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.     

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.      

页岩气藏的双重介质-离散裂缝模型

考虑页岩气藏开发中渗流的多尺度效应,提出了一个基于裂缝-孔隙双重介质的离散裂缝模型．在该模型中,基质、天然裂缝和人工压裂裂缝采用各自控制方程独立计算,不同介质之间通过流量交换相互关联．为分析模型可靠性,分别和基于渗透率粗化及压裂裂缝导流能力无穷大的模型对比．数值算例显示,伴随着网格细分,该模型与精确渗透率粗化模型具有相同计算精度,两者收敛速度均较快,但该模型易推广到多相流动问题,而等压模型对产量将有所高估．研究了地质参数和工艺参数对气井产量的影响规律．计算结果表明天然裂缝渗透率及基质孔隙扩散系数对产气速率有着重要影响,产气速率伴随着人工压裂裂缝导流能力、长度以及数目的增加而增加,但是增加幅度会逐步趋缓．     

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.      

基于等温吸附的页岩水分传输特征研究

研究页岩的水分传输特征至关重要,不仅有助于认识页岩的物理化学性质,而且也有助于评价页岩气的吸附扩散和流动能力.本文设计了页岩的水分传输实验装置,采用美国伍德福德和中国南方龙马溪组页岩为研究对象,开展了不同温度、不同湿度下页岩的水分传输实验,研究了页岩的水分传输特征和影响因素.结果表明,页岩的水分吸附属于II型曲线,包含着单分子层吸附、多分子层吸附和毛细凝聚的过程,GAB模型可用于描述页岩的水分吸附过程;水分吸附随着相对压力的增大而增强,有机碳含量和温度对页岩水分吸附起着增强作用,而方解石会抑制页岩的水分吸附;随着相对压力的增大,页岩的水分扩散系数呈现先增大后减小随后增加的趋势,其系数大约在8.73$\times$10$^{ - 9}\sim $5.95$\times $10$^{ - 8 }$m$^{2}$/s之间;伍德福德页岩的等量吸附热均大于龙马溪页岩的等量吸附热,这与其页岩的成熟度有关.研究结果为认识页岩的物理化学性质和力学性能以及评价页岩气的吸附流动能力提供参考依据.      

基于等温吸附的页岩水分传输特征研究

研究页岩的水分传输特征至关重要,不仅有助于认识页岩的物理化学性质,而且也有助于评价页岩气的吸附扩散和流动能力.本文设计了页岩的水分传输实验装置,采用美国伍德福德和中国南方龙马溪组页岩为研究对象,开展了不同温度、不同湿度下页岩的水分传输实验,研究了页岩的水分传输特征和影响因素.结果表明,页岩的水分吸附属于Ⅱ型曲线,包含着单分子层吸附、多分子层吸附和毛细凝聚的过程,GAB模型可用于描述页岩的水分吸附过程;水分吸附随着相对压力的增大而增强,有机碳含量和温度对页岩水分吸附起着增强作用,而方解石会抑制页岩的水分吸附;随着相对压力的增大,页岩的水分扩散系数呈现先增大后减小随后增加的趋势,其系数大约在8.73×10~(-9)～5.95×10~(-8)m~2/s之间;伍德福德页岩的等量吸附热均大于龙马溪页岩的等量吸附热,这与其页岩的成熟度有关.研究结果为认识页岩的物理化学性质和力学性能以及评价页岩气的吸附流动能力提供参考依据.     

考虑蠕变效应的页岩气水平井控压生产增产机理研究

页岩储层具有基质渗透率低、天然裂缝发育复杂等特点,主要采用多段压裂水平井的方式进行开发.页岩气井的生产分为放压生产和控压生产两种方式,目前学者们普遍认为控压生产能够增加EUR,且应力敏感性是控压生产效果优于放压生产效果的主要原因.文章在考虑基质和裂缝应力敏感的基础上,进一步考虑基质岩石的蠕变效应,建立变压蠕变影响的嵌入式离散裂缝模型,通过数值模拟方法分析应力敏感和蠕变效应对不同生产方式生产效果的影响.结果表明,只考虑应力敏感时,放压生产优于控压生产,只有考虑蠕变效应时,控压生产效果才会优于放压生产,抑制页岩的蠕变效应是控压生产提高气井EUR的机理之一.随控压时长的增加,气井EUR呈现先增加后降低的趋势,控压生产存在一个最优值;基质蠕变参数越大、人工裂缝导流能力越高、基质渗透率越小、吸附体积越小、控压生产增产的效果越好.本研究从机理上解释了控压生产的增产机理,为页岩气井的生产制度优化奠定了基础.     

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.      

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.      

