确定重要页岩气参数的分子模拟及其在一套预测产量的商业模拟软件中的应用

摘要

页岩气是一种被认为将在未来几十年改变全球能源市场的成长中供应能源。虽然全世界有成千上万口页岩气井仍在开采，但对构成页岩气纳米尺度基础的物理学原理依然了解得很差，当涉及复杂流体混合物时尤为如此。井下气流会产生明显的成分变化，这不仅来自相变，也来自纳米孔隙的选择性吸附和分子筛分作用。本文有两方面的目标：·为了确定在储存和动力学方面的重要储层参数，着重讨论分子模拟的潜在应用。·为在一套商业模拟软件中运行所得到的参数而提出一个综合工作流程，同时为将模拟软件的物理学原理修改为符合页岩气的需要而提供指导准则。分子模拟是可以对页岩气有相关应用的一种新出现的技术。它为吸附或输送系数这样的纳米尺度的性质提供了深入认识。就特定的压力和温度条件而言，这种技术是以分子尺度的数值模拟为基础的。我们的研究包括了以下活动：·开始建立一种能代表成熟干酪根的有机分子化合物。·利用分子模拟得出多组分气的吸附等温线。对于C1一C2混合物，我们已确定在ECLIPSE中使用的标准“扩展的兰格缪尔等温模型”（ExtendedLangmuirisothermmodel）不太适合于与实际数据的拟合。我们提出了一个用有效压力取代分压的强化模型。·由于干酪根中的孔隙属于纳米尺度规模，所以气体的流动不会出现达西型式，而是代之以一种滑移或不稳定的作用。根据分子的大小，这种流动显示了不同的输送性质。我们使用分子模拟检验了Beskok—Karniadakis模型这样的分析性流动模型的实用性，同时研究了在涉及一种混合气时单一组分的流动性质是如何变化的。随后我们对商业模拟软件作了一次综合性考察，以检验它们对页岩气模拟的适用性。为了了解有机质孔隙、无机质孔隙和裂缝共存的页岩气地层的实际性质，建立了一个三重孔隙度模型。我们介绍了阿耳法系数如何能够成功地应用于对有机质孔隙中气流的分子筛分作用（与孔隙大小有关）的模拟。我们还详细说明了如何使扩展的兰格缪尔曲线发生畸变以拟合分子模拟的结果。在本文结束时，我们提出了关于气流成分随时间变化的模拟预测的深入认识。