国外页岩气渗流理论探索研究介绍

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页岩气藏孔渗结构特征和渗流机理研究现状

Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ｄｕｏｌｒｅｒｓｒｅ，ｄｉｔｉｕｉｎａｄｃｅｎｉｅｓｓａｅｇｓｉｃｎｉｅｅｓｏｅｏｅｉｏａｔｎｒｙｓｕｃｓｅｔａｇｅｅｖｓｗｉｅｄｓｒｔｎｌａｌｎｓ，ｈｌａｓｏｓｒｄａｎｆｈｍｐａｎｅｇｏｒｅｂｏｄｔｅａｔｒａｉｅｔｏｖｎｉｎｌｅｅｇ．ｈｓｋｎｆｓａｅｇｓｒｓｒｏｒｉｎｏｖｎｉｎｌｇｓｒｓｒｏｒｗｉｘｒ — ｏｏｏｉｅ — ｌｎｔｏｃｎｅｔａｎｒｙＴｉｉｄｏｈｌａｅｅｖｉｓｕｃｎｅｔａａｅｅｖｉｔｅｔｌｗｐｒｓｙｘｅｖｏｏｈａｔｔａｌｗｐｒａｉｔｎｄｏｐｉｎｄｓｒｔｎｃａａｔｒｔｓＣｏａｅｔｅｃｎｅｔｎｌａｅｅｖｉ，ｔｓｅｉｌｃｏｓｏ — ｒ — ｏｅｍｅｂｌｙａｄａｓｒｔ／ｅｏｐｉｈｒｃｅｉｉ．ｍｐｒｄｗｉｔｏｖｎｉａｓｒｓｒｏｒｉｐｃａｒｔｒｉｏｏｓｃｈｈｏｇｓｍｉａｅｓｒｃｕｅａｄｃｍｐｅｅｐｇｃａｉｍｅｄｔｏｎｔｒｌｒｄｃｉｉｒｏｒｄｃｉｉ．ｈｒｆｒ，ｈｔｅｒｎｔｏｍａｅｇｔｕｔｒｎｏｌｘｓｅａｅｍｅｈｎｓｌａｎａｕａｏｕｔｔｏｗｐｏｕｔｔＴｅｅｏｅｗｅｈｒｏｋｏｐｖｙｌｖｙｏｔｃｅｒｈｔｃｕｅｏｔｒｇｎｅｐｇｎｏｌｘｓｅａｅｍｅｈｎｓｉｏｅｏｅｂｔｅｅｋｅｅｏｈｌａｅｅｖｉｌａｅｓｒｔｒｆｓｏａｅａｄｓｅａｅａｄｃｍｐｅｅｐｇｃａｉｍｎｆｔｏｔｎｃｓｔｄｖｌｐｓａｅｇｓｒｓｒｏｒｔｕｓｈｌｏｅｆｃｉｅｙＴｕ，ｎｏｄｒｔｒｖｄｈｏｅｉａｕｐｒｒｔｅｄｎｍｉｎｌｓｓｏｈｌａｅｅｖｉｎｒｄｃｉｉｒｄｃｉｎｆｔｌ．ｈｓｉｒｅｐｏｉｅｔｅｒｔｌｓｐｏｔｏｙａｃａａｙｉｆｓａｅｇｓｒｓｒｏｒａｄｐｏｕｔｔｐｅｉｔ，ｅｖｏｃｆｈｖｙｏｐｒｓｔｏｏｉｙ＆ｐｒａｉｔｈｒｃｅｉｔｓｏａｅｇｓｅａｕｉｎｍｅｈｄｎｅｐｇｕｐｔｃａｉｍｒｔｄｅｉａｅ．ｅｍｅｂｌｙｃａａｔｒｓｉｆｈｌａ．ｖｌｔｔｏｓａｄｓｅａｅｏｔｕｉｃｓｏｍｅｈｎｓａｅｓｕｉｄｉｔｓｐｐｒｎｈＫｅｒｓｓａｅｇｓｐｒｓｔｙｗｏｄ：ｈｌａ，ｏｏｉｙ＆ｐｒａｉｔｈｒｃｅｉｔｓｓｅａｅｍｅｈｎｓｅｍｅｂｌｙｃａａｔｒｓｉ，ｅｐｇｃａｉｍｉｃ

