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。     

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%。     

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。     

储层压力条件下低渗砂岩气藏气体渗流特征

针对低渗砂岩气藏开展了储层压力条件下的气体渗流特征理论和实验研究,包括研究滑脱效应的定压差高压渗流实验和研究高速非达西流现象的定回压高压渗流实验.研究结果表明:低渗砂岩气藏储层中气体渗流的滑脱效应可以忽略不计;实验气测岩样绝对渗透率时,应用加回压提高平均压力的实验方法测得的绝对渗透率更为准确;压力梯度达到一定的临界值后...     

再谈滑脱效应

岩石的气测渗透率高于液测渗透率,且具有压力依赖性,该现象被称作滑脱效应或 Klinkenberg 效应。通过理论和测试资料分析,并结合流体力学原理,对该现象进行深入研究后认为,滑脱效应是一个错误认识。气测渗透率的压力依赖性是由于在计算渗透率时气体黏度取值不当所致,气体黏度在低压下随压力变化很大,但计算渗透率时却选用了定值。滑脱效应将使气体的黏度无法测量,从而出现测试悖论。气体分子时刻在做不规则的热运动,会不停地与孔隙壁面发生碰撞,致使气体无法出现滑脱。岩石渗透率的气测值高于液测值,是测试介质的分子尺度与孔隙尺度对比的结果。地下不存在离散形式的自由分子流。孔隙中只存在几个甲烷分子的地层没有开采价值,不应该作为研究对象。滑脱效应对生产实践没有任何指导意义,建议今后不再对气测渗透率进行滑脱校正。     

水驱气藏水侵动态储量损失实验研究

针对水驱气藏水侵动态储量损失规律认识不清的问题,通过水驱气实验研究了水驱气藏水侵动态储量损失规律,并借助核磁共振技术,研究了水封气微观分布特征。结果表明:单个岩样的水侵动态储量损失率随地层径向驱替压力梯度的增大呈先减小后增大的趋势,总体上水侵动态储量损失率随岩样渗透率的增大而减小;水封气量随孔隙半径增大呈先增大后减小的趋势,水封气主要分布在原本含气而孔隙半径相对较小的孔隙中。研究认为,对于水驱气藏的开发,应通过室内实验确定合理生产压差,尽可能减小水侵动态储量损失,从而改善水驱气藏开发效果。该实验研究成果对于制订水驱气藏控水、治水技术政策和气藏开发后期确定潜力区域具有重要的指导意义。     

东风港油田特低渗透油藏微观孔隙结构及渗流特征试验研究

为了经济有效地开发东风港油田特低渗透油藏,对其储层的微观孔隙结构及渗流特征进行了试验研究。以沙四段上段为例,选取具有代表性的4块岩心,利用恒速压汞仪器,分别获得了其喉道半径、孔隙半径、孔喉半径比和毛管压力的分布特征;在70 ℃条件下,采用非稳态法分别对4块岩心进行水驱油相渗试验,获得了特低渗透储层的渗流特征。试验得出,喉道半径分布范围越宽峰值越大,孔隙半径分布差别不明显,孔隙半径比因渗透率不同而不同,特低渗透岩心排驱压力大,最大连通喉道半径比较小,储层开采难度相对较大;该储层平均束缚水饱和度相对较高,随着渗透率的升高,两相共渗区跨度逐渐减小。研究结果表明,驱油效率和渗透率高低相关性差;正常型相对渗透率曲线对应的多是孔喉半径比较大、连通性较差的储层,而直线型相对渗透率曲线对应的则是孔喉半径比相对较小、孔隙连通性较好的储层。因此,厘清微观孔隙结构对于合理制定开发方案具有指导意义。      

特低渗透岩心单相渗流实验研究

为研究特低渗透油藏岩心气、油或水单相流动渗透率的变化，利用朝阳沟油田扶杨油层岩心进行了室内实验，证实了特低渗透岩心单相流体渗流的启动压力和渗透率降低幅度与所用流体性质有关，启动压力增大幅度随气测渗透率减小而增加，渗透率降低幅度随着气测渗透率的降低而增大。     

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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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。     

Analysis of gas transport behavior in organic and inorganic nanopores based on a unified apparent gas permeability model

