网状裂缝条件下页岩气的产能计算和优化Word格式.docx
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关键词：
页岩气；
吸附解析；
双重介质；
分段多簇
Calculationandoptimizationofshalegasproductioncapacityundertheconditionsofnetworkfractures
Abstract
Shalegasasanunconventionalgasreservoir，anditsdevelopmentarechangingtheenergylandscapeoftheworld，becomethefocusofglobaldevelopment。
However，duetotheshalegasreservoirpermeabilitystructure，miningdevelopmenthasahighdegreeofdifficulty，Shalegasreservoirformationcharacteristics，theflowpatternandreticularcracksundertheconditionsofshalegasproductioninshalegasproductionoptimizationparameterstodoapreliminaryexploration，primarilyfromshalegasadsorption，diffusiontoelaborateandseepagecharacteristics，Descriptionoftheshalegasadsorptionanalyticalphenomenon,madeadifferentporesizesundertheconditionsoftheKnudsennumberandpressurediagram，accordingtotheLangmuirisothermcurveindoubleporousmediaundertheconditionsofthenaturalcracksandartificialcracksshalegaswellproductioncapacity.Andintroducesthemeshcracksprocesstoimplementthenewtechnologythatissegmentedmulti-clusterfracturingtechnologyandparameteroptimization。
Keywords:
Shalegas，adsorptionanalysis，numericalsimulation，segmentedmulti-cluster
目录
第1章前言1
1.1页岩气的吸附解析扩散特性1
1.2页岩气渗流机理3
1.3解析方法的改进7
1.4页岩气产能计算8
1.5本文的研究内容9
第2章页岩储层中气体的渗流机理研究10
2.1页岩气的储层特征及孔隙结构特征10
2.2页岩气的吸附解吸特性12
2.3页岩气在基质中流动特性16
2.4小结22
第3章裂缝对页岩气井的产能影响规律研究23
3.1天然裂缝的发育特征及其对页岩气产能的影响23
3.2人工裂缝基本参数及其对页岩气产能的影响25
3.3小结29
第4章网状裂缝工艺实施及参数优化研究30
4.1水平井“分段多簇”喷射压裂工艺介绍30
4.2“分段多簇”喷射压裂参数优化研究31
4.3研究意义36
第5章结论和建议30
参考文献30
致谢31
CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM32
F.JAVADPOUR,D.FISHER,M.UNSWORTH33
摘要33
引言33
物理气量（气体析出）和生产35