页岩气勘探综述

页岩气勘探综述通过学习调研，使我们对页岩气的成藏机理、地质特点、储层评价等方面有了一定的了解，对页岩气勘探开发的前景有进一步认识，对非常规油气勘探增强了信心。

页岩气大部分位于泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附、游离状态为主要存在方式聚集的天然气。

在页岩气藏中，天然气也存在于页岩夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，甚至砂岩地层中，页岩气藏是天然气生成后在源岩内或短距离运移就近聚集的结果，它与常规天然气藏最明显的区别是“自生自储”。

一、国内外页岩气勘探开发的情况根据有关资料介绍：全球页岩气资源量很丰富，预计达456.24×1012ｍ3，主要分布在北美、中亚、中国、中东北非和前苏联。

美国的页岩气资源量达14.2×102ｍ3－19.8×102ｍ3。

目前已对多个含气盆地进行商业性开采，页岩气的产量超过了200×108ｍ3，占美国天然气产量的3%。

加拿大紧随美国之后积极开展了页岩气的勘探开发试验。

页岩气的研究勘探开发最早始于美国，1821年，美国就打了第一口具有工业性的页岩天然气井，该井井深8米，由于产气量少，没有引起人们重视。

到1926年，东肯塔基和西弗吉尼亚盆系页岩气田的发现，到20世纪70年代美国能源部才发起并实施对页岩气的研究与开发。

页岩气的产量从1979年－1999年净增7倍。

研究的重要进展是认识到页岩气的吸附作用机理，使页岩气的储量和产量得以大幅度提高。

到2005年美国页岩气的产量占天然气总产量的45%。

美国页岩气主要来之于中－古生界地层中，目前勘探开发的区域正由东北部地区的12个盆地向中西部地区的盆地拓展。

据有关研究部门介绍：我国页岩气资源也十分丰富，预计资源量达100×1012ｍ3，约为常规天然气源资量的两倍。

在我国四川盆地、中下扬子、吐哈等盆地页岩十分发育，最大厚度达1400米，这些地区的页岩都具有页岩气成藏的基本条件，勘探开发的潜力很大。

我国的页岩气勘探开发研究刚起步。

国内外页岩气研究进展

国内外页岩气研究进展摘要：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。

从某种意义来说,页岩气藏的形成是天然气在源岩中大规模滞留的结果。

在目前的经济技术条件下, 页岩气是天然气工业化勘探的重要领域和目标。

美国页岩气勘探的巨大成功,极大地鼓舞了在世界范围内的类似页岩层序中寻找天然气资源的勘探热情，已成为全球油气资源勘探开发的新亮点，正在我国油气资源领域孕育着新的重大突破。

关键词：页岩气勘探资源现状1 国内外页岩气勘探开发概况据Rogner（1997）估计，全球页岩气资源量为456.24×1012m3，主要分布于北美、中亚、中国、拉美、中东、北非和前苏联，其中约40%将是可采出的，即世界页岩气可采资源量为180×1012m3。

按2008年的世界天然气产量计算，仅全球页岩气资源就可以生产60年。

1.1 北美地区以北美加拿大为例：加拿大页岩气资源分布广、层位多,预测页岩气资源量超过28.3×1012m3,其中加拿大西部不列颠哥伦比亚地区的白垩系、侏罗系、三叠系和泥盆系的页岩气资源量约7.1×1012 m3。

目前,已有多家油气生产商在加拿大西部地区进行页岩气开发试验,2007年该区页岩气产量约8.5×108 m3,其中3口水平井日产量较高(9.9×104~14.2×104 m3)。

然而，美国的页岩气主要发现于中-新生代（D-K) 地层中，其页岩气广泛的商业性开采直到1980年实施了非常规燃料免税政策以后，特别是1981年Mitchell 能源公司在得克萨斯州北部Fort Worth盆地Barnett页岩钻探了第一口页岩气井后，再一次引起了人们对页岩气的兴趣。

先后继续对页岩气投入了开发，产量如图1-1所示：2006年，美国页岩气井增至40000余口，页岩气产量达到311×108 m3，占全国天然气总产量的 5.9%，至2007年,美国页岩气产气盆地已有密歇根盆地(Antrim页岩)、阿帕拉契亚盆地(Ohio、Marcellus页岩)、伊利诺伊盆地(New Albany 页岩)、沃斯堡盆地(Barnett页岩)和圣胡安盆地(Lewis页岩)、俄克拉河玛盆地(Woodford页岩)、阿科马盆地(Fayetteville页岩)、威利斯顿盆地(Bakken页岩)等20余个盆地。

