页岩气渗流中扩散影响机理分析
Advances in Porous Flow 渗流力学进展, 2014, 4, 10-18
Published Online March 2014 in Hans. https://www.360docs.net/doc/f01537197.html,/journal/apf
https://www.360docs.net/doc/f01537197.html,/10.12677/apf.2014.41002
Mechanism of Diffusion Influences to the
Shale Gas Flow
Yu Liu1, Changbin Wang1, Fuquan Song2*, Yunqian Long2
1Petroleum Engineering Institute, Northeast Petroleum University, Daqing
2College of Petrochemical and Energy Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan
Email: *fqsong2000@https://www.360docs.net/doc/f01537197.html,
Received: Jan. 13th, 2014; revised: Feb. 10th, 2014; accepted: Feb. 20th, 2014
Copyright ? 2014 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
https://www.360docs.net/doc/f01537197.html,/licenses/by/4.0/
Abstract
Considering the complex pore structure and the diffusion from the matrix system to the fracture system, the single phase flow model of natural gas is established, and one new diffusion coefficient formula is given in the paper. Finally the flow mechanism from the matrix to the fracture and the shale gas flow characteristics affected by the diffusion are analyzed. The results show that: the Darcy flow rate is proportional to the pressure gradient and permeability; and the Darcy flow mainly influences the flow in high pressure, but the diffusion obviously influences the gas flow in low pressure, the proportion of the diffusion flow rate is larger. With the increase of formation pressure, the diffusion flow rate decreases significantly. The diffusion flow rate has nothing to do with the permeability.
Keywords
Shale Gas; Seepage; Diffusion; Mean Pressure
页岩气渗流中扩散影响机理分析
刘禹1，王常斌1，宋付权2*，龙运前2
1东北石油大学石油工程学，大庆
2浙江海洋学院石化与能源工程学院，舟山
Email: *fqsong2000@https://www.360docs.net/doc/f01537197.html,
*通讯作者。
收稿日期：2014年1月13日；修回日期：2014年2月10日；录用日期：2014年2月20日
摘 要
基于页岩气藏复杂孔隙结构以及由基质系统向裂缝系统扩散现象，基于物理学理论，通过建立天然气单相流动模型，更加详细分析了页岩气从基质到裂缝的流动机理及扩散对页岩气流动的影响规律。分析表明：达西流动产生气体流量与压力梯度和渗透率成正比；高压条件下，渗流以达西流为主。在低压条件下，扩散产生气体流量所占比例较大；随着地层压力的增大，扩散作用明显减弱。扩散产生体积流量与渗透率大小无关。
关键词
页岩气；渗流；扩散；平均压力
1. 引言
目前，对页岩气从基质到裂缝的运移机理研究还没有明确的结论。以往的研究中，模拟裂缝或基质中的流体流动时，从基质到裂缝的运移，假设流体运移的主要贡献者是基质中的达西流，是由基质与裂缝间的压差产生的。因此，进一步讨论基质中的流动对更好地理解页岩基质对产量的贡献有重要意义。
页岩储层中孔隙的直径最低可到纳米级[1] [2]，与甲烷分子的直径接近。通过对Kundsen 数计算，气体在页岩储层中的流动已到了滑脱流区和过渡流区，因此需要考虑滑脱和扩散效应[3]。国外学者对此进行了大量研究，Roy S 和Raju R(2003)通过Ar ，N 2，O 2在孔径200 nm 的氧化铝过滤膜上的传质实验建立了气体在纳米孔中的扩散数学模型[4]；Javadpour F(2007)使用Roy S 和Raju R 的模型描述了页岩气在纳米孔中的扩散和渗流[1]；Sigal R 和Qin B(2008)用引入有效传递系数分析了页岩储层气体传质过程中自扩散作用的重要性[5]；Javadpour F(2009)建立了考虑克努森扩散和滑脱的页岩气渗流方程，并引出了视渗透率的概念[2]；Shabro V 和Javadpour F(2009)建立了气体在微纳孔隙介质中的有限差分传质模型[5]。
本文主要研究页岩气藏基质中扩散现象，基于物理学理论，通过建立天然气单相流动模型，更加详细分析了页岩气的流动机理及扩散对页岩气流动的影响规律。
2. 纳米孔中的气体扩散
分子的扩散是指：由于在分子的无规则热运动下，宏观上从浓度高的区域向浓度低的区域运动的过程，这是热力学熵增原理的表现。根据尺度不同，学者们根据克努森(Knudsen)数，将气体的扩散分为：Knudsen 扩散()10Kn >、过渡区扩散()0.0110Kn <<、Fick 扩散()0.01Kn <和表面扩散[6] [7]。克努森(Knudsen)数定义为分子自由程与特征尺度之比：
Kn d λ= (1)
式中Kn ——克努森数，无量纲；λ——分子自由程，m ；d ——孔隙直径，m 。
根据分子动力学理论，在理想气体中分子扩散系数公式为：
0.5
m 11833πRT D v M λλ
==
(2)
式中m D ——气体扩散系数，2m s ；v ——气体分子平均速度，m ；R ——气体常数，)3Pa m mol K ??；
T ——绝对温度，K ；M ——摩尔质量，kg 。
2.1. 克努森扩散
Knudsen 流动分析的最初目的是出于研究低压下稀薄气体的流动，1909年，Martin Knudsen 首次以分子流动的术语从理论和实验解释了低压下气体流动现象[8]：气体在多孔固体中扩散时，如果孔径小于气体分子的平均自由程，则气体分子对孔壁的碰撞，较之气体分子间的碰撞要频繁得多，称为Knudsen 扩散。Knudsen 扩散发生在低压下小孔隙(微米或者更小)的孔隙介质中。
根据分子动力学理论，当1Kn >时，气体的平均自由程就是孔道的直径，因此克努森扩散系数计算公式：
0.5
k 83πd RT D M =
(3)
2.2. 菲克扩散
Fick 扩散系数可由斯托克斯–爱因斯坦(Stokes-Einstein)方程计算。斯托克斯–爱因斯坦方程最初是计算液相中的分子扩散系数的半经验公式，特别适用于球形质点或分子在稀溶液中的扩散[6] [7]。Fick 扩散时，0.01Kn <，因此固体通道中Fick 扩散主要是流体分子之间的碰撞，与固体介质孔道壁面的碰撞较少，可近似于在纯气体中的情况，扩散系数即为理想气体的扩散系数：
0.5
f 183πRT D v M λ ==
(4)
式中f D ——Fick 扩散系数，2m s ；B K ——波尔兹曼常数，231.3810J K ?×；δ——气体分子直径，m ；p ——压力，Pa 。
其实，菲克扩散和克努森扩散实质上是相同的，都是宏观上分子的定向运动，只是克努森扩散受到通道壁面的影响。
2.3. 过渡区扩散
在过渡区(Transition)，扩散由Bosanquit 公式描述[9]，其由Knudsen 扩散和Fick 扩散综合而来[6]，即：
()
f ick
1
1
1
k
D
D
D ???=+ (5)
表1为不同压力和孔隙特征尺度下的克努森值，可知页岩气渗流中大部分的扩散都不属于克努森扩散，有部分情况属于Fick 扩散，另一些部分情况属于过渡扩散。
表2为不同压力和孔隙特征尺度下的k f ,D D D ,值：过渡区扩散的扩散系数与Fick 扩散的系数相差不大，所以在计算页岩气扩散因素时，显然过渡区扩散和Fick 扩散系数更准确一些。
从上面分析来看，克努森扩散、菲克扩散以及过渡区扩散本质上都是一致的，都是分子扩散在不同尺度下的不同表现。这里，我们给出一个在全尺度下统一的气体扩散系数公式：
0.511
8min 33πRT D v M d λ == ?