在微孔中的渗流36
在纳米孔的流动36
另一种方法38
解吸38
扩散干酪根38
实验39
脉冲衰变渗透39
气量和解吸试验39
数学建模40
结论41
A=surfacearea,m241
GREEKLETTERS42
Knudsen在多孔介质中的扩散系数43
第1章前言
页岩气与常规气藏最主要的区别在于它的吸附解析特性，针对页岩气藏的特点，国内外学者做了大量的研究，MohammedHMHassan[1]对纳米材料进行了广泛的研究，并指出页岩气体微观运移机理可能包括：
克努森扩散，分子扩散，表面扩散等。
克努森扩散，当分子平均自由程与孔隙介质的孔隙大小相近时，为克努森扩散。
克努森扩散发生在低压下小孔隙的孔隙介质中。
分子扩散，分子扩散，就是在浓度差或其他推动力的作用下，由分子、原子等的热运动所引起的物质在空间的迁移现象，是质量传递的一种基本方式。
表面扩散，表面扩散，就是吸附在孔隙介质表面的分子沿着固体表面移动现象。
页岩干酪根和泥岩表面都吸附着大量气体。
页岩气存在解吸、扩散、滑脱等渗流过程，国内外研究表明制约着其产出主要因素是解吸，扩散过程。
1.1页岩气的吸附解析扩散特性
段永刚[2]等编写的页岩气藏渗流机理及压裂井产能评价一文中对页岩气的吸附解析特性作了说明，在开采过程中，随着地层压力降低，打破原来的吸附平衡，原先吸附在页岩基质表面的气体将发生解吸，形成游离态气体，最终重新到达平衡，页岩气穿过页岩孔隙介质的流动可描述为下图所示的解吸、扩散、渗流这个过程
图1-1页岩气穿过页岩孔隙介质的流动
页岩气在裂缝和基质中流动机理，主要表现在：
1、裂缝中游离气向井底流动。
2、裂缝中压力降低，在压降的作用下，页岩气由基质向内表面解吸。
3、在浓度差作用下，页岩气由基质向裂缝中扩散。
4、在流体势作用下，页岩气遵循达西定律流向井筒。
魏明强等[3]阐述了页岩气藏孔渗结构特征和渗流机理研究现状，页岩气藏的孔渗结构与常规气藏有着显著不同，其孔渗结构具有超致密特低孔，特低渗的显著特征。
其微观孔渗结构是影响页岩气商业化开采的重要因素。
产出页岩气系统的孔隙结构由非有机质，有机质，天然裂缝和和水力压裂裂缝四种孔隙介质组成。
与常规气藏不同，页岩气藏从宏观、微观流动特点分析可以看出页岩气藏的流动是一个复杂的多尺度流动过程，有着特殊的运移机制。
这给认识页岩气藏流动机理以及气藏描述以及开发带来了极大的挑战。
页岩气流动机理主要包括解吸、扩散、达西流动。
具体为气体从纳米孔隙壁上的解吸；
在干酪根/粘土中以及纳米孔隙中气体流动属于扩散。
井筒附近，大孔隙及裂缝中气体流动遵循达西定律。
页岩储层基质表面对气体有着很强的物理吸附作用，当页岩气藏钻井完井结束后，地层压力降低，打破原来的吸附平衡，吸附在其基质表面的气体发生解吸。
李建秋[4]编写的页岩气井渗流机理及产能递减分析中，阐述了页岩气在页岩中有着特殊的赋存运移机理，与常规气藏最主要的区别在于页岩气以吸附状态赋存于页岩的基质孔隙中，其流入生产井需要经历三个过程：
如（图1-2）
图1-2为页岩气在基质中的流动扩散
在钻井，完井降压的作用下，吸附在页岩表面气体在其内表面脱离，页岩气由基质系统向表面进行解析，解析出来的气体进入裂缝孔隙中成为游离气。
在浓度差的作用下，游离相页岩气从高浓度区向低浓度去流动，即页岩气由基质系统向裂缝系统扩散，当浓度趋于平衡时，扩散现象停止。
在流动势的作用下，页岩气通过裂缝孔隙系统向生产井筒进行渗流。
1.2页岩气渗流机理
页岩气流动机理也主要包括吸附，解析和扩散，页岩气因其储量大、分布广、清洁，被认为是替代常规能源的重要能源之一。
此类气藏属于特低孔、特低渗且存在吸附解吸等特性的非常规气藏。
与常规气藏相比，因其具有特殊的微观储存结构和复杂的渗流机理，导致产量很难评估。
因此能否认清其储渗结构和渗流机理是制约页岩气藏有效开发的瓶颈之一。
