中国页岩气开发理论与技术研究进展

中国的页岩气田属于非常规气藏,采用体积压裂工程技术才可以实现有效开采。不过,页岩储层与一般储层的性质不同,纳米级孔隙大量分布,其孔隙和渗透率十分微小,同时还分布有微裂缝,气体在其中的流动具有解吸、扩散、滑脱和渗流等多种微观机理,并且呈现出基质?微裂缝?人工裂缝的跨尺度多流态流动。常规的油气开发理论与技术并不适用于页岩气藏,因此需要有针对性的研究,并建立页岩气开发的理论与技术,才能实现我国页岩气藏的高效地开发。从页岩气流动的基本规律出发,总结了页岩气流动的多流态?多尺度?多场耦合输运机理和渗流规律,归纳了考虑解吸?扩散?滑移?渗流的多尺度非线性渗流统一方程,给出了多尺度全流态图版。通过页岩气多级压裂水平井多区耦合非线性渗流理论、多场耦合非线性渗流理论,形成页岩气藏流场区域储量动用与开发动态变化规律,针对我国页岩气特点构建了页岩气产量递减模型。基于上述理论提出了开发设计方法,提出了我国储层分级评价及优选目标评价方法,并且建立了适合我国储层的分级评价及优选目标方法与指标,对中国页岩气压裂开发工艺适应性技术进展进行了归纳总结。在此基础上,对未来页岩气高效开发理论的发展方向进行了展望,以期对我国页岩气理论和技术研究提供指导。      

页岩气渗流特征及压裂井产能

依据分子运动学理论,对含纳米孔隙页岩储层气体渗流规律进行理论分析,建立适用于多尺度介质的气体运动方程和页岩气输运数学模型,得到径向流条件下的压力分布公式,形成页岩气井控制区域计算方法,建立了压裂井三区耦合非线性渗流产能方程.采用牛顿迭代法进行数值计算,研究分析了生产压差、裂缝半长、裂缝导流能力、扩散系数等参数对页岩气井产量的影响.计算结果表明:气井产量随扩散系数的增大而增大,对于含纳米孔隙的页岩储层中扩散效应对气井的产量贡献不容忽视;在一定的储层和生产条件下,气井产量随裂缝半长的增大而先快速增大后趋于平缓,因此存在一个最佳范围,各参数应进行定量的、合理的优化配置.      

含微裂缝页岩储层渗流模型及压裂井产能

根据页岩气储层纳微米孔隙和微裂缝结构特征,建立含微裂缝表面层基质-裂缝双重介质球形模型.综合考虑扩散和滑移对页岩气产能的影响,利用Langmuir等温吸附方程描述页岩气的解吸吸附,通过Laplace变换和Stehfest数值反演,得到页岩气藏压裂井定产和定压条件下的井底流压和产量的解析解,并进行页岩气藏压裂井产能预测及影响因素分析.结果表明:微裂缝是页岩气基质微观孔隙和宏观裂缝运移的主要渗流通道;微裂缝的渗透率越大和长度越长,页岩气井产量越大.      

页岩气藏渗流机理及压裂井产能评价

为了掌握页岩气藏生产动态特征,提高页岩气井产能,对页岩气藏渗流机理及产能评价进行研究.页岩气藏与常规气藏最主要的差异在于页岩气藏存在吸附解吸特性.利用Lang-muir等温吸附方程描述页岩气的吸附解吸现象,点源函数及质量守恒法,结合页岩气渗流特征建立双重介质压裂井渗流数学模型,通过数值反演及计算机编程绘制了产能递减曲线图版.分析了Langmuir体积、Langmuir压力、弹性储容比、窜流系数、边界、裂缝长度等因素对页岩气井产能的影响.     

碳酸盐岩酸蚀蚓孔等效渗透率影响因素研究

在碳酸盐岩储层在开发过程中,随着一段时间的生产,外来流体的侵入以及地层中的微粒会使得近井筒地带的储层受到污染从而渗透率下降,因此需要引入增产措施来改善地层渗透性。针对碳酸盐岩储层基质酸化形成的酸蚀蚓孔特点,基于基质酸化机理和分形理论,借助编制的VB软件,运用“点到圆”二分叉树状分形网络渗流模型,分析了二分叉网络长度分布分形维数、二分叉网络半径分布分形维数、二分叉网络分叉级数以及二分叉网络分叉角对蚓孔区无量纲等效渗透率的影响。     

