基于格子Boltzmann方法的页岩气多尺度渗流模型研究

发布时间：2020-05-21 18:02

【摘要】：我国具有非常丰富的页岩气资源,已成为世界上三大页岩气生产国之一。页岩气藏具有复杂的孔隙结构,孔隙尺度跨越了12个数量级。多尺度的孔隙空间结构导致了多尺度的渗流过程,给页岩气藏经济有效开发带来了巨大挑战。本文论文针对页岩气在储层中多尺度、多场耦合的输运过程,开展了页岩气多尺度渗流模型研究。论文首先以扫描电镜及CT实验图像为基础,用四参数随机生长法构建了符合页岩储层多尺度孔隙结构特征的数字岩心。然后在数字岩心的基础上,应用格子Boltzmann方法分别在纳米尺度、孔隙尺度和REV尺度上模拟了页岩气微观渗流过程,分析了影响页岩岩心渗透率的主要因素,并对页岩微观视渗透率进行了修正。最后在宏观渗流模型中耦合了页岩气在不同尺度上的输运形式,建立了考虑微尺度效应的页岩气藏多级压裂水平井宏观渗流模型,分析了储层参数对压力动态的影响。本论文获得的主要结论如下:模拟了纳米尺度下页岩气在有机质基质中渗流过程,分析了Knudsen扩散和表面扩散的影响因素。页岩有机质基质的Knudsen扩散系数分布于10~(-9)~10~(-6)m~2/s;可以用Bruggeman方程估算有机质基质Knudsen扩散系数,其中参数α宜取1.25~1.72;有机质基质表观渗透率与孔径和Langmuir体积呈正相关关系,与压力呈负相关关系;在强吸附情况下,表观渗透率与Langmuir常数正相关;在弱吸附情况下,表观渗透率与Langmuir常数负相关。耦合页岩气多种流动形态,探究了孔隙尺度下页岩气微观渗流机理。建立了非理想气体格子Boltzmann方法表征真实气体效应对渗流的影响;结合分形方法和曲面边界条件研究了粗糙孔隙中气体渗流特征;耦合真实气体效应、粗糙效应、滑移效应和表面扩散,推导了表观渗透率与Knudsen数的关系式。研究结果表明在纳米孔隙中需考虑气体分子体积和气体分子间作用力对渗流的影响;粗糙壁面一方面扰乱了流线,增大了渗流阻力,另一方面又减小了孔径,促进了滑移效应;有机质粗糙孔隙中的表观渗透率可表示成Knudsen数的二次多项式。模拟了REV尺度下页岩多孔介质中气体渗流过程。基于QSGS法构建了有机质、无机质和脆性矿物三相的数字岩心,分析了有机质孔隙度和体积分数,粒间孔孔隙度和体积分数对多孔介质表观渗透率的影响。建立了含有微裂缝的页岩基质数字岩心,研究了基质孔隙度和压力对渗流的影响。模拟结果表明多孔介质表观渗透率与有机质体积分数和孔隙度正相关;粒间孔大大提升了多孔介质的渗流能力。建立了考虑多尺度多场耦合输运过程的页岩气藏多级压裂水平井宏观渗流模型。模型考虑了考虑干酪根和有机孔中的扩散流、无机孔中的滑脱流、基质向次生裂缝的窜流和次生裂缝向压裂裂缝的达西流,耦合了Knudsen扩散、表面扩散、滑移流、粗糙效应和真实气体效应。进行了压力动态分析,为页岩气压裂水平井的开发提供了理论基础。本论文模拟了页岩气在纳米尺度、孔隙尺度和REV尺度下的微观渗流,揭示了岩心结构参数和流体参数对岩心渗透率的影响,建立了考虑多尺度微观渗流机理的页岩气藏多级压裂水平井宏观渗流模型。对理解页岩气微观渗流机理提供理论参考。
【图文】：

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1.4.1 研究思路利用四参数随机生长法建立页岩有机质基质多孔介质。在数字岩心的基础上模拟页岩气在纳米尺度下的渗流过程，分析影响 Knudsen 扩散和表面扩散的主控因素，计算页岩基质 Knudsen 扩散系数和表观渗透率。运用非理想气体的正则化格子 Boltzmann 模型表征真实气体效应。利用分形理论建立页岩粗糙孔隙壁面。分别模拟页岩气在无机质粗糙孔隙和有机质粗糙孔隙中的渗流过程。耦合真实气体效应、粗糙效应、表面扩散效应和滑脱效应，讨论粗糙壁面特征参数、压力、温度、孔径和 Langmuir 参数对表观渗透率的影响。以构建的多组分数字岩心为介质模拟页岩气在 REV 尺度上的流动过程，分析影响页岩基质表观渗透率的相关因素讨论基质中各组分孔隙度和渗透率对基质渗透率的影响。建立考虑页岩储层多尺度渗流规律的多级压裂水平井宏观渗流模型，分析微观参数和储层参数对页岩气井井底压力的影响。1.4.2 技术路线

格子结构

D2Q9：0 1 0 1 0 1 1 1 10 0 1 0 1 1 1 1 1c c 22 22 24 9, 01 9,31 36, 2ii i siccc c cc c ， D3Q19：0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 00 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 10 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1c c 22 22 22 9, 01 9,31 72, 3ii i siccc c cc c ，，
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE312

【参考文献】