝,微基质和裂缝之间有气体流动;对方程进行了离散化差分,通过Matlab编程进行求解,讨论了3个系统的窜流系数、弹性储容比,以及裂缝与基质渗透率比对井底压力的影响;最后通过对比现场实际数据,使建立的模型得到有效验证。     

页岩纳米孔隙气体流动的分子扩散效应研究

页岩气多赋存于纳米级的致密页岩孔隙中,孔隙结构大小复杂,具有多尺度的特点。其中,尺度大小由Kn值的大小来评判。当Kn≥10时,孔隙内进行着分子自由扩散运动。分子扩散流主要基于Langmuir等温吸附理论方程,其渗透能力主要由地层压力和孔道共同影响,且随温度、压力、孔隙直径的变化发生动态变化。虽然国内对页岩气成藏机理和资源潜力等方面研究的比较深入,但关于页岩气流动机制和产能递减分析等还有待了解。本文通过研究页岩气的分子扩散效应,可选择更有利的开采方式和增产手段,为页岩气开发和产能评估奠定一定的理论基础。     

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。     

基于动量方程的页岩气体扩散能力表征模型与实验研究

为揭示页岩微纳米孔隙中气体的扩散机理,针对页岩储层气体扩散能力难以定量表征的问题,基于考虑流体黏性的微分形式动量方程,建立了考虑页岩孔隙度、迂曲度和流动K_n数(气体分子平均自由程与流动特征尺度之比的气体扩散系数新模型,将模型与自主研发的页岩近平衡态实验进行验证,进而形成了页岩气扩散系数影响因素图版。研究表明:考虑了页岩孔隙度、迂曲度等多孔介质参数和流动K_n数,新建立的扩散系数更能准确表征页岩气扩散能力,与近平衡扩散流量吻合度达90%以上;扩散系数与压力负相关,而与孔隙直径正相关,在压力低于20 MPa、孔隙直径低于10 nm或K_n数高于0.2后必须考虑上述参数变化对扩散系数的影响。该研究实现了储层条件下页岩气扩散流量的定量计算,可用于页岩表观渗透率模型的建立,为不同生产阶段页岩气扩散对产量的贡献以及调整生产制度、提高单井产量提供科学依据。     

页岩气藏三重介质窜流参数分析

通过建立包含基质、天然微裂缝、水力压裂裂缝三重介质模型,来表征页岩气藏空间尺度多变的特点。在基质中,利用Langmuir公式表征解吸附;在微裂缝和基质中,通过改变视渗透率来表征Knudsen扩散,并利用全隐式方法求解数学模型。将此模型应用于单井生产中,经敏感性分析可知:随着基质-微裂缝窜流系数和微裂缝-大裂缝窜流系数的增大,水平压裂井采气速度增大;其中,基质-微裂缝窜流系数主要影响生产后期的产量,微裂缝-大裂缝窜流系数主要影响生产中后期产量。通过实例应用,验证了模型的正确性。该模型更加符合页岩气藏的特点,从而可以更加精确地模拟页岩气井的产能,辅助开发方案的制订。     

基于动量方程的页岩气体扩散能力表征模型与实验研究

为揭示页岩微纳米孔隙中气体的扩散机理,针对页岩储层气体扩散能力难以定量表征的问题,基于考虑流体黏性的微分形式动量方程,建立了考虑页岩孔隙度、迂曲度和流动K_(n)数（气体分子平均自由程与流动特征尺度之比,无量纲）的气体扩散系数新模型,将模型与自主研发的页岩近平衡态实验进行验证,进而形成了页岩气扩散系数影响因素图版。研究表明：考虑了页岩孔隙度、迂曲度等多孔介质参数和流动K_(n)数,新建立的扩散系数更能准确表征页岩气扩散能力,与近平衡扩散流量吻合度达90%以上。扩散系数与压力负相关而与孔隙直径正相关,在压力低于20MPa、孔隙直径低于10nm或K_(n)数高于0.2后必须考虑上述参数变化对扩散系数的影响。该研究实现了储层条件下页岩气扩散流量的定量计算,可用于页岩表观渗透率模型的建立,为不同生产阶段页岩气扩散对产量的贡献以及调整生产制度、提高单井产量提供科学依据。     

