气体渗流机理

气体渗流机理页岩气是指富集在暗色页岩或高碳页岩中的天然气，主要以吸附或游离状态存在。它具有与常规天然气完全相同的物理和化学性质，除了它存在于渗透性和孔隙率极低的页岩中。气流阻力比常规天然气大，大大增加了页岩气开采的难度。因此，被业界列为非常规油气资源。页岩本身的有效孔隙度非常低。页岩气储层主要是大规模发育的区域性裂缝，或者是热裂解气生成阶段产生的异常高压沿应力集中面、岩性接触过渡面或脆性弱面产生的裂缝，提供了储层形成所需的最小储层孔隙度和渗透率。孔隙度一般只有4% 5%，渗透率小于110-3m页岩气藏与常规气藏的主要区别在于页岩气藏的吸附和解吸特征。用朗缪尔等温吸附方程来描述页岩气的吸附和解吸现象。结合页岩气的渗流特征，采用点源函数和质量守恒方法建立双介质压裂井渗流数学模型。通过数值反演和计算机编程，绘制了产能递减图。分析了朗缪尔体积、朗缪尔压力、弹性储存体积比、窜槽系数、边界、裂缝长度等因素对页岩气井产能的影响。在储层条件下，页岩气储层中20% 80%的气体以吸附状态储存在页岩基质颗粒表面，其余大部分以游离状态储存在孔隙和裂缝中。鉴于页岩气独特的吸附和解吸特性，国外许多学者通过修改物质平衡时间、建立半解析数学模型和整合布拉斯尼格尔产能递减，在页岩气产能方面取得了一系列研究成果。然而，他们假设页岩气储层是均质储层，不能是“自生自储”的气藏。在开采过程中，地层压力降低，打破了原有的吸附平衡，原来吸附在页岩基质表面的气体将发生解吸，形成游离气体，最终重新达到平衡。页岩气通过页岩孔隙介质的流动可描述为图1所示的解吸、扩散和渗流三个过程。运用数值方法和质量守恒定律，结合页岩气藏的渗流特征，修正传统的渗流微分方程，建立双介质压裂井渗流数学模型，通过数值反演和计算机编程绘制产能递减曲线，并分析其影响因素。1页岩气解吸特征及吸附解吸方程页岩气藏是一种“自生自储”的气藏。在开采过程中，地层压力降低，打破了原有的吸附平衡。最初吸附在页岩基质表面的气体将被解吸，形成游离气体，最终再次达到平衡。页岩气通过页岩孔隙介质的流动可描述为图1所示的解吸、扩散和渗流三个过程。页岩气在裂缝和基质中的流动机理：裂缝中的游离气体流向井底，裂缝压力降低；(2)在压降的作用下，页岩气从基质中解吸到内表面；(3)在浓度差的作用下，页岩气从基质向裂缝扩散；在流体势的作用下，页岩气按照达西定律流向井筒。单层吸附的状态方程页岩气与常规天然气藏的主要区别在于，页岩气主要以吸附状态储存在页岩基质中。Langmuir等温吸附曲线可以描述恒温下页岩气吸附与解吸的平衡关系。等温吸附曲线可以定量描述吸附气体压力与吸附量之间的关系。由于吸附是一个可逆的解吸过程，等温吸附曲线可以表征页岩气的解吸特征。单层吸附的朗缪尔状态方程假设固体表面是均匀的，只有单层吸附是均匀的气体解吸速率与吸附气体分子覆盖的表面积百分比成正比，也与吸附气体分子中具有从表面逃逸到空间所需能量的分子比例成正比。假设被吸附气体分子覆盖的表面积百分比为，假设a是从表面逃逸到空间所需的最小能量，即吸附热a，吸附在表面上的分子总数为na，其中能量超过a的分子数为N*a，则存在其中f是比例系数；k是玻尔兹曼常数。解吸率其中d是比例系数当达到吸附平衡时，吸附速度应等于解吸速度，即Ra=Rd，因此未被气体分子吸附的表面积0的百分比与被吸附的气体分子覆盖的表面积的百分比之和应等于1，即。可以得到单层吸附方程在公式中，如果q代表单位固体表面上吸附气体的量，a代表单位固体表面上饱和吸附气体的量，则Langmuir方程被转换成通常的形式：当压力非常低时，上述公式分母中的bp相对于1可以忽略不计，并且吸附气体的量Q与压力P成比例；当压力非常高时，上述公式的分母中的1相对于bp可以忽略不计，并且当吸附气体的量q达到饱和时发生饱和吸附。