(6) 另外：由于对扩散机理理解的不同，部分文献得到了不恰当的结果，如文献[10]和[11]中，将气体平均自由程误认为是孔隙的直径(当作克努森扩散)。也有文献在分析页岩气渗流的特征时，将扩散系数当成
Table 1. Kn in different pressures and pore characteristic scales
表1. 不同压力和孔隙特征尺度下的克努森值
10 nm 0.59 0.12 0.059 0.029 0.020 0.015
20 nm 0.29 0.059 0.029 0.015 0.0098 0.0073
30 nm 0.20 0.039 0.020 0.0098 0.0065 0.0049
40 nm 0.15 0.029 0.015 0.0073 0.0049 0.0037
50 nm 0.12 0.023 0.012 0.0059 0.0039 0.0029
60 nm 0.10 0.020 0.0098 0.0049 0.0033 0.0024
70 nm 0.084 0.017 0.0084 0.0042 0.0028 0.0021
80 nm 0.073 0.015 0.0073 0.0037 0.0024 0.0018
90 nm 0.065 0.013 0.0065 0.0033 0.0022 0.0016
100 nm 0.059 0.012 0.0059 0.0029 0.0020 0.0015
20 nm 43.54, 9.86, 12.8 43.54, 2.41, 2.55 43.54, 1.24, 1.28 43.54, 0.63, 0.64 43.54, 0.42, 0.43 43.54, 0.32, 0.32
30 nm 65.31, 10.7, 12.8 65.31, 2.45, 2.55 65.31, 1.25, 1.28 65.31, 0.63, 0.64 65.31, 0.42, 0.43 65.31, 0.32, 0.32
40 nm 87.08, 11.1, 12.8 87.08, 2.48, 2.55 87.08, 1.26, 1.28 87.08, 0.63, 0.64 87.08, 0.42, 0.43 87.08, 0.32, 0.32
50 nm 108.85, 11.4, 12.8 108.85, 2.49, 2.55 108.85, 1.26, 1.28 108.85, 0.63, 0.64 108.85, 0.42, 0.43 108.85, 0.32, 0.32
60 nm 130.62, 11.6, 12.8 130.62, 2.50, 2.55 130.62, 1.26, 1.28 130.62, 0.63, 0.64 130.62, 0.42, 0.43 130.62, 0.32, 0.32
70 nm 152.39, 11.8, 12.8 152.39, 2.51, 2.55 152.39, 1.26, 1.28 152.39, 0.63, 0.64 152.39, 0.42, 0.43 152.39, 0.32, 0.32
80 nm 174.16, 11.9, 12.8 174.16, 2.51, 2.55 174.16, 1.27, 1.28 174.16, 0.64, 0.64 174.16, 0.42, 0.43 174.16, 0.32, 0.32
90 nm 195.93, 12.0, 12.8 195.93, 2.52, 2.55 195.93, 1.27, 1.28 195.93, 0.64, 0.64 195.93, 0.42, 0.43 195.93, 0.32, 0.32
100 nm 217.70, 12.1, 12.8 217.70, 2.52, 2.55 217.70, 1.27, 1.28 217.70, 0.64, 0.64 217.70, 0.42, 0.43 217.70, 0.32, 0.32 定值[12]，未考虑扩散系数是随压力变化的，给扩散系数直接赋值，这样的分析肯定是不妥的。
2.4. 表面扩散
所谓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的现象。页岩干酪根和泥岩表面都吸附着大量气体，2009年Fathi和Akkutlu [13]指出表面扩散可能是页岩气重要的运移机制，但是目前还没有相关数学模型来描述该机制。表面扩散类似于固体中的扩散，由于固体表面的吸附力的束缚，表面扩散对页岩气渗流的影响远远小于游离气的扩散，因此在页岩气渗流中一般没有考虑。
3. 扩散流动对页岩气渗流的影响
3.1. 考虑扩散的页岩气渗流模型
页岩储层中的扩散作用是指在浓度差的作用下，游离相天然气从高浓度区域向低浓度区域运动，即天然气由基质向裂缝系统进行扩散，当区域浓度平衡时，扩散现象停止[14]。
达西流动产生的气体体积流量为：
1
kA
q p μ
=? (7)
式中1q ——达西流体积流量，3m s ；k ——渗透率，2m ；A ——流动截面积，2m ；μ——流体粘度，
Pa s ?；p ?——压力梯度，Pa m 。
由扩散引起的气体体积流量为：
2
MDA
q p ρ
=? (8)
式中2q ——扩散产生体积流量，3m s ；ρ——气体密度，3kg m ；C ——气体浓度，3mol m ；l ——流动长度，m 。
对于真实气体，C M
ρ
=
，pM
ZRT ρ=
，式中Z ——气体压缩因子，无量纲。 假设Z 为常数，则公式(2)变形为：
2
DA
q p p
=? (9) 则考虑扩散时，气体体积流量公式为：
121k D q q q A p k p μμ =+=
+?
(10) 式中q ——考虑扩散作用的气体流量，3m s 。
3.2. 平均压力对扩散的影响
由于页岩气主要成分是甲烷，因此模型计算中所选气体为甲烷，选取页岩储层物性参数数据，计算压力梯度分别为0.1，0.5，1MPa/m 时页岩基质随着储层压力降低其气体的流量变化。其中的关键参数是：
30.01510Pa s μ?=×? [15]，1520.00510m k ?×，2100m A =，316.0410kg mol M ?=×，
)38.314Pa m mol K R =??，323K T =，0.414nm δ=，10nm d =。
由公式(6)计算出随压力变化的扩散系数，如图1所示：气体扩散系数随着压力的增加而逐渐减小。 根据此数学模型及相关页岩参数，计算得到压力梯度分别为0.1，0.5，1 MPa/m 时，不同压力下Knudsen 扩散引起体积流量变化曲线和甲烷分子扩散流动的分配系数变化曲线。
由图2可知：储层在压力较低的情况下，气体渗流受扩散效应影响较强，而在储层压力较高的情况下扩散效应不明显。达西、扩散产生体积流量均与压力梯度成正比，即压力梯度越大，流量越大。
由图3可知，在储层压力较高时，甲烷气体分子扩散流动流量分配系数很低，气体分子以达西流动为主，随储层压力下降扩散流动分配系数增加。与相关文献曲线趋势相同[16]。
从公式(4)和图3可以看出，压力梯度也不影响扩散因素对达西流的影响，所以在图4中，无论压力梯
d i f f u s i o n c o
e
f f i c i e n t (10-7m 2/s )
mean pressure(MPa)
Figure 1. The diffusion coefficient D change with mean pressure 图1. 扩散系数D 随平均压力变化
Figure 2. The diffusion flow change with reservoir pressure 图2. 扩散产生流量随储层压力变化
Figure 3. The distribution coefficients of diffusion flow 图3. 扩散流动分配系数
度等于多少(在合理的范围内)，扩散分配系数图都是重合的。
3.3. 压力梯度对扩散的影响
将页岩储层物性参数数据代入公式(2)和(4)，分别计算1MPa p =，5MPa p =和10MPa p =时流量随压力梯度的变化关系，并制图如下：
从图4可以看出：平均压力不影响达西体积流量，因此在图4中，压力1、5、10 MPa 下，达西流曲线重合。压力梯度不影响扩散和达西流在渗流流量中的比例，并随压力梯度的增大，各流量成比例增大。
3.4. 渗透率对扩散的影响
将页岩储层物性参数数据代入公式(2)和(4)，分别计算1MPa p =，5MPa p =和10MPa p =时流量随渗透率的变化关系，如图5所示：图5为不同压力梯度下渗透率影响的扩散流量和达西流量的变化，由
Figure 4. The volume flow change with pressure gradient 图4. 体积流量随压力梯度变化
Figure 6. The flow distribution contrast in different permeabilities
图6. 渗透率不同条件下流量分配对比
图5可知，达西体积流量均随着渗透率增大而增大；扩散产生体积流量与渗透率大小无关，这也可以从公式(4)中看出。
图6为渗透率影响的流量分配的变化，由图可知：扩散流占比随渗透率、平均压力的增大而减小。
4. 结论
本文首先分析了页岩气扩散的机理和种类，继而分析了页岩气流动中扩散的影响。可得出以下结论：
1) 扩散主要在低压下影响页岩气的渗流：在低压条件下，扩散产生气体流量所占比例较大，随着地层压力的增大，扩散作用明显减弱；扩散产生体积流量随压力梯度增大而增大，与渗透率大小无关。
2) 达西流动产生气体流量与压力梯度和渗透率成正比；高压条件下，渗流以达西流为主。
3) 扩散系数与页岩气藏的平均压力和孔径半径密切相关，分子自由程不能简单用孔隙直径表示。基金项目
国家重点基础研究发展计划(2013CB228002)。
参考文献(References)
[1]Javadpour, F., Fisher, D. and Unsworth, M. (2007) Nanoscale Gas Flow in Shale Gas Sediments. Journal of Canadian
Petroleum Technology, 46, 55-61.
