文摘
页岩气藏是一种典型的非常规气藏,主要是因为从纳米尺度到宏观尺度的复杂流动机制。triple-porosity模型(M3模型)由干酪根系统,矩阵系统,和天然裂缝系统提出了描述multispace规模,multitime规模、多重物理量在页岩储层气体流动的特征。视渗透率模型真实气体运输在纳米孔中,涵盖了流态效应和地质效果,用于解决多尺度流动页岩矩阵。本文旨在量化不同尺度及其序列的页岩气天然气生产的过程。模型结果用于历史匹配也显示对页岩天然气产量数据的一致性。它也揭示了multispace规模从单井天然气生产的过程,这是由天然气运输从天然裂缝,矩阵,顺序和干酪根。敏感性分析在页岩储层渗透率的贡献在不同尺度上提出了一些见解的重要性。模拟结果表明,游离气在矩阵有助于天然气生产的主要来源,而页岩气井的性能是由天然裂缝渗透率。
1。介绍
富含有机物页岩提供非常规能源生产的基础,最近来讨论世界能源的前沿。当前的研究领域是在页岩气多尺度孔隙结构的影响传输机制和最终气体复苏。许多研究者一直启发建立合适的模型来描述在页岩气流遇到巨大挑战。
传统上,双孔隙度模型用来模拟天然裂缝性储层,这是由多孔基质包围一个大规模的断裂系统。双孔隙度模型假设统一的矩阵属性在储层中可能无法准确捕捉相关的物理页岩储层,由于页岩基质主要由粘土矿物、石英、黄铁矿和有机质。研究孔隙度和微观结构在高质量的平面使用SEM表明,页岩展现高度的微观结构,导致低渗透、低孔隙度(1,2]。这些毛孔大小从纳米到微米页岩可以归结至少有四个不同的类型:无机,有机,天然裂隙,液压骨折(3]。干酪根(有机质)是细分散在无机矩阵,可以同时吸附和存储自由气体。为了描述这些复杂的物理学,triple-porosity模型已被用于改善双孔隙度模型。Ci-qun [4,5)首先开发了一个triple-porosity略可压缩流体径向流模型下通过triple-porosity水库pseudo-steady窜流状态。Abdassah和Ershaghi6)建立在该模型考虑双矩阵系统与不同的属性。王等人。3]介绍了四种类型的多孔介质生产页岩气系统。Dehghanpour和Shirdel7)提出了一个triple-porosity模型由两个断裂系统和矩阵系统没有考虑解吸,扩散和滑流。Alharthy et al。8)开发了一种triple-porosity有限差分(FD)模型相结合的纳米孔的几种流机制。黄等。9)提出了一个新的triporosity页岩气藏模型考虑从微观到宏观的流动机制。彭et al。10]研究了变形和天然裂缝的影响页岩气回收率。曹et al。11)开发了一种耦合的多尺度模型分析流动制度的影响,有效应力,吸附在产量上。然而,地质对气体流动的影响被忽视在所有这些模型来确定页岩渗透率很重要。
尽管许多先前的研究有助于更好地理解复杂的流动机制从纳米尺度到宏观尺度的页岩,小的工作已经完成,并同时结合多尺度流动与地质力学耦合效应。例如,在页岩渗透率演化的影响下有效应力还没有完全解决。这些模型的流机制也不能覆盖整个范围的页岩孔隙规模。在这项工作中,triple-porosity模型由干酪根系统,矩阵系统,建立了天然裂缝系统。这个模型是有效的在整个范围的流政权页岩。渗透率演化完全与有效应力耦合矩阵和骨折同时被认为是。评价页岩沉积和储层渗透率的影响页岩气的生产,将几个案例研究。
2。Triple-Porosity系统
2.1。储层特征
