页岩储层纳米孔隙结构表征及渗流机理研究

Due to the complexity of shale reservoir microscopic pore structure,it is very important to study the shale reservoir quantitative characterization and seepage ability of nano porous media for predicting single well productivity prediction, evaluating dynamic reserves of gas reservoir and economic benefits. The research combining physical simulation experiment with finite element numerical simulation to study fractal characteristics of shale reservoir microscopic pore structure, set up the digital model of shale reservoir microscopic pore structure, quantitative analysis of relationship between nanometer pore structure and shale reservoir percolation ability. Combined with adsorption rule of shale, such as boundary layer effect, gas slippage effect, the effective stress change and the correlation of mesoscopic pore structure evolution, establish shale gas reservoir nanometer pore microscopic seepage simulation model, and then set up flow equation considering the characteristic of the real shale reservoir. Figuring out shale gas nonlinear percolation theory under the coupled action of multiple mechanisms to predict shale gas well of single well production capacity, dynamic control reserves, formulate development plan and evaluate economic benefits. This research is helpful to promote the development of micro nano porous media seepage mechanics and accelerate the fast and efficient development of shale gas, and also has great importance to the social and economic benefits.

页岩储层微观孔隙结构复杂，开展页岩储层纳米孔隙介质渗流能力定量表征研究，对单井产能预测、气藏动储量评价、方案经济评价等都具有十分重要的意义。本课题将物理模拟实验与有限元数值模拟相结合，探讨页岩储层微观结构的分形特征，建立页岩储层微观孔隙结构的数字化模型，定量分析页岩储层纳米孔喉结构与渗流能力的内在联系。结合页岩所特有的吸附解吸规律，以边界层效应、气体滑脱效应、有效应力变化、细观孔隙结构演化的相关性为突破口，通过宏微观结合建立页岩气藏纳米孔隙微观渗流仿真模拟模型，进而建立起考虑真实页岩储层渗流特点的流动方程。明确多机制、多场耦合作用下的页岩气非线性渗流理论，为准确预测页岩气井单井产能、气藏的动态控制储量、开发方案的制定、方案经济评价奠定理论基础。本课题的研究有助于推动纳米孔隙介质微观渗流力学的发展，有助于加快推进我国页岩气的快速高效开发，具有十分重要的社会和经济效益。

页岩气资源量十分丰富，是天然气领域增储上产的主力军。截至2020年我国页岩气探明地质储量突破2万亿立方米，产量突破200亿立方米。页岩气微观孔隙结构复杂，渗流机理与常规气藏差异大，因此亟待开展页岩储层纳米孔隙结构表征及渗流机理研究。.课题组建立了页岩纳米孔隙结构分形定量表征方法，建立了页岩纳米孔隙吸附-解析规律实验装置、页岩微流动可视化实验装置、页岩非稳态渗流实验装置；建立了纳米孔隙-裂缝多尺度多相理想化流动仿真模型、真实纳米孔隙空间流体流动仿真模型；建立了多尺度非线性渗流数学模型、页岩气流动边界元数学模型、页岩气嵌入式离散裂缝数值模拟模型；形成了多机制、多场耦合作用下的页岩气非线性渗流理论；编制了试采动态数据快速评价软件，并取得如下研究成果：.（1）基于氮气吸附、高压压汞及核磁共振实验，建立了页岩岩心联合孔径分布曲线构建方法，联合孔径分布曲线分形维数在2.17~2.59之间。.（2）页岩纳米孔隙吸附过程满足朗格缪尔定律，解析过程满足Fick非稳态扩散模型，建立的页岩纳米孔隙解析压降双对数图版初步实现解析过程的量化评价；微尺度下气水两相流动过程表现为一段液一段气的段塞流形态；自主设计的一套脉冲非稳态渗流实验装置和实验方法能准确评价页岩的渗流能力。.（3）基于孔隙蠕变流的拉维斯托克方程和水平集理论，建立的页岩理想化流动仿真模型能准确表征页岩气的微纳米流动过程；建立的真实纳米孔隙空间流体流动仿真模型能定量化评价孔喉比、配位数、润湿角、应力敏感等因素对微流动的影响。.（4）建立的多尺度非线性渗流数学模型能考虑解析-扩散-渗流的全过程；建立的页岩气流动边界元数学模型能准确刻画复杂SRV改造范围对渗流的影响，建立的页岩气嵌入式离散裂缝数值模拟器能准确刻画复杂人工裂缝对气体流动影响，编制的试采动态数据快速评价软件能准确预测页岩气井单井产能、单井和区块EUR值。.课题研究成果丰富了页岩气渗流力学理论，具有显著的社会和经济效益。