【摘要】：頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有低孔、低滲的特點(diǎn),大規(guī)模的商業(yè)開(kāi)發(fā)必須采用水平井聯(lián)合水力壓裂等儲(chǔ)層改造技術(shù)。改造后的儲(chǔ)層傳氣能力顯著提高,然而頁(yè)巖氣開(kāi)采的效率和持續(xù)性是多尺度、多時(shí)度和多物理場(chǎng)耦合作用的結(jié)果。頁(yè)巖氣在基質(zhì)納米孔隙中的解吸、擴(kuò)散和在天然裂隙與水力裂隙中的滲流特征,從微觀尺度到宏觀尺度影響甚至決定了頁(yè)巖氣的開(kāi)采效率。因此,揭示頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中的多尺度運(yùn)移特征及其協(xié)同作用對(duì)氣體采收率的影響規(guī)律具有重要的科學(xué)背景和工程意義。為此,本文運(yùn)用實(shí)驗(yàn)測(cè)試、數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)、數(shù)值模擬分析與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比等方法,圍繞頁(yè)巖氣不同尺度的運(yùn)移特征、流動(dòng)協(xié)同機(jī)理以及增產(chǎn)措施和機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,旨在為頁(yè)巖氣高效、可持續(xù)開(kāi)采提供理論支持。主要的研究?jī)?nèi)容和成果如下:(1)描述了頁(yè)巖基質(zhì)的孔隙分布特征,提出了表征基質(zhì)氣體運(yùn)移特征的新方法,揭示了頁(yè)巖基質(zhì)中氣體非均質(zhì)擴(kuò)散機(jī)理。通過(guò)X射線衍射和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡定性描述了頁(yè)巖礦物組分和基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)特征,同時(shí)借助氮?dú)馕胶透邏簤汗瘜?shí)驗(yàn)定量分析了孔隙尺寸分布以及多重分形特征。耦合帶滑脫邊界的黏性流、克努森擴(kuò)散、分子擴(kuò)散以及表面擴(kuò)散等多重氣體運(yùn)移機(jī)制,建立了基質(zhì)非線性擴(kuò)散模型。進(jìn)一步通過(guò)隨機(jī)重構(gòu)頁(yè)巖基質(zhì),運(yùn)用多孔介質(zhì)分形理論和圖像識(shí)別技術(shù),提出了基質(zhì)微觀擴(kuò)散的均質(zhì)化方法,探討了有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙中的氣體運(yùn)移差異。(2)推導(dǎo)了一個(gè)新的頁(yè)巖氣藏分區(qū)三線性產(chǎn)能解析模型,明確了產(chǎn)氣率與多尺度運(yùn)移參數(shù)之間的關(guān)系�；诰�性流動(dòng)假設(shè),分別根據(jù)菲克第二擴(kuò)散定律、修正后的雙孔介質(zhì)模型以及多孔介質(zhì)滲流方程表征不同分區(qū)的頁(yè)巖氣滲流行為,通過(guò)拉普拉斯變換和泰勒級(jí)數(shù)簡(jiǎn)化得到了產(chǎn)能解析模型。模型定量評(píng)價(jià)了井底壓力,水力裂隙半長(zhǎng)、滲透率,游離和吸附指數(shù),基質(zhì)塊尺寸以及基質(zhì)納米孔隙尺寸對(duì)氣體產(chǎn)能的影響,揭示了多尺度運(yùn)移參數(shù)的協(xié)同機(jī)理。(3)建立了考慮離散裂隙網(wǎng)絡(luò)的多尺度流-固耦合數(shù)值模型,揭示了氣體生產(chǎn)過(guò)程中的滲流、應(yīng)力耦合演化規(guī)律。耦合基質(zhì)、離散天然裂隙以及含支撐劑水力裂隙的變形,將宏觀尺度上的局部不連續(xù)性轉(zhuǎn)變?yōu)樽泳W(wǎng)格尺度上的各向異性連續(xù)體,開(kāi)發(fā)了全耦合的裂隙等效連續(xù)的雙孔介質(zhì)模型。修正了滲透張量的準(zhǔn)確性,在合理描述裂隙頁(yè)巖體非均質(zhì)性的基礎(chǔ)上,有效地減少了計(jì)算量,用較少簡(jiǎn)單的網(wǎng)格描述裂隙滲流和變形的方向性,在模擬大尺度和復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)時(shí)具有顯著的優(yōu)越性,為裂隙頁(yè)巖氣藏的產(chǎn)能模擬提供了強(qiáng)有力的工具。(4)基于高效、可控的多參數(shù)優(yōu)化方法,實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣多尺度運(yùn)移協(xié)同作用影響采收率的定量評(píng)估。聯(lián)合多尺度流-固耦合數(shù)值模型與優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、響應(yīng)面方法,通過(guò)對(duì)七個(gè)多尺度運(yùn)移參數(shù)合理范圍的設(shè)定,建立了針對(duì)典型頁(yè)巖氣多級(jí)壓裂水平井的多參數(shù)優(yōu)化模型,參數(shù)優(yōu)化分別實(shí)現(xiàn)了短期和長(zhǎng)期頁(yè)巖氣采收率最大化。確定了這些參數(shù)中的關(guān)鍵影響因素,探討了基質(zhì)、天然裂隙和水力裂隙屬性的協(xié)同作用對(duì)頁(yè)巖氣采收率的影響。研究結(jié)果可為頁(yè)巖氣協(xié)同高效開(kāi)采設(shè)計(jì)提供參考。(5)提出了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層熱處理增產(chǎn)方法,闡明了增產(chǎn)過(guò)程中熱-流-固耦合作用機(jī)制。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,推導(dǎo)了頁(yè)巖氣溫度敏感的吸附模型以及熱誘導(dǎo)的基質(zhì)開(kāi)裂模型。以微波加熱為熱源,建立了熱-流-固耦合模型,揭示了氣體熱解吸和熱誘導(dǎo)開(kāi)裂對(duì)基質(zhì)孔隙度和擴(kuò)散率演化的影響機(jī)制,模擬評(píng)估了微波加熱增強(qiáng)頁(yè)巖氣采收效率。該模擬研究可為頁(yè)巖氣的可持續(xù)生產(chǎn)提供新思路以及理論計(jì)算方法和工具。
【圖文】：