理解物理多尺度的天然气生产过程从页岩储层储层评价和生产优化是很重要的。扫描电子显微镜(SEM)和背散射电子(BSE)图像,许多研究人员表明,页岩展览成分非均质性和孔隙结构的变化和组合现有许多尺度,从纳米级到宏观尺度(1]。页岩气流经网络的孔直径不同,从纳米到微米(12]。此外,在页岩最终影响页岩的微观结构特性生成能力,存储,并产生气体。
图1显示一个视图的页岩气储层在不同的尺度。在宏观尺度来看,页岩储层包含一个连接网络的大型水力压裂后骨折周围大型矩阵块。水平井是连接到一个复杂的宏观裂缝网络。页岩气产量很大程度上取决于液压骨折是高速公路从页岩天然气传输矩阵块水平井。也有许多自然存在的骨折页岩在微尺度视图矩阵。这些自然骨折通常狭窄并在本地可提高渗透率。这些断裂和矩阵系统可以组成通常的双孔隙度系统类似传统的天然裂缝油藏。然而,页岩气等非常规资源有一个复杂的孔隙分布。孔之间的显著差异在常规和非常规天然气储层纳米孔的数量要高得多在非常规页岩气沉积物(15)如图1。SEM照片表明,水库矩阵通常主要由粘土/二氧化硅,有机物/干酪根和一些矿物质为主。干酪根散货有无序分布矩阵和无机包围至关重要。游离气页岩存储在天然裂缝和微孔隙的矩阵系统。此外,大量的吸附气体,这可能占天然气页岩储气库的一部分,存储在有机纳米孔有很大的表面积,并有很强的亲和力。注意,无机吸附气体的量墙被认为是在干酪根吸附气体相比可以忽略不计。
基于孔隙分布的multispace规模,我们提出了一个triple-porosity系统,包括三个连续的多孔介质:干酪根,无机矩阵,自然骨折。干酪根系统中的有机物质主要由微孔隙(孔隙长度小于2.0 nm)和中孔(孔长度2至50 nm),平均孔隙大小4 - 5纳米(以下16]。干酪根系统还包括有机材料和大型互联提供活跃的站点气体吸附的纳米孔。此外,毛孔干酪根纳米大小的顺序,这是气体传输通道气体分子的质量就越高。因为大多数干酪根分散在无机矿物,其他在页岩孔隙系统应该与干酪根通过几纳米孔无机矩阵系统。无机slit-shaped孔隙的矩阵是压力敏感。然而,干酪根的圆形孔系统可以被忽视的14]。为了简单起见,我们假设所有毛孔矩阵是圆形的。页岩基质周围是天然裂缝的途径与液压骨折或井筒。天然裂缝系统的宽度通常小于0.05毫米(17]。基于孔隙的规模,我们假设质量从干酪根转移矩阵可以被认为是扩散过程和定义矩阵的纳米孔内气体的流动机制与表观渗透率和粘性流中的传输机制自然骨折。
页岩气储层的天然气生产过程是一个序列的燃气流在不同长度尺度。饲料的主要气体流经自然骨折液压骨折时接收流从矩阵系统。在油藏枯竭,天然气在干酪根和矩阵空间之间的热力学平衡的变化。因此,气体使解除吸附有机物的表面和纳米孔的干酪根系统。这种非平衡过程进一步驱动气体分子扩散从大量的有机物干酪根的表面暴露在纳米孔网络(15]。干酪根孔隙网络液压与无机通信矩阵这样大规模运输发生在单向序列在气体释放。因此,气体流顺序从一个介质在不同的空间尺度。在页岩气系统中,这些多尺度孔形成的流程网络,允许流动气体在井筒的干酪根页岩气产量。每个过程的气体流动遵循自己的道路在不同的长度尺度和遵循不同的传输机制。triple-porosity模型的应用要求每个连续多孔介质分布在空间和多孔介质条件。
2.2。控制方程的气体流在干酪根
微尺度流动的碳氢化合物通过多孔介质包含各种不同的传输机制。一般传统的达西定律不能适用于描述的各种相关制度除了粘性流的流动。克努森数小于0.01,使用理想气体常数的达西定律和连续流的假设仍然是有效的。克努森数大于0.01的有效渗透率必须计算补偿克努森扩散和/或滑移流。至于孔径在纳米尺度的干酪根,天然气运输是由气体分子之间的碰撞和墙壁,这叫做克努森扩散。因此,气体质量流量干酪根克努森扩散方程可以表示的(18,19]: 在哪里克努森扩散常数,摩尔质量,R(= 8.314 J / mol / K)气体常数,在干酪根孔隙半径,在开尔文是绝对温度,干酪根的气体压力。在这篇文章中,干酪根、矩阵和骨折是认同下标k, m,分别和f。
