低渗透煤层气藏中气-水两相不稳定渗流动态分析

针对低渗透煤层渗流问题,考虑启动压力梯度及其引起的动边界和动边界内吸附气解吸作用的渗流模型研究目前仅限于单相流,而更符合实际的气-水两相渗流动边界模型未见报道.本文综合考虑了煤层吸附气的解吸作用、气-水两相渗流、非达西渗流、地层应力敏感等影响因素,进行了低渗透煤层的气-水两相渗流模型研究.采用了试井技术中的"分相处理"方法,修正了两相渗流的综合压缩系数和流度,并基于含气饱和度呈线性递减分布的假设,建立了煤层气藏的气-水两相渗流耦合模型.该数学模型不仅可以描述由于低渗透煤层中渗流存在启动压力梯度而产生的可表征煤层有效动用范围随时间变化的移动边界,还可以描述煤层有效动用范围内吸附气的解吸现象以及吸附气解吸作用所引起的煤层含气饱和度的上升;为了提高模型精度,控制方程还保留了二次压力梯度项.采用了稳定的全隐式有限差分方法进行了模型的数值求解,并验证了数值计算方法的正确性,获得了模型关于瞬时井底压力与压力导数响应的双对数特征曲线,由此分析了各渗流参数的敏感性影响.本文研究结果可为低渗透煤层气藏开发的气-水两相流试井技术提供渗流力学的理论基础.     

海陆过渡相页岩气藏不稳定渗流数学模型

海陆过渡相页岩常与煤层和砂岩呈互层状产出, 储层连续性较差、横向变化快、非均质性强, 水力压裂技术是其获得经济产量的关键手段. 然而, 目前缺乏有效的海陆过渡相页岩气藏不稳定渗流数学模型, 对其渗流特征分析及储层参数评价不利. 针对这一问题, 首先建立海陆过渡相页岩气藏压裂直井渗流数学模型, 其次采用径向复合模型来反映强非均质性, 采用Langmuir等温吸附方程来描述气体的解吸和吸附, 分别采用双重孔隙模型和边界元模型模拟天然裂缝和水力裂缝, 建立并求解径向非均质的页岩气藏压裂直井不稳定渗流数学模型, 分析海陆过渡相页岩气藏不稳定渗流特征, 并进行数值模拟验证和模型分析应用. 分析结果表明, 海陆过渡相页岩气藏不稳定渗流特征包括流动早期阶段、双线性流、线性流、内区径向流、页岩气解吸、内外过渡段、外区径向流及边界控制阶段. 将本模型应用在海陆过渡相页岩气试井过程中, 实际资料拟合效果较好, 其研究成果可为同类页岩气藏的压裂评价提供一些理论支撑, 具有较好应用前景.      

煤层气在非饱和水流阶段的非定常渗流摄动解

煤层甲烷由煤层的割理裂隙系统流入生产井一般经历：单相水流、非饱和流和气、水两相饱和流三个阶段，在非饱和流阶段，储层压力降至临界解吸压力之后，储存在煤基质中的吸附气体少量被解吸出来形成互不连续的气泡并阻止水的流动，含气量尚未达到饱和程度。同时煤层甲烷运移包含渗流场、变形场和应力场的动态耦合过程。本文考虑渗流过程中水-气两相不溶混流体与固体耦合作用，建立了非饱和水流阶段非定常渗流问题的流固耦合数学模型，对该强非线性一维数学模型采用摄动法和积分变换法进行解析求解，并讨论了其压力动态特性，分析了压力随饱和度S及时间t变化的规律和气相及耦合作用的影响，这些研究对煤层气、石油和天然气的开采等地下工程领域具有一定的指导意义。     

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.     

基于核磁共振技术的非均质岩心中泡沫动态稳定性评价方法及应用

基于有效孔隙体积守恒和核磁共振技术建立了泡沫在岩心中的动态稳定性的评价方法. 利用油、水标定方法测量了岩心中油相和泡沫液的体积, 计算了泡沫在岩心驱替过程中的动态稳定因子. 测试了双层非均质岩心的横向弛豫谱线及核磁共振图像, 比较了纳米颗粒强化泡沫和表面活性剂泡沫的驱油效果和动态稳定因子. 结果表明, 岩心中的含水体积在注入2.0 PV泡沫前快速上升随后基本稳定; 而含气体积逐渐上升, 注入5.0 PV泡沫后上升速率变小. 泡沫的动态稳定因子经历了骤减、递增和平稳3个阶段. 泡沫前期的驱油效果主要依赖于水相, 随着含水体积基本稳定, 岩心的产油速率和泡沫动态稳定因子的增长速率具有明显正相关关系, 即中后期取决于泡沫气体对剩余油的驱替能力. 与表面活性剂泡沫相比, 纳米颗粒强化泡沫提高了低渗层的波及能力和驱油效率, 抑制了泡沫发展的不稳定阶段并且提高了动态稳定因子最终的平衡值. 该稳定性评价方法可用于反映泡沫渗流特点并筛选适合储层特征的稳定泡沫体系.      

