考虑气体吸附多流态页岩表观渗透率模型_张旭.pdf
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1、考虑气体吸附多流态页岩表观渗透率模型张旭,刘柳,乔阳,程浩,李三山(西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065)摘要:页岩储层中气体的运移机理和表观渗透率与常规气藏存在显著差异,这主要是由纳米尺度现象和有机质作为储气和供气介质造成的。然而,在页岩储层中,气体流动行为对井的性能起着至关重要的作用,所以发展一种新的考虑气体传输机制的表观渗透率模型是非常必要的。因此,为了研究页岩吸附层在开发过程中,不同压力下基质渗透率的变化,结合前人研究,考虑应力敏感、真实气体效应、吸附等渗流机理,结合多重气体传输机制创建表观渗透率新模型。并改变相应参数对新建模型进行敏感性分析研究,得出相应结论。在这项工作中,
2、建立的模型可以准确计算黏性流动、克努森扩散和解吸的表观渗透率,使得人们对页岩气的传输机理有了更准确的认识,有助于页岩气的高效可持续发展。关键词:解吸吸附;纳米孔隙;页岩气;表观渗透率中图分类号:TE132.8文献标识码:A文章编号:1673-5285(2023)03-0077-05DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2023.03.015Apparent permeability model of multi-fluid shaleconsidering gas adsorptionZHANG Xu,LIU Liu,QIAO Yang,CHENG Hao,LI Sansh
3、an(School of Petroleum Engineering,Xian Shiyou University,Xian Shaanxi 710065,China)Abstract:The migration mechanism and apparent permeability of gas in shale reservoirs aresignificantly different from those in conventional gas reservoirs,which is mainly caused bynanoscale phenomena and organic matt
4、er as gas storage and supply media.However,in shalereservoirs,gas flow behavior plays an important role in well performance,so it is necessaryto develop a new apparent permeability model considering gas transport mechanism.Therefore,in order to study the changes of matrix permeability under differen
5、t pressures in thedevelopment process of shale adsorption layer,combined with previous studies,consideringstress sensitivity,real gas effect,adsorption,slippage and free molecular flow effect,the apparent permeability calculation model is established by integrating various complex transportmechanism
6、s.The sensitivity analysis of the influencing factors of the new model is carriedout,and the corresponding conclusions are drawn.In this work,the established model canaccurately calculate the apparent permeability of viscous flow,Knudsen diffusion and desorption,which makes us have a more accurate u
7、nderstanding of the transport mechanism of*收稿日期:202208-29作者简介:张旭(1997-),男,硕士,主要从事油气田开发工程研究工作,邮箱:。石油化工应用PETROCHEMICAL INDUSTRY APPLICATION第 42 卷第 3 期2023 年 3 月Vol.42 No.3Mar.2023近几十年来,页岩气在全球范围内引起了极大的关注,因其可观的储量以及在北美和中国的成功开发已成为研究热点,有望成为长期清洁能源接替1-3。页岩气的大规模生产得益于长水平井和大规模水力压裂技术。然而,尽管在过去的几年中取得了很大的进展,但对页岩基质中
