页岩有机质纳米孔隙中CO 2 /CH 4 置换及运移机理研究
发布时间：2020-12-22 05:29
纳米孔隙广泛分布在非常规致密储层岩石中,准确认知和定量描述致密储层岩石纳米孔隙中CH4的吸附、解吸能力、CO2/CH4置换机制以及运移能力对于实施非常规致密储层CO2压裂改造技术至关重要。然而,非常规致密储层埋深大、地质条件复杂,特别是,岩石纳米尺度孔隙中CH4的吸附、解吸、CO2/CH4置换以及运移是一个隐蔽的、纳观尺度上的动态变化过程,无论现场原位测试还是实验室模型实验,现有的技术方法与装备均难以进行准确探测与定量表征。数值模拟成为一种突破探测技术瓶颈、认识和定量描述纳米孔隙中CO2/CH4置换和运移动态过程及机制的有效手段。但由于对复杂孔隙结构中CH4的吸附、解吸、CO2/CH4置换和运移的物理机理缺乏足够的认识以及模拟计算方法的局限性,该问题尚没有一个令人满意的结果。针对上述问题,本文以页岩有机质中广泛分布的纳米孔隙结...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
四川地区页岩气田分布
1）首先是随着压裂的展开，孔道向各个方向发展，页岩的渗透率提高，孔压力降低，吸附在页岩基质中的页岩气逐渐解吸。（2）其次是解吸的页岩气微孔向外扩散，在孔道中逐渐聚集，由于页岩气开采的压力较高，在微孔中岩气主要以超临界状态存在。（3）随着流体在微孔中聚集并向裂隙运移，最过裂隙达到水平井和竖井[21]，整个过程类似于煤层气开发如图 1-2 所示。解吸气体穿过基质和微孔，扩散到纳米孔隙中，在纳米孔隙中发生流动进观裂隙中，在宏观尺度的裂隙中流体主要以达西流的方式流动。基质与孔隙的浓度差和分子热运动引起气体向外扩散，然后在压力梯度推动下在纳米孔宏观尺度的裂隙中流动[22]。这些运移过程相互关联，纳米孔道和裂隙中的流起孔道的压力降低，并且在孔道中引起孔道内外产生浓度差，促进基质中的向外扩散，造成气体不断的解吸[23]。不同的是，页岩基质由孔隙压力引起的变形较小，而对于煤层气来说，储层中的气体解吸会引起基质收缩，增大基隙度，进而提高煤层的渗透率，有利于煤层气的开采[23]。扩散过程是解吸和过程的纽带，畅通的流动加速扩散的进行，而甲烷的快速扩散促进解吸的发]。
五类如图 1-3 所示。图中，这些等温吸脱附线并不是可逆的，而是在解吸过程中存在一定的滞后现象，与吸附线形成一个回环，不同的滞回环对应着不同形状的孔隙结构，A 类主要归属于两端开口的通孔，B 类主要为平行板孔，C 类和 D 类主要是指锥形或者楔形孔，E 类主要为墨水瓶孔[45]。间接法根据不同的测试原理，测试方法所试用的范围也有所不同。高压压汞测试孔径范围主要为大孔[49]（孔径大于 50nm）和介孔（孔径介于 2nm 到 50nm之间），但是由于测试的压力较高，随着压力的增加可能造成孔径较小孔隙（~3nm）孔壁破裂。低压 N2/CO2吸附吸附实验能有效测定孔径低于 2 nm 的孔隙，但是低压气体吸附对于孔径大于 300nm 的孔隙并不适用[50]。高压 CH4/CO2吸附实验方法主要分为容量法和重量法，容量法主要是应用在煤吸附实验研究中，其原理是以波意耳定律来求取初始压力和平衡压力之差下样品的吸附量[51]。重量法能直接测试页岩样品高温高压条件下的过剩吸附量，并且通过模型的拟合获得吸附相的密度和计算出绝对吸附量，完成吸附等温线的测定。高压吸附实验能够直接测定页岩样品在地层压力和温度下的饱和吸附量，这是评价页岩气储藏能力最有效的手段[52]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]页岩储层组构特征对自发渗吸的影响[J]. 黄睿哲,姜振学,高之业,李宜润,张昆,张醒初,宁传祥. 油气地质与采收率. 2017(01)
[2]超临界二氧化碳无水压裂新技术实验研究展望[J]. 赵志恒,李晓,张搏,甘冰,李关访. 天然气勘探与开发. 2016(02)
