PDF《页岩气吸附解吸效应对基质物性影响特征》

adsorption;

desorption;

matrix pore;

apparent properties;

flow regime;

flow model

0 引言 页岩气的大规模开发影响世界天然气供给格局, 预 计到

2020 年,全球页岩气产量将达到

4 000*108 m3[1] . 但是,页岩气开发难度巨大,因为页岩气藏渗透率极 低,一般为 10?9 ~10?6 μm2 ,孔隙度低于 10%[2] .页岩 气孔隙尺寸非常小,据统计,半径小于

10 nm 的孔隙 体积占总孔隙体积的 42%,部分孔隙和流动通道半径 甚至小于

2 nm,只有少量的孔隙半径大于

50 nm[3-4] . 页岩气藏为典型的自生自储气藏,气体主要以自由气 和吸附气的形式贮存于气藏中,吸附气含量达 20%~ 80%,吸附气必须首先发生解吸才能开采出来[5-6] .由 于页岩孔隙尺寸为纳米级,且大量的气体吸附在孔隙 表面,气体分子流动和吸附气解吸过程同时进行,因此,页岩气在基质孔隙中的传输机理复杂,既要受到 孔隙尺寸、孔隙压力的影响,又要受到吸附、解吸过 程影响,从而最终影响页岩气开采.目前,大量研究 中没有考虑吸附气对页岩孔隙尺寸的影响,一方面导

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43 No.1 致地质储量被高估[7-8] ,另一方面无法考虑页岩气藏开 采过程中吸附、解吸效应对页岩表观物性和气体流动 机制的影响. 本文首先推导了吸附、解吸作用下的页岩基质孔 隙有效半径和表观渗透率动态模型,据此建立了考虑 吸附、解吸效应对基质表观物性和气体传输机制影响 的页岩气渗流数学模型,然后采用有限体积法对耦合 模型进行求解、验证,最后应用该模型研究吸附、解 吸过程中基质物性参数变化特征、气体流动机制变化 特征以及吸附效应对页岩气开发的影响.

1 基质孔隙中页岩气分布特征及流动 机理 如图

1 所示,基质孔隙中气体主要包括自由气、 吸附气两部分.大量研究表明[9-10] ,页岩气吸附规律符 合描述单层吸附的 Langmuir 模型,则饱和吸附状态下 有效半径 Re 为孔隙绝对半径 R0 与甲烷分子直径 dCH4 之差,随着气体采出,孔隙压力降低,孔隙表面的吸 附气发生解吸并参与流动,吸附层厚度变薄,有效孔 隙半径变大.由于页岩气基质孔隙尺寸较小,所以气 体分子表面吸附、解吸所导致的有效半径变化对基质 表观物性造成的影响不能忽略. 图1页岩气在基质孔隙中分布示意图 图2为基于努森数 Kn 划分的气体流动机制,努 森数定义为气体分子平均自由程与孔隙平均直径之 比[11-12] : Kn D ? ? (1) 当Kn≤10?3 时,气体流动为达西流;

当10?3 <

Kn≤10?1 时,气体流动为滑脱流;

当10?1

10 时,气体流动为自由流. 从前面分析可知,吸附气导致孔隙有效半径低于真实 半径,并且随着吸附气解吸,有效半径逐渐增大,进 而影响气体流动机制.因此,实际流动过程中,Kn 为 气体分子平均自由程与孔隙平均有效直径 De 之比: e Kn D ? ? (2) 图2气体流动机理划分

2 页岩气渗流数学模型 2.1 物质守恒方程 为了建立页岩气渗流数学模型,提出以下假设: ①页岩基质孔隙为球形;

②页岩气藏不含水,或为束 缚水条件且束缚水对吸附气没有影响;

③页岩气吸附 符合 Langmuir 模型;

④气藏为等温系统,不考虑能量 交换;

⑤页岩气吸附解吸瞬间达到平衡.则页岩气在 纳米级孔隙中渗流的质量守恒方程可表示为: ? ? a g g g g g e g K m q t t ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (3) 2.2 页岩气渗流表观渗透率模型 气体在纳米孔中的渗流机制包括达西流、滑脱流、 过渡流和自由流, Shi 等[13] 推导了涵盖这几种流动机制 的表观渗透率表达式: