页岩黏土孔隙含水饱和度分布及其对甲烷吸附的影响

考虑储层原始含水特征,甲烷在页岩的吸附特征属于气液固三相复杂作用结果,水分在很大程度上影响页岩吸附能力,将成为制约页岩气资源量评估可靠性的主要原因之一.鉴于页岩水分主要分布于黏土等无机矿物孔隙内部,分析了甲烷-水膜-页岩黏土三相作用特征,结果表明:甲烷在干燥黏土表面吸附满足气固界面Langmuir吸附特征,在黏土水膜表面吸附满足气液界面Gibbs吸附特征,在气液固三相作用下满足"气固"与"气液"界面混合吸附特征;同时研究还发现:不同尺度孔隙内含水饱和度分布特征存在差异,部分小孔隙可以被水分充满,而大孔隙仅吸附一定厚度水膜.因此,水分对甲烷吸附能力的影响主要表现为两个方面:小孔隙被水分阻塞而失去吸附能力;大孔隙表面水膜改变甲烷吸附特征(气固界面吸附转变为气液界面吸附),以黏土样品为例,两者综合效应可以致使甲烷吸附能力降低约90%.从微观角度揭示了水分对页岩吸附能力的影响机理,将为建立合理评价页岩吸附气含量的方法奠定理论基础.     

岩石微观结构CT扫描表征技术研究

岩石微观结构特征研究对非常规油气藏的演化规律、油气赋存状态、运移方式、渗流特征等基础地质问题研究具有重要的科学意义.利用CT 扫描技术对油砂、致密砂岩和页岩样品微观结构表征研究,并对比了常规测试方法与CT扫描表征技术的差异性. 对比CT扫描法和筛分法测试油砂矿物的粒度分布,两者结果十分接近,矿物颗粒大小分布总体趋势上差异小,但小于96μm的颗粒矿物分布差异性稍大.CT扫描结果显示致密砂岩样品的裂缝比较发育,还发育溶蚀孔隙. 由于测试方法和样品大小的差异性,CT扫描获得的孔隙度略大于氦气法孔隙度.微米CT 扫描可以表征页岩的层理发育情况,但无法表征内部的微观孔隙结构.与常规测试方法相比,纳米CT 扫描表征页岩中有机质和黄铁矿的含量等方面准确性好,但孔隙度测试结果偏小.纳米CT分辨率还不能完全满足表征页岩的微观孔隙结构的要求,同时有机质和孔隙的灰度值差异较小,两者区分难度大,因此纳米CT还无法完全准确表征页岩微观孔隙结构.      

不同滑移边界下的页岩渗透率修正模型

页岩中的孔隙直径通常为纳米量级,基于连续流的达西定律已不能描述纳米级孔隙内的气体流动规律,一般采用附加滑移边界条件的Navier-Stokes方程对其进行描述. 由此可导出与压力相关的渗透率公式(称为"视渗透率"),并用来修正达西定律.因而,渗透率修正方法研究成为页岩气流动研究的热点之一.首先,基于Hagen-Poiseuille 流推导出一般形式二阶滑移模型下的速度分布和流量公式,并推导出相应的渗透率修正公式.该渗透率修正公式基本能将现有的滑移速度模型统一表达为对渗透率的修正. 基于一般形式的渗透率修正公式,重点研究了Maxwell, Hsia, Beskok与Ng 滑移模型速度分布渗透率修正系数、及其对井底压力的影响;提出了基于Ng 滑移速度模型的渗透率修正公式. 基于页岩实际储层温压系统及孔隙分布,计算了Kn 范围及储层条件下页岩气的流动形态,表明页岩气流动存在滑移流、过渡流与分子自由流. 而Ng 模型能描述Kn<88 的滑移流、过渡流、自由分子流的流量规律,因此可以用于描述页岩实际储层中页岩气的流动特征. 计算表明,随着Kn 的增加,不同滑移模型下的渗透率修正系数差异增大.Maxwell与Hsia模型适用于滑移流与过渡流早期,Beskok与Ng 模型可描述自由分子流下的流动规律,但二者在虚拟的孔径均为10nm页岩中,井底压力的差别开始显现;在虚拟的孔径均为1nm页岩中,井底压力的差别开始明显.      

页岩有机质纳米孔隙气体吸附与流动规律研究

页岩储层孔隙结构复杂, 气体赋存方式多样. 有机质孔隙形状对受限空间气体吸附和流动规律的影响尚不明确, 导致难以准确认识页岩气藏气体渗流机理. 为解决该问题, 本文首先采用巨正则蒙特卡洛方法模拟气体在不同形状有机质孔隙(圆形孔隙、狭长孔隙、三角形孔隙、方形孔隙)内吸附过程, 发现不同形状孔隙内吸附规律符合朗格缪尔单层吸附规律, 分析了绝对吸附量、过剩吸附浓量、气体吸附参数随孔隙尺寸、压力的变化, 研究了孔隙形状对气体吸附的影响. 在明确不同形状有机质孔隙内气体热力学吸附规律基础上, 建立不同形状有机质孔隙内吸附气表面扩散数学模型和考虑滑脱效应的自由气流动数学模型, 结合分子吸附模拟结果研究了不同孔隙形状、孔隙尺寸有机质孔隙内吸附气流动与自由气流动对气体渗透率的贡献. 结果表明, 狭长孔隙内最大吸附浓度和朗格缪尔压力最高, 吸附气表面扩散能力最弱. 孔隙半径5 nm以上时, 吸附气表面扩散对气体渗透率影响可忽略. 本文研究揭示了页岩气藏实际生产过程中有机质孔隙形状对页岩气吸附和流动能力的影响机制.      

页岩储层纳微米孔隙CO2/CH4吸附及驱替特性研究进展

利用CO₂开采页岩气不仅能够提高页岩气采收率, 还能够节省水资源并且对CO₂进行地质封存, 有助于实现页岩气开采过程的碳中和. 富有机质页岩储层纳微米孔隙中气体运移机制不同于常规储层, CO₂在储层中具有超临界特性, 致使开采机理复杂, 无法得到CO₂开采页岩气微观机理的准确认识, 所以研究CH₄, CO₂及其二元混合物在页岩储层纳微米孔隙中的吸附及驱替特性对准确评估和高效开采页岩气至关重要. 本文从实验、理论以及模拟方面对页岩储层纳微米孔隙中CH₄的吸附特性、CO₂/CH₄二元混合物竞争吸附特性以及驱替特性进行了综合分析, 对气体在纳微米孔隙中吸附及驱替特性的基础研究及关键问题进行讨论分析并提出了展望. 研究表明CH₄在页岩储层中表现为物理吸附, 有机质特征(丰度、成熟度、类型)、孔隙结构、无机矿物组成、温度和压力、含水率对页岩的CH₄吸附能力均有一定程度的影响. 在相同条件下, CO₂比CH₄更易被页岩储层吸附, 在页岩储层中注入CO₂可以促进CH₄的解吸, 并有利于CO₂的地质埋存. 开采方案的部署可采用井网形式的注采方式, 可以通过调整注入井的位置、数量以及CO₂注入速率对开采方案进行优化.      

真三向应力作用下深部储层砂岩渗透率各向异性实验研究

渗透率各向异性是沉积岩层理结构中一个非常典型的现象,一方面它由原生沉积结构决定,即原生各向异性,另一方面它受到总应力和孔隙压力影响,即诱发各向异性.为研究真三向应力条件下储层砂岩渗透率原生与诱发各向异性,以中国东北部S6储气库储层砂岩为研究对象,采用东北大学自主研制的硬岩真三轴应力-渗流耦合装置对储层砂岩进行渗流实验,通过稳态法完成同一砂岩3个相互垂直方向的渗透率测试.实验结果表明:储层砂岩在施加的应力和孔隙压力范围内,平行层理方向的渗透率k x为100.94～113.98 m D,k y为98.34～111.41 mD,垂直层理方向的渗透率k z为54.98～63.29 mD;储层砂岩3个正交方向渗透率均随主应力增加而减少,随孔隙压力加载而递增;与气体渗流方向垂直的应力对渗透率的影响大于与气体渗流方向平行的应力对渗透率的影响;当外部应力方向都垂直于气体渗流方向时,与层理垂直的应力对渗透率的影响大于与层理平行的应力对渗透率的影响;孔隙压力对储层砂岩渗透率的线弹性响应并不是各向同性的,孔隙压力对水平层理方向所产生的渗透率增量超过了垂直层理方向.研究结论为地下储气库储层砂岩渗透率准确预测提...     

致密砂岩气藏纳微观结构及渗流特征

随着常规油气资源的减少,致密砂岩气藏逐渐成为勘探开发的热点.然而致密砂岩气高效产出机理研究还相对滞后,已经成为目前制约致密砂岩气大规模经济有效开发的瓶颈.致密砂岩由于其特殊的地质特征, 基质微观结构复杂,天然裂缝一定程度发育, 投产一般需要水力压裂等增产措施,气体在其中渗流存在跨尺度效应.研究揭示出致密砂岩气在多孔介质中的流动分为解吸、扩散、渗流等几个方式,包括浓度场下的扩散、压力场中的渗流等.综述了致密砂岩存在的非常规地质特征及其研究描述方法,并依据克努森数大小, 对致密砂岩气的渗流状态进行流态区域划分,为更好的理解和模拟致密砂岩气的流动状态提供了理论依据,并指出建立一种高效、简洁的微观结构精细描述方法,以及解决致密砂岩气在多尺度条件下的传质优化等是今后研究的重点方向.      