裂隙性储层水平井起裂行为的控制

针对裂隙性储层水力压裂行为中出现的围岩维护、增透效率与地下水害防治等实际问题，本文对多场多相耦合作用下起裂压力控制机制，以及压裂性评价展开了深入研究。首先分析了射孔集中力对原始应力场的改造作用；其次，考虑压裂液在储层原生裂隙中的渗透作用；最后，基于断裂力学强度准则建立了水平井起裂压力计算模型。根据模型分析了储层裂隙场几何参数对起裂压力的控制作用，提出了裂隙场特征参数的概念。研究结果表明，水平井水力压裂是流固多相在射孔应力场、压裂液渗流场以及储层裂隙场耦合空间内相互作用过程，裂隙场特征参数对起裂压力的大小起着主导控制作用，其中最大控制因素为储层隙宽，且当储层隙宽在200～700 μm区间内时，水力压裂对改善其渗透性能才有实际意义，从而解决了裂隙性储层起裂压力的定量化与压裂性评判问题。经实例计算与对比发现，苏里格气田东区H8段的砂岩储层，起裂压力的理论值与实测值契合度较高，压裂后的产能也十分理想，从而验证了模型的正确性，可以为水平井压裂施工提供理论依据。      

基于微观机理的页岩气运移分析

认识气体在页岩孔隙中的运移机理对页岩气开采具有重要的科学意义.页岩作为一种致密岩石,孔隙尺寸分布主要集中在几纳米到百纳米之间,小孔隙尺寸与气体的平均分子自由程在同一个数量级,气体与孔隙边壁的碰撞对流动起到控制作用.本文针对页岩气开采过程中孔隙中气体流动过程,建立了考虑气体滑移、Knudsen扩散、Langmuir等温吸附、孔隙压缩等过程的多场耦合控制方程.分析了流态变化对滑移效应的影响,得到了考虑滑移效应的临界孔径,并针对实际中不同页岩储层有机质含量的差异,分析了解吸机制对页岩气产气率、产气量的贡献.研究还表明孔隙压缩性对产气率影响显著,通过考虑开采过程中孔隙压缩,可以更真实地反映页岩气运移过程.      

基于离散裂缝模型的页岩油储层压裂渗吸数值模拟

对于含黏土矿物较高的页岩油储层,地层水的矿化度可高达4.786×103 mol·m?3,压裂过程中与注入的低矿化度压裂液形成的渗透压作用显著。为探究渗透压对渗吸的影响作用,建立了综合考虑渗透压和毛管力渗吸作用的油水两相二维离散裂缝网络模型,开展了页岩油储层压裂液泵注和关井阶段渗透压、毛管力、关井时间、盐浓度、膜效率、分支缝面积占比等对渗吸的影响规律研究。结果表明:①滤失主要由压力差、毛管力和渗透压3种机制驱动,其中压力差是滤失的关键控制机制;②关井时间对压裂液的渗吸作用影响较大,关井50 d时,前15 d渗吸量可达到总渗吸量的80%,且关井压力扩散会波及到两侧压裂段;③与压力扩散相比,渗透压达到平衡的时间较长,对于地层水矿化度为4.786×103 mol·m?3的情况,裂缝附近的矿化度达到600 mol·m?3左右所需关井时间为50 d;④由于压力差是渗吸主要驱动力,页岩膜效率对渗透压力扩散影响微弱,页岩膜效率30%与5%相比渗吸量仅增加4%;⑤对于密切割压裂,关井后,含水饱和度受小间距水力裂缝控制,分支缝对渗吸含水饱和度的影响有限。      

地下矿山充填料岩石区域非均质一维渗流规律

以地下矿山采场为对象建立了充填料岩石渗流模型,根据实际情况确立初始条件和边界条件,推导出水在充填料和岩石中的渗流压力和流量公式,在此基础上分析了地下充填料岩石中的渗流规律及影响因素.通过分析得出:在充填料中,流量在初始阶段增长较快,达到一个峰值后逐渐下降;压力随时间逐渐降低,最后趋于稳定;渗透率越大,流量和压降越大;高度越高,流量越小而压降越大;孔隙度越小,压力越大,孔隙度对流量的影响在不同阶段各不相同.在岩石中,渗流压力与其渗透率无关,但受充填料渗流的影响较大,随时间降低,渗流流量则只与岩石的渗透率有关.      

印刷工艺制备毛细芯的孔隙结构与性能

以平均粒径为55～112μm的电解树枝状铜粉为原料、用尿素作为造孔剂,添加有机成分黏结剂、溶剂等有机物制备成浆料,采用印刷工艺制备毛细芯生坯,然后脱脂烧结制备厚度为(0.2±0.02) mm的毛细芯,研究铜粉粒径、尿素的加入和浆料有机成分对毛细芯孔隙结构和毛细性能的影响。结果表明,造孔剂尿素的加入可提高毛细芯结构的孔隙率、平均孔径和渗透率,降低毛细力和分形维数。随铜粉粒径从112μm减小到55μm,毛细芯的孔隙率、平均孔径、孔隙的平均面积和平均周长、分形维数等孔结构参数、以及毛细芯的渗透率和毛细特性参数均下降,分形维数由1.39下降至1.20,但毛细力上升。分形维数与渗透率相关,随渗透率下降,分形维数逐渐减小;毛细特性参数与渗透率成正比,与毛细力成反比。用112μm铜粉制备的毛细芯性能最优,其渗透率(K)为2.02×10^-10 m²,毛细力(ΔP_c)为1.29 kPa,毛细特性参数(ΔP_c·K)达到2.61×10^-7 N。     