国内外页岩气研究进展

国内外页岩气研究进展摘要：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。

从某种意义来说,页岩气藏的形成是天然气在源岩中大规模滞留的结果。

在目前的经济技术条件下, 页岩气是天然气工业化勘探的重要领域和目标。

按2008年的世界天然气产量计算，仅全球页岩气资源就可以生产60年。

目前,已有多家油气生产商在加拿大西部地区进行页岩气开发试验,2007年该区页岩气产量约8.5×108 m3,其中3口水平井日产量较高(9.9×104~14.2×104 m3)。

页岩气藏渗流及数值模拟研究

页岩气藏渗流及数值模拟研究一、本文概述Overview of this article页岩气藏作为一种重要的非常规天然气资源，近年来在全球范围内受到了广泛的关注和研究。

由于其储层特性复杂，开发难度大，渗流规律及数值模拟研究成为了页岩气藏开发的关键问题。

本文旨在深入探讨页岩气藏的渗流特性，建立相应的数值模拟模型，为页岩气藏的合理开发提供理论支持和技术指导。

Shale gas reservoirs, as an important unconventional natural gas resource, have received widespread attention and research worldwide in recent years. Due to the complex reservoir characteristics and high development difficulty, the study of seepage laws and numerical simulation has become a key issue in the development of shale gas reservoirs. This article aims to deeply explore the permeability characteristics of shale gas reservoirs, establish corresponding numerical simulation models, and provide theoretical support and technical guidance for the rational development of shale gasreservoirs.本文首先将对页岩气藏的地质特征和渗流特性进行概述，包括页岩储层的岩石学特征、孔渗结构、渗流机制等。

页岩气藏地质特征分析及渗流机理研究

和暗色泥页岩。据相关部门调查统计页岩气资源总量在世界范围内高达４５６ｘ１０，接近世界非常规天然气的
一
级，具有独特的解吸和吸附特征，特别是在渗流方面具有明显区别与常规气体和致密砂岩气等气体的多级、多尺度渗流特性，这给页岩气的准确认识和开发带来了困难。基于此，在充分调研国内外有关页岩气文献的基础上，对页岩气的基本地质特征进行研究，并分析不同颗粒尺寸下的页岩气渗流情况，为页岩气的开发提供指导和参考。
天然裂缝和基质孔隙是页岩储层的主要储渗空间。其中直接影响到页岩气的资源量。大量的页岩气实验和开发实践
基质孔隙又可以划分为溶蚀孔、微裂隙、机质生烃形成的微孔表明，它正相关于页岩气的生气率。因为大量的有机质能吸隙、残余原生孔隙。．
通的发育的微裂缝，不利于页岩气的保存；地层水也会通过１．Ｏ％．１１．０７％之间变化。
裂缝进入页岩储层，使气井见水早，含水上升快，甚至可能暴
性水淹。
页岩气的成藏离不开有机质的成熟度，据经验统计成熟
度基本要求为Ｒｏ＞１．３％。我国的页岩气储层中有机质的成
附更多的天然气，形成更多的微孔隙空间。
美国ＮｅｗＡｌｂａｎｙ页岩和Ａｎｔｒｉｍ页岩含有超过２０％ＴＯＣ
微裂缝是影响页岩气产能的重要因素，也进一步加剧了
开采页岩气的难度和复杂成都。一方面，发育的微裂缝在提含量部分、Ｂａｒｎｅｔｔ页岩平均有机碳含量为平均４．５％。在我国根据调研和统计资料发现龙马溪组的ＴＯＣ含量一供储渗空间给页岩气的同时，还方便了吸附态天然气的解析，四川盆地，．５ｌ％而小于４．８８％、筇竹寺组的ＴＯＣ含量在并成为页岩气运移、开采的通道。另一方面，与大型断裂连般大于０