页岩气和致密砂岩气藏微裂缝气体传输特性

页岩气和致密砂岩气藏发育微裂缝,其开度多在纳米级和微米级尺度且变化大,因此微裂缝气体传输机理异常复杂.本文基于滑脱流动和努森扩散模型,分别以分子之间碰撞频率和分子与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系数,耦合这两种传输机理,建立了微裂缝气体传输模型. 该模型考虑微裂缝形状和尺度对气体传输的影响. 模型可靠性用分子模拟数据验证.结果表明:(1)模型能够合理描述微裂缝中所有气体传输机理,包括连续流动,滑脱流动和过渡流动;(2)模型能够描述不同开发阶段,微裂缝中各气体传输机理对传输贡献的逐渐变化过程;(3)微裂缝形状和尺度影响气体传输,相同开度且宽度越大的微裂缝,气体传输能力越强,且在高压和微裂缝大开度的情况下表现更明显.      

纳米阵列中气体驱替液体的流动特征

纳米尺度下气体驱动液体流动特征在纳流控芯片及页岩气开发中具有广泛的应用前景. 利用管径规格为292.8 nm,206.2 nm,89.2 nm,67.0 nm,26.1 nm的氧化铝膜为纳米阵列,进行气驱水实验和单相气体流动实验,分析纳米尺度下气驱水流动特征. 实验表明,纳米阵列中气驱水时气体流量随驱动压力变化经历三个阶段:第一阶段流量缓慢增大,且比单相气体流量降低约一个数量级;第二阶段纳米阵列中的水被大量驱替出,流量迅速增大;第三阶段纳米阵列中的水全部被驱替出,流动特征与单相气体流动保持一致. 分析表明,气驱水第一阶段存在气液界面毛细管力的“钉扎”作用及固液界面相互作用力的影响,是产生非线性流动的主要原因;而一旦“钉扎”作用破坏,气体进入管道推动界面运动,气柱与液柱之间的毛细曲面曲率变化,毛细管力减小,气体流量急剧增大,其中毛细管力随驱替压力增大急剧变化,是造成第二阶段气体流量突变的主要原因.      

致密油储层毛细管力自发渗吸模型分析

部分致密油井压后关井一段时间,压裂液返排率普遍低于30%,但是致密油气井产量反而越高,这与压裂液毛细管力渗吸排驱原油有关。然而,致密油储层致密,物性差,渗流机理复杂,尚没有形成统一的自发渗吸模型。本文基于油水两相非活塞式渗流理论,建立了压后闷井期间压裂液在毛细管力作用下自发渗吸进入致密油储层的数学模型,采用数值差分方法进行求解,并分析了相关影响因素。结果显示渗吸体积、渗吸前缘移动距离与渗吸时间的平方根呈线性正相关关系,与经典Handy渗吸理论模型预测结果一致,说明毛细管力自发渗吸模型可靠性较高。数值计算结果表明毛细管水相扩散系数是致密储层自发渗吸速率的主控参数,毛细管水相扩散系数越高,自发渗吸速率越大。毛细管水相扩散系数随着含水饱和度先增加后减小;随着束缚水饱和度、油相和水相端点相对渗透率增加而增加;随着相渗特征指数、油水黏度比和残余油饱和度增加而减小。该研究有助于深入认识致密油储层压裂液渗吸机理,对优化返排制度、提高致密油井产量具有重要意义。     

A Fractal Model for Gas–Water Relative Permeability in Inorganic Shale with Nanoscale Pores

A reliable gas–water relative permeability model in shale is extremely important for the accurate numerical simulation of gas–water two-phase flow (e.g., fracturing fluid flowback) in gas-shale reservoirs, which has important implication for the economic development of gas-shale reservoir. A gas–water relative permeability model in inorganic shale with nanoscale pores at laboratory condition and reservoir condition was proposed based on the fractal scaling theory and modified non-slip boundary of continuity equation in the nanotube. The model not only considers the gas slippage in the entire Knudsen regime, multilayer sticking (near-wall high-viscosity water) and the quantified thickness of water film, but also combines the real gas effect and stress dependence effect. The presented model has been validated by various experiments data of sandstone with microscale pores and bulk shale with nanoscale pores. The results show that: (1) The Knudsen diffusion and slippage effects enhance the gas relative permeability dramatically; however, it is not obviously affected at high pressure. (2) The multilayer sticking effect and water film should not be neglected: the multilayer sticking would reduce the water relative permeability as well as slightly decrease gas relative permeability, and the film flow has a negative impact on both of the gas and water relative permeability. (3) The increased fractal dimension for pore size distribution or tortuosity would increase gas relative permeability but decrease the water relative permeability for a given saturation; however, the effect on relative permeability is not that notable. (4) The real gas effect is beneficial for the gas relative permeability, and the influence is considerable when the pressure is high enough and when the nanopores of bulk shale are mostly with smaller size. For the stress dependence, not like the intrinsic permeability, none of the gas or water relative permeability is sensitive to the net pressure and it can be ignored completely.     