[3]地层条件下页岩有机质孔隙内CO2与CH4竞争吸附的分子模拟[J]. 王晓琦,翟增强,金旭,吴松涛,李建明,孙亮,刘晓丹. 石油勘探与开发. 2016(05)
[4]川南及邻区下志留统龙马溪组下段沉积相与页岩气地质条件的关系[J]. 牟传龙,王秀平,王启宇,周恳恳,梁薇,葛祥英,陈小炜. 古地理学报. 2016(03)
[5]中国页岩气勘探开发新突破及发展前景思考[J]. 董大忠,王玉满,李新景,邹才能,管全中,张晨晨,黄金亮,王淑芳,王红岩,刘洪林,拜文华,梁峰,吝文,赵群,刘德勋,邱振. 天然气工业. 2016(01)
[6]低渗透非均质砂砾岩的三维重构与水压致裂模拟[J]. 鞠杨,杨永明,陈佳亮,刘鹏,戴涛,郭迎春,ZHENG LianGe. 科学通报. 2016(01)
[7]页岩吸附性能及作用规律[J]. 霍培丽,张登峰,王倩倩,李伟,陶军,王浩浩,彭健. 化工进展. 2016(01)
[8]过渡区微尺度流动的有效黏性多松弛系数格子Boltzmann模拟[J]. 王佐,刘雁,张家忠. 物理学报. 2016(01)
[9]基于格子Boltzmann方法的页岩气微观流动模拟[J]. 姚军,赵建林,张敏,张磊,杨永飞,孙致学,孙海. 石油学报. 2015(10)
[10]页岩有机质孔缝内液态烷烃赋存状态分子动力学模拟[J]. 王森,冯其红,查明,卢双舫,秦勇,夏天,张驰. 石油勘探与开发. 2015(06)
博士论文
[1]页岩油微尺度流动机理研究[D]. 王森.中国石油大学(华东) 2016
[2]页岩孔隙气体运移规律实验及理论研究[D]. 王金杰.中国石油大学(华东) 2016
[3]基于LBM的两组分混合气体微流动的数值研究[D]. 徐自勉.华中科技大学 2014
[4]速度滑移及其对微纳尺度流动影响的分子动力学研究[D]. 曹炳阳.清华大学 2005
硕士论文
[1]基于ReaxFF力场的二羟甲基脲缩聚物反应分子动力学模拟研究[D]. 张梦赟.中北大学 2015
[2]受限在纳米尺度下甲烷水合物的动力学性质的研究[D]. 冯梅.浙江师范大学 2014
[3]页岩气在微纳孔隙介质中渗流的直接模拟蒙特卡罗方法研究[D]. 董岳.中国石油大学（华东） 2013
[4]油页岩矿物质分解特性研究[D]. 孙斌.东北电力大学 2013
[5]微尺度气体流动的格子Boltzmann模拟[D]. 胡立冰.东北大学 2012
[6]Pd团簇熔化的分子动力学模拟[D]. 马杰.新疆大学 2007
本文编号：2931221
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
四川地区页岩气田分布
1）首先是随着压裂的展开，孔道向各个方向发展，页岩的渗透率提高，孔压力降低，吸附在页岩基质中的页岩气逐渐解吸。（2）其次是解吸的页岩气微孔向外扩散，在孔道中逐渐聚集，由于页岩气开采的压力较高，在微孔中岩气主要以超临界状态存在。（3）随着流体在微孔中聚集并向裂隙运移，最过裂隙达到水平井和竖井[21]，整个过程类似于煤层气开发如图 1-2 所示。解吸气体穿过基质和微孔，扩散到纳米孔隙中，在纳米孔隙中发生流动进观裂隙中，在宏观尺度的裂隙中流体主要以达西流的方式流动。基质与孔隙的浓度差和分子热运动引起气体向外扩散，然后在压力梯度推动下在纳米孔宏观尺度的裂隙中流动[22]。这些运移过程相互关联，纳米孔道和裂隙中的流起孔道的压力降低，并且在孔道中引起孔道内外产生浓度差，促进基质中的向外扩散，造成气体不断的解吸[23]。不同的是，页岩基质由孔隙压力引起的变形较小，而对于煤层气来说，储层中的气体解吸会引起基质收缩，增大基隙度，进而提高煤层的渗透率，有利于煤层气的开采[23]。扩散过程是解吸和过程的纽带，畅通的流动加速扩散的进行，而甲烷的快速扩散促进解吸的发]。