[2]Javadpour, F. (2009) Nanopores and Apparent Permeability of Gas Flow in Mudrocks (Shales and Siltstone). Journal
of Canadian Petroleum Technology, 48, 16-21.
[3]Sondergeld, C.H., Newsham, K.E., Comisky, J.T., et al. (2010) Petrophysical Considerations in Evaluating and Pro-
ducing Shale Gas Resources. Society of Petroleum Engineers, Pittsburgh.
[4]Roy, S., Raju, R., Chuang, H.F., et al. (2003) Modeling Gas Flow through Microchannels and Nanopores. Journal of
Applied Physics, 93, 4870-4879.
[5]Sigal, R.F. and Qin, B.F. (2008) Examination of the Importance of Self Diffusion in the Transportation of Gas in Shale
Gas Reservoirs. Petro Physics, 49, 301-305.
[6]陈晋南(2004) 传递过程原理. 化学工业出版社, 北京.
[7]时钧(1996) 化学工程手册. 化学工业出版社, 北京.
[8]Steckelmacher, W. (1986) Knudsen Flow 75 Years on: The Current State of the Art for Flow of Rarefied Gases in
Tubes and Systems. Reports on Progress in Physics, 49, 1083-1107.
[9]近藤精一(2006) 吸附科学. 化学工业出版社, 北京.
[10]姚同玉, 黄延章, 李继山(2012) 页岩气在超低渗介质中的渗流行为. 力学学报, 44, 990-995.
[11]李治平, 李智锋(2012) 页岩气纳米级孔隙渗流动态特征. 天然气工业, 32, 50-53.
[12]于荣泽, 张晓伟, 卞亚南, 等(2012) 页岩气藏流动机理与产能影响因素分析. 天然气工业, 32, 10-15.
[13]Fathi, E. and Akkutlu, I.Y. (2009) Matrix Heterogeneity Effects on Gas Transport and Adsorption in Coalbed and
Shale Gas Reservoirs. Transport in Porous Media, 80, 281-304.
[14]Sampath, K. and Keighin, C.W. (1982) Factors Affecting Gas Slippage in Tight Sandstones of Cretaceous Age in the
Uinta Basin, SPE9872.
[15]API RP 27 (1956) Recommended Practice for Determining Permeability of Porous Media. 3rd Edition, API, Washing-
ton DC.
[16]高树生, 于兴河, 刘华勋(2012) 滑脱效应对页岩气井产能影响的分析. 开发工程, 31, 55-58.
页岩气渗流及应用
页岩气渗流及应用 1 页岩气概述 随着世界各国对于煤、石油、天然气等化石能源需求的不断攀升，页岩气、致密气、煤层气等非常规能源，作为常规能源的重要补充，逐渐进入人们的视野。 页岩气是以多种相态存在，主体上富集于泥页岩（部分粉砂岩）地层中的天然气聚集。页岩气藏中的天然气不仅包括了存在于裂缝中的游离相天然气，也包括了存在于岩石颗粒表面上的吸附气。页岩气与其他类型天然气的显著差别在于，其具有典型的“自生自储”特点。全球对页岩气的勘探开发并不普遍，仅美国和加拿大在这方面做了大量工作。近十年来，美国页岩气行业发展迅速，目前已进入页岩气开发的快速发展阶段，加拿大页岩气商业化开采还处于起步阶段。页岩气在美国已经成为天然气家族中的重要成员，正广泛应用于燃气化工、汽车燃料等方面。作为一个新兴的非常规能源，页岩气资源的勘探开发需要大量技术、资金和人员投入。 我国页岩气资源的勘探开发刚刚起步，经验匮乏，技术不成熟，实现页岩气资源的规模开发还有很长的路要走。北美页岩气开发的成功经验和先进技术非常值得我们借鉴和参考。 目前，世界上对页岩气的研究并不普遍,只有美国和加拿大对此做过大量工作，特别是美国，对国内的5大页岩气盆地进行了十分系统的研究工作，在页岩气勘探开采方面取得了很大的突破，积累了丰富的经验。我国对页岩气的研究与勘探开发还处于探索阶段。20世纪60—90年代,在页岩油藏有所发现的基础上，部分学者对页岩气藏做过一定的探讨。近2年，张金川等国内学者相继发表了一些关于页岩气方面的著作，将为我国的油气勘探打开新的局面。 据国家工程院预测，我国原油供给的对外依存度到2020年将达到55%，天然气供需缺口2010年为200×108m3，2020年将达到800×108m3。而我国天然气勘探开
页岩气特点及成藏机理
页岩气特点及成藏机理 ---陈栋、王杰页岩气作为一种重要的非常规油气资源，随着能源资源的日益匮乏，作为传统天然气的有益补充，其重要性已经日益突出。随着国家新一轮页岩气勘探开发部署的大规模展开，正确认识和掌握页岩气的成因、成藏条件等知识，对于今后从事页岩气现场录井的工作人员提高录井质量具有较好的指导意义。 1.概况 页岩气（shale gas）是赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，与“煤层气”、“致密气”同属一类。其形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布较广的页岩烃源岩地层中。 2.特点 2.1 页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于暗色泥页岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气，它可以生成于有机成因的各种阶段天然气主体上以游离相态（大约50％）存在于裂缝、孔隙及其它储集空间；以吸附状态（大约50％）存在于干酪根、粘土颗粒及孔隙表面，极少量以溶解状态储存于干酪根、沥青质及石油中天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中为天然气生成之后，在源岩层内的就近聚集表现为典型的原地
的有利目标。页岩气的资源量较大但单井产量较小，美国页岩气井的单井采气量为2800-28000m3/d。 2.5 在成藏机理上具有递变过渡的特点，盆地内构造较深部位是页岩气成藏的有利区，页岩气成藏和分布的最大范围与有效气源岩的面积相当。 2.6 原生页岩气藏以高异常压力为特征，当发生构造升降运动时，其异常压力相应升高或降低，因此页岩气藏的地层压力多变。 2.7 页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点—-大部分产气页岩分布范围广、厚度大，且普遍含气，使得页岩气井能够长期地稳定产气。但页岩气储集层渗透率低，开采难度较大。 3.成因 通过对页岩气组分特征、成熟度特征分析，页岩气是连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合。生物成因气是有机物在低温下经厌氧微生物分解作用形成的天然气；热成因气是有机质在较高温度及持续加热期间经热降解和裂解作用形成的天然气。相对于热成因气，生物成因的页岩气分布极限，主要分布盆地边缘的泥页岩中，在美国研究比较深入的五个盆地的五套页岩中，密执安盆地和伊利诺斯盆地发现了生物成因的页岩气藏，并且是勘探目标中的主要构成(Schoell，1980；Malter 等，2000)。 3.1 生物成因
