页岩气合理生产方式研究(编辑修改稿)

页岩气合理生产方式研究(编辑修改稿)内容摘要：

VIP组分模型对气藏进行模拟，分析了水平井生产动态及生产过程中的各种现象，并对其进行了数值模拟。 2020年， Anklam和Wiggins[27]提出了一个适用于水平井筒渗流的数学模型，其包含了重力，加速度，摩擦和流体流入的作用，适用于在多重因素影响条件下的水平井井生产能力，压力动态研究等。 在水平井压裂方面， Soliman等建立了一种水平井早期产能模型，这种模型建立在无限大油藏中一口水平井中具有多条具有有限导流能力裂缝，比较准确的预测了单重孔隙具 有 N条垂直裂缝的水平井产能。 之后， Soliman等又考虑由于水力压裂的原因，使得裂缝分为横向裂缝及纵向裂缝的实际情况后，提出了定压条件下的压裂水平井产能计算模型，此产能模型也可以用于致密气藏水平井产能计算。 国内也有很多的学者在水平井产能和水力压裂技术方面进行了有效的研究。 1996年，窦宏恩 [28]通过把水平井看成两个不渗透边界之间的一口直井，把水平段长度看成油层厚度，利用镜像反映和势的叠加原理对产能进行研究，从而得到新的水平井产能公式。 1998年，李晓平 [29~31]通过对气体稳定渗流理论的研究，推导出的 水平气井产能公式，其适用于无限大气藏达西流动和非达西流动。 2020年，郎兆新 [32]使用拟三维方法和等值渗流阻力法，提出了多井底水平井产能条件上的产能计算公式。 2020年，陈元千 [33]运用了面积等值原理，将水平井生产中椭圆形驱动边界转换为拟圆形驱动边界，将水平段长度转换为拟圆形生产坑道，再利用等值渗流阻力法，最终得到一个新水平井产能计算公式。 2020年，陈小凡 [34]将水平井泄油体简化、分解及流场的三维处理，遵循基本渗流规律，运用等值渗流阻力法推导出水平井产量公式。 本文研究内容 本文的研究内容 页岩气藏 是带有吸附解吸过程，且特低渗低孔隙度的特殊气藏，因其不同于常规气藏的特殊物性，相比于常规气藏机理研究就更为复杂，开发难度更高，费用也昂贵。 国内正将处于页岩气开发的黄金时代，对页岩气其的渗流机理和开发技术的研究将对国内页岩气开发进程起到较大的推动作用。 本文基于油气藏工程及渗流力学基础理论，在考虑页岩气吸附及解吸扩散渗流影响的基础上，对该区块页岩气井产能方程进行的改良。 主要的研究内容如下： （ 1）收集和分析大量有关页岩气及其产能方程的文献，建立页岩气储集和流动页岩气合理生产方式研究 7 的概念，熟悉解析扩散渗流力学特征，建立页岩气储量的基 本概念。 （ 2）收集整理长宁 威远区块的基本生产动态数据。 （ 3）筛选和推导考虑解析贡献的页岩气井产能方程。 （ 4）对长宁 威远区块页岩气井产能进行评价并分解自由气和解析气的贡献。 （ 5） 对比分析长宁页岩气和威远页岩气井自由气和解析气量的差异。 本文的技术路线 图 研究技术路线图 文献调研 推导常规水平井产能公式 建模，推到不同条件下的水平井产能公式 分析不同因素对产能曲线的影响 实例分析，编写毕业论文 西南石油大学本科毕业设计 8 2 页岩气储集特征、储层吸附解析机理 页岩气储层及储集特征 页岩气储层特征 页岩气是指主体上以吸附和游离态的方式存在于低孔隙 度、特低渗透率且富含有机质的暗色泥页岩或者是高碳泥页岩层系中的天然气。 有机质的特征：由于页岩气储层中含有大量的有机质，故有机质的丰度和成熟度对页岩气资源量有着极为重要的影响。 同时，页岩气吸附实验结果也表明，页岩气的生气率与其有机碳的含量具有较好的正相关性。 在同温度、压力下，富含有机质的页岩比有机质含量少的页岩具有更多的微孔隙空间，且前者能吸附更多的天然气。 矿物组成：构成页岩储层的矿物除了常见的粘土矿物（伊利石、高岭石等）外，还混有石英、长石、云母、白云石等矿物。 