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页岩储层特征与渗流机理研究

郭为  
【摘要】:本文以中国南方海相志留系龙马溪组页岩为研究对象,通过脉冲渗透率测试、高压压汞、液氮等温吸附脱附、背散射电子扫描显微镜等实验研究了页岩的储层特征;通过页岩气大样量等温吸附解吸实验研究了页岩的吸附解吸特征;从甲烷分子和页岩孔隙壁面分子作用的力学机制出发研究了页岩气吸附机理和纳米孔隙中气体流动机理;通过页岩基质解吸-扩散-渗流耦合等实验,研究了页岩气宏观渗流机理;取得以下主要研究成果:(1)昭104井和黔江2井页岩的粘土矿物含量都比较高且以伊蒙混层和伊利石为主;脆性矿物含量高;页岩孔隙度低且主要分布在1.0%-3.0%,渗透率非常低且主要分布在0.1mD-1×10-7'mD:TOC含量和含气量呈正相关,TOC含量越高,含气量越大;页岩孔隙可以分为絮凝作用产生的粘土矿物之间孔隙、粒内孔隙、粒间孔隙、有机质孔隙和微裂缝等类型;页岩大孔分布范围比较广,从几十纳米到几百纳米且呈现多峰形状;介孔以狭缝状孔和墨水瓶形状孔为主,且主要分布在4-6nm之间,孔隙体积和比表面积均与TOC含量呈正相关。(2)页岩吸附曲线和解吸曲线不重合,解吸曲线滞后,其热力学原因在于页岩吸附过程的等量吸附热大于解吸过程的等量吸附热,Langmuir模型与解吸式模型分别能很好地描述等温吸附和解吸过程;影响页岩吸附解吸的影响因素有温度、水分、TOC含量、热成熟度Ro和粘土矿物含量等。从甲烷分子与页岩孔隙壁面分子作用的力学机制出发,揭示了甲烷分子在页岩孔隙中的赋存状态,明确了页岩气的吸附机理;提出在已知页岩矿物组成条件下利用SLD预测页岩等温吸附曲线的新方法,该方法可以预测任何温度与压力下的页岩等温吸附曲线。(3)考虑了页岩纳米孔隙中气体赋存状态及其对气体性质造成影响的条件下,建立了页岩纳米级孔隙气体流动数学模型,纳米孔隙中气体的总流量为由压力梯度引起的粘性流量和浓度梯度引起的Kn扩散流量之和;影响气体在页岩纳米孔隙中流动的因素有:温度、压力、孔隙大小和孔隙类型。(4)基于页岩气解吸-扩散-渗流耦合物理实验,建立了页岩气解吸-扩散-渗流耦合数学模型并进行了计算,认为吸附气体会影响气体的产量和压力波传播速度,气体的解吸常数会影响气体的产量,Vd越大产气量越大,pd越大产气量越大;页岩基质的渗透率和扩散系数也影响气体的流动规律,渗透率越大产气量越高,扩散系数越大产气量越高;页岩基质孔隙度影响游离气含量,页岩孔隙度越高,游离气含量越多,产气量越大。


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