页岩微孔结构及其对气体传质方式影响

页岩复杂的孔隙结构对页岩气赋存状态、储量计算以及多尺度传质具有重要影响。运用压汞和氮气吸附法测定了页岩孔隙结构参数,基于不同孔径中的气体努森数,分析了孔隙尺度与页岩气传质方式的关系。结果表明:页岩压汞孔喉分布曲线呈现明显的三峰特征,直径小于100nm的纳米孔占页岩基块总储渗空间的80%~95%;页岩纳米孔平均直径为3.78~10.09nm,纳米孔具有巨大的BET比表面,77%~99%的比表面集中分布于孔径小于10nm的纳米孔内;基于气体动力学理论,在页岩多尺度孔隙中,页岩气的传质方式可划分为无滑脱渗流、存在滑脱渗流、过渡流动以及分子扩散,孔隙尺度控制着气体的传质方式;在页岩气藏开采的不同时期,不同孔隙尺度中的气体传质方式是动态变化的;在气藏开采中后期,页岩孔隙尺度是影响气体扩散类型和扩散系数的重要因素。      

基于REV尺度格子Boltzmann方法的页岩气藏渗流规律

页岩储层一般天然微裂缝发育,基质孔隙结构复杂,使得页岩气渗流过程呈现出多尺度多场耦合的特征。为了研究页岩气藏复杂的渗流规律,重构了天然微裂缝发育的页岩储层多孔介质模型,并围绕页岩气多重运移机制对广义格子Boltzmann模型进行了修正,建立了适用于模拟页岩气渗流特征的表征单元体（REV）尺度格子Boltzmann模型（LB模型）,并基于天然微裂缝物性特征以及气体滑脱、吸附/解吸、表面扩散效应等渗流特征对该模型进行了敏感性参数分析。结果表明：当页岩储层天然微裂缝较发育时,微裂缝为气体在基质中流动的主要通道;其中裂缝密度是影响储层表观渗透率的主要参数,裂缝密度增大3～4倍,储层表观渗透率可增大10倍以上,而裂缝长度以及裂缝开度的影响程度均次之;努森数（Kn）是影响页岩气渗流的主要参数,随着Kn增大,克氏效应愈显著,特别当Kn > 0.1时,多孔介质表观渗透率增幅显著增大;页岩储层多孔介质表观渗透率会随着吸附气量的增大而减小,特别是当储层压力较低时,该现象更为显著;气体表面扩散效应对页岩气渗流过程的影响程度大,同等条件下考虑气体表面扩散效应的储层表观渗透率较忽略该效应可提升2～5倍,但提升作用受制于储层吸附气量的多少。该研究成果为页岩气微观渗流理论研究提供了新思路,为页岩气藏高效勘探开发提供了技术支撑。     

考虑气体滑脱及Knudsen扩散的低渗致密砂岩微观流动模拟

低渗致密砂岩纳米-微米尺度孔喉发育,微观非均质性强,渗流机理复杂,现有物理实验方法难以准确评价。采用基于数字岩心理论的微观流动模拟方法来分析低渗致密砂岩中天然气的渗流规律。以川西地区沙溪庙组砂岩样品为基础,利用CT扫描建立目标岩样三维数字岩心,通过孔喉识别、形态简化及喉道调整,构建了包含不同孔喉分布的低渗致密砂岩三维孔隙模型;考虑天然气在纳米-微米孔喉中输运机制的复杂性,建立了耦合Darcy渗流、气体滑脱和Knudsen扩散的流动控制方程,并结合孔隙模型对其进行离散求解。开展流动模拟,评价不同孔隙压力下各输运机制对天然气产出运移的影响。结果表明：低渗致密砂岩中喉道越小、孔隙压力越低,气体流动非线性越强;在孔隙压力高于10 MPa范围,天然气在平均喉道半径大于0.1 μm的砂岩孔隙空间中的流动基本满足Darcy渗流;而对于平均喉道半径小于0.1 μm的致密砂岩,孔隙压力低于10 MPa后气体滑脱和Knudsen扩散是气体运移中重要机制,对天然气生产的影响不可忽略。