基于动量方程的页岩气体扩散能力表征模型与实验研究

为揭示页岩微纳米孔隙中气体的扩散机理,针对页岩储层气体扩散能力难以定量表征的问题,基于考虑流体黏性的微分形式动量方程,建立了考虑页岩孔隙度、迂曲度和流动K_n数(气体分子平均自由程与流动特征尺度之比的气体扩散系数新模型,将模型与自主研发的页岩近平衡态实验进行验证,进而形成了页岩气扩散系数影响因素图版。研究表明:考虑了页岩孔隙度、迂曲度等多孔介质参数和流动K_n数,新建立的扩散系数更能准确表征页岩气扩散能力,与近平衡扩散流量吻合度达90%以上;扩散系数与压力负相关,而与孔隙直径正相关,在压力低于20 MPa、孔隙直径低于10 nm或K_n数高于0.2后必须考虑上述参数变化对扩散系数的影响。该研究实现了储层条件下页岩气扩散流量的定量计算,可用于页岩表观渗透率模型的建立,为不同生产阶段页岩气扩散对产量的贡献以及调整生产制度、提高单井产量提供科学依据。     

页岩储层基质气体扩散能力评价新方法

为了更好地评价页岩气在储层基质岩块中的流动能力,以便准确地预测页岩气水平井产量变化规律,以Fick第一定律为基础,依据物质平衡方程,建立了考虑在压差引起浓度差的作用下气体广义扩散能力评价模型,并提出了页岩气体扩散速率系数和扩散效率计算方法。在此基础上,设计了相应的页岩气体扩散能力评价实验装置和实验流程,通过在不同实验条件下的气体扩散实验,获得了随时间变化的气体累积扩散量,利用实验数据计算获得了页岩气体扩散系数、扩散速率系数、扩散效率及流动系数,进而对页岩扩散能力的影响因素进行分析。研究结果表明,页岩基质中的气体主要以广义扩散的方式为压裂裂缝中气体流动提供重要补充;页岩渗透率决定着页岩气体扩散能力大小,渗透率越大,扩散能力越强,而孔隙度与页岩扩散能力相关性小。     

页岩气藏流动机理与产能影响因素分析

为研究气体在页岩储层中的流动机理并分析影响页岩气藏产能的控制因素,基于广泛的文献调研,描述了页岩气在页岩储层中流动主要经历的3个过程：解吸附、扩散和渗流,分析了其影响因素和适用条件。在此基础上,利用数值模拟方法分析了吸附气含量、Langmuir体积、Langmuir压力、扩散系数、基质渗透率、微裂缝渗透率和压裂诱导裂缝导流能力等因素对页岩气水平井产能的影响情况。结果表明：①天然气地质储量保持不变时,随吸附气含量增高,水平井日产气量和相同开发时间累积产气量逐渐降低,地层平均压力下降速度加快;②相同吸附气浓度条件下,随Langmuir体积和Langmuir压力的增加,水平井日产气量和相同开发时间累积产气量逐渐降低,初期产量递减速度加快;③气体扩散系数对产能影响较小;④基质渗透率介于1.0×10^-9～1.0×10^-6 mD时,基质渗透率是控制水平井产能的主要因素,随基质渗透率增加,日产气量和累积产气量迅速增加;⑤基质渗透率大于1.0×10^-6 mD 时,基质渗透率和微裂缝渗透率均是控制水平井产能的主要因素,日产气量和累积产气量随基质渗透率和微裂缝渗透率的增加而增加;⑥随压裂诱导裂缝导流能力增加,水平井累积产气量逐渐增加,累积产气量增幅逐渐减小,压裂诱导裂缝存在着最优导流能力。     

页岩基质扩散流动对页岩气井产能的影响

本文的目的是对页岩基质中流体的流动进行详细的描述,从而改进压裂页岩气藏的产能模型。本文提出了一个考虑页岩基质中达西流和扩散流的双重流动机理模型,得出了模型的无因次Laplace空间解。结果表明,当基质的渗透率接近纳达西范围时,流动仅在基质的表面附近进行;在现实的生产中,基质颗粒中心是不参与生产的;当基质的渗透率接近纳达西范围时,基质颗粒的表面以达西流动为主,而基质颗粒的中心以扩散流为主;忽略基质中的扩散流动将严重低估气井的产量,并且渗透率越低,估算的误差越大。     