为此调研了页岩气孔渗特征、评价方法以及多尺度下的渗流产出机理发展现状，为下一步的页岩气藏动态分析，产能预测等研究提供理论支撑。
1.2.1页岩的孔渗结构特征
页岩气藏的孔渗结构与常规气藏有着显著不同，其孔渗结构具有超致密特低孔，特低渗的显著特征。
页岩孔隙系统是表征页岩气储量的重要参数之一。
大量学者研究指出页岩孔隙度范围在2%~15%之间，渗透率一般低于0.001×
10-3μm2。
其中页岩基质孔隙包括两种类型纳米尺度孔隙和微米尺度孔隙。
目前测量页岩气孔隙度方法较多，但是影响孔隙度测量有效性因素也较多，如：
氦、氮、甲烷气体以及汞、水等液体在页岩孔隙中的存储问题；
页岩基质表面气体解吸；
岩样尺寸、破碎方法以及破碎岩样重量，孔隙压力和超荷净重压力对微裂缝产生影响等。
由于页岩孔隙结构很复杂，对常规测量和描述其结构特征方法提出了挑战。
1.2.2页岩渗透率
页岩渗透率是表征气体运移能力一个物理量，是影响页岩气井高效开发极为重要的因素。
由于页岩气藏渗透率在数量级上远低于常规气藏，测量其渗透率存在许多问题（如传统稳态测试渗透率要时间长）。
目前测量页岩气渗透率常用技术包括压力脉冲衰竭，压力衰减，解吸测试以及压汞曲线分析。
但是测量页岩气渗透率都不理想，存在以下问题：
①在围压下，压力脉冲和压汞方法页岩不会发生解吸，低估了其渗透率；
②通常假设渗透率是岩石自身的性质，因此它不随压力以及气体流动类型变化而变化，而在微尺度下滑脱等现象非常明显；
③测量页岩渗透率方法不能解释页岩内表面气体的吸附。
针对页岩气藏复杂的传质和渗流过程，需运用多尺度理论和现代渗流力学等多学科相结合来研究其微观传质特性，并建立相应的传质数学模型以及形成准确描述其渗流规律的数学模型，从而找出制约着页岩气藏商业化开采的本质因素，为高效开发页岩气藏提供可靠的理论支撑。
1.2.3解析法测量页岩气含量的探索
页岩含气量是计算页岩原地气量的关键参数，对页岩含气性评价、资源储量预测具有重要的意义，在我国还是一个新的研究课题。
为此，介绍了页岩含气量测试的3种基本方法，包括解吸法、等温吸附法及测井解释法，并重点讨论了页岩含气量测试最直接的方法——解吸法的测试原理和实验方法。
分析认为：
损失气含量是解吸法中误差较大的部分，提高损失气量估算精度能提高含气量测试精度；
直线回归法估算损失气量误差大，利用直线回归与多项式回归的加权平均或者采用非线性回归估算损失气量更为合理；
根据实测的解吸数据，考虑扩散率随时间的变化情况，运用迭代非线性回归，可以精确确定损失气量。
为减小实验系统误差，还对目前通用的解吸实验设备提出了高精度的改进方案。
页岩含气量是计算页岩原地气量的关键参数，对页岩含气性评价、资源储量预测具有重要的意义。
页岩气由吸附气、游离气和溶解气3部分构成。
吸附气是指吸附在干酪根和黏土颗粒表面的天然气，其含量受有机碳含量、压力、成熟度、温度等因素控制。
游离气是指游离在天然裂缝和粒间孔隙中的天然气，其含量主要受地层压力、孔隙度、含气饱和度、温度等因素控制。
溶解气在页岩含气量构成中所占比例十分微小，在计算含气量时可以忽略不计。
页岩含气量测试是页岩储层评价、有利区优选的重要实验，测试方法有解吸法、等温吸附法、测井解释法等，其中解吸法是页岩含气量测试的直接方法，也是最常用的方法，等温吸附法和测井解释法是页岩含气量测试的间接方法。
解吸法包括USBM法、改进的直接法、Smith‐Williams法和曲线拟合法等，其基本原理都是USBM法。
解吸法测量页岩含气量时，其准确性主要取决于两点：
减少损失气量。
保压取心被认为是最准确的方法，但价格昂贵，绳索取心可以缩短取心时间，是国内含气量测试常用的取心方式，在技术和资金都具备的条件下，可以采用密闭取心、二次取心的方式，在深井或含有多套层系的井中，旋转式井壁取心能够取得很好的效果。
解吸时应模拟地层条件，尤其是地温条件。
