调查页岩渗透率演化考虑Bivalued有效应力系数有限公司₂注射

文摘

因为从纳米多尺度孔隙的存在——宏观尺度,multimechanistic页岩气流过程涉及达西和克努森流发生在页岩气井损耗。各自的贡献达西和克努森流的渗透率与压力不断变化的进化。在这项研究中,实验室的页岩渗透率测量有限公司₂注射在静水条件下进行,采用瞬态脉冲衰减法。“U”字渗透率曲线产生了正面和负面的有效应力系数(毕奥的系数) 。渗透率转折点就创建分区渗透率曲线达西和克努曾部分。克努森效应被证明是重要的在低压力/时间在实验室。有效应力和sorption-induced变形治理发现达西渗透率演化实验条件下测试。因此,消极的有效应力系数,加上积极的,应该应用于非pressure-permeability进化解释的并发效果达西流和克努森流在不同孔隙压力。

1。介绍

天然气页岩水库发挥了重要作用在世界天然气供应。水力压裂刺激骨折是一种有效的方法来创建网络可以连接页岩地层水平水井(1]。然而,基质渗透率低阻碍气体从严格矩阵迁移到断裂网络。页岩的孔隙直径矩阵可以小于2纳米,这是明显小于常规砂岩和碳酸盐岩储层的平均孔隙大小(2- - - - - -5]。页岩矩阵,其中包括有机质和粘土矿物,作为气体但是限制气体的仓库运输由于其低渗透和扩散率低。紧结构可以包括各种流的动力学过程,使气体迁移行为的评价复杂和具有挑战性。

天然气运输页岩包含达西流和克努森流(6,7)和收缩/膨胀反应的有机组成部分页岩由于气体解吸/吸附(8- - - - - -10]。非常紧页岩矿样的结构没有明显的骨折可以限制气体传输通量高有效应力条件下页岩渗透率在实验室测试。由于渗透率测试时间尺度与扩散长度的平方,短核心样本用于页岩渗透率测量几乎由实验室测试的可行性和时间有效。此外,渗透率值获得使用经典的达西定律可能不是有效的如果non-Darcian流发生(11]。纳米孔和微孔气体流动特征以及吸附效果需要单独和综合占multimechanistic页岩气流动过程(12]。在上面的实验室和建模研究,他们有大量讨论了气体流动机制与不同应力条件下页岩在不同孔隙尺度。然而,没有某些结论如何反映这些流类型在透气性测试或给一个全面的物理理解页岩气的有效应力流过程。在实际的页岩气流动过程中,由于极其微小的孔隙大小和/或页岩地层和复杂的矩阵体积收缩/膨胀效应,传统的达西流和扩散模型不能自行描述气体流运输在页岩地层6]。multimechanical方法包括达西粘性流的分析和分解,因此需要和克努森流。

在这项研究中,两个切割和抛光页岩样品进行渗透率测试使用脉冲衰减法。达西流和克努森流分别进行分析,以确定各自贡献总气体运输。其他重要的因素(如有效应力和sorption-induced变形),已被频繁报道非常规岩石研究认为影响气体传输特性。气体流动机制和有效应力法充分考虑,和他们的物理意义是通过数据分析讨论了在实验室规模的。

2。背景

2.1。页岩气流动机制

在页岩气藏生产过程中,达西流动渗透率仍然是一个流行的术语用来量化通过页岩气产能骨折和矩阵。然而,达西努森扩散一样重要的对流非常规天然气产量预测。图1显示多个流机制在天然气页岩油藏枯竭根据现有的一些流动分区标准(13,14]。平均每月生产15井Eagleford页岩地层显示最高产量发生在压裂后的第二个月治疗。这是紧随其后的是一个快速下降到20^th月;然后,有一个生产高原产率相对较低。早在生产、骨折(达西)流主导因为自由气体分子流经液压骨折(大口径流量渠道)和占据流动路径,由压力梯度驱动的。生产由于裂缝流很快达到了顶峰。最高产量后,快速下降发生由于压缩骨折储气库的快速消耗。