复杂应力路径下裂隙泥岩渗透演化规律试验研究

油气主要储集在岩石孔隙和缝洞内,深部复杂应力环境下储层岩石裂隙渗透演化直接影响油气的运移规律,是油气勘探开发的重要研究对象。为了解复杂应力路径下含裂隙岩石的渗透演化特性,利用高精度渗流?应力耦合三轴实验设备,对含随机分布裂隙泥岩开展了单试样?复杂应力路径加卸载过程中的渗透性演化试验研究,试验方案依次为:(i) 围压递增条件下渗透性测试;(ii) 渗透压力递增条件下渗透性测试;(iii) 偏应力循环加卸载条件下渗透性测试;(iv) 围压、偏应力同步增长条件下渗透性测试。结果表明裂隙泥岩中的渗流可视为低渗流速度的层流;裂隙发育丰富岩样（R2）渗透率及应力敏感性明显较高。渗透率随渗透压力、围压分别呈正、负的指数函数变化。偏应力加载导致渗透率降低,卸载引起渗透率上升,但整体呈不可逆降低;围压、偏应力同步增长引起渗透率呈下降趋势,并逐步趋于稳定;围压10.3 MPa作用下,渗透率基本保持恒定。由此,基于裂隙双重介质模型,考虑泥岩变形过程中裂隙系统和基质系统的相互作用以及外部应力作用下的裂隙膨胀变形,构建了裂隙泥岩渗透率演化力学模型;模型模拟结果与试验结果具有较好的一致性。相关成果可为裂隙泥岩渗透性演化预测和油气高效开采提供重要的理论依据。      

水力压裂技术在地下资源开采中的应用

水力压裂是一项多学科交叉的复杂工程技术,是利用液体的传压作用,经地面设备将压裂液注入地下煤层或岩层,压开煤层或岩石的裂缝,形成多条具有高导流能力的渗流带,沟通储层的裂隙,达到高效开采资源的目的。论文在总结水力压裂技术在开采低渗透储层的煤层气和石油过程中应用的基础上,分析了该技术在应用过程中存在的裂缝监测困难、数学模型不合理等一系列问题,提出了水力压裂技术发展的一些积极建议。     

充填型单缝煤岩水力脉动解堵试验研究

利用室内自行研制的可调频脉动水力压裂系统及预制充填型单缝的煤岩,开展不同频率条件下水力脉动解堵试验,研究脉动作用下解堵水压演化过程和解堵效果。试验结果表明,水力脉动解堵压力演化过程可分为三个阶段:压力上升阶段、压力下降阶段和压力波动稳定阶段。在疲劳损伤和脉动波的双重作用下,脉动作用下的煤岩解堵表现出解堵压力阀值比定常流作用下更低、压降持续时间更短、压降幅值更小的特点。定常流作用下煤粉运移集中在压力下降阶段;脉动压力作用下煤粉在压力下降阶段和压力波动稳定阶段均有运移,且压力下降时间与运移煤粉总量成正相关关系,但煤粉总的运移量和定常流作用下的相当。脉动作用和定常流作用下径向渗透主要发生在压力上升至压力峰值阶段,但脉动流的解堵时间短,则滤液渗透半径小对储层的伤害小。综合考虑解堵压力、煤粉运移、解堵渗透路径和解堵渗流深度,特别是解堵压力和解堵渗流深度作为主要评价因素,在3 Hz条件下解堵效果最好,其具有较低的解堵压力和最小的解堵渗流深度。      

Assessing Well Drilling Disturbance Effects on Offshore Foundation Piles in Clay

It is widely recognized that hydrocarbon well drilling from offshore platforms affects the surrounding ground. In clays, the level of disturbance can be severe when sections of open well collapse during drilling, impeding fluid return to the seabed (termed “packing-off”), and drilling fluid pressure is increased in order to obtain a breakthrough return path for the fluid. Significant swelling and hydraulic fracturing can take place in the surrounding soil mass. With time the excess pore pressures will dissipate and could cause increases in pore pressures far from the wells, potentially affecting areas occupied by the platform’s foundation piles. There is no established procedure to quantify the impact of such processes on foundation performance. This paper presents a numerical approach that involves a series of finite-element analyses in which drilling disturbance is treated as an idealized fluid injection process. The entry of pressurized drilling water into progressively enlarging fractured disturbed zones, and hence into the surrounding soil mass, is simulated with two- and three-dimensional nonlinear finite-element (FE) models, without modeling the actual hydraulic fracturing processes. The analyses make use of key observations made in the field at a piled offshore platform. The FE analyses predict marginal foundation capacity reductions, as well as significant global vertical and horizontal movements developing around the piles. It is demonstrated that the ground movement predictions are heavily influenced by the degree of geometric idealization.