天然气地球科学 ›› 2020, Vol. 31 ›› Issue (9): 1285–1293.doi: 10.11764/j.issn.1672-1926.2020.05.003

• 非常规天然气 • 上一篇    下一篇

页岩气扩散实验与数学模型

陈璐1,2(),胡志明2,3(),熊伟2,3,端祥刚3,常进3   

  1. 1.中国科学院大学, 北京 100049
    2.中国科学院渗流流体力学研究所,河北 廊坊 065007
    3.中国石油勘探开发研究院,河北 廊坊 065007
  • 收稿日期:2020-02-01 修回日期:2020-05-07 出版日期:2020-09-10 发布日期:2020-09-04
  • 通讯作者: 胡志明 E-mail:83874772@qq.com;huzhiming69@petrochina.com.cn
  • 作者简介:陈璐(1995-),男,四川自贡人,硕士研究生,主要从事页岩气微尺度运移方面的研究.E-mail:83874772@qq.com.
  • 基金资助:
    国家科技重大专项项目课题“页岩气渗流规律与气藏工程方法”(2017ZX05037-001)

Diffusion experiment of shale gas and mathematical model

Lu CHEN1,2(),Zhi-Ming HU2,3(),Wei XIONG2,3,Xiang-Gang DUAN3,Jin CHANG3   

  1. 1.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
    2.Department of Porous Flow & Fluid Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Langfang 065007, China
    3.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development (Langfang), Langfang 065007, China
  • Received:2020-02-01 Revised:2020-05-07 Online:2020-09-10 Published:2020-09-04
  • Contact: Zhi-Ming HU E-mail:83874772@qq.com;huzhiming69@petrochina.com.cn

摘要:

在地层条件下,页岩气流动状态受多尺度效应影响,包含黏性流、扩散流以及滑脱流等,气体的产出是多种机制协同作用的结果,前人提出的扩散模型已不能准确地描述页岩气在基质中的扩散行为。为了定量表征页岩气扩散能力的影响因素,揭示气井在全生命周期开发过程中的流动规律以及对产能的影响,利用自主研发的高温高压近平衡态实验系统,开展了页岩气在0~1 MPa微压差条件下的流动实验,并提出一种综合考虑渗透率、温度与压力的扩散系数计算方法,成功地运用于川南地区五峰组-龙马溪组页岩中,指出该地区优质储层扩散产量成为主控因素时临界开发压力为4.5 MPa,对于页岩气井产能评价以及扩散能力的表征有重要的意义。通过实验结果与理论分析表明,扩散在高温、低渗、低压力条件下会有更高的分配系数,考虑了基质渗流能力的扩散系数模型能更好地运用在实际流动中,忽略扩散的影响将对产能计算带来较大误差。

关键词: 页岩气, 扩散流动, 流动实验, 影响因素, 广义扩散模型

Abstract:

Under formation condition, the flow state of shale gas is affected by multi-scale effects, including viscous flow, diffusion flow and slippage flow, etc., gas production is the result of synergy of various mechanisms, and previous diffusion models can no longer accurately describe the diffusion behavior of shale gas in the shales. In order to clarify the influencing factors of shale gas diffusion ability, reveal the flow law of gas wells in the whole life cycle development process as well as the impact on production capacity, experiments on shale gas under the conditions of 0-1 MPa micro-pressure difference is carried out by using the self-developed experimental system with high temperature and high pressure resistance, and put forward a diffusion coefficient calculation method comprehensively considering permeability, temperature and pressure. It was successfully applied to the Wufeng-Longmaxi formations shale in the south of Sichuan, indicating that the critical pressure of the high-quality reservoir in this area is 4.5 MPa when diffusion flow occupy the main position. It is of great significance for the shale gas well productivity evaluation and the quantitative characterization of the diffusion capacity. The experimental results and theoretical analysis show that the diffusion will have a higher partition coefficient under high temperature, low permeability and low pressure level, the diffusion coefficient model considering the permeability of shales can be better applied in actual flow, and there will be a large error in productivity calculation if ignoring the effects of diffusion.

Key words: Shale gas, Diffusion flow, Flow experiment, Influence factor, Generalized diffusion modelFoundation item:The National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China (Grant No. 2017ZX05037-001).