8、微观渗流机理的理论认识仍然很肤浅和混乱。因此,对于页岩纳米孔隙中气体传输机理研究和传输模拟,乃是页岩气高效稳定开发的关键技术。页岩气储层中纳米孔隙极为发育且随机分布。由于页岩地层的稀薄条件,多种气体运移机制并存4-5,需要进一步认识。因此准确理解页岩气微观渗流机理对数值模拟和产能预测具有重要意义。经典的渗流理论无法建立页岩基质中流体渗流特征,而现有的模型则存在较大差异6-7。本文主要说明了页岩储层特征和纳米孔气体传输机理,并介绍了吸附/解吸、真实气体效应、应力敏感等机制,并根据克努森数划分了实际页岩储层中可能存在的流动状态。综合考虑黏性流动、滑脱效应、克努森扩散的作用,将气体输运模型分类8-1
9、0。首先提出页岩传输机制与特征,然后对页岩纳米孔隙中不同的复杂传输机制建立综合表观渗透率模型,最后分别就不同因素变化研究其对模型的影响并得出结论。1页岩气渗流特征1.1应力敏感众所周知在非常规储层中,孔隙度和渗透率随着生产过程中的压力衰竭而变化。随着页岩气从储层中采出,地层有效应力不断增加,导致页岩岩石被压实,渗透率降低。这可能会显著降低气体输送能力和气体产能,特别是在应力敏感储层中,这对于从试井分析中准确估计地层特性和制定准确的长期生产预测至关重要11。页岩渗透率与有效应力的变化呈指数关系:kkemps(1)式中:m页岩基质的应力敏感系数,1/MPa;ps页岩基质受到的有效应力,MPa;k页
10、岩基质有效渗透率,mD;k致密多孔介质固有渗透率,一般采用脉冲法测得,mD。结合 Hagen-Poisenile 定理,页岩孔隙半径和绝对渗透率的关系可表示为:k0r28Nr48Ak0r28Nr48A(2)代入可以得出页岩纳米孔隙管道的初始直径受应力敏感后的有效直径:rp=r e-mps4(3)1.2气体解吸/吸附吸附气是页岩地层中一种独特的储气形式,因为有机纳米孔隙非常发育,为气体吸附提供了巨大的吸附位点。在纳米孔隙中,气体分子的尺寸变得与流动路径的直径相当。因此,分子尺寸对气体运移的影响不可忽略。在页岩衰竭期间,有机孔隙半径可以改变或保持近似恒定,这取决于吸附和解吸的速率。在研究气体吸附对
11、孔隙半径的影响时,通常假设气体吸附满足Langmuir 吸附等温线12。因此考虑实际气藏储层中气体存在的真实气体效应,当发生页岩气吸附时,可以表示为:VE=VLpZpL+pZ(4)式中:VE吸附体积,m3/m3;pLLangmuir 压力,MPa;VLLangmuir 体积,m3/m3。气体覆盖率为:=pZ1pZ(5)式中:与吸附有关的常数,可通过实验获得,Pa-1。上式中是基于表面均匀、孔径相同的理想多孔介质假设,在页岩气藏微观渗流机理研究中被广泛采用。然而,该假设很难代表强非均质页岩,其特征是复杂的矿物组成(黏土矿物、干酪根)和具有不同孔隙尺度和几何形状的可变流动路径。在基于均匀假设后导致
12、吸附热恒定,不符合实际情况,在以后的研究中可以建立基于多位点吸附理论的更精确的运输模型。需要注意shale gas and contributes to the efficient and sustainable development of shale gas.Keywords:desorption adsorption;nanopores;shale gas;apparent permeability石油化工应用2023 年第 42 卷78的另一个问题是,在考虑真实气体效应的情况下,逸度更好地用于描述体相和吸附相之间的化学势平衡。目前在页岩气渗流行为研究方面还没有相关的解释研究。因此,在以
13、后的研究中需要建立一个基于逸度概念的更具有理论稳健性的模型以获得更高的准确性。被吸附的气体分子所占据的等效半径表示为:raddm(6)式中:dm气体分子直径,m;rad吸附气体分子所占的等效孔半径。除了应力敏感的影响,有效孔径会因为吸附的气体分子发生改变,从而影响气体传输能力。是因为在降压过程中,随着吸附气的不断解吸,有效孔径变大。所以综合考虑应力敏感与气体吸附/解吸的影响,有机质孔隙有效半径的表达式为:reffrpdm(7)式中:reff页岩纳米孔隙中气体流动的有效孔隙半径。然后,将有效孔隙半径用于建立页岩气储层中有机纳米孔隙的渗透率模型。考虑吸附气体对纳米级毛细管中孔隙占据与应力敏感影响的
14、等效渗透率可表示为:kadreff28rprad()28(8)2页岩纳米孔隙中的气体传输模型页岩气的形成属于典型的多尺度多孔介质,具有多种储集和运移机制,其传输规律都有所不同。主要可以分为以下几种传输机制,分别为黏滞流、Knudsen 扩散和表面扩散13。针对页岩纳米孔隙,页岩基质的渗透率主要由滑脱效应和自由分子流动效应所共同决定。因此,在这引出一个权重系数来耦合连续流动和克努森扩散,可以得出气体在孔隙中全流态渗透率为14:kgf kslip 1()f kKnudsen(9)其中权重因子表示为:f11KnKn05()n1(10)当 10-3Kn10 时,孔隙内传质可采用克努森扩散来描述:kKn
15、udsen=k1282g23KBRMT()Kn(12)对于圆管型孔隙,其绝对渗透率表示为:k=r282(13)因此,同时考虑真实气体效应、储层应力敏感性、气体吸附与解吸效应,耦合滑脱效应以及克努森扩散效应,则综合表观渗透率模型可表示为:kappreff282454 15Kn()454Kn4+1282g23KBRMTKn5454Kn4()|(14)其中:kapp页岩基质表观渗透率,10-3m2;迂曲度,无因次;R气体常数 8 314,J/(K kmol);M-气体摩尔质量,kg/mol;T-温度,K;Kn-克努森数,无因次;-孔隙度,无因次;g-气体黏度,Pa s;-分子碰撞直径,m;KB-Bo
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