页岩气藏流体运移机理与渗流参数表征方法研究

页岩气作为非常规能源的开发热点之一，其内部流体运移机制尚不明确，目前在流体运移机理方面主要采用的是煤层气的研究模型。但是由于页岩气藏独特的微纳尺度孔隙和类型多样的孔隙结构，页岩储层中的流体运移规律与其他储层有很大差别，现有理论无法对其准确描述。本项目拟从页岩气储层的实际微观孔隙结构出发，应用高分辨率扫描电镜扫描和三维图像重构技术提取页岩岩芯微观孔隙的数字计算图像，应用介观流体力学中的格子Boltzmann方法针对真实孔隙结构分布的数字计算图像域建立渗流模型，对单相气体和气水两相渗流机理进行研究。在此基础上根据建立的格子Boltzmann单相、两相渗流方程进行数值实验，获得页岩岩芯的渗流特征参数，建立气水两相相对渗透率计算模型。通过以上研究工作，本项目试图阐明页岩气藏纳米级微观孔隙条件下的流体运移机理，建立页岩岩芯渗流参数的微观数值实验表征方法，为页岩气开发提供理论支持。

为了建立页岩岩芯渗流参数的微观数值实验表征方法，本研究通过扫描电子显微镜观察实验，完成了对页岩样品电镜图像的定性分析，划分了页岩样品中的孔隙类型，并探讨了不同类型孔隙的成因以及孔隙的分布情况，提出了对页岩有机质内部发育的纳米级孔隙的定量分析研究方法。结合孔隙定量分析方法，使用随机生长算法重构了孔隙的分布状况。针对有机质完成了分布规律的形态特征定量分析，优选了关键参数，提出并建立了一种基于概率统计的有机质分布重构模型。编写MCMC岩心重构程序，并基于真实页岩岩心图像，应用MCMC算法重构出二维和三维页岩数字岩心，对重构结果与真实页岩岩心进行比对。编写传统模拟退火法重构程序，对重构结果与真实页岩岩心进行比对。完成对算法的改进，选择非常快速模拟退火法对重构算法进行提速处理。结合页岩岩心非常特殊的孔隙分布特征，提出双重区域重构理论编写岩心重构程序，得到二维和三维页岩数字岩心，对重构结果与真实页岩岩心进行比对。基于LBGK的D2Q9模型的演化方程和边界条件，建立二维单相气体流动模型，并通过模拟泊肃叶流的流场与解析解进行了对比，建立了基于实际孔隙结构的二维多孔介质单相流动模型。以LBGK的D3Q19模型为基础，使用随机生长法建立基于实际孔隙结构的三维多孔介质单相流动模型，并进一步模拟三维流动，基于格子Boltzmann方法求取出模型的渗透率。分析了Klinkenberg效应对低渗多孔介质单项气体渗流计算的影响，并研究了通过努森数修正渗透率计算模型的可能性，确定了气测渗透率和岩心的绝对渗透率的关系，修正了三维多孔介质单相流动模型。推导并验证气水两相渗流格子Boltzmann模型，数值表征气水两相渗流特征参数。考虑润湿性差异对气水两相渗流的影响，总结了气水两相渗流规律。应用LB模型研究界面张力和润湿性，再现孔隙中的毛管力和润湿效应，同时可以计算得到不稳定流和稳定流条件下的相对渗透率，计算剩余水饱和度，进一步研究页岩储层中水化作用机理及气水两相渗流机理。