图 四川盆地及周边下古生界黑色页岩 与北美 Bart 页岩矿物组成对比三角图 页岩气合理生产方式研究 9 表 四川盆地及邻区下古生界黑色页岩粘土矿物组成统计表 含量 九老洞组 龙马溪组 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 粘土矿物相对含量 S I/S 0 10% % 0 17% % I 65% 100% % 56% 100% % K 0 6% % 0 7% % C 0 29% 11% 0 24% % C/S 0 18% % 0 4% 4% 混层比 I/S 0 40% % 0 15% % c/s 0 45% 40% 0 30% 30% Bart 页岩层中粘土矿物的主要成分为微含蒙皂石的伊利石。 而四川盆地及其临区页岩储层粘土矿物分析结果也表明其成分主要是伊利石。 研究表明，页岩气储层中的粘土矿物含量与吸附气含量有着一定的关系，其中最为重要的是伊利石，而蒙皂石等膨胀类粘土物对于后期储层压裂造缝是不利的。 物性特征：国内幕前技术不如美国，美国研制的 GRI 页岩岩心测定方法不仅可以测定页岩基质总的孔隙度，也可以测 定出含气的孔隙度。 故国内只能按常规储层物性分析方法进行测试，故无法与北美页岩物性进行对比。 根据四川盆地的页岩储层物性分析而取得部分孔隙度的资料研究得出，四川盆地下古生界页岩具备储集条件。 页岩储层的含水饱和度会直接影响其含气量，随其成熟度的增加使得产气量剧增，而含水饱和度却降低且当含有饱和度低于 5％时才被认为是页岩气的有利勘探区域。 页岩气储集特征 页岩储层中气体其主要的形态为：游离气、吸附气、少量溶解气，如图 所示。 而以吸附状态依附在页岩基质及其裂缝表面的吸附气所占比例最大，占 20%80%且有机质的含量及储层压力与吸附气含量密切相关， 有机质含量越高、储层压力越高，往往导致吸附气的含量也越高。 西南石油大学本科毕业设计 10 图 页岩气藏储集特征 游离气为页岩气藏其早期开发时的主要供气源，占总气量的 10%20%，在地层压力差的作用下在孔隙或裂缝中自由运移。 可通过常规天然气研究手段进行分析。 对于溶解气而言，由于页岩气储层中几乎不含水，故只有极少比例的页岩气在地层压力作用而溶解于水中，形成溶解气，因其量极少，通常可以忽略不计。 页岩气吸附解析扩散渗流机理 页岩气藏与常规气藏两者之间最大差异在于前者有吸附 气的存在，页岩储层因其特殊的成藏作用而产生大量的吸附气，而在开发过程中，因地层压力的下降，使得发生了解吸附作用，形成游离气，再被采出。 储层中的气体分子因为表面分子层的存在使得力场不平衡而存在表面自由能，而由于所有物质都有自发减少其表面自由能的趋势，使得在固体表面的气体分子由于其分子力处于不平衡或是不饱和的状态下，固体就会将其周围与其接触的气体或液体吸引到其表面上，使得残余力最终达到平衡。 页岩储层对气体分子的吸附作用的过程是可逆的（物理过程），这期间没有发生化学反应，因而在吸附和解吸之间存在着一个平衡值，当 页岩气藏开始开发后，地层压力逐渐降低，原有的压力平衡被打破，存在于页岩基质上的吸附气体由于表面分子层力场发生不平衡，开始脱离页岩基质而进入到微孔隙或裂缝喉道中去，成为新的游离气，当气量达到饱和的时候进入新的平衡，这种现象被称为解吸附现象。 页岩气合理生产方式研究 11 图 页岩储层流动过程 页岩气吸附储集机理 已知页岩气吸附作用是物理吸附，那么就可以通过 Langmuir等温吸附定 律来对其进行研究。 Langmuir 等温吸附定律： Langmuir 等温吸附定律是法国化学家 Langmuir 于1916 年通过结合 动力学观点，研究了固体表面的吸附特性，从而提出了三点假设： （ 1） 吸附作用发生在单分子层； （ 2） 被吸附的分子与分子之间无相互作用力； （ 3） 吸附固体表面均匀。 基于以上三点假设，最终得出了 Langmuir单分子层吸附状态方程。 近一百年来，Langmuir等温吸附定律广泛应用在石油、化工、材料等诸多领域。 国外学者在近几十年对页岩气研究过程中发现可通过 Langmuir等温吸附方程来研究页岩储层表面对页岩气的吸附特性。 于是页岩气吸附量与压力之间有如下关系式 : ()1m bpVV bp  () 上式中， V——等温吸附量， m3/t； Vm——Langmuir等温吸附常数， m3/t； b——Langmuir等温压力常数， 1/MPa； p——气体压力， MPa。 