页岩气纳米孔气体传输模型

页岩气纳米孔气体传输模型是准确进行页岩气数值模拟的基础,对页岩气经济开发具有重要的意义。页岩气纳米孔气体传输机理包括纳米孔体相气体传输和吸附气表面扩散,而纳米孔体相气体传输机理包括连续流动、滑脱流动和努森扩散。基于滑脱流动和努森扩散两种传输机理,分别以分子之间碰撞频率和分子与孔隙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因子,将这两种传输机理叠加,建立了纳米孔体相气体传输模型。基于Hwang模型,考虑高压条件下吸附气覆盖度的影响,建立了纳米孔吸附气表面扩散模型。结合纳米孔体相气体传输和吸附气表面扩散模型,建立了页岩气纳米孔气体传输模型,并采用分子模拟和实验数据进行了验证。结果表明:①滑脱流动、努森扩散和表面扩散对气体传输的贡献是此消彼长的,其主要受孔隙尺度和压力的支配。②滑脱流动在介、宏孔(半径> 2 nm)和高压条件下,对气体传输贡献大;在微孔(半径≤2 nm)和低压条件下,其贡献小,可忽略。③努森扩散在宏孔(半径> 50 nm)和低压条件下,对气体传输贡献不可忽略,在其他条件下均可忽略。④表面扩散在微孔(半径≤2 nm)和全压力范围内,总是主宰了气体传输;当孔隙半径> 25 nm和压力高于1 MPa时,表面扩散贡献可忽略;当孔隙半径在2~25 nm和压力低于5 MPa时,表面扩散贡献较高,不能忽略。     

页岩气藏体积压裂数学模型研究

页岩储层具有一定密度和连通性的天然裂缝,而对复杂天然裂缝网络的描述非常困难。目前还没有针对页岩气藏的渗流模型,其模拟模型还基于常规的黑油模型或双重介质模型。黑油模型适用性广、解法完善,是目前油气藏数值模拟中最经典的模型,但是它不能考虑气体解吸附作用;因此,对页岩气藏的适用性比较差。文中建立以溶解气模拟吸附气的模型。即利用溶解气油比曲线模拟朗格缪尔等温吸附曲线,将油相视为不可流动相,黑油模型中的气相即为页岩气藏中的自由气。考虑了气体的解吸附作用和扩散作用,对比了其与单一介质的模拟结果,与传统的双孔单渗模型模拟结果相比,二者均能较好地进行页岩气产能预测。     

基于有限元方法的深层页岩气水运动规律分析

针对深层页岩气高温高压条件下等温吸附曲线出现先增高后降低的现象,修正了Langmuir吸附模型,建立了考虑超临界吸附和非线性流动机理的深层页岩气压裂水平井气水两相流动数学模型,并基于有限元方法对模型进行求解,利用该数学模型对比分析了基质渗透率、改造区面积和主裂缝渗透率等因素对气水运动规律的影响。研究结果表明:改造区面积并不是越大越好,当改造区面积增大到一定程度时再继续增大改造区面积对提高产量效果不明显;开采过程中,主裂缝内流体会先流入井筒,之后改造区流体流入主裂缝,最后再由基质内流体对改造区进行补充,因此前期主要受主裂缝渗透率影响,后期主要受基质渗透率影响。研究结果对于深层页岩气田开发具有一定的指导意义。     

页岩气储层自吸–水化损伤–离子扩散相关性试验研究

压裂液与页岩气储层接触后,诱发自吸、水化损伤及离子扩散等水岩反应,导致压裂液返排率低、矿化度高,对压裂改造效果与页岩气产出均有显著影响。目前对上述水岩反应已经开展了针对性研究,但自吸、水化损伤及离子扩散同步产生,对三者之间相关性的研究较缺乏,难以准确认识压裂液与页岩的相互作用,不利于压裂优化设计。为此,立足于室内试验手段,明确了不同条件下的页岩自吸、水化损伤及离子扩散规律及影响因素,系统分析了页岩自吸、水化损伤及离子扩散之间的定量相关性以及相互作用机制。研究结果显示：自吸、水化损伤及离子扩散具有同步响应特征,均在自吸前期发展显著,后续逐渐趋于稳定;自吸与水化损伤相互促进,使页岩吸水量增大;随页岩吸水量增大,离子扩散程度加剧,更多盐离子扩散进入压裂液,使压裂液活度降低,减弱页岩自吸与水化程度。研究成果深化了对压裂液与页岩相互作用的认识,为实现页岩气储层高效水力压裂改造提供了理论支撑。     