中图分类号: 

  • TE31

图1

实验装置"

表1

四川盆地五峰组—龙马溪组样品参数"

岩心编号层位长度/cm直径/cm干重/g密度/(g/cm3渗透率/(10-3 μm2
1龙一136.5022.52684.912.610.000 033
2龙一125.5102.52067.102.440.000 268
3龙一145.5522.52570.642.540.010 641

图2

实验流程"

表2

实验参数设计"

岩心编号左端压力/MPa右端压力/MPa温度/℃
17.58.540
27.58.540
37.58.540
17.58.560
27.58.560
37.58.560

图3

40 ℃下岩心两端压力与时间关系"

图4

60 ℃下岩心两端压力与时间关系"

图5

各流量与压力梯度关系"

图6

扩散分配系数与压力梯度关系"

图7

衰竭开发实验后期岩心产气量随时间变化曲线"

图8

经典模型与本文模型对比"

图9

页岩扩散能力图版"

图10

扩散分配系数随储层压力关系"

表1

REPAIR资助的10个项目清单"

项目名称资助金额/万美元实施机构
结构材料辅助先进更新技术修复(智能修复)500橡树岭国家实验室
管道封装技术的测试和分析540科罗拉多大学博尔德分校
地下管道非开挖检修500通用电气全球研发总部
管套管的快速、连续、智能的合金涂层研发100马里兰大学
天然气管道的自主修复和维护500自主材料公司
用于管内维修机器人的受限空间映射模块研发120卡内基梅隆大学
“神经支配”管道:现场维修和嵌入式智能的新技术平台100匹兹堡大学
用于管道快速修复的凝灰岩内部包装595特拉华大学
全新及创新的3D绘图技术,可修复天然气管道基础设施200怀特河科技公司
冷喷涂添加剂制造,用于在现场、天然气配送干线中制造新管道100ULC机器人公司
1 童晓光,张光亚,王兆明,等. 全球油气资源潜力与分布[J]. 石油勘探与开发, 2018, 45(4): 727-736.
TONG X G, ZHANG G Y, WANG Z M, et al. Distribution and potential of global oil and gas resources[J]. Petroleum Exploration and Development, 2018, 45(4): 727-736.
2 杜殿发,赵艳武,张婧,等. 页岩气渗流机理研究进展及发展趋势[J]. 西南石油大学学报:自然科学版, 2017, 39(4): 136-144.
DU D F, ZHAO Y W, ZHANG J, et al. Progress and trends in shale gas seepage mechanism reaserch[J]. Journal of Southwest Petroleum University:Science & Technology Edition, 2017, 39(4): 136-144.
3 张东晓,杨婷云,吴天昊,等. 页岩气开发机理和关键问题[J]. 科学通报, 2016, 61(1): 62-71.
ZHANG D X, YANG T Y, WU T H, et al. Recovery mechanisms and key issues in shale gas development[J]. Chinese Science Bulletin, 2016, 61(1): 62-71.
4 JAVADPOUR F, FISHER D, UNSWORTH M. Nanoscale gas flow in shale gas sediments[J]. Journal of Canadian Petroleum Technology, 2007, 46(10): 55-61.
5 JAVADPOUR F. Nanopores and apparent permeability of gas flow in mudrocks(shales and siltstone)[J]. Journal of Canadian Petroleum Technology, 2009, 48(8): 16-21.
6 李晓强,周志宇,冯光,等. 页岩基质扩散流动对页岩气井产能的影响[J]. 油气藏评价与开发, 2011, 1(5): 67-70.
LI X Q, ZHOU Z Y, FENG G, et al. The impact of shale matrix diffusion flow on shale gas capacity[J]. Reservoir Evaluation and Development, 2011, 1(5): 67-70.
7 李智锋. 页岩气藏孔渗特征与微观渗流机理研究[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2013.
LI Z F. Research of Shale Pore-Permeability Characteristic and Microscopic Gas Slippage Mechanism in Shale Gas Reservoir[D].Beijing:China University of Geosciences(Beijing),2013.