Different from the conventional gas reservoirs, gas transport in nanoporous shales is complicated due to multiple transport mechanisms and reservoir characteristics. In this work, we presented a unified apparent gas permeability model for real gas transport in organic and inorganic nanopores, considering real gas effect, organic matter(OM) porosity, Knudsen diffusion, surface diffusion, and stress dependence. Meanwhile, the effects of monolayer and multilayer adsorption on gas transport are included.Then, we validated the model by experimental results. The influences of pore radius, pore pressure, OM porosity, temperature,and stress dependence on gas transport behavior and their contributions to the total apparent gas permeability(AGP) were analyzed.The results show that the adsorption effect causes Kn(OM) Kn(IM) when the pore pressure is larger than 1 MPa and the pore radius is less than 100 nm. The ratio of the AGP over the intrinsic permeability decreases with an increase in pore radius or pore pressure. For nanopores with a radius of less than 10 nm, the effects of the OM porosity, surface diffusion coefficient,and temperature on gas transport cannot be negligible. Moreover, the surface diffusion almost dominates in nanopores with a radius less than 2 nm under high OM porosity conditions. For the small-radius and low-pressure conditions, gas transport is governed by the Knudsen diffusion in nanopores. This study focuses on revealing gas transport behavior in nanoporous shales.     

低渗砂岩气藏的孔隙结构与物性特征

根据毛细管束模型,在分形几何、表面与胶体化学和气体分子运动论的基础上研究了低渗砂岩气藏的孔隙结构与物性特征之间的定量关系。孔隙结构特征表现为孔喉半径及其高宽比小,分形维数,毛细管弯曲度和孔-喉径比大。物性特征表现为渗透率低并对应力敏感、毛细管压力和束缚水饱和度高,但原生水饱和度则可能很低,纵向气、水分布异常——气、水分界模糊和可能气、水倒置,自由分子流动与粘滞流动共存以及气高速非达西流动和水低速非达西流动显著。从已建立的理论关系式来看,各种结构参数对物性参数的影响不尽--致,如孔喉半径对渗透率的影响比对毛细管压力的影响大,而分形维数对毛细管压力比对渗透率的影响要大。水膜厚度不影响孔喉有效尺寸,仅通过改变润湿性影响气、水分布,从而影响气、水的相渗透率。在低渗气藏中因孔喉很小,分子自由流动明显,无论在室内或地下均需校正滑脱效应。     

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。     

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。     

孔喉结构对致密气微尺度渗流特征的影响

目前,关于孔喉结构对致密气微尺度渗流特征影响的研究较少,并且传统的数值模拟方法在研究微尺度流动时面临着诸多不适应。为此,从致密气藏实际的温度、压力及储层孔喉特征尺寸出发,研究致密气的流态及采用格子Boltzmann方法模拟致密气流动的合理性,在考虑微尺度效应、滑脱效应等因素影响的基础上,基于LBGK-D2Q9模型建立了致密气流动模型,并将该模型计算的结果同解析解及文献中数值解的计算结果进行对比,进而探讨了孔喉结构对致密气微尺度渗流特征的影响规律。研究结果表明:①当压力介于3～70 MPa、温度介于293.15～373.15 K时,克努森数(Kn)小于0.1,气体流态为滑脱流和弱连续流,采用LBGK-D2Q9模型模拟致密气流动是合理的;②流动通道的特征尺寸对Kn的影响远大于压力变化对其产生的影响,当孔喉比一定时,Kn沿喉道呈缓慢上升的趋势,且孔喉比越大,Kn上升的趋势越明显;③喉道的存在使得孔喉中压力的非线性分布特征显著,压力降主要处于喉道内,并且孔喉比越大喉道内的压降幅度越大;④压力的非线性分布使得气体的流动速度显著降低,从而降低了流动通道内气体的质量流量。结论认为,所建模型的模拟结果与解析解以及文献中DSMC、IP方法等数值解的计算结果吻合程度较高,证实了其可靠性;该研究成果揭示了致密气藏开发工程实践中"通缝扩喉"的重要性。     

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。     

非线性渗流下低渗气藏压裂井产能评价

气体渗流受启动压力梯度、滑脱效应和应力敏感等多个因素影响,以前的研究没有综合考虑以上因素。针对低渗气藏渗流特征,根据气井压裂后气体渗流规律的变化,基于稳定渗流理论,建立了综合考虑启动压力梯度、滑脱效应和应力敏感等因素的低渗气藏有限导流垂直裂缝井产能预测模型,并利用该模型分析了启动压力梯度、滑脱效应、渗透率变形系数、地层污染等对低渗气藏压裂井产能的影响。研究表明:随着启动压力梯度和应力敏感的增大,气井产能呈近线性下降趋势,其中应力敏感的影响程度更大;随滑脱效应的增大,气井产能呈近线性上升趋势;在低渗气藏压裂参数设计中,增加裂缝长度比增加裂缝导流能力更重要,一定裂缝长度下存在一个最佳的裂缝导流能力;污染带半径增大和污染带渗透率降低都可使气井产能下降,下降幅度随着污染带半径增大和污染带渗透率降低而增大。