然而,解吸可能涉及在压力下降阶段;只是一个微不足道的矩阵气体导致了生产的缓慢扩散的过程(16- - - - - -18]。一般来说,克努森扩散流在这个阶段并不主宰天然气总产量相比自由气体流经骨折。气体传输机制从连续介质流向达西流之间的过渡区和克努森扩散。该过渡区包括滑流( )和过渡流( ),在连续流和自由分子流是有效的(16]。气流在这个区域可以被认为是达西流和克努森扩散。骨折枯竭后,后期数据渐近流,当储层破裂压力变得很低。在这个阶段,虽然断裂渗透率是充分的,气体流入从矩阵对骨折将接管裂缝渗透率的作用来控制油井的生产。大量涌入的矩阵向断裂是一个multimechanistic微/纳米级传输。甲烷分子首先从矩阵的内部表面使解除吸附在纳米孔系统由于流体压力的推动力量,并成为自由气体(19,20.]。在解吸过程中,页岩气之间的距离表面分子层和相邻分子减少,和有效的页岩干酪根表面的表面能增加(21]。也因此,干酪根收缩发生在页岩矩阵和增强了纳米孔流量气体分子(图的路径2)。因为广泛的页岩中孔隙大小的矩阵,结合多个流政权可以预期。大多数气体分子通过纳米孔的克努森扩散迁移流。diffusion-dominated流可以保持运营数十年来,导致后期生产扁平的尾巴。气流渗透性演化后期数据生产阶段至关重要和显著影响生产行为(18]。简而言之,页岩气运输生产过程中包括不同流机制(达西、滑移流过渡流,克努森扩散和气体解吸)在每一个阶段,但各自贡献总产量变化与孔隙压力降低损耗仍在继续。

不同流的崩溃政权,如达西流,滑流和过渡流,可以分类和杰出的克努森数( ),这是一个函数的孔隙尺寸和孔隙压力(22,23]: 在哪里气体平均自由程,定义命名法和希腊符号:

之间的关系 ,孔隙大小和压力有限公司₂也是绘制在图吗3,在实验压力范围内用于随后的实验室研究。温度在296 K(室温)。马塞勒斯页岩储层,孔隙直径在纳米和微米24]。在孔隙大小范围内图3,页岩气流量矩阵是主要在过渡流和滑流区域。它可能涉及达西流政权如果压力足够大或包括克努森扩散时,这种压力很低。为了评估这些流机制,渗透率测量在这项工作都进行了孔隙压力相对较低(< 10 MPa),确保2 ~ 3流政权可以覆盖。因为过渡流和滑流可以建模为一个纯粹的泊肃叶流动的加权组合(达西)和克努森流13,25),耦合流机制被用于描述气体流量和渗透率演化为页岩气体流量矩阵。

2.2。磁导率测量

撑等人首次引入脉冲衰减技术作为瞬态方法来自达西定律和用来测量渗透率通过双方之间的压力差的核心样本(26]。谢长廷等人得到更严格的解析解的微分方程,描述衰减曲线从渗透率测量压缩存储效应(27]。微分方程的精确解的无量纲压力差和无量纲时间改善,显示为28] 在哪里和是样品的存储容量的比值的上游水库和下游水库和是th根以下方程: 在哪里 和 。

琼斯简化上面的方法,介绍了一个因素如下(29日]:

脉冲衰减方程可以描述为

实验室评估非常规的页岩渗透率储层岩石进行了静水条件下的吸附效果被崔等报道。一个有效吸附孔隙度术语引入占气体分子吸附的贡献。朗缪尔模型被用来量化气体吸附量是压力的函数(30.)和数学描述如下:

所以,样本容量比例在崔等的方法 在哪里 。最近,王等人指出,崔et al。’s方法突出的贡献在渗透率计算吸附效果,说明这些气体吸附效应可以帮助预测透气性(31日]。由于我们的研究涉及处理富含有机物页岩样品,崔等人提出的脉冲衰减渗透率计算方法选择估计明显吸附气体的渗透性。

2.3。有效应力

量化气体渗透率有效应力的影响,围压和孔隙压力应该仔细有关岩石和气体特性的脉冲衰减测试。Terzaghi有效应力(或简单的有效应力)、围压和孔隙压力的函数Terzaghi的原则,被定义为(32]