变边界粘弹性轴对称问题的复变函数法

对边界几何形状、位置随时间变化的变边界结构,给出了用复变函数求解粘弹问题的解析方法。文中用拉普拉斯变换结合平面弹性复变方法,对内外边界变化时粘弹性轴对称问题进行求解。引入两个与时间、空间相关的解析函数,给出了变边界情况下应力、位移以及边界条件与解析函数的关系。当解析函数形式部分确定,则可用边界条件求解其中与时间相关的待定函数。求解待定函数的方程一般情况下为一系列积分方程,特殊情况可求得解析解。对轴对称问题中应力边值问题、位移边值问题以及混合边值问题,分别利用边界条件求得相关系数,从而得到了应力与位移的解析表达。当取Boltzmann粘弹模型时,进行不同边值问题的分析。分析显示,应力、位移的形态与大小均与边界变化过程相关,与固定边界粘弹性问题有较大不同。本文解答可用于粘弹性轴对称问题内外边界任意变化及各种边值问题的力学分析。此外,该法可进一步进行荷载非对称、复杂孔型变边界问题的求解。     

页岩气储层压裂数值模拟技术研究进展

页岩气储层水力压裂数值模拟既要考虑页岩储层岩石的特性,又要兼顾水平外分段压裂施工工艺,是一个非常棘手的力学难题.本文简述了页岩气储层岩石具有的地质力学特征和页岩气储层开发常用的水平井分段压裂技术;详述了扩展有限元、边界元、离散元在水力压裂裂缝模拟上的应用现状,指出了它们在处理裂缝问题的局限性和优越性,总结出边界元三维位移不连续法是模拟多裂缝扩展的有效方法.     

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.      

煤层气三孔双渗流动模型及压力分析

通过对美国Antrim页岩气藏及一些别的低阶煤层的研究表明,在基质颗粒中也有相当一部分自由气存在。本文建立了低阶煤层中单相煤层气三孔双渗流动的试井模型,并获得了模型在拉氏空间上的解析解以及模型的数值解,讨论了储层外边界条件、弹性储容比、窜流系数以及吸附系数等参数对于压力动态响应的影响。结果表明：外边界条件决定着早期过渡段出现的早晚;窜流系数和弹性储容比影响窜流阶段出现的早晚;而吸附系数对晚期过渡段影响明显。     

考虑诱导缝多段压裂水平井非均质改造压力动态模型研究

为了准确模拟致密油藏水平井大规模压裂形成复杂裂缝网络系统和非均质储层井底压力变化,建立考虑诱导缝矩形非均质储层多段压裂水平井不稳定渗流数学模型,耦合裂缝模型与储层模型得到有限导流裂缝拉普拉斯空间井底压力解,对两种非均质储层模型分别利用数值解、边界元和已有模型验证其准确性.基于压力导数曲线特征进行流动阶段划分和参数敏感性分析,得到以下结果:和常规压裂水平井井底压力导数曲线相比较,理想模式下,考虑诱导缝影响时特有的流动阶段是综合线性流阶段、诱导缝向压裂裂缝“补充”阶段、储层线性流动阶段和拟边界控制流阶段.诱导缝条数的增加加剧了综合线性流阶段的持续时间,降低了流体渗流阻力,早期阶段压力曲线越低;当诱导缝与压裂裂缝导流能力一定时,裂缝导流能力越大,线性流持续时间越长;当所有压裂裂缝不在一个区域时,沿井筒方向两端区域低渗透率弱化了低渗区域诱导缝流体向压裂裂缝“补充”阶段,因此,沿井筒方向两端区域渗透率越低,早期阶段压力曲线越高;当所有压裂裂缝在一个区域时,渗透率变化只影响径向流阶段之后压力曲线形态,外区渗透率越低,早期径向流阶段之后压力曲线越高.通过实例验证,表明该模型和方法的实用性和准确性.     