这样既能反映页岩中气体在地层原始条件下的解吸速率，又能使损失气量的估算更加准确。
解吸法是测量页岩含气量最直接的方法，它能够在模拟地层实际环境的条件下反映页岩的含气性特征，因此被用来作为页岩气含量测量的基本方法。
解吸气量是指页岩岩心装入解吸罐后在大气压力下自然解吸出的气体含量。
现在广泛使用的页岩解吸气量测量装置主要分为解吸罐、集气量筒和恒温设备。
解吸气测量主要在钻井取心现场完成，在钻井过程中准确记录启钻、提钻、岩心到达井口及装罐结束的时刻，当岩心取出井口后，迅速装入解吸罐中，并使用细粒石英砂填满解吸罐空隙后密封，然后放入模拟地层温度的恒温设备，让岩心在解吸罐中自然解吸，并按时记录不同时刻的解吸气体积，直到解吸结束。
页岩样品解吸有自然解吸和快速解吸2种方式，自然解吸时间长，但测量结果更准确；
快速解吸时间短，方便野外现场使用。
自然解吸法中，装罐结束后，5min内测定第一次，以后每10，15，30，60min间隔各测定，然后120min测定2次，累计满8h后可视解吸罐的压力表确定适当的解吸时间间隔，最长为24h，持续到连续7天每天平均解吸量小于或等于10cm3，或在一周内每克样品的平均解吸量小于0.05cm3／d，自然解吸结束。
快速解吸时间为8h，参照自然解吸的时间间隔记录不同时刻的解吸气体积，8h后解吸结束。
另外，快速解吸还可以通过适当提高解吸温度和连续观测，并择匹配的终止限，在煤层气中应用的准确率一般大于90％。
1.2.4损失气量及残余气测量
损失气量，是指钻头钻遇岩层到岩心从井口取出装入解吸罐之前释放出的气体体积。
页岩损失气量，通常通过USBM法直线回归获得。
USBM法估算页岩损失气量基于以下假设：
岩样为圆柱形模型，扩散过程中温度、扩散速率恒定，扩散开始时表面浓度为零，气体浓度从颗粒中心扩散到表面的变化是瞬时的。
根据扩散模拟，在解吸作用初期，解吸的总气量随时间的平方根呈线性变化，因此，将最初几个小时解吸作用的读数外推至计时起点，运用直线拟合可以推出损失气量（VL），除以岩心质量即为样品的损失气含量（Vl）。
Vs＝VL＋kt０＋t
（1）
式中VL（取绝对值）为损失气量，cm3；
k为直线段斜率；
t0为散失时间，min；
t为实测解吸时间，min。
残余气测量，页岩残余气量是指样品在解吸罐中解吸终止后仍留在岩心中的气体体积。
残余气测量有破碎法、图示法和球磨法3种方法。
破碎法可靠性较低；
图示法由于以破碎法为基础，可靠性因此也较低；
球磨法是目前测量残余气通用的方法，其测量过程如下：
自然解吸完毕后，取出部分样品称量后放入密封的球磨机中粉碎到0.2464mm（60目）以下，然后放入和储层温度相同的恒温装置自然解吸，直到每个样品一周内平均每天解吸量不大于10cm3时，解吸结束。
快速解吸法中，要将样品反复破碎、解吸，直到连续两次破碎、解吸的气量小于10cm3时，快速解吸结束。
解吸出来的气体量转换为标准状态下的体积除以样品质量即为页岩的残余气含量（Vr）。
中国煤层气残余气量在总含气量中一般小于10％，最高能达到30％，页岩渗透率和煤不同，页岩基质渗透率非常低，不像煤具有广泛的天然割理系统，页岩解吸速度很慢，特别是当岩心样品直径很大时，解吸时间更长。
残余气是页岩总含气量的重要组成部分，在某些含气量较大的页岩里，自然解吸30d后残余气量能占总含气量的50％[5]
1.3解析方法的改进
解吸法是测量页岩含气量最直接的方法，广泛应用在页岩含气量测试中，因此，提高解吸法测量精度，能够更加准确地评价页岩气含气性，指导生产。
损失气含量是解吸法中误差较大的部分，提高损失气量估算精度可以使含气量测试结果更加准确。
提高损失气估算精度可以从两个方面着手：
选择更准确的估算方法；
减小测试设备的系统误差。
损失气是页岩含气量的重要组成部分，在钻井取心过程中，天然气散失不可避免，取心方式、测定方法、逸散时间以及估算方法都影响到损失气量的大小。
