纳米尺度下页岩储层气体渗流动态特征

页岩储层孔隙结构复杂,孔隙直径小,纳米级孔隙普遍发育,大量的页岩气是以吸附态储存在页岩中。页岩气开采时,由于地层压力的下降和吸附气解吸会引起孔隙结构改变,从而使页岩渗流特征产生动态变化,渗透率的大小也随之改变。利用Beskok-Karniandakis模型和Polanyi吸附理论并结合毛细管理论模型,建立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,计算得出：①应力敏感效应会明显降低页岩的表观渗透率。②当孔隙半径小于2 nm时,在开发初期压力较高(大于10 MPa)时,孔径越小,吸附气对表观渗透率影响程度越大; 在开发后期压力较低(小于6 MPa)时,孔径越小,滑脱效应和自由分子流动效应对表观渗透率增加程度越大。③当孔隙半径小于4 nm时,吸附对表观渗透率的影响占主导地位,当孔隙半径大于4 nm时,应力敏感对表观渗透率的影响占主导地位。     

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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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。     

涪陵地区五峰-龙马溪组页岩流动特征

涪陵页岩气田是我国第一个实现商业化开发的页岩气田,上奥陶统五峰-龙马溪组为该区主力产气层。通过开展核磁共振实验、高温高压等温吸附实验、分子动力学模拟、扩散实验、低速渗流实验,同时结合理论计算,初步揭示了目的含气页岩层页岩气流动特征。研究表明,涪陵地区五峰-龙马溪组页岩孔径以小于10nm为主,占比80%以上;气体分子主要以单层吸附为主。涪陵地区页岩地层压力低于10~15MPa时,页岩气开始大量解吸;扩散系数随孔隙压力、含水饱和度增大而减小,随温度增加而增大;甲烷气体在孔隙压力小于5MPa时,滑脱效应显著;在地层温度和压力条件下,页岩气在孔径大于200nm孔隙中,流态为达西流,在孔径介于2~200nm孔隙中,页岩气流态以扩散和滑脱流为主。     

页岩储层气体流动能力实验研究

针对采用常规渗透率无法有效表征页岩储层流动能力的现状,运用自主研发的页岩气稳态流动和衰竭开发物理模拟实验装置,测试了压力为0. 0～30. 0 MPa的气体流动能力,结合孔隙分布和应力敏感测试,建立了页岩储层基质气体流动能力的表征方法。研究表明:页岩储层中气体流态以滑脱流为主,明确了滑脱因子、吸附以及应力敏感对流动能力的影响,建立了氦气渗透率、氮气渗透率与甲烷渗透率三者之间的转换关系;建立了考虑滑脱、吸附和应力敏感的表观渗透率模型,能表征页岩气在基质中的流动能力。建立的表观渗透率模型更接近原始储层气体的真实流动状态,能反应页岩气开发过程中储层的实际渗流能力,从而为页岩产气规律评价和生产动态预测提供科学依据。     

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。     

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。     

页岩气纳米级孔隙渗流动态特征

页岩储层的孔隙结构比较复杂,孔隙直径较小,纳米级孔隙普遍发育,大量的页岩气是以吸附态储存于页岩中的。页岩气开采时,纳米级的孔隙结构和吸附气解吸会引起孔隙结构改变,从而使页岩渗透率产生动态变化。为此,基于毛细管模型,引用固体变形理论,研究了气体分子在纳米级孔隙中渗流动态特征。结果表明：孔隙直径小于10 nm时,受扩散与解吸作用的影响,渗透率随储层压力下降呈现出先增加后减小的趋势;孔隙直径越大,渗透率拐点压力值越低,渗透率下降速度越快;孔隙直径大于20 nm,气体分子间的扩散作用对渗流影响较小;压力较低（小于10 MPa）时,气体渗流受分子扩散效应作用明显。     