页岩气藏压裂水平井试井分析

页岩气藏资源丰富,开发潜力巨大,已成为目前研究的热点.与常规气藏相比,页岩气藏运移机制复杂,流动模式呈非线性,有必要考虑页岩气的吸附解吸,天然微裂缝的应力敏感性,人工裂缝内的非达西流等非线性因素对压裂水平井压力响应的影响. 基于双重介质和离散裂缝混合模型,分别采用Langmuir等温吸附方程描述吸附解吸,渗透率指数模型描述应力敏感,Forchheimer方程描述非达西效应,建立页岩气藏压裂水平井数值试井模型. 运用伽辽金有限元法对模型进行求解.根据试井特征曲线,划分流动阶段,着重分析非线性因素对压力响应的影响.结果表明:页岩气藏压裂水平井存在压裂裂缝线性流、压裂裂缝径向流、地层线性流、系统径向流及封闭边界影响5 种流动阶段.吸附解吸的影响发生窜流之后,Langmuir吸附体积增大,拟压力导数曲线凹槽更加明显,系统径向流出现时间与压力波传播到边界时间均延迟;天然裂缝系统的应力敏感性主要影响试井曲线的晚期段,拟压力和拟压力导数曲线均表现为上翘,应力敏感效应越强,上翘幅度越大;高速非达西效应对早期段影响较大,非达西效应越强,拟压力降幅度越大,试井曲线上翘.与解析解的对比以及矿场实例验证了模型的正确性与适用性.      

页岩基质解吸-扩散-渗流耦合实验及数学模型

采用川南地区龙马溪组页岩样品,设计了页岩基质解吸-扩散-渗流耦合物理模拟实验,揭示了页岩基质气体流动特征以及压力传播规律.推导了页岩气解吸-扩散-渗流耦合数学模型并且利用有限差分法对数学模型进行数值求解,与实验结果相比较表明该数学模型能够很好地描述气体在页岩基质中的流动规律.同时对页岩基质气体流动的影响因素进行了分析,认为页岩基质的渗透率、扩散系数、解吸附常数等因素均能影响页岩基质气体的流量和压力传播规律,在页岩气藏的开发过程中需要考虑这些参数的影响,该数学模型为页岩气井产能计算提供了更准确的计算方法.      

Investigation on nonlinear multi-scale effects of unsteady flow in hydraulic fractured horizontal shale gas wells

A unified mathematical model is established to simulate the nonlinear unsteady percolation of shale gas with the consideration of the nonlinear multi-scale effects such as slippage, diffusion, and desorption. The continuous inhomogeneous models of equivalent porosity and permeability are proposed for the whole shale gas reservoir including the hydraulic fracture, the micro-fracture, and the matrix regions. The corresponding semi-analytical method is developed by transforming the nonlinear partial differential governing equation into the integral equation and the numerical discretization. The non-linear multi-scale effects of slippage and diffusion and the pressure dependent effect of desorption on the shale gas production are investigated.     

页岩气在超低渗介质中的渗流行为

基于页岩气藏复杂孔隙结构和页岩气在纳米孔隙表面的滑脱和吸附-解吸附等现象,通过引入表观渗透率,修正Darcy渗流模型,得到了页岩气渗流本构方程. 将计算结果与Darcy模型计算结果进行了比照,结果表明,在产量定常情形下,基于非Darcy渗流模型得到的井底压力高于Darcy流结果; Darcy流模型得到的压力衰减速度较快,改进后的渗流模型更能准确描述与表征页岩气渗流过程;研究结果可为页岩气藏的经营与管理提供基础参数.      

压裂页岩气藏多尺度耦合流动数值模拟研究

在碳达峰的国策背景之下,页岩气成为传统能源向绿色清洁低碳能源转型的重要过渡和能源支点.压后页岩气藏流体流动力学成为高效开发页岩气的关键力学问题.文章将小尺度低导流天然裂缝等效升级为连续介质,建立有机质-无机质-天然裂缝三重连续介质模型,同时对大尺度高导流裂缝采用离散裂缝模型刻画,嵌入天然裂缝连续介质中,构建多重连续/离散裂缝模型.综合考虑吸附气的非平衡非线性解吸附和表面扩散,自由气的黏性流和克努森扩散,给出页岩气在多尺度复杂介质中的非线性耦合流动数学模型.提出多尺度扩展有限单元法对离散裂缝进行显式求解,创新性构建三类加强形函数捕捉离散裂缝的局部流场特征,解决了压后页岩海量裂缝及多尺度流动通道的流动模拟难题.文章提出的模型和方法既能准确刻画高导流裂缝对渗流的影响,又克服了海量多尺度离散裂缝导致计算量增大的问题.通过算例展示了压后页岩各连续介质的压力衰减规律,发现裂缝中自由气、有机质中自由气、无机质中吸附气依次滞后的压力(浓度)扩散现象,重点分析了吸附气表面扩散系数、自由气克努森扩散系数、天然裂缝连续介质渗透率和吸附气解吸附速率对页岩气产量的影响.文章重点解决压后页岩多尺度流动通道的表征和...     