扩散原理及技术介绍
扩散原理及技术介绍 袁泽锐 2011.01.17
主要内容 扩散的微观规律 扩散的宏观规律 扩散对电性能的影响 扩散对晶体缺陷的影响 2
一、扩散的微观规律 扩散和布朗运动 扩散机制 晶体中的扩散 晶格原子的扩散 影响扩散系数的因素 3
1.1 扩散和布朗运动 布朗运动又称热运动，不仅在气体和液体中有，在固体中也同样存在；在固体中原子不断地从一个平衡位置跃迁到另一个平衡位置。例如，1223K时碳原子在 γ-Fe中每秒钟要跃迁1010次。 在晶格中原子每次跃迁的距离就是该方向上的原子间距a。一个原子经过多次跃迁才出现一个净位移，如下图所示。但单位时间内原子跃迁的次数愈多造成较大净位移的可能性愈大，或者说回到原来位置的可能性愈小。 所以可以认为单位时间内的净位移愈大，表征布朗运动愈 强烈。这种净位移的大小与浓度梯度的存在与否无关。没 有浓度梯度时原子的布朗运动照样存在，只是不出现定向 扩散流。 4
5 平均平方位移 各原子净位移，从统计观点看，由于有正有负，加起来为零。为了表征布朗运动的强弱，特引入平均平方位移。 平均平方位移的计算方法为：把每个杂质原子净位移的平方加起来再除以杂质原子总数。表示如下： 2222 12N X X X X N +++= 每个杂质原子平方位移和每次跃迁的关系式为： ()1 2 22121 11 2n n n i n j j k j j k j X s s s s s s ?===+=+++=+∑∑ ∑ 上式中，不可能为零，所以n 愈大，愈大，即的大小反映了布朗 运动的强弱。 2j s 2i X 2 X
气水两相流实验研究
气水两相流实验研究 李义贤 辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新（123000） E-mail：lee022@https://www.360docs.net/doc/f01537197.html, 摘要：煤层甲烷气藏是一种压力闭圈气藏。煤层气-水的渗流过程只是为研究其在煤层中吸附全过程的第一步，是开采煤层气的重要环节。本文在前人的基础上，对煤样进行气-水两相流的实验研究，通过改变煤体压力（围压、轴压、孔隙压）测得不同饱和度下的通过的气体和水的流量以得出煤体的渗透率。通过实验得出在围压、轴压固定的情况下，单相流通过多孔介质时符合的二次函数规律，并且渗透率随着孔隙压的增加而增加。本文的重点将放在对煤样施加不同围压时煤样的渗透规律以及煤体的相对渗透规律的研究,分析其渗透规律，进而了解煤体结构特征，为搞清煤体内部结构特性和煤层气（水）在煤层中流动机理奠定了基础。为进行煤层气的开发、开采提供理论依据。 关键词：轴压；围压；孔隙压；饱和度；渗流 中图分类号：TD 1. 引言 煤层气是赋存于煤层中的烃类气体，是一种高效的洁净能源，热值和成分与天然气相近，几乎不含硫化物，是常规天然气的重要接替能源。在世界范围内其储量十分丰富，总储量超过天然气。目前，我国对天然气需求的增长每年保持在15%以上，发展速度远远超过石油、煤炭。据预测，我国到2010年天然气需求量将达到1000亿立方米以上，2020年需求量将达到2000亿立方米，而目前的天然气储量尚不能满足要求，煤层气将成为天然气资源的必要补充。 瓦斯的主要成分为甲烷，是一种具有强烈温室效应的气体，其温室效应为二氧化碳的22倍。据测算，所有人类活动造成的温室效应中，20%是由甲烷引起的，而我国煤矿的甲烷占全球的35%以上，相当于荷兰全国所有温室气体的总排放量。 长期以来煤层气一直被作为煤矿生产的一种主要灾害来对待，直到20世纪70年代美国在黑勇士、圣胡安盆地煤田进行的煤层气地面开发实验的成功，才真正揭示了这一新型洁净能源的潜在经济效益和广阔前景。20余年来，从事煤层气的勘探开发与科研活动的国家和地区将近30个，只有美国实现了产业化。我国煤层气勘探开发起步较晚，从50年代开始，到70年代末，主要目的是为了减少煤矿瓦斯灾害而进行的煤矿井下瓦斯抽放和利用。瓦斯、煤尘爆炸事故在煤矿重大恶性事故中一直占有很大比重，是煤矿安全生产的最大威胁。它直接造成大量人员伤亡和巨大的经济损失。因此，煤炭部门一直把防治煤矿瓦斯灾害作为煤矿安全工作的重点[1]。 煤层气的开发利用具有一举多得的功效：提高瓦斯事故防范水平，具有安全效应；有效减排温室气体，产生良好的环保效应；作为一种高效、洁净能源，产生巨大的经济效益，在一定程度上改善我国的能源结构。 关于气-水两相流的相关报道大部分是关于石油开采的，而对于煤层中的气-水两相问题还很少有人研究，对此的相关报道也不多见，在高围压条件下的气-水两相问题的相关报道更是微乎其微。本文就是要通过实验了解煤层气（水）层的压在高围压条件下的渗流规律，为我国煤层气的开采做出微薄的贡献。 由国内外研究现状，我们发现了许多问题和不足之处，本文的工作就是针对气-水渗流问题展开实验，其主要内容如下： 1）低压力（围压、轴压、孔隙压）条件下，依据实验测得数据得出煤体的绝对渗透率
渗流力学第七章油水两相渗流理论
7.1 油水两相不稳定渗流数学模型 ............................................................................... 175 7.2 水驱油稳定渗流理论 .. (178) 7.2.1 边水水驱稳定渗流理论 .................................................................................. 179 7.2.2 注采井稳定渗流理论 ...................................................................................... 181 7.3 分流方程式 (183) 7.4 平面单向流等饱和度平面移动方程的应用 (187) 7.5 平面单向流两相混合带的压力 ............................................................................... 189 7.6 平面径向流等饱和度平面移动方程的应用 .. (190) 7 油水两相渗流理论 7.1 油水两相不稳定渗流数学模型 在有边水、底水、夹层水或上层水的油气田中都存在油水两相渗流。为了保存地层能量，为了确保长期高产、稳产和提高油田的最终采收率，我国采用注水采油。在注水采油的油田，都存在油水两相渗流。 多孔介质中一种流体驱替另一种流体时，两种流体之间存在一个明显的分界面，因而驱替过程中，分界面象活塞一样向前移动。这种驱替方式称为活塞式驱替piston-like displacement 。活塞式驱油忽略油水性质的差异, 油水接触面将垂直于流线均匀地向井排移动，含水区和含油区是截然分开的, 水推进到含油区后，将孔隙中可以流动的油全部驱出。 实际上，油水性质差异很大，特别是油水的粘度差别很大的，必须认真考虑油水性质的差别对渗流的影响。 实际上由于油水粘度差、毛细管现象、油水重率差以及地层本身非均质性等因素的影响，水渗入到油区后，不可能把全部的石油都置换出去。储集层中由于存在岩层的微观非均质性，并且由于流体性质差异及毛细管现象的影响，当一种流体驱替另一种流体时，出现两种流体混合流动的两相渗流区，这种驱替方式称为非活塞式驱替non-piston-like-displacement 。在非活塞式水驱油时，从供给边界到生产井排之间可以分为三个区，即纯水区、油水混合区和纯油区。混合区逐渐扩大到生产井排。 图7.1.1 活塞式驱动 图7.1.2 非活塞式驱动 天然能量已衰竭或用注气、注水法采油后(或注水，注气同时)，运用更复杂的物理化学技术改变或改善其排出机理，从而提高采收率enhanced oil recovery (EOR)。也称强化开采 最终采出油量占原始地质储量的百分率称为采收率 recover efficiency ，以E R 表示。 