基于双重孔隙分布特性的页岩多场耦合渗流模型研究

【摘要】：双重孔隙介质广泛存在于自然界中,如含有油气、水资源以及地热能源的地下页岩储层。对于多孔地层而言,由于其中的孔隙与裂隙系统在空间几何上具有分形的结构特征,且伴随着水力压裂和水平钻井技术的进步,这为人们研究流体在其内部的微观渗流机理和从基质中开采页岩气体提供了天然的便利条件。目前,为了能够准确模拟页岩储层的产气速率,不仅要考虑到不同介质之间的传质运输和其中的气体流动状态及方式,还要考虑到与孔隙或裂隙尺寸分布相关的结构参数对于气体产率和产量的影响。本文根据基质孔隙(微裂隙)之间的连接结构,推导了裂隙岩石和裂隙型多孔介质渗透率的复杂网络模型,并根据多孔介质的分形理论建立了一个页岩气的分形-幂律渗流模型。通过与实验数据的比对和验证,分析了双重孔隙介质的结构参数对复杂裂隙网络有效渗透率的影响。同时,根据多孔介质弹性理论,结合一般孔隙率以及双重介质的分形渗透率模型,建立了页岩气在多场耦合作用下的数学动态模型。利用COMSOL Multiphysics数值分析软件对分形-幂律渗透率模型进行了模拟研究,其主要的工作与结果如下:(1)根据复杂网络中节点的度分布具有的幂律关系,将节点数与网络的边数相对应,提出一种新的具有节点度数的边的幂律分布关系式;然后,在此基础上推导了裂隙岩体渗透率的复杂网络模型,而该模型包含了最大的节点度数、自相似指数、分数维幂指数以及网络微结构参数等;通过与现有的数值模拟资料对比,验证了模型的有效性;最后,重点分析了模型参数对渗透率的影响。(2)基于孔隙与微裂隙之间的连接结构,将由其所组成的网络描述为具有自相似性的等级网络;通过复杂网络理论的应用构建了一种新的双重孔隙介质渗流模型,根据其研究结果表明,该模型的渗透率是多孔介质的网络微结构参数及其自相似指数的函数;将模型的预测值与可获得的实验数据进行比较,验证了模型的正确性,且该模型较传统的均质模型能够解释更多的渗流机理;通过分析模型参数对渗透率的影响,发现了自相似指数和孔隙节点的聚类系数是决定双重孔隙介质渗透率变化的主要因素。(3)通过数值模拟分析了流固耦合下双重孔隙介质的体积应变与储集项对储层孔隙率及孔隙体积的影响,结果发现,随着孔隙压力的降低,吸附和颗粒体积应变的贡献程度比更大,而在储集项中由气体吸附所占的孔隙体积远大于自由气体所占的孔隙体积;随后分析了吸附体积应变与体积模量对储层渗透性的影响,其结论是Langmuir吸附参数对于较远区域的孔隙收缩变化不太敏感,且当颗粒体积模量增大时,解吸效应也随之增强;最后分析了孔隙与裂隙分形维数以及水力边界渗透率在时间和空间上的演化过程。(4)分析了双重分形-幂律渗流耦合模型中多孔介质的分形维数及其微观结构参数对页岩产气率和产气量的影响。结果发现,当孔隙直径的分形维数增加时,页岩储层的累计产气量会在分维数大于1.3以后缓慢增加;当迂曲度的分形维数增加时,页岩气的累计产量快速地减少;表征单元体的直线长度值越大,累计产气量就越小;孔隙直径的最大尺寸越长,页岩累计产气量的提升也就越发明显;适当降低裂隙长度的分形维数,有助于提高页岩的气体产率;裂隙长度的最大尺寸决定了不同时间段的产气率贡献;通过分析裂隙网络的空间方位,发现了页岩产气率与开度呈正相关,与裂隙的倾角呈负相关。