页岩储层多尺度渗透率演化模型及应用研究

Shale gas is a type of reservoir classified under the Unconventional Gas heading that is different from conventional gas in pores distribution. Diameter of pores in shale gas reservoir range from a few nanometres to a few micrometres. In shale gas systems, permeabilities of these multi-scale pores,which is not well understood, play important roles in gas production. We define this nano flow as function of Kn that taking into account the different transport mechanisms including viscous flow, diffusion and slip flow. Influence of adsorptive gas layers of surface of nano pores on the apparent permeability is analyzed based on the difference of experimental data between adsorptive gas and non-adsorptive gas. Then a revised formula involved Kn for calculating apparent permeability is built that considering the influence of adsorptive gas layers. Permeability in macro-scale can be defined as a function of effective strain which characterizes the desorption/shrinkage, variations in pressure, and deformation of shale gas. A milti-scale model of permeabilty is built by combining the effective strain-based model and revised formula for flow state in nano-scale. This project aims to develop new numerical tools to fully understand the mechanism of permeability evolution in multi-scale and to propose the suggestion on promotion of production capalility.

页岩气储层的微观孔隙结构与常规天然气藏不同，既有纳米级的有机质粒内孔隙、粒间孔隙还发育微米级裂隙。其多尺度孔隙结构的渗透性能决定了页岩气的产量和可持续性，目前的研究对这方面认识仍不足。项目通过将纳米尺度渗流认为是Kn的函数，全面涵盖了流态区域的各种流动机制（扩散和滑移）。采用实验对比测试吸附性和非吸附性气体的视渗透率区别，分析气体吸附分子层积聚对视渗透率的影响，构建基于Kn数的储层纳米尺度流态影响的渗透率修正公式。在宏观尺度上，页岩气解吸收缩、压力变化和储层变形等影响都可以定义为有效应变的函数。在以有效应变为基础的渗透率演化模型上，结合微观流态影响的修正项公式，建立页岩储层多尺度的渗透率演化模型。基于页岩孔隙的三重孔隙结构模型，开发页岩开采分析工具，分析抽采期间储层渗透性能演化规律，评估气体吸附对页岩气运移的影响，探讨提高产能和延长稳产期的技术措施。

渗透系数是页岩气开采过程中最重要的参数之一。本项目针对页岩的多尺度孔隙结构特征，围绕页岩气的多尺度渗透率演化规律开展研究，取得的主要成果如下：1）建立了新的页岩基质视渗透率模型，分析了气体吸附层厚度对纳米孔隙流态影响，同时考虑了多种应力边界条件下的演化规律，通过模型与实验数据的对比验证了模型的准确性。2）分析了岩体损伤和剪胀变形对裂隙渗透率的影响，通过引入损伤变量反映岩体损伤破坏状态，基于裂隙表面的分形特征，建立了裂隙渗透率在压缩和剪切作用下的演化模型。分析了井口区域裂隙渗透率的各向异性特征，发现随着距离井口位置越近，剪胀效应越明显，特别是存在非均匀围压情况时引起的剪切应力导致渗透率呈现明显的各向异性。3）针对页岩基质与微裂隙的相互作用对渗透率的影响，定义了基质吸附膨胀应变引起的局部应变，建立了考虑局部效应的页岩渗透率演化模型。通过与实验数据对比分析了不同边界条件渗透率演化规律。结果发现页岩为自由膨胀时渗透系数将沿着上边界演化，如果边界条件为常体积时，渗透系数沿着下边界演化。渗透系数在上边界和下边界之间的变化取决于基质和裂隙间的动态相互作用。4）通过对页岩纳米孔隙、基质和微裂隙不同尺度空间的建模，分析了页岩气渗流过程的多尺度、多时度和多物理场特征。模拟结果揭示了页岩气由天然微裂隙、基质和干酪根的供给规律。敏感性分析得到了不同的渗流尺度对产气量贡献程度不同。基质内自由气体是产气量的主要来源，而微裂隙的渗透性能决定了产气速率。