页岩气渗流过程中多场耦合机理.pdfVIP

中国科学：物理学 力学 天文学 2015年 第45卷 第 9期：094703 《中国科学杂志社 SCIENTIA SINICA Physica．Mechanica＆Astronomica phys．scichina．com SClENCECHINA PRESS 页岩气渗流过程中的多场耦合机理 夏阳，金衍，陈勉 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249 联系人，E-mail：chenmian@vip．163．tom 收稿 日期：2015—04—03；接受 日期：2015．06—16；网络出版 日期：2015—07-30 国家 自然科学基金资助项 目(批准号51234006) 摘要 本文简要概述了目前模拟页岩气渗流机理数学模型的不足之处，基于线弹性多孔介质力学，建 立了自由气渗流、吸附气表面扩散、吸附气非平衡解吸附、岩石变形的全耦合页岩气微观渗流数学模型， 推导了纯孔隙介质与包含裂隙介质的主要物性参数的应力敏感模型，并推导了解吸附过程非平衡效应的 理论模型，形成了一套较全面的描述页岩气在线弹性微纳多孔介质中的微观流动数学模型．通过数值模 拟分析了应力敏感、表面扩散、非平衡效应对页岩气传输的影响，结果表明：页岩的应力敏感效应由基 质中的天然裂缝决定，页岩孔隙本身的应力敏感性可以忽略；吸附气的表面扩散十分缓慢，可以忽略； 平衡常数与孔隙度对非平衡效应影响显著，吸附速率对页岩气流动的影响十分明显，吸附速率越大，页 岩气流速越大．本文建立的数学模型为深入理解页岩气渗流微观机理，科学开发页岩气藏提供 了一定的 理论基础． 关键词 页岩气，多物理场耦合，非平衡效应，应力敏感，渗流机理 PAC$：47．56．十r，51．10．+y，91．60．Ba，68．43．一h，62．20．Fe doi：1f)1360／SSPMA2015．00141 近几年，随着油气资源的日益紧缺，页岩气作为 吸附气储量可 占页岩气总量的 20％一85％．页岩气区 潜力 巨大的非常规新能源 己成为最近能源研究的热 别于其他非常规能源最大的特点就在于其复杂多样 点．页岩气在北美的成功商业开发深刻地改变着世 的赋存与渗流机理，因此建立新的完整的数学模型， 界能源的格局，也使得美国超越俄罗斯，成为油气第 用以描述页岩气独特的渗流特点，是正确认识页岩 一 生产大 ”．据美国能源信息情报署2011年统计l2】， 气机理并成功实现商业化开采的基础工作． 中国页岩气储量为 144万亿方，技术可采储量 36．1 国内外众多学者对页岩气微观流动机理进行了 万亿方，均位居世界第一，因此中国页岩气的开发具 广泛的研究，综合来看，目前的页岩气渗流数学模型 有较大的潜能．Curtis3【]定义了现代页岩气的概念，指 存在如下不足之处．(1)对页岩气的微观流动机理考 出甲烷的吸附作用是页岩气赋存 的主要方式之一， 虑不全面，页岩气区别于常规致密气最大 的区别就 一 r 夏阳等． 中国科学：物理学 力学 天文学 2015年 第 45卷 第 9期 是其渗流机理复杂，不仅存在 自由气的黏性流动、努 (4)为方便起见，假设气体为理想状态 (真实气体可 森 (Knudsen)扩散，还存在吸附气的解吸附以及 自由 加入偏差因子加以描述)． 气与吸附气相互耦合作用的非平衡效应．如何建立 对于饱和流体的多孔岩石，应力与应变关系如 相应的数学模型定量分析各渗流机理成为模拟页岩 下所示 一 ： 气产能最大的难题之一．之前的页岩气产能模型多 _2G + 一咖 ． (1) 借助于致密气的渗流方程，通过构造表观渗透率再 补充上瞬时解吸附源项作为基本控制方程，这样 的 式(1)代表了岩石的应力应变关系，其中 ，与 是应 简化有助于求解出方程 的解析解，但对于深入理解