五类如图 1-3 所示。图中，这些等温吸脱附线并不是可逆的，而是在解吸过程中存在一定的滞后现象，与吸附线形成一个回环，不同的滞回环对应着不同形状的孔隙结构，A 类主要归属于两端开口的通孔，B 类主要为平行板孔，C 类和 D 类主要是指锥形或者楔形孔，E 类主要为墨水瓶孔[45]。间接法根据不同的测试原理，测试方法所试用的范围也有所不同。高压压汞测试孔径范围主要为大孔[49]（孔径大于 50nm）和介孔（孔径介于 2nm 到 50nm之间），但是由于测试的压力较高，随着压力的增加可能造成孔径较小孔隙（~3nm）孔壁破裂。低压 N2/CO2吸附吸附实验能有效测定孔径低于 2 nm 的孔隙，但是低压气体吸附对于孔径大于 300nm 的孔隙并不适用[50]。高压 CH4/CO2吸附实验方法主要分为容量法和重量法，容量法主要是应用在煤吸附实验研究中，其原理是以波意耳定律来求取初始压力和平衡压力之差下样品的吸附量[51]。重量法能直接测试页岩样品高温高压条件下的过剩吸附量，并且通过模型的拟合获得吸附相的密度和计算出绝对吸附量，完成吸附等温线的测定。高压吸附实验能够直接测定页岩样品在地层压力和温度下的饱和吸附量，这是评价页岩气储藏能力最有效的手段[52]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]页岩储层组构特征对自发渗吸的影响[J]. 黄睿哲,姜振学,高之业,李宜润,张昆,张醒初,宁传祥. 油气地质与采收率. 2017(01)
[2]超临界二氧化碳无水压裂新技术实验研究展望[J]. 赵志恒,李晓,张搏,甘冰,李关访. 天然气勘探与开发. 2016(02)
[3]地层条件下页岩有机质孔隙内CO2与CH4竞争吸附的分子模拟[J]. 王晓琦,翟增强,金旭,吴松涛,李建明,孙亮,刘晓丹. 石油勘探与开发. 2016(05)
[4]川南及邻区下志留统龙马溪组下段沉积相与页岩气地质条件的关系[J]. 牟传龙,王秀平,王启宇,周恳恳,梁薇,葛祥英,陈小炜. 古地理学报. 2016(03)
[5]中国页岩气勘探开发新突破及发展前景思考[J]. 董大忠,王玉满,李新景,邹才能,管全中,张晨晨,黄金亮,王淑芳,王红岩,刘洪林,拜文华,梁峰,吝文,赵群,刘德勋,邱振. 天然气工业. 2016(01)
[6]低渗透非均质砂砾岩的三维重构与水压致裂模拟[J]. 鞠杨,杨永明,陈佳亮,刘鹏,戴涛,郭迎春,ZHENG LianGe. 科学通报. 2016(01)
[7]页岩吸附性能及作用规律[J]. 霍培丽,张登峰,王倩倩,李伟,陶军,王浩浩,彭健. 化工进展. 2016(01)
[8]过渡区微尺度流动的有效黏性多松弛系数格子Boltzmann模拟[J]. 王佐,刘雁,张家忠. 物理学报. 2016(01)
[9]基于格子Boltzmann方法的页岩气微观流动模拟[J]. 姚军,赵建林,张敏,张磊,杨永飞,孙致学,孙海. 石油学报. 2015(10)
[10]页岩有机质孔缝内液态烷烃赋存状态分子动力学模拟[J]. 王森,冯其红,查明,卢双舫,秦勇,夏天,张驰. 石油勘探与开发. 2015(06)
博士论文
[1]页岩油微尺度流动机理研究[D]. 王森.中国石油大学(华东) 2016
[2]页岩孔隙气体运移规律实验及理论研究[D]. 王金杰.中国石油大学(华东) 2016
[3]基于LBM的两组分混合气体微流动的数值研究[D]. 徐自勉.华中科技大学 2014
[4]速度滑移及其对微纳尺度流动影响的分子动力学研究[D]. 曹炳阳.清华大学 2005
硕士论文
[1]基于ReaxFF力场的二羟甲基脲缩聚物反应分子动力学模拟研究[D]. 张梦赟.中北大学 2015
[2]受限在纳米尺度下甲烷水合物的动力学性质的研究[D]. 冯梅.浙江师范大学 2014
[3]页岩气在微纳孔隙介质中渗流的直接模拟蒙特卡罗方法研究[D]. 董岳.中国石油大学（华东） 2013
[4]油页岩矿物质分解特性研究[D]. 孙斌.东北电力大学 2013
[5]微尺度气体流动的格子Boltzmann模拟[D]. 胡立冰.东北大学 2012
[6]Pd团簇熔化的分子动力学模拟[D]. 马杰.新疆大学 2007
本文编号：2931221
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