如果给定吸附剂、吸附质和平衡温度，吸附量Q只是吸附质平衡压力P的函数。一个叫做朗缪尔体积，代表最大吸附量，它的物理意义是煤在一定温度下吸附甲烷达到饱和时的吸附量，也叫“饱和吸附量”；人们有时用A值来反映煤的吸附性能。B值与吸附剂和吸附质的特性和温度有关。B=1/pL，pL为Langmuir压力，即解吸速率常数与吸附速率常数之比，反映煤内表面对气体的吸附能力。1918年，朗缪尔从动力学角度导出了单层吸附的状态方程，即朗缪尔方程。(1)其中：VL-朗缪尔体积(最大吸附气体体积)，m3/t；ve-吸附容量，m3/t；压力(吸附量达到最大吸附量的50%时的压力)，兆帕。实验和理论分析表明，朗缪尔等温吸附曲线也适用于页岩气的吸附和解吸特性，因此朗缪尔等温吸附原理主要用于描述页岩气的吸附和解吸。1/V=1/Vm 1/(VmB)*1/P这是单层吸附其中v:平衡吸附量Vm:的饱和吸附容量B:吸附平衡常数图1/V至1/P2页岩裂缝中的气体流动方程页岩易碎，在外力作用下容易形成天然裂缝和诱发裂缝。页岩气藏通常被简化为双重介质孔隙结构模型。考虑到页岩气的解吸特性，利用点源法推导了考虑页岩气解吸的压裂井数学模型。利用质量守恒和达西定律，得到了页岩裂缝中的气体流动方程。运动方程：(2)状态方程：(3)气体的等温压缩性：(4)非稳定气体渗流的连续性方程：(5)右端有：(6)将(2)和(6)代入(5)得到：由于它是一个压力函数，上述方程是一个非线性微分方程。为解决这一问题，用压力函数代替因变量P:如果或为压力函数，真实气体不稳定等温渗流的数学模型(综合微分方程)可由下式得到：将上述公式中的不稳定渗流微分方程线性化时，认为天然气的等温压缩系数是常数，常采用地层温度和压力下的值，并使常数为常数。那么平面径向流中真实气体非稳定渗流的微分方程可以写成：1.具有固定产量Q(或M)的无限地层井的产量解初始条件：当，边界条件：小时，当时，应用玻尔兹曼变换得到地层中任意时刻任意点的压力表达式，即近似值为：压力函数被转换成压力，并且边界条件：=常数，当当时，在上述边界条件和初始条件之前，微分方程的解简化如下：压力函数转换成压力，质量流率转换成体积流率。考虑真实气体，地层中任何点的压力平方随时间变化：上述公式是在不稳定后期，当压力波到达边界时，当井在圆形封闭地层中投产时，井底压力的平方随时间的变化。随着时间的不断增加，公式中负指数项E变得非常小，可以忽略不计。因此，当时井壁处的压力函数随时间变化如下：压力转换后：上述公式描述了准稳定期井底压力平方随时间的变化。3.有限环形地层中心的井的解，在外边界有恒定的压力，以固定的生产速度投入生产初始条件：当，边界条件：=常数，当当时，在上述边界和初始条件下，通过拉普拉斯变换得到方程的解，然后经过一系列的简化和转换成压力关系，井底压力的平方随时间变化：随着的增加，求和项逐渐减小。这时，求和项变得非常小，可以忽略不计，可以简化为：上述公式与气体平面径向流稳定渗流公式完全相同，表明在外边界不变的情况下，油井以固定的产量投入生产，经过相当长的一段时间后，不稳定渗流转化为稳定渗流。页岩气含有特殊的产气机制。与常规低渗透气藏不同，天然气在页岩中的流动主要通过四种机制，即从分子尺度到宏观尺度的流动。主要表现为游离气体的渗出、解吸、扩散和自吸收。首先，由于气体的滑脱效应，有机和无机基岩中自由气体的流动是非达西渗流，而天然或水力裂缝中的流动是达西渗流。第二，有机物质上的吸附气体对渗透性有负面影响，这是由于天然气吸附层的有机物对天然气分子的吸引力增加。然而，如果有机物不属于多孔介质，仅用于连接基质孔隙或裂缝，远离孔隙和裂缝的吸附气体只能以易于在生产过程中扩散的方式沿有机物表面移动。如果有机物是多孔介质，部分被吸附的气体可以直接释放到有机物的孔隙中