然而,对于渗透性测试,有效应力法与一个适当的系数代替Terzaghi的原则14,33,34]:

通过实验计算有效应力系数 ,斜率的比值方法提出了Kwon et al。

的渗透率有效应力系数代表了灵敏度的围压和孔隙压力的变化。

3所示。实验方法

3.1。样品采购和准备

紧密的结构,平衡时间压力脉冲衰减非常长为核心样本。这长时间平衡减少了实验室测试,效率和压降高应力条件下观察几个小时后的脉冲注入。因此,页岩渗透率测量磁盘是可取的;他们可以显著缩短平衡时间,通常用于页岩渗透率测量(14]。因此,在这项研究中,马塞勒斯页岩岩心钻准备磁盘用于气体表观渗透率测试一样薄。准备薄圆盘的厚度范围在3 - 6毫米,25.4毫米直径。所有削减表面抛光,使适当的位置在三轴细胞。两个准备页岩样品使用不同厚度的工作,其中一个图所示4。每个磁盘样品称重和放置在烤箱了第一个24小时在150°C去除水分。第二个重进行前再放入烤箱。我们重复这个过程,直到样品重量保持稳定。页岩样品后磁盘在烤箱干,他们在干燥和清洁的塑料样品袋lab-use合金框前3小时测试。

3.2。实验应力边界条件

静水条件应用于本系列页岩渗透率测量,在轴向应力等于围压在一个恒定值在每个实验的持续时间。液压压力与计算机控制调节注射器泵使用软件在虚拟仪器开发环境。

3.3。实验装置和程序

在这项研究中介绍的测量从一个标准的三轴仪安排材料或脉冲磁导率测试,如图5。两个马塞勒斯页岩样品的表观渗透率不同的静水压力下厚度测量。使用二氧化碳作为测试气体吸附气体的渗透性(有限公司₂)是通过使用高压泵相比对围压加载和天然气增压。实验过程如下:(1)应用一定的围压的样品室,真空管道的液体和样本在同一时间。(2)在系统的上游阀1的一部分,注入一定压力的测试气体样本,下游部分的原始状态。(3)注射压力稳定后,开启阀门1,驱动气体脉冲通过页岩样品通过上游和下游之间的压力差,读取的压力数据后整个系统的压力平衡,并关闭阀1。(4)重复步骤(1)到(3),直到所有计划的压力水平测试。

平衡时间持续30分钟,以确保平衡过程完成。在这项实验中,四组完整的周期进行渗透率测试样本的5.39毫米和3.71毫米有限公司₂在静水压力下分别为11和21 MPa。每组的测试是重复一次,总共16组进行测试。最后,基于多个组在实验中获得的数据的压力,方程(6)和(7)被用来计算样品渗透率。整个公司₂注射周期在5.39毫米样品11 MPa是显示在图6。

4所示。结果

公司的渗透率测量结果₂两个磁盘样品(两个周期)如图7。根据图7,渗透率测量的重复性很好。同时,两个样品的渗透率数据非常接近对方,以非常类似的趋势。在我们的实验中,页岩样本矩阵的结构没有破坏由于高封闭的应用和/或孔隙压力。我们测量渗透率值相对较高的一些报道[页岩渗透率35),由于裂隙存在于页岩磁盘样本。这些渗透率测量仍然是合理的,因为Gensterblum报道有机页岩渗透率数据样本的集合情况下,磁导率从来孔隙度的2 - 8%。和马塞勒斯钻孔样品的孔隙度测量范围从2%提高到5.1%,获得使用小角中子散射(SANS)技术,渗透率范围为1.5 。根据这两个样本的观察在这项研究中,数据样本之间不同的长度的一致性表明,矩阵结构示例来自同一来源可以非常相似。一致和准确的结果帮助我们证明的工具收集实验数据,巩固任何基于他们的假设和结论。