页岩气储层渗吸与盐离子扩散相关关系北大核心CSCD

综合考虑孔隙度、渗透率、含水饱和度差、表面张力、润湿角和单位壁面离子附着量等因素对页岩气储层渗吸和离子扩散能力的影响,基于气水两相渗流理论建立了压后闷井期间压裂液向储层渗吸和盐离子向压裂液扩散的数学模型,并进行了模型验证及影响因素分析,结果表明:压裂液向页岩中的渗吸和盐离子向压裂液中的扩散同步,且渗吸能力和离子扩散能力都与时间平方根保持了较好的线性关系。随着孔隙度和表面张力增加,渗吸速率和离子扩散速率同步增加;随着页岩润湿角增加,渗吸速率和离子扩散速率同步减小;随着渗透率和含水饱和度差增加,渗吸速率增加而离子扩散速率减小;随着单位壁面离子附着量增加,离子扩散速率呈线性增加。本文研究结果可为深入认识压裂液返排率及返排液盐度变化的微观机理与控制因素,进而开展返排制度优化及压后评估提供借鉴意义。     

页岩气渗流机理与产能研究

页岩气储存和运移的特殊性导致了其渗流过程描述的复杂性。很多学者按照双重介质渗流研究页岩气渗流．认为吸附气解吸后直接扩散到裂缝中;但由于其忽略了基质颗粒间存在的游离气,使得渗流过程的描述不完整。在前人研究的基础上,文中引入了一个新的流动过程——基质孔隙系统中的流动,建立了相应的页岩气渗流方程;通过空间变换及数值求解,得出了圆形封闭地层中页岩气井定压生产时无因次拟压力的Laplace空间解：在此基础上绘制了产能随时间的变化关系图,分析了吸附系数、封闭边界半径、弹性储容系数等页岩气特征参数对产能曲线的影响。研究结果表明：页岩气井的产能曲线呈初期产能快速下降-稳产-产能缓慢下降的“三段式”特征;封闭边界半径越大,稳产时间越长;吸附系数越大,初期产能下降越慢,稳产时间越长;裂缝弹性储容系数越大。初期产能下降越快。     

川东南丁山与焦石坝地区五峰组—龙马溪组页岩气富集条件差异分析与思考

四川盆地东南缘（川东南）丁山构造五峰组—龙马溪组页岩气勘探已取得突破,但相比涪陵页岩气田焦石坝构造,其富集高产因素又体现出其自身的特殊性。以四川盆地丁山和焦石坝地区五峰组—龙马溪组为研究对象,综合利用钻井、测井、地震及分析化验等资料,明确了两地区主要富集条件的差异性,建立了2种目标类型页岩气成藏富集模式,研究发现：（1）丁山优质页岩层段TOC≥3%的页岩仅发育于五峰组—龙马溪组一段①—③层,厚15~19 m,明显比焦石坝薄（焦页1井近38 m）;（2）丁山构造保存条件明显受齐岳山断裂控制,平面上远离齐岳山断裂、埋深更大的斜坡带和深埋平缓带页岩气层压力系数、孔隙度和含气量明显增大,而焦石坝构造保存条件明显受周边控制构造的断裂影响,压力系数、孔隙度和含气量仅在断裂附近出现明显的降低;（3）丁山优质页岩层段在自身脆性方面与焦石坝无明显差异,但由于埋深变化较大,埋深处于3 500~4 500 m富集区的优质页岩层段的地应力、岩石破裂压力明显增大。研究认为沉积环境造成了两地区页岩原生品质具有一定的差异,其中丁山属于“较快速海退型”陆棚相沉积,而焦石坝属于“缓慢海退型”陆棚相沉积;而控制构造的断裂是造成页岩气逸散方式和程度不同的主要因素。根据以上特点,建立了丁山 “齐岳山断裂带主体控制、浅埋藏区垂向、横向联合逸散、深埋藏区富集”的盆缘“鼻状断背斜富集型”、焦石坝盆内“控边断裂垂向逸散为主、横向逸散微弱、主体稳定区富集”的“断背斜富集型”成藏富集模式。     