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.      

Laboratory Investigation of LNAPL Migration in Double-Porosity Soil Under Fractured Condition Using Digital Image Analysis

Gas production from shale gas reservoirs plays a significant role in satisfying increasing energy demands. Compared with conventional sandstone and carbonate reservoirs, shale gas reservoirs are characterized by extremely low porosity, ultra-low permeability and high clay content. Slip flow, diffusion, adsorption and desorption are the primary gas transport processes in shale matrix, while Darcy flow is restricted to fractures. Understanding methane diffusion and adsorption, and gas flow and equilibrium in the low-permeability matrix of shale is crucial for shale formation evaluation and for predicting gas production. Modeling of diffusion in low-permeability shale rocks requires use of the Dusty gas model (DGM) rather than Fick’s law. The DGM is incorporated in the TOUGH2 module EOS7C-ECBM, a modified version of EOS7C that simulates multicomponent gas mixture transport in porous media. Also included in EOS7C-ECBM is the extended Langmuir model for adsorption and desorption of gases. In this study, a column shale model was constructed to simulate methane diffusion and adsorption through shale rocks. The process of binary \(\hbox {CH}_{4}{-}\hbox {N}_{2}\) diffusion and adsorption was analyzed. A sensitivity study was performed to investigate the effects of pressure, temperature and permeability on diffusion and adsorption in shale rocks. The results show that methane gas diffusion and adsorption in shale is a slow process of dynamic equilibrium, which can be illustrated by the slope of a curve in \(\hbox {CH}_{4}\) mass variation. The amount of adsorption increases with the pressure increase at the low pressure, and the mass change by gas diffusion will decrease due to the decrease in the compressibility factor of the gas. With the elevated temperature, the gas molecules move faster and then the greater gas diffusion rates make the process duration shorter. The gas diffusion rate decreases with the permeability decrease, and there is a limit of gas diffusion if the permeability is less than \(1.0\,\times \,10^{-15}\, \hbox { m}^{2}\). The results can provide insights for a better understanding of methane diffusion and adsorption in the shale rocks so as to optimize gas production performance of shale gas reservoirs.     

A Mathematical Model for Determining Oil Migration Characteristics in Low-Permeability Porous Media Based on Fractal Theory

Shale reservoirs are characterized by very low permeability in the scale of nano-Darcy. This is due to the nanometer scale of pores and throats in shale reservoirs, which causes a difference in flow behavior from conventional reservoirs. Slip flow is considered to be one of the main flow regimes affecting the flow behavior in shale gas reservoirs and has been widely studied in the literature. However, the important mechanism of gas desorption or adsorption that happens in shale reservoirs has not been investigated thoroughly in the literature. This paper aims to study slip flow together with gas desorption in shale gas reservoirs using pore network modeling. To do so, the compressible Stokes equation with proper boundary conditions was applied to model gas flow in a pore network that properly represents the pore size distribution of typical shale reservoirs. A pore network model was created using the digitized image of a thin section of a Berea sandstone and scaled down to represent the pore size range of shale reservoirs. Based on the size of pores in the network and the pore pressure applied, the Knudsen number which controls the flow regimes was within the slip flow regime range. Compressible Stokes equation with proper boundary conditions at the pore’s walls was applied to model the gas flow. The desorption mechanism was also included through a boundary condition by deriving a velocity term using Langmuir-type isotherm. It was observed that when the slip flow was activated together with desorption in the model, their contributions were not summative. That, is the slippage effect limited the desorption mechanism through a reduction of pressure drop. Eagle Ford and Barnett shale samples were investigated in this study when the measured adsorption isotherm data from the literature were used. Barnett sample showed larger contribution of gas desorption toward gas recovery as compared to Eagle Ford sample. This paper has produced a pore network model to further understand the gas desorption and the slip flow effects in recovery of shale gas reservoirs.