一个油藏或一个开发区不含水时累积采油量与该油藏或开发区的地质储量之比称为无水采收率 water-free of recovery 。 油藏经各种方法开采后，最终采出的总采油量占原始地质储量的百分率称为最终采收率 ultimate recovery 。 采收率等于驱油效率与波及系数的乘积。 由天然的或人工注入的驱替剂波及范围内所驱替出的原油体积与波及范围内的总含油体积的比值称为驱油效率 oil displacement efficiency ，以E D 表示。 累积注水量与累积产水量之差除以油层有效孔隙体积的商称为注入水体积波及系数 sweep volume of injected water,即油层水淹部分的平均驱油效率，又称扫及体积系数。 天然的或人工注入的驱替剂波及的部分油藏体积s V 与整个油藏含油体积V 的比值称为体积波及系数 volumetric sweep efficiency ，以V E 表示。 注入的驱油流体(包括天然的和人工的)在平面上波及的油藏部分的面积s A 与油藏整个含 油面积A 的比值称为平面波及系数 area sweep efficiency ，以E A 表示。 注入流体(包括天然的和人工的)在垂向上波及的部分油藏厚度s h 与油 藏垂向厚度h ，的比值称为垂向波及系数 vertical sweep efficiency ，以E z 表示。
《页岩气——未来能源世界的“主导者”》初中说明文阅读题及答案
《页岩气——未来能源世界的“主导者”》初中说明文阅读题及答案 《页岩气——未来能源世界的“主导者”》初中说明文阅读题及答案 ⑴随着世界各国对于煤、石油、天然气资源的需求不断攀升，能源供给压力日益增大。作为常规能源的重要补充，页岩气等非常规能源逐渐进入人们的视野。 ⑴页岩气，多赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式，成分以甲烷为主，是一种非常规天然气，大部分产气页岩分布范围广、厚度大，且普遍含气，这使得页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点。 ⑴我国富有机质页岩分布广泛，南方地区、华北地区和新疆塔里木盆地等发育海相页岩，华北地区、准噶尔盆地、吐哈盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地和松辽盆地等广泛发育陆相页岩，具备页岩气成藏条件，资源潜力较大。根据中国石油经济技术研究院发布的《2012年国外石油科技发展报告》显示，全球总的页岩气技术可采资源量为187万亿立方米，其中中国为36．08亿立方米，约占总量的20%，排名世界第一。 ⑴虽然我国页岩气开发起步晚，但国家高度重视，国土资源部将其作为新矿种进行管理，国家先后于2012、2013年发布了《页岩气发展规划（2011–2015年）》、《页岩气开发利用补贴政策》及《页岩气产业政策》，从国家政策层面对这一新能源勘探、开发、利用加以支持。 ⑴目前，天然气在我国一次能源消费中所占的比重较低，仅为4%左右，较世界平均水平低了近20个百分点。按照规划，“十二五”期间，天然气在我国一次能源消费中的比重将上升到8%–12%。页岩气这种新能源，可以成为弥补我国常规天然气供给不足的有力补充。 ⑴国内相关企业、科研院校已经成立了专门机构，研究页岩气生成机理、富集规律、储集和保存条件，探索页岩气水平井钻完井和多段压裂技术，并与壳牌等多家外国公司开展合作开发与联合研究。 ⑴作为一种新兴的非常规能源，页岩气资源的开发需要大量技术、资金和人员投入。而我国页岩气资源的开发刚刚起步，经验匮乏，技术不成熟，这些因素都在一定程度上制约着国内页岩气产业的发展。我国页岩气资源的规模开发还有很长的路要走。 1.文中的划线句使用了哪两种说明方法？他们的作用是什么？（2分） 2.第三段最后一句中的加点字“约”能否删去？为什么？（2分） 参考答案： 1.列数字和作比较。（1分）准确具体地说明了我国天然气消费比重较低（1分) 2.不能（不写扣0．5分，写不得分）。约字表示估计，大概的意思，文中的20%并不是一个确数，而是引用数据时进行的一个估计（1分），假如删去就变成了一个有事实依据的确数，与实际情况不符（0．5分），因此不能删去，约一字体现了说明文语言的准确性。（0．5分）
四 中国页岩气选取及标准
中国页岩气前景评价 1.中国页岩气成藏条件分析及勘探方向 页岩气的勘探开发始于美国，自从1821年在美国纽约Chautauqua县的第一口工业性天然气钻井在泥盆系Dunkil’k页岩(8m深度时产出裂缝气)中发现页岩气，至今已经有180多年历史，尤其是20世纪80年代以来，由于认识到了页岩气吸附机理，美国页岩气的勘探开发得到了快速发展。2006年美国拥有超过39500口页岩气井，页岩气产量达到了7245×108ft3 (204×108m3)，占美国总天然气产量的8％，页岩气总资源量估计在500～600×1012ft3范围内，是已投入工业性开发的三大非常规天然气类型(即致密砂岩气或称根缘气、煤层气、页岩气)之一，成为重要的天然气替代能源。近年来，加拿大、澳大利亚、俄罗斯等国也相继开展了页岩气的勘探和研究工作，但目前，除了美国以外还没有见到有关页岩气商业化开采的报道(T．Ahlbrandt，2001)，其原因要么是对页岩气的资源潜力和经济价值的认识不足，要么是页岩气井的产量和回收期未达到商业化标准，而不是缺乏潜在的产气泥页岩系统。随着世界能源消费量的猛增和供需矛盾的日益突出，非常规天然气资源引起了普遍重视，不少国家将页岩气、煤层气、油砂、油页岩等非常规油气资源的勘探开发提上了重要议事日程，将其列为2l世纪重要的补充能源，加大了勘探开发和综合利用力度。 自20世纪60年代以来，在中国东部的油气勘探中，陆续发现了一些泥页岩裂缝型油气藏(如四川盆地下古生界、沁水盆地上古生界泥页岩在钻井过程中气测异常强烈，甚至发生井喷)，只是作为常规油气勘探中的一些局部发现，并未引起足够的重视，研究不够深入，没有认识页岩气的吸附机理，页岩气的勘探开发没有实现突破。近年来，中国一些学者受美国页岩气成功开发的启示，加强了页岩气的形成条件和成藏机理研究，但是针对页岩气的勘探工作还未展开。目前，中国石油、中国石化针对页岩气相继开展了一些区域性、局部性的基础研究工作，取得了一些的研究成果，初步展示了中国页岩气勘探巨大的资源潜力。页岩气是目前经济技术条件下，天然气工业化勘探的重要领域和目标，页岩气勘探一旦突破并形成产能，将对缓解中国油气资源接替的压力具有重大而深远的意义。 一、页岩气藏特征及成藏机理 页岩气，以及煤层气、致密砂岩气、溶解气、天然气水合物通称为非常规天然气资源，与常规天然气相比，页岩气在成藏条件及成藏机理等方面既有相似之处，又有不同点。John B．unis认为页岩气系统基本上是生物成因、热成因或者二者混合成因的连续型天然气聚集，页岩气可以是储存在泥页岩天然裂隙和粒间孔隙内的游离气，也可以是干酪根和页岩黏土颗粒表面的吸附气或是干酪根和沥青中的溶解气。中国学者张金川等(2004)认为页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集，为天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果，表现为典型的“原地”成藏模式。从某种意义来说，页岩气藏的形成是天然气在烃源岩中大规模滞留的结果。我们通过对国内外关于页岩气形成及聚集方式描述的分析，从成因、赋存机理两方面说明页岩气的概念、含义。页岩气是由泥页岩(作为烃源岩)连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合，在页岩系统(作为储集岩)中以吸附、游离或溶解方式赋存的天然气。页岩系统包括：页岩及页岩中呈夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，甚至砂岩。 页岩气藏的特征体现在生成、运移、赋存、聚集、保存等方面：(1)早期成藏。页岩气的生烃条件及过程与常规天然气藏相同，泥页岩的有机质丰度、有机质类型和热演化特征决定了其生烃能力和时间，但是页岩气边形成边赋存聚集，不需要构造背景，为隐蔽圈闭气藏； (2)自生自储，泥页岩既是气源岩层，又是储气层，页岩气以多种方式赋存，使得泥页岩具有普遍的含气性；(3)页岩气运移距离较短，具有“原地”成藏特征；(4)对盖层条件要求没有
