富有机质页岩的气体运移特征及渗透率模型研究

摘要

随着世界范围内对天然气日益增长的需求和常规天然气资源的日益减少，页岩气做为重要的非常规战略性补充能源，其勘探和开发显得日益重要和急迫。富有机质页岩致密、低渗，既是页岩气成气的源岩，又是页岩气赋存的储层岩石，页岩气在其中的赋存、运移机理与常规天然气有所不同。截止目前，中国页岩气勘探开发仍处于初期阶段，其根本原因在于中国系统、深入的页岩气开采机理研究还非常薄弱。页岩气的基础研究是勘探开发快速发展所必须的理论保证，在中国页岩气勘探快速起步的今天，富有机质页岩气体运移机理的系统研究对页岩气工业的发展具有极其重要的意义。 以湘西下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩作为研究对象，利用多种试验手段，观察和描述了富有机质页岩不同尺度下裂隙、孔隙结构特征;开展了不同层理角度页岩的力学特性试验研究;并开展了三轴条件下页岩吸附性能和膨胀变形的试验研究，揭示了页岩吸附膨胀变形随气体压力和吸附量的变化规律及各向异性特征;最后，考虑工程实际中页岩气储层的压力边界条件，开展了背压条件下页岩渗透率试验研究，揭示了不同有效应力和偏应力下页岩渗透率的演化规律;根据上述试验研究成果，基于连续介质力学和孔隙弹性理论，建立了页岩渗透率模型，揭示了吸附和有效应力对页岩渗透率演化的竞争性影响。取得的主要结论如下: (1)页岩小孔和大孔的比例不平衡，对于牛蹄塘组页岩而言纳米孔隙中直径小于5.89nm的孔隙对孔隙体积和比表面积的贡献起主导地位。 (2)页岩表现出较好的脆性特征，其强度和波速存在各向异性特性。高脆性矿物成分较高是页岩脆性变形和脆性破坏的矿物成分内因;其内部成层黄铁矿颗粒沉积、坚硬颗粒和层状薄片交替存在的结构是页各向异性特征的结构内因。 (3)定围压条件下，页岩的孔隙体积随注气压力增加呈增加的趋势，页岩内游离气体所占总气体含量的比例随气体压力的增加之增加。页岩吸附态甲烷的等温曲线服从Langmuir方程，吸附曲线和解吸曲线之间存在迟滞现象。定围压条件下，页岩岩心中的大孔扩散系数随注气压力的增加而增加，小孔扩散系数则呈相反的趋势。 (4)吸附态甲烷引起的页岩吸附膨胀应变为Langmuir型曲线，与注气量之间表现为正相关线性关系。吸附与解吸试验所对应的页岩变形也存在滞回现象，应变滞回量随着压力的降低而增加。页岩变形具有各向异性的特征，应变各向异性系数随气体压力的增加表现为增加的趋势。 (5)页岩渗透率随围压增大而降低，体积应变随围压增大逐渐增加。页岩渗透和围压引起的变形存在各向异性特征。页岩中纳米孔隙主导地位使得低孔隙压力条件下气体在页岩中的运移存在滑脱现象。页岩渗透率在偏压加载初期呈现降低的趋势，在接近破坏时，渗透率才逐渐开始增加。 (6)在页岩气开采初期，有效应力对页岩渗透率的影响起着主导作用;而在生产过程后期，解吸的影响起主导作用。页岩气储层岩石渗透率随时间的推移和气体压力的降低表现为先降低后增加的趋势。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1选题依据与研究意义

1．2国内外研究现状

1．2．1页岩力学特性研究现状

1．2．2页岩吸附、解吸和扩散特性研究现状

1．2．3页岩渗透特性和渗透率模型研究现状

1．2．4有待进一步研究的问题

1．3本文的研究思路和主要研究内容

第2章页岩气的储层特征分析

2．1页岩气的储层特征

2．1．1页岩的孔隙特征

2．1．2页岩的裂隙特征

2．2牛蹄塘组页岩结构特征分析

2．2．1试样的选取及结构特征的研究方法

2．2．2牛蹄塘组页岩表观结构特征分析

2．2．3牛蹄塘组页岩细观结构特征分析

2．2．4牛蹄塘组页岩微观结构特征分析

2．2．5牛蹄塘组页岩的孔隙统计特征分析

2．2．6牛蹄塘组页岩的纳米孔隙分布特征分析

2．3牛蹄塘组页岩的结构特征对气体赋存、运移的影响

2．4本章小结

第3章页岩力学特性试验研究

3．1页岩常规三轴试验系统和试验方法

3．1．1试验系统

3．1．2试验系统标定

3．1．3试样制备

3．1．4试验方案和程序

3．2页岩矿物成分和微观结构对力学特性的影响

3．2．1页岩矿物成分对力学特性影响的分析

3．2．2页岩层理结构对页岩力学特性影响的分析

3．3页岩的力学特性分析

3．3．1页岩的力学特性分析

3．3．2页岩破坏特征分析

3．4页岩各向异性特征分析

3．4．1页岩的波速各向异性分析

3．4．2页岩的强度各向异性分析

3．5本章小结

第4章三轴压力条件下页岩吸附、膨胀及扩散特性试验研究

4．1试验系统及方法

4．1．1页岩吸附-渗透多场耦合试验系统的建立

4．1．2试验系统的标定

4．1．3页岩岩心孔隙度和吸附特性测定的试验方法和程序

4．1．4试样的制备和试验的加载路径

4．1．5孔隙度、吸附量及变形量的计算方法

4．2页岩吸附特性研究

4．2．1页岩地化参数对吸附性能的影响

4．2．2气体在页岩中的运移特性分析

4．2．3页岩孔隙度及吸附、解吸规律分析

4．3页岩吸附膨胀特性研究

4．3．1注入气体过程中页岩的变形特性分析

4．3．2注入气体量与页岩应变关系的研究

4．3．3气体类型和解吸对页岩应变影响的分析

4．3．4吸附、解吸引起的页岩应变特征

4．3．5页岩膨胀应变的各向异性特性分析

4．4页岩的气体扩散特性研究

4．4．1页岩的气体扩散特性分析

4．4．2吸附对气体扩散影响的分析

4．5本章小结

第5章不同压力条件下页岩渗透规律试验研究

5．1不同围压下页岩的渗透率和变形规律研究

5．1．1试验系统及方法

5．1．2不同围压下页岩的渗透和变形特性分析

5．1．3页岩渗透率和变形的各向异性特征分析

5．1．4页岩渗透率和变形对围压的敏感性分析

5．2不同孔隙压下页岩的渗透率规律研究

5．2．1试验系统及方法

5．2．2渗透过程中页岩内的气体流动特征分析

5．2．3不同气体压力下页岩渗透特性分析

5．3不同偏压下页岩渗透率演化规律研究

5．4本章小结

第6章解吸过程中页岩的渗透率演化规律

6．1页岩渗透率模型的建立

6．2渗透率演化规律及影响因素分析

6．2．1页岩渗透率的演化规律分析

6．2．2不同有效应力对页岩渗透率的影响分析

6．2．3不同初始储层压力对页岩渗透率的影响分析

6．2．4不同裂隙气体压力衰减速率对页岩渗透率的影响分析

6．2．5不同弹性模量对页岩渗透率的影响

6．2．6不同Langmuir应变参数对页岩渗透率的影响分析

6．3本章小结

7．1结论

7．2展望

参考文献

致谢

博士期间参加的科研项目及获得成果