页岩气应力/解吸/滑脱联合作用规律和多级渗流模型

摘要

在页岩气开采过程中，渗流场和应力场之间存在着复杂的耦合作用，页岩气在不同尺度的孔隙和裂隙中的流动规律也不尽相同。研究页岩气多场耦合和多级渗流成为油气科学中亟待解决的重要课题之一。本文采用理论分析和数值模拟的手段对页岩储层中流固耦合和多级渗透机理进行了系统的研究，建立了页岩气运移全过程的偏微分方程组，并将模型应用到页岩气开采模拟中，初步讨论了裂隙分布规律对页岩气产能的影响，主要取得了以下研究进展：
　　（1）讨论了页岩气在多孔介质中的流动规律，分析了页岩气在微孔中的滑脱效应，建立基于不同Knudsen数的渗透率修正线性方程。根据P-M渗透率模型，将页岩基质的吸附膨胀效应比作热膨胀项，推导出基质、天然裂隙的孔隙率和渗透率的动态变化模型，建立了页岩气开采的多场流固耦合模型。
　　（2）研究单井开采页岩气的规律，研究表明：井筒附近的压力服从规则的同心圆分布，采气初期，气体压力下降的非常迅速。距离井口越近，渗透率变化越为明显。
　　（3）双井开采中，边界效应对气藏压力、渗透率的影响不大，但是双井距离较近的情况下，一井的流场会影响另一个井流场，从而影响气藏压力，渗透率的改变，两井连线上的点尤为明显。随着开采的进行，产气速率迅速下降，五年后下降到最低点，页岩气在开采15年的时候基本开采结束。
　　（4）当页岩气藏中有水力压裂裂隙时，页岩气开采初期裂隙压力下降非常迅速，在产气1年的时候，气体压力就下降到6.7×105Pa。井口周围，越接近水力压裂裂隙的地方，裂隙压力越低。
　　（5）运用Monte-carlo方法生成随机分布的裂隙。通过研究单元的裂隙分布与水力压裂裂隙的导通规律，研究天然裂隙与水力压裂裂隙对页岩气产能的影响。研究表明：天然裂隙越多，其裂隙的贯通性越好，天然裂隙增长1倍，导通的天然裂隙增加大于1倍。当水力压裂裂隙间距比较大的时候，导通的天然裂隙数量和水力压裂裂隙的条数成正比。二次压裂有助于提高天然裂隙的沟通率，二次压裂裂隙垂直于主水力压裂裂隙时，二次压裂的效果较好。

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变量注释表

1 绪论

1.1研究目的及研究意义(Research Presentation and Significance)

1.2国内外研究现状(Research Statusat Home and Abroad)

1.3本文的研究内容及技术路线(Research Contents and Technical Approaches)

2 页岩气运移机理

2.1 页岩气的解吸机理（Shale Gas Desorption Mechanism)

2.2 页岩气扩散机理（Shale Gas Diffusion Mechanism）

2.3页岩气的滑脱效应（Slippage Effect of Shale gas）

2.4页岩气藏压裂开采技术（Hydraulic Fracturing Technology of Shale Gas Reservoir）

2.5 页岩气流动控制方程（Shale Gas Flow Control Equations）

2.6 本章小结

3 考虑吸附膨胀和有效应力的流固耦合渗透率模型

3.1 页岩储层变形的应力场控制方程（ Stress Control Deformation Equation of Shale Gas Reservoir）

3.2天然裂隙渗透率模型（Permeability Model of Natural Fracture）

3.3 基质渗透率模型（Permeability Model of The Matrix）

3.4 考虑吸附膨胀的流固耦合页岩气渗流模型（ Shale Gas Seepage Model Considering the Adsorption Swelling and Effective Stress）

3.5 本章小结(Summary)

4 页岩储层双重介质模型多因素影响规律

4.1 COMSOL Multiphysics软件介绍（COMSOL Multiphysics Software Introduction）

4.2数值模拟方案及参数（Numerical Modeling and Simulation Scheme）

4.3页岩气单井开采规律（Influencing Rules of SingleWell Production）

4.4页岩气双井开采规律（Influencing Rules of Double Wells Production）

4.5含水力压裂裂隙开采规律（Influencing Rules of Single Well Production Considering Hydraulic Fractures）

4.6 本章小结(Summary)

5 裂隙分布规律对页岩气产能影响

5.1立方模型与平面模型（ACube and Plane Model）

5.2 天然裂隙分布规律（ The Distribution Rule of Natural Fractures）

5.3水力压裂裂隙对天然裂隙的导通规律（Conduction Rule of Hydraulic Fracture and Natural Fracture）

5.4 水力压裂裂隙二次压裂规律（ Secondary Fracture Rule of Hydraulic Fracture）

5.5 本章小结(Summary)

6 主要结论及展望

6.1主要结论（Main Conclusions）

6.2 展望（Prospect）

参考文献

作者简历

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