多孔电极中的气水两相微观渗流
多孔电极中的气水两相微观渗流1) 周 平 * 吴承伟 *，2) *（工业装备与结构分析国家重点实验室，大连理工大学运载工程于力学学部，大连，116024） 摘要本文基于微流体流动的基本理论, 采用Lattice Boltzmann 方法，对燃料电池气体扩散层多孔介质 内的液滴变化过程进行了数值模拟，揭示了微液滴在多孔电极中的形成、长大、聚集和传输机理与规律, 提 出仅仅控制疏水纤维所占的比例的传统方法不能从根本上改变液态水在气体扩散层中的传输能力，研究表 明，疏水化处理方式也就是疏水纤维的分布形式对液态水传输有决定性影响。液态水的分布形态主要取决 于气体扩散层的微观结构，但在不同润湿性能纤维区域的连接处，其形态一定程度受到纤维润湿性能的影 响。这些结论对研制高性能的多孔电极具有指导意义。 关键词燃料电池，多孔电极，两相流 引 言 燃料电池是直接将氢气和氧气的化学能转换为电能的电化学装置。由于最终产物只有水，燃料电池是非常环保的发电装置。尤其是质子交换膜燃料电池由于结构紧凑、启动快、效率高、无噪音、工作温度低等优点，不仅被认为是现代环保汽车的最佳动力源，而且是潜艇等需要高隐蔽性能等军事武器装备的理想动力源之一。 多孔电极是质子交换膜燃料电池的重要部件之一，它由气体扩散层和催化层组成。其中气体扩散层是最关键的功能结构材料，它一般是由随机分布的碳纤维或正交编织的碳纤维束组成的高孔隙度材料，厚度在100-300μm左右，具有较高的电导率和渗透性能。气体扩散层不但可以和催化剂有效结合，而且更重要的作用是将“燃料”（阴极中的氧气或空气和阳极中的氢气）从外部储气设备输送至催化层发生电化学反应并将反应产物（水）和未反应完的气体排出电极。 所有质子交换膜燃料电池多孔电极的理论分析模型都涉及到多孔介质内两相流传输问题。两相流模型主要用来分析气体扩散层内的液态水平衡问题，也就是通常所说的水管理技术——一项影响燃料电池性能和寿命最关键的技术难题。过多的含水量会阻碍燃料气体的传输，而当含水量太少，质子交换膜的质子传导能力下降，会导致电极的电化学反应无法进行，如何平衡水的分布是燃料电池正常运转的关键。传统的宏观均匀化结合非饱和流理论的分析方法高效、简单，过去已经被大量使用。但是这种基于宏观尺度的分析方法无法揭示两相流在多孔介质内部传输的本质，因而不能指导气体扩散层微结构设计。由排水困难所经常产生的水淹问题长期得不到很好解决，这一问题已成为燃料电池电极设计最棘手的问题之一。 Paganin等[1]在他们的实验研究中发现15wt% PTFE 含量的气体扩散层可以获得最佳的性能。Jordan 等[2]通过对燃料电池性能的实验测试比较提出气体扩散层的形态也是决定其性能的重要因素。气体扩散层内通常都是不同尺寸孔隙共存，并且有着不同的润湿性能[3]。这些特点在水的传输过程中扮演什么样的角色，如何控制这些参数已达到最佳的性能是亟待研究的问题。了解扩散层内水传输机理可以用来指导设计气体扩散层的微结构和疏水处理方法。Lee等[4] 提出扩散层内的孔径分布特性要比孔隙度更为重要，因为微孔的体积控制着气液传输模式。 传统的宏观均匀化方法借助平均孔隙度和渗透系数来分析流体在多孔介质内部的运动[6][7]。这 1)国家自然科学基金（10672035,10721062, 10802019）资助 2) E-mail: cwwu@https://www.360docs.net/doc/f01537197.html,
中国页岩气形成机理 地质特征及资源潜力
中国页岩气形成机理地质特征及资源潜力 摘要：页岩气是以自生自储为主的非常规天然气，是油气资源中的新型矿种。 由于页岩气储层低孔低渗，要实现大规模开采必须克服许多理论和技术上的难题。本文分析中国页岩气基本特征、形成机理与富集条件、面临的难题等, 对中国页 岩气资源潜力进行预测, 以期为中国页岩气的研究和勘探开发提供依据。 关键词：非常规油气 ;页岩气;源岩油气 页岩气是一种潜在资源量非常巨大的非常规天然气资源，具有含气面积广、 资源量大、开采技术要求高、生产寿命长、稳产周期长等特点。近年来，严峻的 能源紧张形势使页岩气资源在世界范围内受到了广泛的关注。 一、页岩气勘探开发现状 油气工业的发展主要历经构造油气藏、岩性地层油气藏、非常规油气藏三个 阶段。油气藏分布方式分别有单体型、集群型、连续型三种类型。从构造油气藏 向岩性地层油气藏转变是第一次理论技术创新,以寻找油气圈闭为核心;从岩性地 层圈闭油气藏向非常规连续型油气藏转变是第二次理论技术创新或革命,以寻找有 利油气储集体为核心,致密化“减孔成藏”机理新论点突破了常规储集层物性下限与 传统圈闭找油的理念。随着勘探开发技术不断进步,占有80%左右资源的非常规油气，如页岩气、煤层气、致密气、致密油、页岩油等已引起广泛关注,并得到有效 开发, 在油气储产量中所占比例也逐年提高。传统观点仅认识到页岩可生油、生气,未认识到页岩亦可储油、储气,更未认识到还能聚集工业性页岩油、页岩气。 近年来,典型页岩气的发展尤为迅速,地质认识不断进步,优选核心区方法、实验分 析技术、测井评价技术、资源评价技术、页岩储集层水平井钻完井、同步多级并 重复压裂等先进技术获得应用, 形成“人造气”是页岩气快速发展的关键因素。页岩气突破的意义在于: 突破资源禁区,增加资源类型与资源量。 2、挑战储集层极限,实现油气理论技术升级换代,水平井多级压裂等核心技术，应用于其他致密油气等非常规和常规油气储集层中更加经济有效,可大幅度提高油 气采收率。 3、带动非常规油气技术发展,推动致密油气、页岩油等更快成为常规领域。 二、中国富有机质页岩特征 源岩油气是一种新资源类型, 包括页岩油、页岩气、煤层气等,自生自储,主要 产自源岩内储集层中。页岩是由粒径小于0.0039 mm的细粒碎屑、黏土、有机质 等组成,具页状或薄片状层理、易碎裂的一类沉积岩,也称为细粒沉积岩。页岩气 是指从富有机质黑色页岩中开采的天然气,或自生自储、在页岩纳米级孔隙中连续 聚集的天然气。中国三类富有机质页岩泛指海相、海陆交互相及陆相页岩和泥岩, 重点指含油气盆地中的优质泥质烃源岩,图中为依据中国页岩发育的层系和分布特 点编制的三类页岩分布图。中国南方地区海相页岩多为硅质页岩、黑色页岩、钙 质页岩和砂质页岩,风化后呈薄片状,页理发育。海陆过渡相页岩多为砂质页岩和 炭质页岩。陆相页岩页理发育, 渤海湾盆地、柴达木盆地新生界陆相页岩钙质含 量高,为钙质页岩,鄂尔多斯盆地中生界陆相页岩石英含量较高。 2、中国页岩形成的区域地质背景。古生代，在中国南方、华北及塔里木地区形成了广泛 的海相和海陆过渡相沉积, 发育多套海相富有机质页岩和海陆过渡相煤系炭质页岩。在后期改造过程中, 部分古生界海相页岩经历了挤压变形或隆升。四川盆地、华北地区、塔里木盆地构
扩散的微观机制
扩散的微观机制
扩散的微观机制 扩散唯象理论没有考虑扩散原子的本性及扩散介质的结构,而宏观扩散现象是微观上大量原子迁移的统计行为。深入了解扩散本质需要了解扩散的微观机制。固态金属中原子的扩散机制一般与扩散原子在金属晶体中的位置和扩散介质的晶体结构有关。目前已发现并提出的扩散机制主要有空位机制、间隙机制和交换机制等。 一、换位机制 这是一种提出较早的扩散模型，该模型是通过相邻原子间直接调换位置的方式进行扩散的，如图3.7。在纯金属或者置换固溶体中，有两个相邻的原子A和B，见图3.7（a）；这两个原子采取直接互换位置进行迁移，见图3.7（b）；当两个原子相互到达对方的位置后，迁移过程结束，见图3.7（c）。这种换位方式称为2-换位或称直接换位。可以看出，原子在换位过程中，势必要推开周围原子以让出路径，结果引起很大的点阵膨胀畸变，原子按这种方式迁移的能垒太高，可能性不大，到目前为止尚未得到实验的证实。 为了降低原子扩散的能垒，曾考虑有n个原子参与换位，如图3.8。这种换位方式称为n-换位或称环形换位。图3.8（a）和3.8（b）给出了面心立方结构中原子的3-换位和4-换位模型，参与换位的原子是面心原子。图3.8（c）给出了体心立方结构中原子的4-换位模型，它是由两个顶角和两个体心原子构成的换位环。由于环形换位时原子经过的路径呈圆形，对称性比2-换位高，引起的点阵畸变小一些，扩散的能垒有所降低。