页岩气储层的初始条件下,吸附气体之间存在一个平衡和大部分气体在纳米孔。朗缪尔吸附可以用来计算吸附气体量(20.]。为了简单起见,这个工作的基本前提是,干酪根体积必须是充满气体在特定压力才能解放气体进入毛孔。在降压开发页岩气储层,而表面扩散、吸附/解吸是一个非常简单的物理过程。因此,吸附气体量仍然可以计算使用朗缪尔吸附(21]: 在哪里在页岩孔隙度的干酪根,是页岩密度,气体密度在干酪根的大气压力系统,代表了朗缪尔体积常数,代表了朗缪尔压力。
干酪根的质量传递矩阵可以通过纳米孔作为扩散连接这两个系统。一旦矩阵干酪根使解除吸附的气体分子,气体浓度的差异在两个连续的界面控件气体扩散行为。因此,气体解吸的传质速率干酪根成矩阵可以被描述为(22] 在哪里形状因子,气体密度矩阵系统,干酪根系统的气体密度,扩散系数。
根据干酪根的讨论孔隙特征,我们假设克努森扩散干酪根系统中的传输机制。结合(1)和(4),干酪根系统的质量平衡方程得到:
2.3。气体流动的控制方程的矩阵
传统的达西公式未能充分捕捉流动的物理页岩的纳米孔结构矩阵。描述气流ultratight天然多孔介质,采用明显的渗透性函数占一些复杂气体流。Beskok和Karniadakis23)建立了一个统一的模型对天然气流经超小型电子管是有效的在整个范围的流动机制。一般表达式捕捉连续体,过渡,克努森流明显紧了多孔介质的透气性。佛罗伦萨et al。24]导出下面的模型,它明显的磁导率有关和内在的渗透率 : 在哪里在纳米孔校正参数为非达西流。
克努森数的比率被定义为气体平均自由程()和孔隙直径(): 在这玻耳兹曼常量,是有效的分子直径,气体压力在矩阵。
有人指出克努森流只依赖克努森数和内在多孔介质的渗透率。关于渗透,有很多实验观测表明有效应力的变化变化的内在渗透率页岩矩阵(25,26]。因此,内在渗透率页岩气开采期间不会保持不变。探讨有效应力的影响,我们认为内在渗透率是绝对渗透率相反这是一个有效的以模型。根据我们以前的工作有效的以绝对渗透率模型(27,28),多尺度矩阵被描述为页岩渗透率模型 计算出的有效应变增量是在哪里 在哪里和矩阵的初始孔隙度和渗透率,总的体积应变增量, 在压缩应变的变化,页岩颗粒的体积弹性模量,是毕奥系数,是气体sorption-induced体积应变增量,朗缪尔体积应变常数代表体积应变在无限的孔隙压力。为了简化,我们假设气体sorption-induced干酪根系统的应变导致的体积应变矩阵系统。这个渗透率模型考虑的主要控制因素,包括机械deformation-induced孔隙体积变化(右边的第一项8),气体pressure-induced孔隙体积变化(连任),和sorption-induced孔隙体积变化(第三项)。
在无机气体质量矩阵中存在自由阶段。气体质量平衡方程的矩阵可以表示为 在哪里是气体粘度。
之间的质量交换矩阵和骨折是被一个耦合项这是类似于(4): 在哪里形状因子和吗扩散系数。
2.4。控制方程的气体流在天然裂缝
基于两部分胡克模型(TPHM)提出的刘et al。29日),骨折孔径条件下的压缩被定义为 在哪里是“硬”的部分断裂孔径或残余裂缝孔径与压力,不会改变物的部分,压缩性骨折。然后,裂缝的孔隙度和渗透率系统被定义为(30.]