页岩吸附超临界CH4的热力学特征

为完善页岩等量吸附热计算方法,明确页岩吸附超临界CH₄的热力学特征,选用温度区间为26.85~199.85 ℃、压力范围为0.08~14 MPa的页岩等温吸附数据,系统检验常用吸附相密度计算方法的合理性,并基于绝对吸附量分析等量线标绘法的适用范围及页岩等量吸附热特征。结果表明：①经检验,常用的吸附相密度计算方法中Ozawa经验公式法适用于较宽温压范围内的绝对吸附量校正;②Lnp-1/T曲线在温度区间为149.85~199.85 ℃且n_ab为0.103 8~0.280 0 mmol/g时不具有线性特征,因此该温度及吸附量范围内等量线标绘法不再适用,同时Lnp-1/T曲线的n_ab取值应当与Lnp-n_ab曲线保持一致,以此获得的等量吸附热曲线才能全面地反映吸附过程的热力学特征;③页岩吸附超临界CH₄的等量吸附热随着吸附量的增加呈现先增大后减小的非单调变化,表明在吸附早期,CH₄分子间的相互作用力对等量吸附热的影响占主导,当吸附量增加到一定程度后,页岩表面的非均一性占主导。     

中扬子宜昌地区沉积—构造演化与寒武系页岩气富集规律

鄂西宜昌斜坡是四川盆地外寒武系页岩气勘探新区,与盆内勘探不同,宜昌斜坡发育于黄陵隆起之上,页岩气富集地质条件研究薄弱。利用最新的地震、钻探和测试资料,分析认为研究区沉积、构造演化具有特殊性,先后经历了印支期隆起雏形、燕山期快速抬升剥蚀、喜马拉雅期充填改造3个关键沉积—构造阶段。宜昌地区相对稳定的构造条件,对页岩气富集成藏有4个方面的影响：①桐湾运动末期形成早寒武世隆、凹相间的古地理格局直接影响宜昌地区寒武系水井沱组富有机质页岩的展布,对页岩气的形成分布有重要的源控作用,水井沱组页岩含气量与 TOC 含量具有较好正相关性,指示有机质丰度是影响页岩气富集的关键因素。②印支期开始隆升、燕山期迅速隆升的黄陵岩体控制宜昌斜坡区构造沉降,使下古生界页岩层埋藏深度适中、抬升早、有机质热成熟度相对低,在中、下扬子区下古生界页岩过成熟演化背景下尤为特殊。适宜的热演化条件下,水井沱组页岩有机质纳米孔发育,构成页岩气重要储集空间。③受黄陵隆起的砥柱作用,宜昌斜坡在南方中、新生代多期次强烈构造活动中免遭构造破坏和强改造,表现为隆升剥蚀为主、局限断裂活动为辅、整体构造变形弱的特点,构造保存条件较临区优越,加之页岩渗透性极低,使宜昌单斜构造上水井沱组页岩气仍有效保存,是当前该区勘探的主体。④寒武系页岩裂缝发育,早期构造作用形成的高角度裂缝、晚期由于重力顺层滑脱作用形成的低角度剪切缝,共同构成页岩气运移、储集的重要空间。宜昌地区页岩气的勘探突破表明,古隆起、古斜坡等稳定古构造周缘是中下扬子区古生界页岩气勘探的潜在有利区。     

川东南五峰组—龙马溪组页岩气录井碳同位素特征及其地质意义

为了更详尽地分析不同深度段五峰组—龙马溪组页岩气的碳同位素特征以及页岩气的成藏富集规律,选取川东南地区3口典型页岩气评价井开展了页岩气碳同位素录井工作。在钻探现场连续取样并检测泥浆气的碳同位素值,并以DY5井为例检测了岩屑释气过程中的碳同位素变化。基于碳同位素录井数据,综合分析了五峰组—龙马溪组页岩气的碳同位素平面分布及纵向变化特征、碳同位素倒转特征和岩屑释气过程中的碳同位素分馏特征。综合分析认为：四川盆地五峰组—龙马溪组页岩气碳同位素值由盆地周缘向中心逐渐变轻,这一变化规律主要受控于页岩的热演化程度;川东南3口井的泥浆气碳同位素的纵向变化及倒转特征具有一定共性,表明其具有相近的页岩气富集规律;DY5井的岩屑罐顶气越靠近地质甜点区域同位素分馏越明显且岩屑释气量越大,反映该段页岩气具有初始地层压力高、含气量大、纳米孔隙更发育等特征。     