4.1。渗透率与孔隙压力演变

两个样本,显示出类似的页岩渗透率演化模式。所有渗透率值最初拒绝当孔隙压力范围从0.35到4 MPa,然后开始轻微或急转弯,并增加与减少Terzaghi压力,自Terzaghi应力与孔隙压力消极和线性相关。在低孔隙压力、纳米/微尺度传输,如克努森扩散,占主导地位,随着平均孔隙压力降低的贡献。Terzaghi压力下降,页岩气渗透率仍有下降趋势的孔隙压力范围4 - 14 MPa。这是因为纳米和微孔隙和气体压力较低限制的贡献达西流。

4.2。渗透率与有效应力演化

为了进一步研究和解决页岩渗透率有效应力的影响,围岩压力( )和孔隙压力( )与表观渗透率的对数线性策划( )确定有效应力系数( )和有效应力( )。渗透率的结果与围压恒定孔隙压力为3.71毫米页岩样品如图8(一个)。几乎相同的斜坡上得到来自两个孔隙压力点,导致 等于-0.0112 0.4 MPa和-0.0103孔隙压力时,当孔隙压力为6.5 MPa。的负值表明表观渗透率降低围压的增加(14,34]。

然后,我们策划 值的时候等于11 MPa和21 MPa 3.71毫米的样本,分别分解压力~ 4 MPa为两个部门。在图8 (b)显然,我们可以观察到的斜坡与总是积极的在高孔隙压力部门(> 4 MPa)和消极的低压部门(< 4 MPa)。这些意想不到的斜坡控制流态的变化引起压力损耗。克努森扩散和滑动更重要,因为比平均自由程的孔喉比较大。这是由于低的孔隙压力和缩小喉咙(流路径)。

另一方面,Kwon等人,海勒等人获得绘图时只有一个斜率为正与 。他们可能认为作为一个属性相同的岩石样本,只随石英和粘土矿物的分布。这意味着获得的有效应力系数的数量取决于渗透率数据概要文件的单调,和它可能不是有效的应用独特价值评估渗透率与有效应力之间的关系。

使用方程(12),我们计算了有效应力系数为每个单独的 。对应于 值,成为负面压力较低(< 4 MPa)和积极的在高压下(> 4 MPa)。根据方程(12),我们将获得一个积极的当 是积极的,反之亦然。在低和高压部分,渗透率随有效应力的增加基于有效应力法,这是符合Kwon等人提出的有关研究结果及海勒等。在这项研究中,我们应用积极的和消极的有效应力系数基于“U”字在不同压力水平渗透率演化趋势。这两种不同的方法将允许我们考虑non-Darcian流组件使用传统的有效应力概念。

5。讨论

5.1。流机制对渗透率的影响

我们的渗透率进行了测量压力相对较低(< 10 MPa),为了解决扩散和过渡流的效果。渗透率值可以达到一个非常高的峰值由于运输导致的孔隙空间的围压降低。所以,早期的页岩气井产量,低围压(由于高原始储层压力)和高度开放骨折明显促进高视渗透率建议的达西流。达西流扮演更重要的角色在这种情况下,克努森流总是同时发生,根据图1。在后期阶段,低孔隙压力加上窄流路径不仅增加了克努森数也增加的贡献克努森流组件(36]。这是其中一个主要原因人员集成多个大量流入一个明显的渗透率模型框架来描述页岩的孔隙与压力有关的气体传输特性矩阵。

我们知道在有限公司₂二氧化碳捕获在煤层中,充当“塑化剂”,煤炭,降低所需的温度导致从脆性结构过渡到一个塑料后结构有限公司₂由煤基质吸附(37]。渗透率可以因此受到页岩结构的连续的变化由于高应力和基质膨胀/收缩。在油页岩层,观察干酪根软化对公司相当显著₂注射(超临界有限公司₂在许多情况下)工作作为强化开采过程38]。所以,我们测量渗透率数据增加有限公司₂注射在更高的压力可以解释,因为这增强时被发现 在295 K时有限公司₂遇到了阶段change-CO₂转换从气态条件超临界状态。超临界有限公司₂可以导致减少在其最大吸附量比气态条件(39]。用更少的吸附、页岩矩阵往往收缩和渗透率将因此增加。这个观察证明了气体吸附行为和sorption-induced矩阵在页岩变形矩阵非常明显描述页岩气渗透性演化的关键。在实践中,矩阵膨胀应变与气体吸附往往关闭夹板孔径,从而降低渗透率(40]。随着上游压力从一个非常低的水平,降低渗透率,直到可以看到Darcian流开始控制,和增加渗透率与有效应力的逐渐丧失。总之,sorption-induced变形和多元化的流动行为解释之间的气体有限公司₂渗透的趋势。我们需要几个sorption-induced岩石变形的影响和政权流向的变化占页岩气产量。