Multiscale, Multiphysics Network Modeling of Shale Matrix Gas Flows

We present a pore network model to determine the permeability of shale gas matrix. Contrary to the conventional reservoirs, where permeability is only a function of topology and morphology of the pores, the permeability in shale depends on pressure as well. In addition to traditional viscous flow of Hagen–Poiseuille or Darcy type, we included slip flow and Knudsen diffusion in our network model to simulate gas flow in shale systems that contain pores on both micrometer and nanometer scales. This is the first network model in 3D that combines pores with nanometer and micrometer sizes with different flow physics mechanisms on both scales. Our results showed that estimated apparent permeability is significantly higher when the additional physical phenomena are considered, especially at lower pressures and in networks where nanopores dominate. We performed sensitivity analyses on three different network models with equal porosity; constant cross-section model (CCM), enlarged cross-section model (ECM) and shrunk length model (SLM). For the porous systems with variable pore sizes, the apparent permeability is highly dependent on the fraction of nanopores and the pores’ connectivity. The overall permeability in each model decreased as the fraction of nanopores increased.     

Effect of Water Saturation on Pressure-Dependent Permeability of Carboniferous Shale of the Qaidam Basin,China

Permeability is the most important parameter that describes gas flow characteristics in shale. Water saturation and effective pressure have a considerable effect on shale permeability. This paper presents the results of a laboratory study of the effects of water saturation and effective pressure on gas permeability in Carboniferous shales of the Qaidam Basin, China. The permeability of shale samples with varying water saturation (0–33 wt%) was measured at effective pressure of 6.9 to 27.59 MPa and at low mean pore pressure (<?6.89 MPa) at room temperature, using a pressure pulse decay permeameter. The results indicate that the water saturation and the effective pressure are the main factors affecting the shale permeability. Permeability of sample C034, which has a high clay content and is dominated by nanoscale slit-shaped pores, shows a large decrease (up to 90%) with increasing water saturation (from 0 to 31.7 wt%), depending on the effective pressure. A much larger permeability reduction with increasing water saturation fraction is associated with the swelling of clay minerals. For each sample with varying water saturation, our analyses revealed a consistent line relationship between log permeability and effective pressure variation. The impact of effective pressure on the measured permeability becomes more significant as water saturation increases. With increasing water saturation, the gas slippage factor decreases and calculated effective pore size increases, and gas–water flow in the shale samples occurs as channel flow. This study provides practical information for further studies of stress-dependent permeability of shale with water and the gas slippage effect in two-phase, gas–water flow.     

考虑多重运移机制耦合页岩气藏压裂水平井数值模拟

页岩作为典型的微纳尺度多孔介质,游离气与吸附气共存,传统的达西定律已无法准确描述气体在页岩微纳尺度的运移规律.基于双重介质模型和离散裂缝模型构建页岩气藏分段压裂水平井模型,其中基岩中考虑气体的黏性流、Knudsen 扩散以及气体在基岩孔隙表面的吸附解吸,吸附采用Langmuir等温吸附方程;裂缝中考虑黏性流和Knudsen扩散,在此基础上建立基岩-裂缝双重介质压裂水平井数学模型并采用有限元方法对模型进行求解.结果表明,基岩固有渗透率越小,表面扩散和Knudsen扩散的影响越大,反之则越小;人工裂缝的性质包括条数、开度、半长以及间距,主要影响压裂水平井生产早期,随着人工裂缝参数值的增加,压裂水平井产能增加,累产气量也越大.其次,页岩气藏压裂诱导缝和天然裂缝的发育程度对页岩气藏的产能有很大的影响,水平井周围只有人工裂缝,周围天然裂缝不开启或不发育时,页岩气藏的水平井的产能较低.      

页岩气致密储层渗流模型及压裂直井产能分析

页岩气储层中存在大量的纳微米孔隙,其中气体的流动规律不同于常规气藏. 文章考虑克努森扩散及解吸作用的影响,建立页岩气稳态条件下产能公式,利用渗流阻力法得到了页岩气储层压裂直井产能方程.结合生产实例,进行了数值模拟计算. 结果表明：当裂缝导流能力达到0.12μm²·cm 后,产气量增幅减小,由此对裂缝导流能力进行优化. 游离气产量占总产气量的85%～90%,游离气对总产气量贡献较大. 该模型为页岩气产能预测及开发指标优化提供了理论依据.