样品粒径对高过成熟度页岩低压气体吸附实验结果的影响

为了评价样品粒径对页岩孔径参数测定结果的影响,并探索适用于页岩孔径参数测定的粒径范围,以渝东南地区下寒武统牛蹄塘组3块不同TOC含量的页岩为研究对象,结合低压N₂/CO₂等温吸附实验及有机岩石学、激光拉曼光谱学、XRD测试等方法,讨论了样品破碎、筛分等前处理对高过成熟度页岩的矿物组成、比表面积及孔径分布等测定结果的影响。结果表明：研究区下寒武统牛蹄塘组页岩孔隙类型主要为有机质孔和黏土矿物粒间孔,有机质孔隙的发育具有非均一性;破碎筛分会对页岩的矿物组成产生无规律的分异作用;样品粒径小于0.425 mm（>40目）时,粒径降低会增大页岩的比表面积并显著影响介孔和宏孔的孔体积,但是当样品粒径大于2 mm（<10目）时,会显著增加低压N₂等温吸附实验的时间;粒径大小对微孔孔体积的影响不明显。综合实验结果的稳定性、时效性及页岩的非均质性等因素,建议采用10~40目的样品来开展页岩的孔径参数分析测试实验。     

四川盆地二叠系龙潭组页岩孔隙发育特征及主控因素

为明确四川盆地二叠系龙潭组（吴家坪组）沉积期不同沉积相带页岩孔隙结构特征及发育主控因素,以綦江地区DYS1井岩心及利川地区沙溪剖面露头样品为研究对象,综合运用氩离子抛光扫描电镜、低温液氮—压汞联合测试、氮气吸附及聚焦离子束三维扫描（3D?FIB?SEM）等试验分析,对页岩孔隙发育程度和形态结构进行定量表征。研究表明：①处于潮坪潟湖相的DYS1井龙潭组页岩气层主要发育煤及与之相邻的暗色泥页岩,孔隙类型主要发育平行板状、夹板状微裂缝和黏土矿物孔,见有机质结构孔,但相对不太发育,孔径多小于50 nm,分布为多峰型,孔隙连通性中等。②处于深水陆棚相的利川沙溪剖面吴家坪组以暗色页岩为主,孔隙类型则以墨水瓶状沥青质有机孔为主,孔径多小于50 nm,分布为单峰型,孔隙连通性相对较好。③明确了有机质类型、TOC含量、矿物成分是影响龙潭组、吴家坪组孔隙发育的主控因素,其中深水陆棚相发育Ⅱ₁型干酪根类型的页岩,TOC、硅质矿物含量与孔体积存在较好的正相关性,有机质孔更发育,潮坪—潟湖相发育Ⅲ型干酪根类型的煤和页岩,黏土矿物含量和TOC呈正向关耦合关系,与孔体积呈较好正相关性,其中黏土矿物影响更大,有机质孔相对占比小。     

烃源岩TOC计算模型——以鄂尔多斯盆地太原组—山西组为例

多年来,国内外学者不断致力于常规与非常规油气资源烃源岩的评价与研究,烃源岩评价离不开有机质的类型、丰度、成熟度和厚度的研究。对于有机质丰度的研究关键参数是总有机碳含量（TOC）的计算。利用测井资料可以先定性后定量评价烃源岩,富含有机质的烃源岩,在常规测井曲线上表现为：高放射性强度、低补偿密度（DEN）、高声波时差（AC）、高补偿中子（CNL）、高电阻率（Rt）等特征。研究综合了鄂尔多斯盆地二叠系太原组—山西组烃源岩自然伽马能谱测井测量的钍（Th）、铀（U）和AC、Rt曲线,提出以Th/U结合△LogR模型为基础,根据多元回归研究方法确定TOC的计算模型。利用该模型对Y88井太原组—山西组的TOC进行了计算,并对其计算结果和岩心分析进行了对比,结果显示绝对误差大部分低于0.5。将该模型推广应用到其他井数据中,处理结果在误差允许的范围内,该模型具有较强的适用性和可靠性。     