因为最有效的传输机制的驱使体积流量,达西流是占主导地位的裂缝网络。骨折的气体质量平衡方程给出 在哪里是天然裂缝的孔隙度,断裂的渗透性,天然裂缝的初始孔隙度,是最初的天然裂缝渗透率,骨折的气体压力,ρf气体密度的断裂系统。
2.5。力学的控制方程
在多孔弹性介质,如煤炭、存在孔隙流体之间的相互作用和煤变形。有效应力的概念引入Terzaghi [31日由毕奥[]和精制32)指出,孔隙压力有助于抵消机械应力进行粒间接触。考虑到煤的膨胀/收缩应力由气体吸收/吸附(33),有效应力方程可以表示为 在哪里是总压力(正压),有效应力,孔隙压力,克罗内克符号( 作为 0在其他情况下),吸附膨胀应力。的参数被称为毕奥系数;相关流体的体积添加(或失去)多孔材料元素相同的元素的体积变化。
根据连续介质力学理论,结合齐次平衡方程和本构方程,弹性各向同性,媒体发现Navier-type方程(33), 在哪里位移的组件吗方向,剪切模量,泊松比,身体力量的组件方向。在这里,孔隙压力在断裂系统和气体的压力和是毕奥系数。毕奥系数可以写成 在哪里体积弹性模量,是颗粒弹性模量,是骨折之间的均匀间隔定义的边缘维度牧师立方矩阵。
页岩中流体流动和变形之间的耦合关系是建立平衡方程的基础上,描述了一个平衡态之间的变形、气体流摩擦力,swelling-induced身体力量。
3所示。模型验证
本文验证了数值模型的上下文中执行的过程模拟研究。历史匹配仿真结果与现场数据讨论了在页岩水平井(34]。在这种情况下,刺激了一个多级压裂与一个单一的、穿孔时间间隔为每个阶段。派生的干酪根气体流动的控制方程,矩阵,和断裂系统是一组非线性偏微分方程(PDE)的二阶空间和一阶。这样一套完整的耦合方程耦合的接口COMSOL多重物理量和解决使用功能强大的台式电脑。水库被认为是均匀的体积1000×500×91.4。模型包含28液压骨折与30.5米间距均匀。所有骨折的半身像是47.2米。详细的巴涅特页岩储层信息和参数用于模拟都列在表中1(9,22,35- - - - - -37]。
M3的历史匹配字段数据模型图2。它显示了一个合理的匹配数值模拟结果和实际现场气体流量数据。相比单一孔隙度模型的模拟结果来自于和Sepehrnoori [37],M3模型和领域提供一个更好的协议日期在前1年。好生产了30年的模拟结果也显示在图2。它显示了一个典型的产量递减曲线,生产在最初几年hyperbolically下降,产量递减水平反映了一个指数下降率。
与M3模型模拟执行,所有骨折,无机和有机孔隙系统允许自己和不同孔隙类型之间的流动。这是有别于传统的单一或双孔隙度和渗透率模型不足以描述的复杂物理页岩气。比较M3模型和传统模型如图3。single-porosity模型由矩阵系统,而双孔隙度模型由矩阵和断裂系统。可以看到,证据之间存在差距M3模型和传统模型在第一个1年和后期明显天然气生产的过程。再次,它支持M3模型的模拟结果是更好的协议比传统模型,可以解释multispace和multitime页岩气流动的过程。
4所示。应用研究
M3模型的评价结果,我们执行敏感性研究multispace multitime过程和渗透率页岩气流的进化。本文的贡献的渗透率在不同尺度对页岩气生产的重要因素。
4.1。Multispace和Multitime页岩气体流动的过程
正如上面所讨论的,天然气产量从页岩储层是一个物理多尺度的过程从纳米尺度到宏观尺度。图4显示了干酪根的气体流率的曲线,分别矩阵和骨折。运输行为在纳米级孔隙对页岩气的解吸和扩散,流动和扩散矩阵,在骨折和流动。随着骨折表现出非常高的渗透率,但非常低的孔隙度、快速喷出的气体最初出现在骨折。后短期内,裂缝中的气体流量迅速下降,然后保持在相对较低的水平(I期)。当骨折大多枯竭,矩阵中的气体开始喂养骨折,然后流入井通过骨折(第二阶段)。气体流从matrix-dominated总流量剧烈的下降一直持续到大约10天前发生的气体流量。矩阵中的气体压力下降,气体解吸装置开始从干酪根孔隙壁进入纳米孔和喂养矩阵(第三阶段),这一阶段是主要的复苏阶段,贡献累积产量的96.8%。应该注意的是,自由气体在矩阵系统气体流量的主要来源在天然气生产的过程。这种现象更多的证据对于堆栈列图表,如图5。气体在矩阵系统的贡献累积产量几乎是79%。干酪根的天然气生产系统不断增加在整个生产时间,占天然气总产量的15%。