页岩气吸附解吸效应对基质物性影响特征

为了研究页岩气降压开采过程中吸附气解吸作用对基质表观物性(如有效孔隙半径、有效孔隙度、表观渗透率)及气体流动机制的影响,推导了吸附解吸作用下页岩基质孔隙有效半径和表观渗透率动态模型,建立了考虑吸附解吸影响基质表观物性和气体传输机制的页岩气渗流数学模型。采用有限体积法对模型进行求解,利用实验及矿场数据验证了模型的可靠性,最后应用该模型研究了页岩气开采过程中基质物性参数、气体流动机制变化特征以及吸附效应对页岩气开发的影响规律。研究结果表明,页岩气开采过程中基质孔隙有效半径、有效孔隙度和表观渗透率逐渐变大,体积压裂改造区域流动机制由滑脱流转变为过渡流;忽略吸附层影响将导致地质储量和产气量严重高估;随着吸附层厚度增加,累计产气量变化不大,但采收率逐渐降低。     

基于格子Boltzmann方法的页岩气微观流动模拟

页岩中的主要孔隙类型是纳米孔隙,气体在纳米孔隙中的流动不同于在常规孔隙中的流动,其存在微尺度效应,因此基于连续介质假设的达西方程不再适用。由于页岩气藏一般处于高压环境,气体比较稠密,理想气体状态方程也不再适用。而格子Boltzmann方法是一种介观流动模拟方法,其不基于连续介质假设,适用于从滑移区到过渡区的气体流动模拟,并且能够考虑气体稠密性和非理想气体状态方程的影响。基于考虑努森层影响和微尺度效应的非理想气体格子Boltzmann方法,结合镜面反射格式与反弹格式组合的滑移边界条件,采用二维平板模型,研究了孔隙尺寸、压力和温度等因素对微尺度效应的影响,并对影响机理进行了分析。结果表明:努森数是微尺度气体流动的控制参数;在滑移区和自由分子流区,各因素对微尺度效应的影响较小,而在过渡区,各因素对微尺度效应的影响较大;通过表观渗透率与固有渗透率比值随努森数的变化关系,并与常用的页岩气藏表观渗透率计算模型进行对比,验证了目前常用页岩气藏表观渗透率计算模型的准确性。     

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.     

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。     

页岩储层渗透率数学表征

为研究页岩储层渗透率表征方法中存在的问题,根据页岩储层独特的裂缝、孔隙分布特点,分别建立了裂缝渗透率理论计算模型和基质渗透率理论计算模型,定性分析了缝宽、孔隙直径、孔隙压力等参数对渗透率的影响。模型研究表明：裂缝内气体渗流满足立方定律,其渗流能力由缝宽决定;基质渗透率受气体滑脱效应和扩散效应影响,其渗流能力由孔隙压力和孔隙直径共同决定,且随孔隙压力和孔隙直径的变化发生动态变化;裂缝渗透率和基质渗透率极差较大,实际应用时须进行适当分类处理,以克服采用现有渗透率数学表征方法表征页岩气渗透率的不足。应用实例结果表明,该方法准确有效。     

Gas sorption and non-Darcy flow in shale reservoirs

Gas sorption and non-Darcy flow are two important issues for shale gas reservoirs. The sorption consists of dissolution and adsorption. Dissolved gas and adsorbed gas are different. The former is dissolved in the shale matrix, while the latter is concentrated near the solid walls of pores. In this paper, the Langmuir equation is used to describe adsorption and Henry’s law is used to describe dissolution. The K coefficient in Henry’s law of 0.052 mmol/(MPa g TOC) is obtained by matching experimental data. The amount of dissolved gas increases linearly when pressure increases. Using only the Langmuir equation without considering dissolution can lead to a significant underestimation of the amount of sorbed gas in shales. For non-Darcy gas flow, the apparent permeability model for free gas is established by combining slip flow and Knudsen flow. For adsorbed gas, the surface diffusion effect is also considered in this model. The surface diffu- sion coefficient is suggested to be of the same scale as the gas self-diffusion coefficient, and the corresponding effective permeability is derived. When 1/ increases,k_(app)/ k_D increases, but the relationship is not linear as the Klinkenberg effect suggests. The effect of adsorption on the gas flow is significant in nanopores (r≤2 nm). Adsorption increases apparent permeability in shales at low pressures and decreases it at high pressures.     