8 刘禹. 页岩气在多孔介质中的流动规律研究[D]. 大庆: 东北石油大学, 2014.
LIU Y. Research of the Shale Gas Flow Lows in the Porous Medium[D]. Daqing: Northeast Petroleum University, 2014.
9 盛茂,李根生,黄中伟,等. 考虑表面扩散作用的页岩气瞬态流动模型[J]. 石油学报, 2014, 35(2): 347-352.
SHENG M, LI G S, HUANG Z W, et al. Shale gas transient flow model with effects of surface diffusion[J]. Acta Petrolei Sinica, 2014, 35(2): 347-352.
10 糜利栋,姜汉桥,李俊键,等. 页岩储层渗透率数学表征[J]. 石油学报, 2014, 35(5): 928-934.
MI L D, JIANG H Q, LI J J, et al. Mathematical characterization of permeability in shale reservoirs[J]. Acta Petrolei Sinica, 2014, 35(5): 928-934.
11 WASAKI A, AKKUTLU-I Y. Permeability of organic-rich shale[C]// SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Society of Petroleum Engineers, 2014.
12 曹成,李天太,刘刚,等. 考虑吸附、滑脱和自由分子流动效应的页岩基质渗透率计算模型[J]. 西安石油大学学报:自然科学版, 2015, 30(5): 8-9, 48-53.
CAO C, LI T T, LIU G, et al. Permeability calculation model of shale matrix with adsorption, slippage and free molecule flow effects[J]. Journal of Xi'an Shiyou University:Natural Science, 2015, 30(5): 8-9, 48-53.
13 李武广,钟兵,杨洪志,等. 页岩储层基质气体扩散能力评价新方法[J]. 石油学报, 2016, 37(1): 88-96.
LI W G, ZHONG B, YANG H Z, et al. A new method for gas diffusivity evaluation in matrix rocks of shale reservoir[J]. Acta Petrolei Sinica, 2016, 37(1): 88-96.
14 李亚雄,刘先贵,胡志明,等. 页岩气滑脱、扩散传输机理耦合新方法[J]. 物理学报, 2017, 66(11): 230-240.
LI Y X, LIU X G, HU Z M, et al. A new method for the transport mechanism coupling of shale gas slippage and diffusion[J]. Acta Physical Sinica, 2017, 66(11): 230-240.
15 董萱. 页岩气微观运移规律与流动机理研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2019.
DONG X. Study on Microscopic Migration Rule and Flow Mechanism of Shale Gas[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology,2019.
16 王瑞,张宁生,刘晓娟,等. 页岩气扩散系数和视渗透率的计算与分析[J]. 西北大学学报:自然科学版, 2013, 43(1): 75-80, 88.
WANG R, ZHANG N S, LIU X J, et al. The calculation and analysis of diffusion coefficient and apparent permeability of shale gas[J]. Journal of Northwest University:Natural Science Edition, 2013, 43(1): 75-80, 88.
17 薛培,祁攀文,杨添麒,等. 基于绝对吸附量的页岩吸附CH4和CO2的热力学特征[J]. 山东科技大学学报:自然科学版, 2019, 38(5): 21-30.
XUE P, QI P W, YANG T Q, et al. Adsorption thermodynamic property for CH4 and CO2 of shales based on absolute adsorption capacity[J]. Journal of Shandong University of Science and Technology:Natural Science, 2019, 38(5): 21-30.
