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页岩气赋存方式及渗流规律研究

赵天逸  
【摘要】:我国具有丰富的非常规天然气资源,其中页岩气技术可采资源量为21.8×10~(12)m~3,与美国可采资源量相当,具有十分广阔的发展前景。与常规油气藏相比,页岩气藏的孔隙结构致密且气-水赋存状态复杂,在实际开发过程中,部分区块甚至出现了开发效果差异大、含气性与产气量相互矛盾的现象。因此需要针对我国页岩储层微观孔隙结构特征,深入分析页岩气赋存方式及渗流规律,进而为我国页岩气合理、高效的开发提供理论依据。本论文以实验测试为手段,以理论分析为重点,从页岩储层生烃演化机理出发,结合X射线矿物衍射、扫描电子显微镜、低温氮气吸附和高压压汞实验,探讨了储层水影响下的页岩气赋存特征以及微观孔隙结构特征;基于室内吸附实验、分子模拟方法和格子Boltzmann方法研究了储层水影响下的页岩气赋存方式及渗流规律,对页岩气合理、高效开发的关键基础性问题提出了意见和建议。本论文的结论及认识如下:(1)揭示了页岩储层不同类型孔隙气-水赋存规律,明确了页岩储层微观孔隙结构特征。有机质孔隙流体以单相气为主,无机质孔隙流体有“水膜气芯”或残余液态水。页岩矿物以石英+长石(平均57.97%)、碳酸盐岩(平均21.75%)和黏土矿物为主(平均20.28%);孔隙类型包括有机质孔、无机质粒间孔、无机质粒内孔和微裂缝4种类型;低温氮气吸附实验结果表明页岩孔径介于1.79~63.61nm,中孔+大孔贡献了主要的孔隙体积,微孔+中孔提供了主要的比表面积;随着束缚水饱和度增加,无机孔隙的有效孔隙半径显著降低。(2)基于室内吸附实验,量化了含水率、成熟度、黏土矿物含量等对页岩气吸附能力的影响,揭示了储层水影响下的页岩气赋存特征,建立了考虑储层水影响的页岩吸附气含量随埋深的预测模型。研究表明,页岩吸水能力随黏土矿物含量和比表面积的增加而线性增加;干燥页岩上甲烷吸附能力受控于TOC含量、成熟度和孔隙比表面积,而含水样品上的甲烷吸附量仅与TOC含量正相关;认为基于干燥岩样评价储层含气性时,会夸大实际页岩储层的吸附气含量。(3)基于分子模拟方法,构建了不同成熟度、不同含水率且化学结构异性的干酪根模型,量化了温度、压力、成熟度、气-水竞争吸附以及含水率等对有机质中气体赋存的影响,评价了真实含水储层中页岩有机质吸附气量随埋深的变化关系。研究表明,随成熟度的增加干酪根的比表面积和芳香度增加,甲烷分子的吸附量增加;与甲烷不同,水分子在干酪根中的吸附量与成熟度负相关;在页岩储层经济可采埋深的范围(2000~3000 m)内,含水率显著降低页岩储层吸附气含量。当埋深超过4000 m,含水率对吸附量的影响不再显著。(4)建立了引入正则化算子的孔隙尺度格子Boltzmann模型,将传统的格子Boltzmann模型拓展到了过渡流级别。模拟了页岩气在多孔介质中的流动,量化了滑脱效应、吸附层、束缚水、孔隙结构对于孔隙尺度多孔介质视渗透率的影响,揭示了孔隙尺度的页岩气微观渗流特征。研究表明,页岩基质的视渗透率随着地层压力和比表面积的增大而减小,随着地层温度的升高而增大;吸附层和束缚水的存在均会降低流动的有效孔喉半径,导致视渗透率显著减小。本论文为合理评价页岩储层含气量及渗流规律奠定理论基础,为我国页岩气藏的合理、高效的开发提供理论指导。本论文的研究成果具有重要的学术价值和现实意义。


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