1 緒論1緒論1 Introduction1.1 研究背景及意義（Research backgr2014 年底，《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（201國(guó)未來(lái)的能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，規(guī)劃涵蓋了能源安等多個(gè)方面，同時(shí)提出了“節(jié)約、清潔、安全”的效、安全、可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系。在保證常規(guī)了開(kāi)發(fā)海洋石油，重點(diǎn)突破非常規(guī)油氣。其中海域和南海深海油氣開(kāi)發(fā)，，而對(duì)于非常規(guī)油氣則特力求到 2020 年，煤層氣和頁(yè)巖氣產(chǎn)量分別達(dá)到三五”期間，探索出 條適合我國(guó)能源資源開(kāi)發(fā)

們基于分子動(dòng)力學(xué)理論，認(rèn)為分子間的碰碰撞頻率的比值分別為黏性流和克努森孔壁吸附層的表面擴(kuò)散，然而表面擴(kuò)散可不可忽略的（圖 1-3）。2012 年，Xiong得孔隙度以及游離相氣體傳輸?shù)目椎雷兏綄拥谋砻鏀U(kuò)散作用，對(duì)于總的氣體傳散的研究還不太成熟。2015 年，Wu 等[6慮了表面非均質(zhì)、等量吸附熱以及非等率和壓力、溫度正相關(guān)，與活化能、氣體米孔隙減小，進(jìn)而使得其滲透率降低，這質(zhì)具有典型的非均質(zhì)特性，有機(jī)質(zhì)干酪分布影響了對(duì)滲流機(jī)理的準(zhǔn)確評(píng)估。20吸附實(shí)驗(yàn)得到的頁(yè)巖基質(zhì)孔隙尺寸的雙孔隙尺寸分布特征，提出了 個(gè)隨機(jī)的考慮不同的因素，通過(guò)多種方法推導(dǎo)了IM
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TE37


本文編號(hào)：2692065