图3.7 直接换位扩散模型 图3.8 环形换位扩散模型 （a）面心立方3-换位（b）面心立方4-换位（c）体心立方4-换位应该指出，环形换位机制以及其他扩散机制只有在特定条件下才能发生，一般情况下它们仅仅是下面讲述的间隙扩散和空位扩散的补充。 二、间隙机制 间隙扩散机制适合于间隙固溶体中间隙原子的扩散，这一机制已被大量实验所证实。在间隙固溶体中，尺寸较大的溶剂原子构成了固定的晶体点阵，而尺寸较小的间隙原子处在点阵的间隙中。由于固溶体中间隙数目较多，而间隙原子数量又很少，这就意味着在任何一个间隙原子周围几乎都是间隙位置，这就为间隙原子的扩散提供了必要的结构条件。例如，碳固溶在γ-Fe中形成的奥氏体，当奥氏体达到最大溶解度时，平均每2.5个晶胞也只含有一个碳原子。这样，当
页岩气时频电磁法勘探研究
＊ 全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选项目（2009GYXQ15）资助。 张春贺（1966年～），男，教授级高级工程师，从事地球物理勘探研究工作。E-mail：chunhezh＠https://www.360docs.net/doc/f01537197.html,。 页岩气时频电磁法勘探研究* 文/张春贺1 刘雪军2 何兰芳2 赵 国2 周印明2 朱永山2 （1 中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029； 2 中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司，河北 涿州 072751） 摘 要：本文介绍了在研究和总结含气页岩密度、 极化率、电阻率等岩石物理特征基础上，在四川盆地 南部筠连地区开展的物性调查、时频电磁法勘探试验 工作。勘探研究结果表明，本地区分布的富有机质页 岩层系-志留系龙马溪组（S1l）具备开展电法勘探工 作的物性条件，时频电磁法具有勘探富有机质页岩层 系的能力。 关键词：页岩气；非地震勘探；时频电磁法；四川 盆地；龙马溪组 DOI:10.3772/j.issn.1009-5659.2013.24.034 页岩气于1821年在美国东部阿帕拉契亚盆地纽约 州Chautauga县泥盆系Perrysbury组Dunkirk黑色富 有机质页岩中被发现[1，2]。页岩气开发，起源于美国， 在美国成功实现产业化，正在不断显现出改变美国乃至 世界能源供应结构、地缘政治格局的趋势。 由于我国复杂的地质背景，必然导致页岩气形成与 富集地质条件的复杂。针对我国地质条件开展页岩气地 球物理勘探技术攻关，研究总结识别富有机质页岩层系 的地球物理分布特征，无疑是做好资源调查评价、有利 目标区优选工作的关键和重要基础。 采用时频电磁法进行页岩气勘探的研究区，位于四 川盆地川南低陡褶皱带南缘，是华蓥山断褶带向西南延 伸、呈帚状撒开的雁行式低背斜群，在加里东为坳陷区， 印支期为泸州古隆起的主体部分，是中生代以来的隆起 区。川南低陡褶皱带发育NE向、EW向和SN向3组构造， 各组构造之间相互影响，呈反接或斜接复合[3]。 勘探研究区内地层自上而下分下三叠统飞仙关组和 铜街子组，上二叠统峨眉山玄武岩组、下二叠统茅口组、 栖霞组和梁山组，中志留统大路寨组、嘶风崖组和下志 留统龙马溪组和黄葛溪组，上奥陶统五峰组、下奥陶统 湄潭组。下志留统龙马溪组和上奥陶统五峰组是四川盆 地开展页岩气勘探的主要目的层之一[4～6]。 1 勘探研究区物性特征 通过对研究区开展露头标本测定和钻孔资料分析， 按地层统计后的岩石物性特征如下页表所示。 从岩石物性特征上看，页岩相对灰岩、泥岩和玄武 岩而言，具有典型的低密度、低磁性、低电阻特征，而 页岩的高极化率特征可能是由于其富含有机质成分而产 生的。可以看到，利用电磁法从电性和极化性两个方面 研究页岩层的分布，进而研究富有机质层系的范围，具 有很好的物性基础。 a. 川南低陡褶皱带构造纲要 b. 2011年度时频电磁试验测线分布图 图1 川南低陡褶带构造纲要及时频电磁试验区区域地质图
页岩气概述
一.页岩气概述 （一）页岩气 页岩气，是从页岩层中开采出来的天然气，是一种重要的非常规天然气资源。页岩气常分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中，分布范围广、厚度大，且普遍含气，这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气。2012年3月中国公布发现可采资源潜力为25.1万亿立方米页岩气可供中国使用近200年。 页岩气（shale gas）是赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，与“煤层气”、“致密气”同属一类。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。页岩气很早就已经被人们所认知，但采集比传统天然气困难，随着资源能源日益匮乏，作为传统天然气的有益补充，人们逐渐意识到页岩气的重要性。 页岩气主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气，它可以生成于有机成因的各种阶段天然气主体上以游离相态（大约50％）存在于裂缝、孔隙及其它储集空间。 页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点——大部分产气页岩分布 范围广、厚度大，且普遍含气，使得页岩气井能够长期地稳定产气。但页岩气储集层渗透率低，开采难度较大。随着世界能源消费的不断攀升，包括页岩气在内的非常规能源越来越受到重视。美国和加拿大等国已实现页岩气商业性开发。（二）储量分布 北美的克拉通盆地、前陆盆地侏罗系、泥盆系-密西西比系富集多种成因、多种成熟度的页岩气资源。而在中国许多盆地发育有多套煤系及暗色泥、页岩地层，互层分布大套的致密砂岩存在根缘气、页岩气发育有利条件，不同规模的天然气发现，但尚未在大面积区域内实现天然气勘探的进一突破。 中国南方海相页岩地层可能是页岩气的主要富集地区。除此之外，松辽、鄂尔多斯、吐哈、准噶尔等陆相沉积盆地的页岩地层也有页岩气富集的基础和条件。重庆綦江、万盛、南川、武隆、彭水、酉阳、秀山和巫溪等区县是页岩气资源最有利的成矿区带，因此被确定为首批实地勘查工作目标区。 从全世界范围看，泥、页岩约占全部沉积岩的60%，页岩气资源前景巨大。主要分布在北美、中亚和中国、拉美、中东和北非、前苏联。加拿大西部地区大约有550万至860万亿立方英尺页岩气储量。美国页岩气地质储量约28万亿立方米。2007年美国页岩气总产量500亿立方米，占当年美国天然气总量的8%以上。中国的页岩气储量超过其它任何一个国家，可采储量有36万亿立方米。按当前的消耗水平，这些储量足够中国使用300多年。 （三）成藏条件 1. 沉积环境 页岩气的工业聚集需要丰富的气源物质基础，要求生烃有机质含量达到一定标准。那些有机质丰度高的黑色泥页岩是页岩气成藏的最好源岩，它们的形成需要较快速的沉积条件和封闭性较好的还原环境。沉积速率较快可以使得富含有机质页岩在被氧化破坏之前能够大量沉积下来，而水体缺氧可以抑制微生物的活动
气体渗流机理