西南石油大学本科毕业设计 12 由（ ）可以看出， 当页岩储层处于高压状态时， P远大于 1，故 / (1 )bp bp 1 ，则 mVV ，证明了当储层处于高压状态时，页岩基质表面已经被气体分子吸附物覆盖了，吸附气量不再随着压力的增加而增加。 因前提是等温吸附，所以理论上审核温度条件下，极限吸附量都是相同的， mV 的不同反映了不同页岩储层吸附量的差异。 改写成线性 Langmuir方程，如下式： 1mmppV V bV （ ） 在对（ ）进行变形，得到最终 Langmuir方程为： ()L LpVV pp  （ ） 式中， V —吸附量， m3/t； p L —Langmuir压力，吸附量达到极限吸附量 1/2 时的压力， PL=1/b， MPa； VL —Langmuir体积，反映页岩的最大吸附能力， VL=Vm ， m3/t。 结合式（ ）， Langmuir等温 吸附曲线如下图所示： 图 Langmuir等温吸附曲线 根据（ Bo Song等， 2020）对 Langmuir等温吸附定律的研究认为，在页岩气吸附解吸过程中考虑页岩储层平均孔隙度影响的基础上应用等温吸附定律，应引入一个描述吸附解吸过程的量，即吸附解吸因子 Cads，其表达式如下： Langmuir 体积 1/2 极限吸附气量 Langmuir 压力 (P， MPa) 气体吸附体积， (m3/t) 页岩气合理生产方式研究 13 22l o g ( / )1( , , ) e x p ( )22 Lia d s i L c ppC C p p A    （ ） 4 1 . 0 2 1 5( 6 8 7 5 . 3 4 / 2 . 4 2 9 8 1 0 0 . 1 9 9 2 )c i iA p p     () 通过上式可以看出，随着储层孔隙度增加，则 Ac增加，使得 Cads也将增大，这表明孔隙度越大，吸附解吸因子就越大，导致吸附气量也就越多。 当开发过程中地层压力下降时，解吸速度随之越大。 储层物性对吸附效果影响因素： （ 1） 地层压力的影响 ，由 Langmuir等温吸附定律可知，在一定压力变化范围内，页岩气吸附量随着压力增大而增加。 当压力高于某个极限值时，页岩气吸附量不再随之增加，故每个页岩气藏的气体吸附量都有一个峰值，即为 Langmuir体积。 （ 2）地层温度的影响 页岩气吸附是物理吸附，无化学作用。 气体分子与基质表面分子在范德华力作用下而结合在一起，随温度升高，分子间运动加剧，气体分子逐步脱离固体表面，成为游离态，使得吸附气量减少，游离气增加。 图 地层温度及压力对页岩储层吸附量的影响 （ 3）地层含水量的影响，由于页岩储层中的水的存在占据了部分页岩表面积，从而减少了气体吸附量，当水分含量增加直至高于临界水分含量时，吸附气量不再减少，而超过临界水分含量水分子仅仅覆盖在页岩表面，而不会对 气体吸附产生任何影100 20 40 60 80 50℃ 90℃ 甲烷吸附气量（ scf/t） 0 0 500 1000 1500 2020 2500 压力 （ psi） 西南石油大学本科毕业设计 14 响。 （ 4）储层有机质含量的影响，页岩储层的有机碳含量对其生气效果有极大的影响。 如， Ross等在研究加拿大侏罗系页岩中发现， Kentuck东部的 Appalachian盆地页岩气主产区的 Huron下段的泥页岩储集层有机碳比上下紧邻的页岩都高，甲烷吸附气量也丰富，这说明了 有机碳与甲烷吸附能力关系密切。 有机碳不仅是衡量烃源岩生气潜力的重要参数，而且有机质含量的高低会导致吸附气量发生数量级的变化。 （ 5）地层天然裂缝的影响，根据北美页岩气勘探开发研究表明，大多数页岩气盆地，经历了区域地质构造运动后 形成了褶皱和裂缝，最终在地层中形成了有效的不整合面，同时这些裂缝和不整合面为气体提供了储集空间，也提供了有效的运移通道，故通常认为开启的、相互垂直的天然裂缝可以显著的增加页岩储层吸附气量（图 ）。 图 Antrim页岩裂。