Pressure Transient Analysis for Multi-stage Fractured Horizontal Wells in Shale Gas Reservoirs

This article presents the PTA on the multi-stage fractured horizontal well in shale gas reservoirs incorporating desorption and diffusive flow in the matrix. Currently, most PTA models are simply based on Darcy flow both in natural fractures and matrix without considering the mechanisms of desorption and diffusion in shale matrix. Source function and Laplace transform with the numerical discrete method are employed to solve the mathematical model. The solution is presented in the Laplace domain so that the wellbore storage effect and skin factor can be easily incorporated by convolution. Type curves are plotted with Stehfest algorithm and different flow regimes are identified. The presented model could be used to interpret pressure signals more accurately for shale gas reservoirs.     

Comprehensive Seepage Simulation of Fluid Flow in Multi-scaled Shale Gas Reservoirs

Shale gas seepage behaviour is a multi-field/-scale problem and makes transient pressure analysis a very challenging task. Non-Darcy flow in nanopores is prominent due to the broken of continuity hypothesis. Slippage effect and Knudsen diffusion are two important seepage mechanisms in nanopores, while recent studies show surface diffusion is another important transporting mechanism on surface of nanopores. Porous kerogen system contains large amounts of dissolved gas, which should not be overlooked. In this study, a comprehensive mathematical model was established by pseudo-quadruple porosity medium conception, coupling the effects of slippage flow, Knudsen diffusion, surface diffusion, ad-/desorption and gas transferring from kerogen to nanopore system, while fluid flow in fractures/macropores is described by Darcy’s law. Transient pressure behaviours of a multiple fractured horizontal well in box-shaped shale gas reservoir were studied, with nine possible flow regimes divided and parameters sensitivity analysed. Adsorbed constant and dissolved constant were defined to reflect the amount of adsorbed gas and dissolved gas, respectively. Research shows that adsorbed gas and dissolved gas are two important gas storage forms, neither of which should be neglected. The study can not only help us understand fluid flow mechanisms in nanopores from microscopic perspective, but enable us to analyse production performance and determine key operational parameters from macroscopic perspective.     

A Numerical Study of Microscale Flow Behavior in Tight Gas and Shale Gas Reservoir Systems

Various attempts have been made to model flow in shale gas systems. However, there is currently little consensus regarding the impact of molecular and Knudsen diffusion on flow behavior over time in such systems. Direct measurement or model-based estimation of matrix permeability for these “ultra-tight” reservoirs has proven unreliable. The composition of gas produced from tight gas and shale gas reservoirs varies with time for a variety of reasons. The cause of flowing gas compositional change typically cited is selective desorption of gases from the surface of the kerogen in the case of shale. However, other drivers for gas fractionation are important when pore throat dimensions are small enough. Pore throat diameters on the order of molecular mean free path lengths will create non-Darcy flow conditions, where permeability becomes a strong function of pressure. At the low permeabilities found in shale gas systems, the dusty-gas model for flow should be used, which couples diffusion to advective flow. In this study we implement the dusty-gas model into a fluid flow modeling tool based on the TOUGH+ family of codes. We examine the effects of Knudsen diffusion on gas composition in ultra-tight rock. We show that for very small average pore throat diameters, lighter gases are preferentially produced at concentrations significantly higher than in situ conditions. Furthermore, we illustrate a methodology which uses measurements of gas composition to more uniquely determine the permeability of tight reservoirs. We also describe how gas composition measurement could be used to identify flow boundaries in these reservoir systems. We discuss how new measurement techniques and data collection practices should be implemented in order to take advantage of this method. Our contributions include a new, fit-for-purpose numerical model based on the TOUGH+ code capable of characterizing transport effects including permeability adjustment and diffusion in micro- and nano-scale porous media.     

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.     

Mechanical frontiers in shale-gas development

页岩气的开采涉及破裂和收集输运两个关键过程.如何实现2000,m以下、复杂地应力作用下、多相复杂介质组分的页岩层内网状裂纹的形成,同时将孔洞、缝隙中的游离、吸附气体进行高效收集,涉及到诸多的核心力学问题.这一工程过程涵盖了力学前沿研究的诸多领域：介质和裂纹从纳米尺度到千米尺度的空间跨越,游离、吸附气体输运过程中微秒以下的时间尺度事件到历经数年开采的时间尺度跨越,不同尺度上流体固体的相互作用,以及压裂过程中通过监测信息反演内部破坏状态等.针对近年来我们国家页岩气勘探开发工作所取得的成就及后续发展中面临的前沿力学问题,在综合介绍页岩气藏的基本特征和开发技术的基础上,以页岩气开采中的若干力学前沿问题为主线,从页岩力学性质及其表征方法、页岩气藏实验模拟技术、页岩气微观流动机制及流固耦合特征、水力压裂过程数值模拟方法、水力压裂过程微地震监测技术、高效环保的无水压裂技术等6个方面的最新研究进展进行了总结和展望,结合页岩气藏开发的工程实践, 深入探究了其中力学关键问题,以期对从事页岩气领域的开发和研究的从业人员提供理论基础, 同时,该方面的内容对力学学科、尤其是岩土力学领域的科研工作也具有重要指导价值.