微纳米孔隙页岩气藏分形表观渗透率计算模型

微纳米孔隙页岩气藏运移机制多样,孔隙结构复杂,分形理论能比较精确地描述复杂系统。基于单根直圆管质量流量公式,推导出考虑迂曲分形维数的单根分形迂曲毛细管质量流量表达式,进一步推导出单位分形集内考虑管径分形维数与迂曲分形维数的总质量流量表达式,从而获得微纳米孔隙页岩气藏分形表观渗透率计算公式。通过实验数据,完成模型验证,对比分析文中模型与传统模型的差异,进行分形参数敏感性分析。结果表明:文中分形表观渗透率计算模型计算结果略高于Javadpour模型,略低于Xiong X模型,但与实验结果最为接近;页岩气藏分形表观渗透率随有效压力增大而逐渐减小,在压力较低时,下降较快,压力较高时,趋于平稳;分形表观渗透率受管径分形维数与迂曲分形维数的影响,随管径分形维数的增大呈非线性增大,随迂曲分形维数增大呈非线性减小。     

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。      

Numerical simulation of gas transport mechanisms in tight shale gas reservoirs

Due to the nanometer scale pore size and extremely low permeability of a shale matrix,traditional Darcy’s law can not exactly describe the combined gas transport mechanisms of viscous flow and Knudsen diffusion.Three transport models modified by the Darcy equation with apparent permeability are used to describe the combined gas transport mechanisms in ultra-tight porous media,the result shows that Knudsen diffusion has a great impact on the gas transport and Darcy’s law cannot be used in a shale matrix with a pore diameter less than 1 μm.A single porosity model and a double porosity model with consideration of the combined gas transport mechanisms are developed to evaluate the influence of gas transport mechanisms and fracture parameters respectively on shale gas production.The numerical results show that the gas production predicted by Darcy’s law is lower than that predicted with consideration of Knudsen diffusion and the tighter the shale matrix,the greater difference of the gas production estimates.In addition,the numerical simulation results indicate that shale fractures have a great impact on shale gas production.Shale gas cannot be produced economically without fractures.     

中国南方海相页岩孔隙结构特征

我国南方古生界页岩成熟度高,页岩储层孔隙、裂隙类型多样,微米—纳米级孔隙发育。正确认识页岩孔隙特征是研究上述地区页岩气赋存状态,储层性质与流体间相互作用,页岩吸附性、渗透性、孔隙性和气体运移等的基础。为此,采用观察描述和物理测试两类方法对南方海相页岩孔隙特征进行了研究:前者通过手标本、光学显微镜、扫描电镜、核磁共振光谱学法、小角度X射线散射法等手段直观描述页岩孔隙的几何形态、连通性和充填情况,统计孔隙优势方向和密度,拍摄照片等,以确定页岩成因类型;后者通过He孔隙率测定、压汞实验、低温液氮吸附、低温CO2吸附等方法定量测试页岩孔容、孔径大小及其分布、孔隙结构、比表面积等,以评价页岩含气性。结果表明:该区古生界页岩储层中纳米级孔隙以干酪根纳米孔、颗粒间纳米孔、矿物晶间纳米孔、溶蚀纳米孔为主,喉道呈席状、弯曲片状,孔隙直径介于10～1 000nm,主体范围为30～100nm,纳米级孔隙是致密储层连通性储集空间的主体;按孔径大小,将页岩储集空间分为5种类型:裂隙(孔径大于10 000nm)、大孔(孔径介于1 000～10 000nm)、中孔(孔径介于100～1 000nm)、过渡孔(孔径介于10～100nm)、微孔(孔径小于10nm)。