[1] 龙胜祥, 刘娅昭, 许华明, 陈前, 程喆. 四川盆地中国石化探区天然气勘探开发领域与技术攻关方向[J]. 天然气地球科学, 2020, 31(9): 1195-1203.
[2] 李腾飞, 田辉, 肖贤明, 程鹏, 王星, 伍耀文, 吴子瑾. 样品粒径对高过成熟度页岩低压气体吸附实验结果的影响[J]. 天然气地球科学, 2020, 31(9): 1271-1284.
[3] 牛强,张焕旭,朱地,徐志尧,仰云峰,丁安徐,高和群,张立生. 川东南五峰组—龙马溪组页岩气录井碳同位素特征及其地质意义[J]. 天然气地球科学, 2020, 31(9): 1294-1305.
[4] 魏祥峰, 刘珠江, 王强, 魏富彬, 袁桃. 川东南丁山与焦石坝地区五峰组—龙马溪组页岩气富集条件差异分析与思考[J]. 天然气地球科学, 2020, 31(8): 1041-1051.
[5] 罗胜元, 陈孝红, 岳勇, 李培军, 蔡全升, 杨睿之. 中扬子宜昌地区沉积—构造演化与寒武系页岩气富集规律[J]. 天然气地球科学, 2020, 31(8): 1052-1068.
[6] 邵德勇, 张六六, 张亚军, 张瑜, 罗欢, 乔博, 闫建萍, 张同伟. 中上扬子地区下寒武统富有机质页岩吸水特征及对页岩气勘探的指示意义[J]. 天然气地球科学, 2020, 31(7): 1004-1015.
[7] 席斌斌, 申宝剑, 蒋宏, 杨振恒, 王小林. 天然气藏中CH4—H2O—NaCl体系不混溶包裹体群捕获温压恢复及应用[J]. 天然气地球科学, 2020, 31(7): 923-930.
[8] 戴金星, 董大忠, 倪云燕, 洪峰, 张素荣, 张延玲, 丁麟. 中国页岩气地质和地球化学研究的若干问题[J]. 天然气地球科学, 2020, 31(6): 745-760.
[9] 刘洪林, 王怀厂, 张辉, 赵伟波, 刘燕, 刘德勋, 周尚文. 四川盆地东部小河坝组沥青纳米孔隙网络及其成藏意义[J]. 天然气地球科学, 2020, 31(6): 818-826.
[10] 彭泽阳, 龙胜祥, 张永贵, 卢婷, 王濡岳. 适用于高温高压条件的等温吸附曲线方程[J]. 天然气地球科学, 2020, 31(6): 827-834.
[11] 郑爱维, 梁榜, 舒志国, 张柏桥, 李继庆, 陆亚秋, 刘莉, 舒志恒. 基于大数据PLS法的页岩气产能影响因素分析[J]. 天然气地球科学, 2020, 31(4): 542-551.
[12] 丁麟, 程峰, 于荣泽, 邵昭媛, 刘佳琪, 刘官贺. 北美地区页岩气水平井井距现状及发展趋势[J]. 天然气地球科学, 2020, 31(4): 559-566.
[13] 朱维耀, 王百川, 马东旭, 黄堃, 李兵兵. 水对含微裂缝页岩渗流能力的影响[J]. 天然气地球科学, 2020, 31(3): 317-324.
[14] 钟秋, 傅雪海, 张苗, 张庆辉, 程维平. 沁水煤田石炭系—二叠系煤系地层页岩气开发潜力评价[J]. 天然气地球科学, 2020, 31(1): 110-121.
[15] 张磊夫, 董大忠, 孙莎莎, 于荣泽, 李林, 林士尧, 欧阳小虎, 施振生, 武瑾, 昌燕, 马超, 李宁. 三维地质建模在页岩气甜点定量表征中的应用[J]. 天然气地球科学, 2019, 30(9): 1332-1340.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 王先彬;妥进才;周世新;李振西;张铭杰;闫宏;. 论天然气形成机制与相关地球科学问题[J]. 天然气地球科学, 2006, 17(1): 7 -13 .
[2] 尹太举,张昌民,王寿平,李中超 . 濮53块开发概念模拟[J]. 天然气地球科学, 2006, 17(2): 201 -205 .
[3] 韩应钧;. 龙门山中南段地区印支运动和天然气勘探目标研究[J]. 天然气地球科学, 2002, 13(5-6): 66 -73 .
[4] 周兴熙;. 库车油气系统油气藏相态分布及其控制因素[J]. 天然气地球科学, 2004, 15(3): 205 -213 .
[5] 何家雄;陈刚;. 莺歌海盆地CO_2分布、富集特征及初步预[J]. 天然气地球科学, 1997, 8(3): 9 -17 .
[6] 邹东波,吴时国,刘刚,韩文功. 渤海湾盆地桩海地区NNE向断层性质及其对油气的影响[J]. 天然气地球科学, 2004, 15(5): 503 -507 .
[7] 秦百平, 吕修祥,张振红,万晓龙. 油气藏数值模拟及其对开发的意义――以鄂尔多斯盆地油房庄油田定31井区长1油藏为例[J]. 天然气地球科学, 2004, 15(5): 531 -535 .
[8] 沈建东;王胜杰;郝妙丽;刘芙蓉;. 沉积层水合物的生成动力学模型[J]. 天然气地球科学, 2004, 15(4): 436 -440 .
[9] 王雅星;柳广弟;. 库车坳陷异常高压流体充注成因分析与预测[J]. 天然气地球科学, 2004, 15(3): 218 -221 .
[10] 陈启林,杨占龙. 岩性油气藏勘探方法与技术[J]. 天然气地球科学, 2006, 17(5): 622 -626 .