【摘要】：我國具有非常豐富的頁巖氣資源,已成為世界上三大頁巖氣生產國之一。頁巖氣藏具有復雜的孔隙結構,孔隙尺度跨越了12個數量級。多尺度的孔隙空間結構導致了多尺度的滲流過程,給頁巖氣藏經濟有效開發(fā)帶來了巨大挑戰(zhàn)。本文論文針對頁巖氣在儲層中多尺度、多場耦合的輸運過程,開展了頁巖氣多尺度滲流模型研究。論文首先以掃描電鏡及CT實驗圖像為基礎,用四參數隨機生長法構建了符合頁巖儲層多尺度孔隙結構特征的數字巖心。然后在數字巖心的基礎上,應用格子Boltzmann方法分別在納米尺度、孔隙尺度和REV尺度上模擬了頁巖氣微觀滲流過程,分析了影響頁巖巖心滲透率的主要因素,并對頁巖微觀視滲透率進行了修正。最后在宏觀滲流模型中耦合了頁巖氣在不同尺度上的輸運形式,建立了考慮微尺度效應的頁巖氣藏多級壓裂水平井宏觀滲流模型,分析了儲層參數對壓力動態(tài)的影響。本論文獲得的主要結論如下:模擬了納米尺度下頁巖氣在有機質基質中滲流過程,分析了Knudsen擴散和表面擴散的影響因素。頁巖有機質基質的Knudsen擴散系數分布于10~(-9)~10~(-6)m~2/s;可以用Bruggeman方程估算有機質基質Knudsen擴散系數,其中參數α宜取1.25~1.72;有機質基質表觀滲透率與孔徑和Langmuir體積呈正相關關系,與壓力呈負相關關系;在強吸附情況下,表觀滲透率與Langmuir常數正相關;在弱吸附情況下,表觀滲透率與Langmuir常數負相關。耦合頁巖氣多種流動形態(tài),探究了孔隙尺度下頁巖氣微觀滲流機理。建立了非理想氣體格子Boltzmann方法表征真實氣體效應對滲流的影響;結合分形方法和曲面邊界條件研究了粗糙孔隙中氣體滲流特征;耦合真實氣體效應、粗糙效應、滑移效應和表面擴散,推導了表觀滲透率與Knudsen數的關系式。研究結果表明在納米孔隙中需考慮氣體分子體積和氣體分子間作用力對滲流的影響;粗糙壁面一方面擾亂了流線,增大了滲流阻力,另一方面又減小了孔徑,促進了滑移效應;有機質粗糙孔隙中的表觀滲透率可表示成Knudsen數的二次多項式。模擬了REV尺度下頁巖多孔介質中氣體滲流過程�；赒SGS法構建了有機質、無機質和脆性礦物三相的數字巖心,分析了有機質孔隙度和體積分數,粒間孔孔隙度和體積分數對多孔介質表觀滲透率的影響。建立了含有微裂縫的頁巖基質數字巖心,研究了基質孔隙度和壓力對滲流的影響。模擬結果表明多孔介質表觀滲透率與有機質體積分數和孔隙度正相關;粒間孔大大提升了多孔介質的滲流能力。建立了考慮多尺度多場耦合輸運過程的頁巖氣藏多級壓裂水平井宏觀滲流模型。模型考慮了考慮干酪根和有機孔中的擴散流、無機孔中的滑脫流、基質向次生裂縫的竄流和次生裂縫向壓裂裂縫的達西流,耦合了Knudsen擴散、表面擴散、滑移流、粗糙效應和真實氣體效應。進行了壓力動態(tài)分析,為頁巖氣壓裂水平井的開發(fā)提供了理論基礎。本論文模擬了頁巖氣在納米尺度、孔隙尺度和REV尺度下的微觀滲流,揭示了巖心結構參數和流體參數對巖心滲透率的影響,建立了考慮多尺度微觀滲流機理的頁巖氣藏多級壓裂水平井宏觀滲流模型。對理解頁巖氣微觀滲流機理提供理論參考。
【圖文】：

1.4.1 研究思路利用四參數隨機生長法建立頁巖有機質基質多孔介質。在數字巖心的基礎上模擬頁巖氣在納米尺度下的滲流過程，分析影響 Knudsen 擴散和表面擴散的主控因素，計算頁巖基質 Knudsen 擴散系數和表觀滲透率。運用非理想氣體的正則化格子 Boltzmann 模型表征真實氣體效應。利用分形理論建立頁巖粗糙孔隙壁面。分別模擬頁巖氣在無機質粗糙孔隙和有機質粗糙孔隙中的滲流過程。耦合真實氣體效應、粗糙效應、表面擴散效應和滑脫效應，討論粗糙壁面特征參數、壓力、溫度、孔徑和 Langmuir 參數對表觀滲透率的影響。以構建的多組分數字巖心為介質模擬頁巖氣在 REV 尺度上的流動過程，分析影響頁巖基質表觀滲透率的相關因素討論基質中各組分孔隙度和滲透率對基質滲透率的影響。建立考慮頁巖儲層多尺度滲流規(guī)律的多級壓裂水平井宏觀滲流模型，分析微觀參數和儲層參數對頁巖氣井井底壓力的影響。1.4.2 技術路線

D2Q9：0 1 0 1 0 1 1 1 10 0 1 0 1 1 1 1 1c c 22 22 24 9, 01 9,31 36, 2ii i siccc c cc c ， D3Q19：0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 00 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 10 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1c c 22 22 22 9, 01 9,31 72, 3ii i siccc c cc c ，，
【學位授予單位】：中國石油大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TE312

【參考文獻】

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本文編號：2674684