气体渗流机理 页岩气是指那些聚集在暗色泥页岩或高碳泥页岩中,以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气。它与常规天然气的理化性质完全一样，只不过赋存于渗透率、孔隙度极低的泥页岩之中，气流的阻力比常规天然气大，很大程度上增加了页岩气的开采难度，因此被业界归为非常规油气资源。页岩自身的有效孔隙度很低,页岩气藏主要是由于大范围发育的区域性裂缝,或热裂解生气阶段产生异常高压在沿应力集中面、岩性接触过渡面或脆性薄弱面产生的裂缝提供成藏所需的最低限度的储集孔隙度和渗透率。通常孔隙度最高仅为4% ~5%,渗透率小于1×10-3μm。 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，点源函数及质量守恒法，结合页岩气渗流特征建立双重介质压裂井渗流数学模型，通过数值反演及计算机编程绘制了产能递减曲线图版。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。 在储层条件下页岩气藏中20％～80％的气体以吸附态储存在页岩基质颗粒表面，其余绝大部分以游离态储存于孔隙和裂缝中。针对页岩气存在特有的吸附解吸特性，国外许多学者通过修正物质平衡时间、建立半解析数学模型及整合Blasingame产能递减等方法在页岩气产能方面取得了一系列研究成果，但其将页岩气藏假设为均质储层，不能页岩气藏是一种“自生自储式”气藏，开采过程中，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图1所示的解吸、扩散和渗流这3个过程。数法及质量守恒法则，结合页岩气藏渗流特征对传统的渗流微分方程进行修正，建立双重介质压裂井渗流数学模型，通过数值反演及计算机编程绘制了产能递减曲线并对其影响因素进行分析。 1 页岩气解吸特征及吸附解吸方程 页岩气藏是一种“自生自储式”气藏，开采过程中，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图1所示的解吸、扩散和渗流这3个过程。 页岩气在裂缝和基质中流动机理：①裂缝中游离气向井底流动，裂缝中压力降低；②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
气体渗流机理
页岩气渗流机理 页岩气是指那些聚集在暗色泥页岩或高碳泥页岩中,以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气。它与常规天然气的理化性质完全一样，只不过赋存于渗透率、孔隙度极低的泥页岩之中，气流的阻力比常规天然气大，很大程度上增加了页岩气的开采难度，因此被业界归为非常规油气资源。页岩自身的有效孔隙度很低,页岩气藏主要是由于大范围发育的区域性裂缝,或热裂解生气阶段产生异常高压在沿应力集中面、岩性接触过渡面或脆性薄弱面产生的裂缝提供成藏所需的最低限度的储集孔隙度和渗透率。通常孔隙度最高仅为4% ~5%,渗透率小于1×10-3μm 。 页岩气藏有特殊的产气机制。与常规低渗气藏不同，天然气在页岩中的流动主要有4种机理，这4种机理覆盖了从分子尺度到宏观尺度的流动。主要表现为游离气渗流、解吸附、扩散和自吸。 第一 ，由于气体滑脱效应的存在 ，游离气在有机质和无机质基岩中的流动属非达西渗流，但在天然或水力裂缝中的流动为达西渗流。 第二，有机质上的吸附气对渗透率有不利的影响，这是由于有机质的天然气吸附层对天然气分子的引力增大所致，但是，如果有机质不属于多孔介质，仅作为连接基质孔隙或为裂缝之用，那么，在生产时，远离孔隙和裂缝的吸附气只能沿有机质表面易扩散的方式进行运移。如果有机质属于多孔介质，部分吸附气能够直接释放进入有机质孔隙，并且，这样会使扩散的重要性被减弱 。 第三，自吸作用是当压裂水在致密气藏流动时发生的一种现象，在页岩储层压裂时，由于自吸作用和重力分异作用，导致压裂水的返排率不足50% 。因此，气水两相在裂缝中共同流动时，往往气在裂缝的上部流动，此时，在裂缝的下部留有大量的水。在钻井液和增产措施作业水的冷却作用下，储层接触面附近会聚集更多的束缚水，因而也会恶化自吸现象的影响。 1 Langmuir 单分子层吸附状态方程 假定固体表面是均匀的,对气体分子只做单分子层吸附.设气体的压力为p,未被气体分子吸附的表面积百分数为 θ.气体分子吸附的速度与气体的压力成正比, 也与未被气体分子吸附的表面积成正比,则吸附速度 a R cp θ= 式中,c 为比例系数. 气体脱附的速度与吸附气体分子所覆盖的表面积的百分数成正比,也与被吸附的气体分子中那些具备脱离表面逸向空间所需能量的分子所占的比例成正比.设吸附气体分子所覆盖的表面积的百分数为θ,设εa 为脱离表面逸向空间所需的最低能量,即吸附热εa,被吸附在表面的总分子数为Na,其中能量超过εa 的分子数为N*a,则有 / */a k T a a N N fe ε= 式中,f 为比例系数;k 为玻尔兹曼常数.
3_中国页岩气选取及标准
中国页岩气前景评价 .中国页岩气成藏条件分析及勘探方向 页岩气的勘探开发始于美国，自从年在美国纽约县的第一口工业性天然气钻井在泥盆系’页岩(8m深度时产出裂缝气)中发现页岩气，至今已经有多年历史，尤其是世纪年代以来，由于认识到了页岩气吸附机理，美国页岩气的勘探开发得到了快速发展。年美国拥有超过口页岩气井，页岩气产量达到了×108ft3 (×108m3)，占美国总天然气产量的％，页岩气总资源量估计在～×1012ft3范围内，是已投入工业性开发的三大非常规天然气类型(即致密砂岩气或称根缘气、煤层气、页岩气)之一，成为重要的天然气替代能源。近年来，加拿大、澳大利亚、俄罗斯等国也相继开展了页岩气的勘探和研究工作，但目前，除了美国以外还没有见到有关页岩气商业化开采的报道(．，)，其原因要么是对页岩气的资源潜力和经济价值的认识不足，要么是页岩气井的产量和回收期未达到商业化标准，而不是缺乏潜在的产气泥页岩系统。随着世界能源消费量的猛增和供需矛盾的日益突出，非常规天然气资源引起了普遍重视，不少国家将页岩气、煤层气、油砂、油页岩等非常规油气资源的勘探开发提上了重要议事日程，将其列为2l世纪重要的补充能源，加大了勘探开发和综合利用力度。 自世纪年代以来，在中国东部的油气勘探中，陆续发现了一些泥页岩裂缝型油气藏(如四川盆地下古生界、沁水盆地上古生界泥页岩在钻井过程中气测异常强烈，甚至发生井喷)，只是作为常规油气勘探中的一些局部发现，并未引起足够的重视，研究不够深入，没有认识页岩气的吸附机理，页岩气的勘探开发没有实现突破。近年来，中国一些学者受美国页岩气成功开发的启示，加强了页岩气的形成条件和成藏机理研究，但是针对页岩气的勘探工作还未展开。目前，中国石油、中国石化针对页岩气相继开展了一些区域性、局部性的基础研究工作，取得了一些的研究成果，初步展示了中国页岩气勘探巨大的资源潜力。页岩气是目前经济技术条件下，天然气工业化勘探的重要领域和目标，页岩气勘探一旦突破并形成产能，将对缓解中国油气资源接替的压力具有重大而深远的意义。 一、页岩气藏特征及成藏机理 页岩气，以及煤层气、致密砂岩气、溶解气、天然气水合物通称为非常规天然气资源，与常规天然气相比，页岩气在成藏条件及成藏机理等方面既有相似之处，又有不同点。．认为页岩气系统基本上是生物成因、热成因或者二者混合成因的连续型天然气聚集，页岩气可以是储存在泥页岩天然裂隙和粒间孔隙内的游离气，也可以是干酪根和页岩黏土颗粒表面的吸附气或是干酪根和沥青中的溶解气。中国学者张金川等()认为页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集，为天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果，表现为典型的“原地”成藏模式。从某种意义来说，页岩气藏的形成是天然气在烃源岩中大规模滞留的结果。我们通过对国内外关于页岩气形成及聚集方式描述的分析，从成因、赋存机理两方面说明页岩气的概念、含义。页岩气是由泥页岩(作为烃源岩)连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合，在页岩系统(作为储集岩)中以吸附、游离或溶解方式赋存的天然气。页岩系统包括：页岩及页岩中呈夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，甚至砂岩。 页岩气藏的特征体现在生成、运移、赋存、聚集、保存等方面：()早期成藏。页岩气的生烃条件及过程与常规天然气藏相同，泥页岩的有机质丰度、有机质类型和热演化特征决定了其生烃能力和时间，但是页岩气边形成边赋存聚集，不需要构造背景，为隐蔽圈闭气藏；()自生自储，泥页岩既是气源岩层，又是储气层，页岩气以多种方式赋存，使得泥页岩具有普遍的含气性；()页岩气运移距离较短，具有“原地”成藏特征；()对盖层条件要求没有常