川东南回龙场地区小河坝组砂岩元素特征及古环境意义

川东南志留系小河坝组具有良好的生储盖组合,勘探前景较好,但小河坝组的沉积学和地球化学等基础研究薄弱,制约了目的层系的油气勘探。以川东南回龙场地区为例,系统采集了研究区小河坝组101个样品,利用常量及微量元素分析了小河坝组古沉积环境及其演化特征。结果表明,小河坝组主要形成于淡水—微咸水、温暖潮湿、弱氧化—弱还原的浅水三角洲沉积环境;纵向上,海平面变化表现为2个海侵—海退旋回,自下而上划分为X1、X2、X3和X4共4段。X1、X3段为海侵体系域（TST）,气候温暖湿润,古盐度较低,水体还原性强,古水深较深;X2、X4段为高水位体系域(HST),气候干燥炎热,古盐度较高,水体还原性弱,古水深较浅。     

鄂尔多斯盆地西南部上古生界致密砂岩中碳酸盐胶结物特征及成因

在盆地内部钻井岩心与盆地西南缘野外露头观察基础上,综合运用薄片鉴定、扫描电镜、电子探针、微区碳氧同位素、流体包裹体均一温度与激光拉曼成分分析,开展了鄂尔多斯盆地西南部上古生界盒8段致密砂岩储层中碳酸盐胶结的成因机制研究。结果显示,盒8段致密砂岩储层中存在4期碳酸盐胶结：①同生成岩阶段碳酸盐胶结物形成于烃类充注之前,直接从碳酸盐过饱和的沉积水中析出;②早成岩阶段B期和中成岩阶段A期的碳酸盐胶结物与烃源岩中生烃、排烃提供的有机碳源有关;③盆地抬升阶段形成的碳酸盐胶结物受到大气降水等无机碳源的影响。盆地西南缘盒8段储层中的烃类充注始于烃源岩演化早期（80 ℃左右）,在早成岩阶段B期就形成了规模较大的有机碳源成因的碳酸盐胶结物;盆地内部规模较大的烃类充注发生在烃源岩成熟之后（120 ℃左右）,有机碳源成因的碳酸盐胶结物主要形成于中成岩阶段A期。     

鄂尔多斯盆地中东部奥陶系盐下深层储层特征及主控因素

鄂尔多斯盆地奥陶系盐下深层白云岩储层近年来取得较好的勘探效果,具有一定勘探前景。综合运用岩心观察、铸体薄片、扫描电镜、物性分析、压汞等资料,对盆地中东部奥陶系盐下深层马家沟组马三段、马四段储层特征及其发育的主控因素展开研究。结果表明：马三段储层以海退蒸发环境的含膏云岩为主,马四段储层以海侵环境的灰质云岩、粉—细晶云岩为主;马四段、马三段主要储集空间类型分别为溶孔（溶洞）、晶间孔、晶间溶孔、微裂隙;微裂隙、膏模孔、溶孔和粒间孔;孔隙结构复杂,毛管压力曲线形态可划分为溶孔型、晶间（溶）孔型、微裂隙型和微孔型4种类型;现有资料显示马三段—马四段平均孔隙度分别为2.1%和2.3%,平均渗透率分别为0.19×10^-3 μm²和0.22×10^-3 μm²。中央古隆起、乌审旗—靖边次级古隆起以及神木—子洲低隆带控制了马三段—马四段沉积相带及有利岩相分布;沉积微相控制岩石原始沉积组构,一定程度影响储层物性,砂屑云岩、晶粒云岩及膏质云岩的储层物性通常相对较好;此外,成岩作用也是控制盐下储层发育的关键因素,多种成因机制下的白云化作用是晶间孔形成的主要方式,表生成岩环境及埋藏成岩环境下的溶蚀作用控制了次生孔隙的发育;燕山期构造活动对储层微裂隙的发育起关键作用,显著改善了储层渗透性。总之,构造背景、岩石组构、成岩作用以及裂缝作用决定了盐下深层储层的储集性能,是优质储层形成的主控因素。