关于损失气量的估算，损失气量的估算有直线回归法、多项式回归法以及非线性回归法。
国内对损失气量估算多采用直线回归法，直线回归法估算损失气量简单且容易操作，但是误差较大。
当取心时间长，损失气量大时，直线回归估算的损失气量要比实际的损失气量小，另外由于取心过程造成岩心温度降低，解吸升温时模拟地层原始温度，在这过程中，岩心的温度是一个先降低又升高的变化过程。
实验表明，由于温度变化造成的损失量估算结果同样比实际情况低。
因此，在使用直线回归估算损失气量时，应当尽量少用或者不用解吸最初不稳定的点。
多项式回归法比直线回归法吻合性更强，但该方法估算出的损失气量通常比实际损失气量高。
直线回归和多项式回归都是一种线性回归，简单且容易操作，其估算结果能够基本满足勘探阶段的要求。
如果需求更准确，可以使用多项式回归和直线回归的结果作为估算损失气量的上、下界，或对直线回归和多项式回归的结果根据经验进行加权平均，这样比单一的使用直线回归或者多项式回归的结果更合理。
直线回归法对损失气量的解释是基于完全扩散方程早期时间的近似解，扩散速率与时间平方根成线性相关，理论假设是自然解吸过程中扩散速率恒定，而实际解吸中，页岩的扩散速率是随时间变化的函数。
考虑到扩散速率与时间的相关性，将实测解吸气量通过非线性方程逼近，可以更准确地反应解吸的过程，使估算结果更准确，同时结合等温吸附曲线，进一步推算原始气量、可采储量以及生产剖面。
通过实例分析，非线性回归结果介于直线回归和多项式回归的结果之间，相关系数较高。
1.4页岩气产能计算
考虑解吸的点源解推导，页岩脆性较强，外力作用下易形成天然裂缝和诱导裂缝，通常将页岩气藏简化成双重介质孔隙结构模型。
考虑页岩气解吸特性，利用点源法推导了考虑页岩气解吸的压裂井数学模型。
运用质量守恒和达西定律，获得在页岩裂缝中气体流动方程[6]，考虑吸附解吸与不考虑吸附解吸对压裂页岩气井产能动态曲线的影响。
页岩气藏考虑解吸吸附比不考虑了解吸吸附产量递减更慢且生产时间更长，产量更加稳定。
因此得出了如下结论：
1）与常规气藏的主要区别是页岩气存在吸附解吸特性，把吸附解吸特性考虑到压缩系数中，可以得出与常规气藏渗流方程相一致的形式。
2）页岩的解吸特性，使得气井产量递减更慢且生产时间更长。
Langmuir体积越大，压力传播越慢，产量递减越慢；
Langmuir压力越小，压力传播越慢，产量递减越慢。
3）弹性储容比越大，裂缝流动流动阶段产能越大，窜流系数对窜流阶段的产能影响显著，窜流系数越大，进入窜流阶段时间就越早。
4）压裂裂缝长度只能短期增加产量，压裂裂缝长度越长产量越高，在后期产能基本一致。
5）压力波到到达边界的时间由边界控制，压力波达到边界时产量急剧下降，边界越大，压力波到达边界时间越晚[7]
1.5本文的研究内容
在页岩气藏渗流机理及压裂井产能评价中，研究了页岩气产能计算方面的问题，为了掌握页岩气藏生产动态特征，提高页岩气井产能，对页岩气藏渗流机理及产能评价进行研究。
1）页岩气藏与常规气藏最主要的差异在于页岩气藏存在吸附解吸特性。
利用Langmuir等温吸附方程描述页岩气的吸附解吸现象，
2）分析了Langmuir体积、Langmuir压力、弹性储容比、窜流系数、边界、裂缝长度等因素对页岩气井产能的影响。
3）讨论了天然裂缝与人工裂缝对页岩气井产能影响规律，以双重介质模型初步对页岩气产能进行了评价。
4）介绍了网状裂缝工艺，对工艺参数优化进行了初步讨论。
第2章页岩储层中气体的渗流机理研究
本章主要论述了页岩气的储层特征，阐述了页岩气的渗透率及孔隙度对页岩气的影响，页岩储层的矿物组成除常见的粘土矿物外，还混有石英，长石，云母等矿物，影响吸附气量的关键因素是有机碳含量的高低。
页岩储层属特低渗致密储层，具备一定储集能力，孔隙类型比较复杂，孔径大小为纳米级，裂缝多为微裂缝，其形成与构造运动、压力等有关.