4.2。渗透率演化过程中天然气生产
储层渗透率页岩气生产是一个至关重要的参数。页岩的渗透率演化密切相关的运输等复杂的地质过程气体吸附、解吸,改变水平应力和垂直压力。本研究调查了矩阵和裂缝渗透率的演化。然后,基质渗透率和裂缝渗透率的影响页岩气生产调查。
天然气生产期间,基质渗透率的演化是由一系列的机制。内在渗透率降低稍微的降低气体压力由于有效应力增加。然而,渗透率随地层压力的减少滑脱效应的影响下。考虑两个流政权表演和有效应力的影响,矩阵的视渗透率增加迅速在天然气生产的初级阶段,如图6。之后,它增加储层压力的降低。裂缝渗透率降低严重下有效应力的影响,表明裂缝渗透率对有效应力更敏感比矩阵。渗透率演化对天然气产量的影响被执行三个比较案例研究。尽管基质渗透率增加1.94倍后十二年的生产,结果到一个增长0.002%相比,累计天然气生产标准。这表明,天然气生产基质渗透率不敏感。另一个案例表明,累计天然气产量下降71.92%,减少裂缝渗透率。它表明,裂缝渗透率对天然气生产有很强的影响。
页岩渗透率随着几个数量级的变化不同的水库。几例进一步研究确定控制渗透率对气井的性能的影响。
4.3。不同渗透率对产率的影响曲线
图7比较的页岩天然气产量恒定初始裂缝渗透率,但随着初始基质渗透率10 nD,第100,第1000位和第10000位。累计生产只会增加1.05倍基质渗透率是1000倍。进一步增加基质渗透率不会导致增加产量。这一结果表明,基质渗透率对天然气生产有轻微影响。然而,如果天然裂缝渗透率远远大于矩阵,然后通过天然裂缝网络气体在运输以更高的速度比气体流经矩阵到骨折。在这种情况下,天然气产量依赖于基质渗透率。
骨折,另一方面,不连续自然裂隙渗透率高,周围的页岩矩阵与液压骨折和井筒。模拟进行了一系列的页岩与初始裂缝渗透率变化之间的500和500位。这是明显的在图8实现更高的生产井生产的页岩裂缝渗透率较高。最后的累积产量增加了1.2、1.8和2.1倍裂缝渗透率不同的从500到1000,分别为5000和5000。裂缝渗透率控制压力在天然裂缝,进而驱动气体的速率传输矩阵。虽然自由气体在矩阵有助于天然气生产的主要来源,裂缝渗透率决定了天然气生产的行为。它表明,高渗透裂缝网络矩阵系统加速生产,提供高导电性通道流过一个水库。非常规和极端low-matrix渗储层紧密,自然骨折有可能天然气生产发挥着至关重要的作用。
5。结论
页岩储层的天然气产量是一个组合序列在不同长度尺度气体流动机制。因此,triple-porosity模型(M3模型),提出了对理解复杂的流机制发生在这些水库。M3模型捕获多个孔隙尺度和流包括三个连续的多孔介质:干酪根,无机矩阵,自然骨折。在页岩气系统中,这些多尺度孔形成流程网络,允许气体流动的干酪根在页岩气生产井筒。每个过程的气体流动遵循自己的道路在不同的长度尺度和遵循不同的传输机制。我们执行历史匹配字段从页岩生产数据。结果表明,M3模型产生更好的性能比传统的双孔隙度和渗透率模型。基于应用程序的研究,可以得出以下结论:(1)在天然气生产的早期阶段,断裂系统的自由气体导致气体流量的主要来源。接下来,气体在矩阵开始喂养通过骨折骨折和流入。最后,从孔隙壁气体解吸装置开始到纳米孔和喂养的矩阵。气体在矩阵系统的贡献累积产量几乎是80%。气体在干酪根和断裂系统占更小的部分。重要的是要指出,M3模型能够捕捉不同贡献储存和运输的发病机制。(2)储层渗透率是影响页岩气生产另一个重要参数。结果表明,矩阵系统的视渗透率储层压力增加而减小,通过考虑两个流政权表演和有效应力的影响。裂缝渗透率降低严重下有效应力的影响,表明断裂系统对有效应力更敏感。天然气生产有很强的比基质渗透率与天然裂缝渗透率的关系,控制压力引起的自然骨折反过来驱动气体的速率传输矩阵。这一现象表明,游离气在矩阵有助于天然气生产的主要来源,而天然裂缝渗透率决定了天然气生产的行为。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这工作是一个部分的资金由中国国家重点研发项目(批准号2017 yfc0804203)和中国自然科学基金(51504235,51504235)。这些支持是感激地承认。作者要感谢刘博士和教授Pengzhi锅的巨大的抛光技能和对本文的贡献。