页岩气开发过程微纳多孔裂隙结构中流体输运机理研究

Major fundamental problems on gas/liquid flow and heat and mass transfer in micro/nano pores and micro fractures have troubled the industrialization exploration of shale gas. To realize the shale gas exploration efficiently, safety and clean, these major problems are needed to be addressed. The transport mechanism in shale gas tight pores is one of the major problems. It needs to be identified that whether the existing research framework of the properties in nano-pores can describe the thermal properties of methane in the shale tight pores, strengthened the research of flow mechanism on single phase fluid flow and micro fractures and gas-liquid two phase flow in such micro/nano pores and micro fractures. This project intends to select the micro / nano-pores and micro-fracture structures which are similar to the shale as the test sample, to study the variation of the physical properties of the fluid in the above structure, single-phase desorption and seepage mechanism, gas- water two-phase flow and heat transfer mechanism through theoretical analysis, experimental research and numerical simulations. Through the research in this project, the understandings of the physical properties of variation-rich phase in the nano-pores can be enriched, the impact of micro/nanoscale pores and micro-fractures on desorption and seepage factors can be revealed, the gas-water two-phase flow and heat transfer mechanism can be clarified. Finally, the technological level of China's shale gas field development can be increased.

为实现页岩气的高效、安全和清洁开发，需要解决困扰页岩气藏工业化开采的一些关于气体和液体在微/纳米级孔隙、微裂隙中流动与热质传递等重大基础科学问题，页岩气储层中流体输运规律研究就是其中之一。已有纳米孔隙热物性研究的理论框架能否用于页岩气开发中流体物性描述值得进行进一步检验，针对页岩气特点的渗流问题，如页岩气微/纳孔隙-微米裂隙介质流动规律、多重介质气-水两相流动渗流理论和数值模拟方法等方面研究尚需充实。本项目拟以类似于页岩的微/纳孔隙和微裂隙结构为研究对象，通过理论分析、实验研究和数值模拟，研究在上述结构中流体的物性变化规律、单相解吸和渗流机理、气-水两相流动和换热机理。以深入了解纳米孔隙中富集相的物性变化规律，揭示微/纳米级孔隙与微裂隙中的解吸和渗流的影响因素和基本规律，阐明微裂隙中气-水两相流体换热规律，揭示页岩气多场耦合下输运规律，大幅提高我国页岩气田开发的科技水平。

我国页岩气勘探开发潜力巨大，对国民经济发展具有重大战略意义。甲烷气体赋存在页岩的原生纳米孔中，在开采过程中依次经历在干酪根有机质纳米孔隙中的脱附、孔隙网络中的扩散、天然或压裂裂缝中的渗流。页岩的流动空间尺度分布宽广，气体的可压缩性、孔隙表面的吸附效应和在纳米尺度流道内流动的稀薄效应相互耦合，气体运移规律异常复杂。认识和掌握气体在页岩岩心纳米孔隙中的气体吸附和运移机理，对正确开展岩心分析实验、正确解释测量数据、有效提高储层评价准确度、降低页岩气勘探开发的风险具有重要意义。本项目以纳米孔隙和微裂隙结构为研究对象，通过理论分析、实验研究和数值模拟，开展了以下三方面研究内容：页岩纳米孔隙中气体吸附机理和吸附特性研究、低渗多孔介质中滑移流动规律的理论分析与渗透率研究、水-气两相流在微观多孔结构中可视化实验研究与数值模拟。建立了基于刀具原子群方法的表征纳米孔隙壁面物质结构的孔隙构造方法，在化学反应性的分子动力学力场中得到了纳米孔隙中吸附特性并识别纳米孔隙中吸附层厚度，从而确定了实际有机质表面吸附态流体的密度；发展了高压在线核磁共振定量测量技术，准确测量出7纳米孔中吸附量，阐明了页岩中甲烷的横向弛豫特征。通过对流固界面含速度滑移的动量传递过程理论分析，揭示出变截面通道与直通道中微尺度效应作用机制不同在于孔隙中流体受到曳力作用，建立了考虑速度滑移的多孔介质渗透率理论计算模型，给出了速度滑移对渗透率影响的极限。理论分析阐明了多孔渗透率与压力的变化规律，建立了基于压力衰减原理的致密多孔非稳态快速渗透率测量方法。建立了孔隙和细观尺度高压可视化实验系统，实现了超临界压力下（大于7.4MPa）两相界面的实时追踪和定量测量，建立了相应的两相流动毛细力曲线和相对渗透率模型。发表SCI检索论文9篇，项目负责人获得国家自然科学基金优秀青年基金项目。研究成果成功应用于中石油和中石化页岩气的勘探和开发。