页岩气多尺度运移特征与协同机理研究

发布时间：2020-06-01 21:07

【摘要】：页岩气储层具有低孔、低渗的特点,大规模的商业开发必须采用水平井联合水力压裂等储层改造技术。改造后的储层传气能力显著提高,然而页岩气开采的效率和持续性是多尺度、多时度和多物理场耦合作用的结果。页岩气在基质纳米孔隙中的解吸、扩散和在天然裂隙与水力裂隙中的渗流特征,从微观尺度到宏观尺度影响甚至决定了页岩气的开采效率。因此,揭示页岩气开采过程中的多尺度运移特征及其协同作用对气体采收率的影响规律具有重要的科学背景和工程意义。为此,本文运用实验测试、数学模型推导、数值模拟分析与现场数据对比等方法,围绕页岩气不同尺度的运移特征、流动协同机理以及增产措施和机理进行了系统的研究,旨在为页岩气高效、可持续开采提供理论支持。主要的研究内容和成果如下:(1)描述了页岩基质的孔隙分布特征,提出了表征基质气体运移特征的新方法,揭示了页岩基质中气体非均质扩散机理。通过X射线衍射和场发射扫描电子显微镜定性描述了页岩矿物组分和基质孔隙结构特征,同时借助氮气吸附和高压压汞实验定量分析了孔隙尺寸分布以及多重分形特征。耦合带滑脱边界的黏性流、克努森扩散、分子扩散以及表面扩散等多重气体运移机制,建立了基质非线性扩散模型。进一步通过随机重构页岩基质,运用多孔介质分形理论和图像识别技术,提出了基质微观扩散的均质化方法,探讨了有机质和无机质孔隙中的气体运移差异。(2)推导了一个新的页岩气藏分区三线性产能解析模型,明确了产气率与多尺度运移参数之间的关系。基于线性流动假设,分别根据菲克第二扩散定律、修正后的双孔介质模型以及多孔介质渗流方程表征不同分区的页岩气渗流行为,通过拉普拉斯变换和泰勒级数简化得到了产能解析模型。模型定量评价了井底压力,水力裂隙半长、渗透率,游离和吸附指数,基质块尺寸以及基质纳米孔隙尺寸对气体产能的影响,揭示了多尺度运移参数的协同机理。(3)建立了考虑离散裂隙网络的多尺度流-固耦合数值模型,揭示了气体生产过程中的渗流、应力耦合演化规律。耦合基质、离散天然裂隙以及含支撑剂水力裂隙的变形,将宏观尺度上的局部不连续性转变为子网格尺度上的各向异性连续体,开发了全耦合的裂隙等效连续的双孔介质模型。修正了渗透张量的准确性,在合理描述裂隙页岩体非均质性的基础上,有效地减少了计算量,用较少简单的网格描述裂隙渗流和变形的方向性,在模拟大尺度和复杂裂隙网络时具有显著的优越性,为裂隙页岩气藏的产能模拟提供了强有力的工具。(4)基于高效、可控的多参数优化方法,实现了页岩气多尺度运移协同作用影响采收率的定量评估。联合多尺度流-固耦合数值模型与优化实验设计、响应面方法,通过对七个多尺度运移参数合理范围的设定,建立了针对典型页岩气多级压裂水平井的多参数优化模型,参数优化分别实现了短期和长期页岩气采收率最大化。确定了这些参数中的关键影响因素,探讨了基质、天然裂隙和水力裂隙属性的协同作用对页岩气采收率的影响。研究结果可为页岩气协同高效开采设计提供参考。(5)提出了页岩气储层热处理增产方法,阐明了增产过程中热-流-固耦合作用机制。根据实验数据拟合,推导了页岩气温度敏感的吸附模型以及热诱导的基质开裂模型。以微波加热为热源,建立了热-流-固耦合模型,揭示了气体热解吸和热诱导开裂对基质孔隙度和扩散率演化的影响机制,模拟评估了微波加热增强页岩气采收效率。该模拟研究可为页岩气的可持续生产提供新思路以及理论计算方法和工具。
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1 绪论1绪论1 Introduction1.1 研究背景及意义（Research backgr2014 年底，《能源发展战略行动计划（201国未来的能源发展战略规划，规划涵盖了能源安等多个方面，同时提出了“节约、清洁、安全”的效、安全、可持续的现代能源体系。在保证常规了开发海洋石油，重点突破非常规油气。其中海域和南海深海油气开发，，而对于非常规油气则特力求到 2020 年，煤层气和页岩气产量分别达到三五”期间，探索出 条适合我国能源资源开发

们基于分子动力学理论，认为分子间的碰碰撞频率的比值分别为黏性流和克努森孔壁吸附层的表面扩散，然而表面扩散可不可忽略的（图 1-3）。2012 年，Xiong得孔隙度以及游离相气体传输的孔道变附层的表面扩散作用，对于总的气体传散的研究还不太成熟。2015 年，Wu 等[6虑了表面非均质、等量吸附热以及非等率和压力、温度正相关，与活化能、气体米孔隙减小，进而使得其渗透率降低，这质具有典型的非均质特性，有机质干酪分布影响了对渗流机理的准确评估。20吸附实验得到的页岩基质孔隙尺寸的双孔隙尺寸分布特征，提出了 个随机的考虑不同的因素，通过多种方法推导了IM
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE37


本文编号：2692065