页岩基质复杂孔网多尺度气体输运机理研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yuyuan0127
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当前人类正面临新旧能源的更替迭代,随着传统的常规化石能源日渐枯竭,以页岩气为代表的非常规油气资源逐渐出现在历史舞台,并成为满足人类能源需求的重要力量。页岩气的产出本质上是气体从贮存的页岩基质中释放并迁移到达裂缝网络,最终汇聚在井筒的过程。页岩基质自身具有微纳米多孔的结构,气体在其中的输运一方面具有由多孔结构导致的复杂性,另一方面也蕴含显著的多尺度效应。气体的输运需要经历不同尺度孔道的变化,尤其需要考虑在纳米孔道中的限域作用,即在纳米尺度下,由于孔道壁面和气体粒子的相互作用十分强烈,气体的流动已经偏离宏观的连续流动理论,表现出明显的“固气界面效应”。因此如何准确描述页岩基质中复杂的多尺度气体输运行为,不仅是关乎页岩气勘探开发的工程难题,也是重要的微纳尺度限域传质力学问题。本文围绕页岩微观基质多尺度气体运移这一关键科学问题,综合运用分子动力学模拟、格子玻尔兹曼方法和孔隙网络模型自下而上地开展了纳米尺度、介观尺度和孔网尺度的气体输运模拟,分别揭示了纳米孔道、跨尺度孔道和多尺度复杂孔网中的气体输运特性和内在机制,并建立了不同尺度下的页岩气输运模型。在纳米尺度,本文运用分子动力学模拟首先揭示了储层压力相关的气体输运特性。结果表明,在较高的压力条件下页岩气在纳米孔道中处于受限状态,其输运机制以粒子间碰撞引发的粘性流动为主。随着体系压力的降低,气体在壁面处表现出显著的扩散作用(自由气体的努森扩散和吸附气体的表面扩散),从而极大地提高了气体在壁面处的边界滑移速度。在进一步对具有不同壁面微观结构的纳米孔道的气体输运特性的分析中发现,气体在壁面处的滑移速度与壁面粗糙系数具有强烈的关联性:当粗糙系数上升时,壁面处的气体扩散现象会受到抑制并导致气体滑移速度的显著下降。基于分子动力学的模拟结果,建立了由储层气体压力和壁面微观结构共同调控的页岩纳米孔道气体输运模型,并与相关模拟和实验结果进行了对比验证。在介观尺度,本文提出了分子动力学模拟和格子玻尔兹曼方法相结合的建模策略,成功构建了气体在页岩微纳孔道中的跨尺度输运模型,并阐明了页岩气在多种尺度下的输运行为:在微米级孔道(H>1μm)中,粘性流动是主要的输运机制,其速度分布呈典型的抛物线状,壁面处无滑移速度;在较大的纳米孔道(10 nm<H<1 μm)中,气体的滑移速度不再为零,并随着孔道尺寸的减小而增大,此时气体输运机制以粘性流动和努森扩散为主;在较小的纳米孔道(H<10 nm)中,由于吸附作用导致大量的气体分子沿着孔道壁面快速扩散,此时表面扩散成为纳米孔中主要的输运机制。基于跨尺度的格子玻尔兹曼模拟得到的不同努森数下气体表观渗透率和固有渗透率的差异,进一步凝练得到了页岩气跨尺度的表观渗透率修正模型,可适用于连续流、滑移流以及过渡流等多个气体流动区域的表观渗透率预测和修正。在孔网尺度,本文通过耦合不同尺度下的气体输运机制(粘性流动、努森扩散和表面扩散),理论推导得到了考虑不同孔道结构特征的气体输运控制方程,对气体在页岩基质中的多尺度运移特性开展了系统的研究:揭示了孔道结构特征与页岩基质孔网气体渗透能力的相关性,并提出了一种考虑页岩孔道形状系数的气体传输模型,可用于描述任意截面形状孔道中的气体输运特性;阐明了页岩气开采进程中各种尺度孔道(纳孔、微孔和大孔)对页岩基质渗透率的贡献比例和内在机制,结果表明,开采初期气体在页岩基质中的运移主要由大孔贡献,而在开采中后期微孔和纳孔成为了主要的气体运移通道,其原因是体系压力下降引发的微纳孔道气体输运能力增强;探讨了非均质性(有机和无机质)对页岩基质气体渗透率的影响,发现在低压和小孔道的条件下,气体在有机孔道中的滑移速度远高于无机孔道,从而形成了以有机质孔道为主的快速气体传输路径,此时页岩基质渗透率与有机质含量呈现显著的正相关性。本文提出的多尺度研究框架和理论模型对准确理解和定量描述页岩气在微观多孔基质中的多尺度输运行为具有重要意义,将为页岩气的产能预测和施工策略优化提供关键的理论指导。
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