微尺度页岩渗流特征机理研究

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页岩气表观渗透率(Apparent Permeability Function,APF)是评价页岩气可开采量的一个至关重要的物理量。页岩由两种主要成分组成:有机质(干酪根)及无机基质(矿物)。干酪根中纳米级孔隙网络是甲烷的主要赋存空间和运移通道,非达西效应非常明显;而无机基质中则存在微裂缝、微裂隙等结构,其流动以达西渗流为主。研究页岩的APF必须同时考虑两者的影响。为此本文利用Mortar有限元方法构建了干酪根-无机基质耦合的概念模型,对微尺度页岩的APF进行机理研究。  基于真实页岩扫描图像认识,建立了有机质-无机质耦合的概念模型。考虑了有机质的孔隙网络特征和无机质的连续介质特点。采用孔隙网络模型模拟滑移流及努森扩散;采用有限元模型模拟无机基质中的达西流动。通过Mortar有限元方法确保交界面上压力与流量连续,实现了不同模型的耦合。  模拟计算了五种模型的APF,获得了微尺度页岩APF的变化规律。发现APF具有两个性质:(1) APF随压力变化,且有上下限:压力低时,若无机质渗透率比基质渗透率为小量,则出现上限;压力高时呈现下限。其数值取决子TOC含量、有机质分布、孔径分布、基质渗透率等。并基于串并联模型推导了APF上下限满足的关系式及条件;(2)相同基质渗透率下APF曲线的拐点交汇,而且交汇点仅与基质渗透率和孔隙网络孔径相关,与TOC和分布无关。当压力大于交汇点压力时,APF随TOC增加而降低,反之则增加。  模拟计算了耦合模型中气体释放的瞬态过程。研究了孔喉半径、基质渗透率、地层压力及TOC含量四种因素对流量的影响。其中,孔喉半径对耦合模型时间-流量曲线有较大影响,基质渗透率与地层压力则对流量大小及持续时间有影响。通过对比非耦合模型及不同TOC含量下耦合模型的时间-流量关系,发现耦合模型相对非耦合模型的流量增量近似随TOC线性增加。
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