2.1页岩气的储层特征及孔隙结构特征
页岩的储层特征，包括页岩的孔隙度和渗透率，页岩的矿物特征，及页岩的孔隙结构特征。
页岩的孔隙度在0.0001~~0.05之间，渗透率主要分布在0.00001~~10MD，孔隙度和渗透率之间并没有明显的相关关系，如下图，渗透率大于1MD的页岩岩心中存在着明显的天然裂缝或取芯诱导裂缝。
图2-1孔隙度及渗透率对页岩气的影响
页岩气储层中还有较多的有机质，其丰度与成熟度对页岩气资源量有着重要的影响，大量的实验结果表明，页岩气的有机碳含量越高，页岩气的生气率越好，在温度和压力一定的情况下，富含有机质的页岩气与贫有机质的页岩具有更多的微孔隙空间，能较多的吸附天然气，因此，影响吸附气量的关键因素是有机碳含量的高低。
页岩储层的矿物组成除常见的粘土矿物外，还混有石英，长石，云母等矿物，大量的实验表明，石英等脆性矿物含量高有利于后期的压裂改造形成裂缝。
页岩气储层中粘土矿物的含量与吸附气量具有一定关系，膨胀性粘土矿物越多不利于对后期储层压裂造缝。
页岩储层中的裂缝多以微裂缝形式存在，其产生可能与断层和褶皱，压力等因素相关，微裂缝对页岩气的产能增加有很大影响，微裂缝发育为页岩气的游离富集提供聚集空间，增加页岩气游离态天然气含量，也可为页岩气的生产提供聚集空间。
根据直径的的数值可以将孔隙分为大孔，介孔，微孔，直径大于50nm的称为大孔，直径在2～50nm之间的称为微孔，利用气体在页岩孔隙中的吸附于解析可以测量其孔隙分布情况，介孔的孔径分布一般用KELVIN方程表示，即
，其中
表示凝聚在空隙中吸附气体的曲率半径，P为氮气的吸附平衡压力，
为液氮温度下氮气的饱和蒸汽压，利用相关仪器绘制如下图。
图2-2孔隙平均半径及孔隙体积变化率对页岩气的影响
页岩的孔隙直径主要分布在4—6nm。
页岩储层的储渗空间可分为基质孔隙和裂缝。
基质孔隙有残余原生孔隙、有机质生烃形成的微孔隙、黏土矿物伊利石化形成的微裂（孔）隙和不稳定矿物（如长石、方解石）溶蚀形成的溶蚀孔等。
残余原生孔隙主要分散于片状粘土中的粉砂质颗粒间的孔隙，这部分孔隙与常规储层孔隙相似，随着埋藏深度的增加而迅速减少，页岩储层属特低渗致密储层，具备一定储集能力，孔隙类型比较复杂，孔径大小为纳米级，裂缝多为微裂缝，其形成与构造运动、压力等有关。
2.2页岩气的吸附解吸特性
页岩气藏是一种隐蔽性气藏，具有自生自储性，在开采过程中，随着地层压力的降低，将
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