致密储层气体流动特征研究

论文摘要

致密砂岩气和页岩气分布广泛,开采潜力巨大,是重要的非常规天然气资源。在致密砂岩和页岩等渗透性极低储层中,其微观孔隙结构及传输运移方面表现出典型的“非常规气藏”特征,气体运移过程存在多种传输机制,主要包括分子扩散、Knudsen扩散及对流等。传统达西渗流理论已不完全适用,因此有必要开展气体在致密多孔介质中传输机制和传输能力的研究。烟道气模型能够考虑多组分系统分子扩散和对流过程,并且引入Knudsen扩散项,以考虑分子与多孔介质壁面间的相互作用,烟道气模型结合孔隙网络模拟模型能更好的描述气体在致密储层中复杂流动的特点,并可采用经典的连续介质渗流理论进行分析,在理论及求解方法上均具有坚实的基础,本论文针对致密储层气体流动过程模拟和流动机理展开研究。首先,开展气体在致密储层中流动过程模拟模型优选,在此基础上建立了三类典型的孔隙网络模型作为评价多孔介质内流体流动的模拟平台：(1)以规则立方体为基本结构单元,通过随机设置配位数构建了具有不完全规则拓扑结构的孔隙网络模型；(2)基于微CT扫描系统构建了真实岩样的数字岩心,再利用最大球算法直接将数字岩心所表征的孔隙空间拓扑结构和几何特征参数抽提为真实岩心孔隙网络模型；(3)建立了具有等价拓扑结构的随机孔隙网络模型生成算法,以真实岩样所提供的孔喉结构参数及孔隙空间拓扑结构为基础,生成了与真实岩心孔隙网络等价的随机网络模型。其次以所构建的孔隙网络模型为运移流动通道,利用烟道气模型来描述多孔介质内气体的传输运移过程,建立致密储层气体流动过程模拟的孔隙网络模型,该模型包括致密储层内的气体流动方程,控制方程和辅助方程；以孔隙网络节点为描述对象,建立方程的离散形式；最后运用非线性方程组的数值解法对其进行求解从而实现微观孔隙网络的气体流动模拟；提出气体流动参数评价的新方法。基于所建立的流动参数评价原则及评价方法,确定出模型等效渗透率和扩散系数的确定方法,并基于规则孔隙网络模型评价了流动参数的影响因素以及最小表征单元；分析了喉道半径、配位数以及喉道长度等参数对流动的影响,并依据单组分体系和多组分体系的模拟结果,提出表观渗透率的影响因素和修正原则。通过模拟结果与实验数据对比,验证了本文所建立孔隙网络模拟平台与烟道气模型结合的模拟理论的可行性。本研究丰富了微观渗流理论,拓宽渗流理论研究对象。研究结果为致密储层尤其是页岩气藏渗流参数确定和规律研究提供了理论依据,是目前可以解决页岩气藏基质渗流问题技术上可行的有效方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 国内外主要研究现状
• 1.2.1 多孔介质中的气体微观流动特征
• 1.2.2 孔隙尺度模型
• 1.2.3 多孔介质微观流动模拟
• 1.2.4 目前存在的问题
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 研究方法及技术路线
• 1.5 创新性成果
• 第2章 多孔介质中的气体传输机理
• 2.1 多孔介质中的气体流动
• 2.1.1 气体分子扩散
• 2.1.2 Knudsen扩散
• 2.1.3 多孔介质内的气体对流
• 2.2 多孔介质中的气体传输模式
• 2.2.1 对流-扩散模型
• 2.2.2 Stefan-Maxwell方程
• 2.2.3 烟道气模型
• 2.3 小结
• 第3章 多孔介质孔隙网络模型
• 3.1 规则孔隙网络模型
• 3.1.1 孔隙网络模型的要素
• 3.1.2 孔隙网络节点连接
• 3.1.3 节点连接矩阵
• 3.1.4 随机属性
• 3.1.5 孤立点簇及盲端点的处理
• 3.2 基于数字岩心技术的孔隙网络模型
• 3.2.1 获取图像的流程
• 3.2.2 图像处理
• 3.2.3 孔隙网络模型建立
• 3.3 等价随机孔隙网络模型
• 3.3.1 生成算法
• 3.3.2 孔隙网络生成流程分析
• 3.3.3 实例分析
• 3.4 小结
• 第4章 考虑气体流动的孔隙网络模拟模型
• 4.1 气体流动模型
• 4.1.1 假设条件
• 4.1.2 气体流动方程
• 4.1.3 流动控制方程
• 4.1.4 边界条件
• 4.2 单组分气体体系
• 4.2.1 非稳态流动
• 4.2.2 稳态流动
• 4.3 多组分气体体系
• 4.3.1 非稳态流动
• 4.3.2 稳态流动
• 4.4 病态方程组求解
• 4.5 小结
• 第5章 气体微观流动特征分析
• 5.1 孔隙网络模型等效渗透率确定
• 5.1.1 多组分体系的流动参数确定方法
• 5.1.2 单组分体系的流动参数确定方法
• 5.2 规则孔隙网络模型的流动特征分析
• 5.2.1 流动参数影响因素分析
• 5.2.2 流动参数影响程度评价
• 5.3 真实岩心孔隙网络模型的流动特征分析
• 5.3.1 样品信息
• 5.3.2 气体流动特征
• 5.3.3 随机属性影响分析
• 5.4 小结
• 第6章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果