5.2。有效应力系数

当压力大于4 MPa,有效应力系数是积极的和小于统一,表明页岩样品实验对围压变化更敏感比压力的变化。这可能导致非常低的粘土含量在岩石样本(34]。另一方面,的绝对值大于团结在低压(< 4 MPa),也就是说,渗透率是孔隙压力变化更加敏感。的差异价值观和单调的渗透率表明“支票”字或“U”字渗透趋势可以用某些物理理论来解释,而不是随机出现,如图9。4 MPa被发现是一个很好的参考孔隙压力对渗透率的转折点我们大部分的数据。虽然这个数字可能不是一个保证值其他样品或其他条件,这一现象已经吸引了很多理论和实践。有效应力之间的关系和气体表观渗透率包含重要的信息,不仅对构造应力变化和地质变形也反映的孔隙压力响应多个流机制如何影响渗透率演化在不同压力条件。所有这些发现从页岩渗透率数据和有效应力导致的结论是,关键是要考虑并发效果的地质变形和宏/微流程。

6。结论

实验室研究进行了探讨气体在薄薄的圆盘页岩样品运输有限公司₂注射。有效应力的影响和sorption-induced矩阵上的膨胀/收缩渗透性进行了研究。以下结论和总结:(1)非达西流动效应,基本上克努森流和过渡流,具有显著影响页岩气整体行为和天然气产能较低的储层压力和后期生产阶段(2)渗透率和孔隙压力的结果之间的关系在两个正面和负面的斜坡上绘制。负斜率表明克努森流效应显著增强渗透性比增加有效应力的降低。因此,bivalued有效应力系数(积极的和消极的)应该应用于非pressure-permeability演化剖面(3)“U”字渗透率演化,由分区渗透率有效应力系数可以估计到两个区域的转折点。这bivalued有效应力系数的方法可以使用有效应力法的概念解释和低压地区的克努森流模型。在这项研究中,发现4 MPa是转折点,我们获得bivalued系数建模实验数据

命名法

:	横截面积的样品(m2)
:	比样品的存储容量的上游水库(无量纲)
:	比样品的存储容量的下游水库(无量纲)
:	天然气压缩系数(Pa1)
:	分子直径(米)
:	质量流量校正系数(无量纲)
:	样品长度(米)
:	气体表观渗透率(m2)
:	波尔兹曼常数( )
:	孔隙压力(Pa)
:	围压(Pa)
:	下游压力(Pa)
:	最初的下游压力(Pa)
:	朗缪尔压力(Pa)
:	上游的压力(Pa)
:	初始压力的上游(Pa)
:	孔隙半径(米)
:	温度(K)
:	气体吸附体积(cm3·g1)
:	下游水库卷(m3)
:	朗缪尔体积(cm3·g1)
:	有效样本总孔隙体积(m3)
:	摩尔体积的气体在标准温度(273.15 K)和压力(101 325 Pa) ( )
:	上游水库卷(m3)。

希腊符号

:	当策划的斜率压力衰减与时间的半对数图(无量纲)
:	无因次压力差(无量纲)
:	的th超越方程的根( )(无量纲)
:	气体平均自由程(m)
:	天然气粘度(Pa·s)
:	气体密度(公斤/米3)
:	密度的固体吸附剂(公斤/米3)
:	有效应力(Pa)
:	Terzaghi有效应力(Pa)
:	基质孔隙度(无量纲)
:	有效应力系数(无量纲)。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从第一作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

确认

这部分工作是支持北京市自然科学基金(8214063),中央大学的基础研究基金(2021号yqny08)和中国国家自然科学基金(51861145403和51861145403号)。

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