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《中国石油大学(华东)》 2016年
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页岩孔隙气体运移规律实验及理论研究

王金杰  
【摘要】:研究页岩微纳米孔隙内甲烷的运移,是页岩气藏开发预测及评价真实、准确的前提和基础。页岩气藏评价已取得初步成果,但气体在页岩中的运移机理尚不完善。本论文采用物理模拟及数学分析的综合研究方法,通过测试页岩基本物性参数、进行不同气体不同岩心的气体流动实验、设计并搭建气体吸附/解吸扩散实验装置,对页岩气在微纳米孔隙内的运移机理进行系统的研究和分析。取得的主要成果及认识如下:通过开展页岩气藏物性参数实验研究,分别得到页岩渗透率、润湿性、微观结构、比表面积及孔径分布、全岩矿物和总有机碳含量等页岩物性参数。分析结果表明:定围压条件下,由于受气体滑脱效应和压敏效应影响,流体压力增加,页岩渗透率先降后升。研究的页岩样品为水湿,主要受页岩矿物成分中亲水组分如石英、长石、方解石、白云岩、伊利石及伊/蒙混层,及亲油组分如有机质和含铁的绿泥石含量的影响。SEM扫描结果显示,页岩孔隙分为:层理、裂缝,粒间微米孔隙,纳米级孔隙,其中微纳米孔隙大量分布,为页岩气藏中自由气和吸附气的存储提供空间和表面。同层位页岩样品,颗粒粒径变化,比表面积不改变;不同层位样品比表面积差异大。取自大安寨二段的D页岩样品TOC含量低于取自龙马溪组的L页岩样品TOC含量,后者约为前者的三倍。采用岩心稳态流动和等温定边界压力流动实验方法,对岩心内气体的流动机理进行研究。稳态流过程中岩心内各点压力不变,气体吸附解吸处于动态平衡状态,甲烷和氦气在相同条件下对应的岩心内气体流量相近。一维等温定边界压力流动实验中,致密岩心初始产气速率高但很快降为零;页岩岩心达到平衡需要的时间明显长于致密岩心,根据生产曲线可将该气体流动过程划分为两个阶段;致密岩心阶段的产气量与页岩岩心第一阶段产气量接近,证明页岩岩心中气体流动的第一阶段以大孔内自由气的运移为主,则第二阶段以微孔及介孔中吸附气的解吸扩散为主。页岩样品微纳米孔隙分布广泛,不同孔隙尺度对应的气体运移机理不同。针对D页岩与L页岩不同粒径的三个样品颗粒,进行了等温恒压吸附/解吸扩散机理研究。设计并搭建该实验装置,目的在于描述气体累积吸附/解吸扩散量随时间变化的动态过程。该动态过程中样品的表面压力,即边界压力为恒定值,能更好的拟合页岩气井生产时定井口压力的实际情况。改变不同的温度进行120组实验,结果显示,温度升高,尽管各阶段对应的气体运移量减少,但吸附速率增大。该结果区别于等温吸附结果,本论文提出的方法不仅提供了达到动态平衡状态气体量随温度的变化,还展示了在同一边界压力下,气体运移动态过程中温度对速率的影响。研究发现,实验压力不仅影响页岩对气体的吸附/解吸能力,还影响其对气体的吸附/解吸速率。相同的压差条件下,随边界压力升高,气体运移速率增大,达到产量平衡的时间缩短。通过计算单位时间气体体积的变化率,根据所得曲线斜率,将气体运移过程划分为两个阶段:第一阶段以自由气的扩散为主,第二阶段以吸附气的解吸扩散为主,该结论与岩心流动机理研究的结果相吻合。在相同温度压力实验条件下,不同目数样品的吸附量相同,但是达到吸附/解吸扩散平衡的时间不同:实验样品粒径越大,达到平衡需要的时间越长。页岩的TOC越高,页岩的吸附能力越强,D页岩与L页岩实验结果对比显示,L页岩样品吸附能力明显高于D页岩样品,但大量干酪根的存在,使气体运移的速率大幅度减慢。通过结合页岩气藏物性及气体定边界压力运移机理的实验研究结果,提出了一种等温恒压条件下气体在页岩基质中的运移过程,推导了微纳米尺度页岩岩心气体运移动态模型。分析知,气体在微纳米孔中的运移应分为两阶段:受基质孔隙控制的以自由气扩散为主的阶段,以及受干酪根内孔隙控制的以吸附气解吸扩散为主的阶段。由于干酪根中气体扩散系数远小于基质中气体扩散系数,且前者控制了页岩气运移的第二阶段,因此新模型中的扩散充分考虑干酪根中气体扩散的影响,与实验结果对比分析证明,建立的数学模型能更准确的描述气体在页岩基质中的运移动态。
【学位授予单位】:中国石油大学(华东)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TE312

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