斯伦贝谢---页岩气开发

该类干酪根含氢量高，含氧量低，易于
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> 干酪根的演化。修正后的 Van Krevelen 图显示埋藏过程中热量增加后干酪根发生的变化。干酪根受热转化成烃类的一般趋势可以表示为先产生非烃类气体，然后演化成油、湿气和干气。在此演化过程中，干酪根先在释放二氧化碳和水的过程析出氧，接着开始在演化成烃类时析出更多的氢。
学分解的微量元素，以及其所受到的热力程度和受热时间的长短等。
有机物，即动物和植物的遗骸，经热力转化后可以形成油或气。动植物遗骸需经过一定程度的保存才能发生这一转化过程。保存程度将对最终形成的碳氢化合物类型产生影响。
大多数动植物遗骸不是被其它动物消耗，就是被细菌侵蚀或腐烂，因而
保存动植物遗骸通常需要在能抑制多数生物或化学净化作用的缺氧环境下快速埋藏。水循环受到限制、生物需氧量超出供应量（出现在每公升水中含氧量低于0.5毫升的水域）的湖泊或海洋环境符合快速埋藏的条件[4]。但即使在这些环境下，厌氧性的微生物也能以埋藏后的有机物为食物，在此过程中产生生物甲烷。
3. 基岩渗透率是指流体通过岩石的能力，主要是指流过组成岩石的矿物颗粒之间间隙的能力，但不包括流体在岩石裂缝中的流动。
过去 150 年所钻的数百万口油气井在达到其目标深度之前，都钻透了大量页岩层段。既然页岩层段的暴露如此普遍，是否每口干井实际上都是潜在的页岩气井呢？当然不是，页岩气只有在某些特定条件下才可以被开采出来。
页岩是一种渗透率极其低的沉积岩，通常被认为是油气运移的天然遮挡。在含气油页岩中，气产自其本身，页岩既是气源岩，又是储层。天然气可以储存在页岩岩石颗粒之间的孔隙空间或裂缝中，也可以吸附在页岩中有机物的表面上。对常规气藏而言，天然气从气源岩运移到砂岩或碳酸盐岩地层中，并聚集在构造或地层圈闭内，其下通常是气水界面。因此，与常规气藏相比，将含气页岩看作非常规气藏也就理所当然了。

页岩气藏气体流动机理及数值模拟研究

页岩气藏气体流动机理及数值模拟研究页岩气是一种以页岩为主要储层的天然气资源，由于其在储层中的特殊性质，其流动机理和数值模拟研究对于有效开发和利用页岩气具有重要意义。

在页岩气藏中，气体流动的机理主要包括渗流机理和吸附机理。

渗流机理是指气体在页岩储层中的渗流过程，主要受到渗透率、孔隙度和渗透率分布等因素的影响。

吸附机理是指气体在页岩储层中与页岩表面发生吸附作用，主要受到吸附等温线和吸附解吸速率等因素的影响。

为了研究页岩气藏中气体的流动机理，数值模拟成为一种重要的研究手段。

数值模拟可以通过建立数学模型和计算方法，模拟气体在页岩储层中的流动过程，对气体的渗流和吸附行为进行定量描述。

数值模拟可以通过改变渗透率、孔隙度和吸附等温线等参数，研究它们对气体流动的影响，从而为页岩气藏的开发和利用提供科学依据。

在数值模拟研究中，常用的方法包括有限差分法、有限元法和边界元法等。

这些方法可以通过离散化储层模型，将连续的流动方程转化为离散的代数方程，然后通过迭代求解，得到气体在储层中的流动状态。

数值模拟可以通过改变模型的边界条件和参数，模拟不同的开发方案和条件，评估其对气体产量和开发效果的影响。

然而，数值模拟研究也存在一些挑战和限制。

首先，页岩气藏储层复杂多变，储层参数的确定和模型的建立存在一定的不确定性。

其次，数值模拟需要大量的计算资源和时间，对计算机性能和算法效率提出了较高的要求。

此外，数值模拟结果的可靠性和准确性也需要通过与实际生产数据和实验结果进行验证。

尽管存在一些挑战，但数值模拟研究对于页岩气藏的开发和利用具有重要意义。

通过数值模拟，可以评估不同的开发方案和条件对气体产量和开发效果的影响，优化开发策略，降低开发成本。

此外，数值模拟还可以预测页岩气藏的产量潜力和剩余资源，为储量评价和资源管理提供科学依据。

页岩气藏气体流动机理和数值模拟研究对于有效开发和利用页岩气具有重要意义。

通过研究气体在页岩储层中的渗流和吸附行为，可以揭示气体流动的机理，为开发策略的制定和优化提供依据。

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CO2驱和多孔介质渗流方面的讲座。 ➢ 目前任美国经济地质局纳米技术实验室主任，主要研究方向为页岩气和CO2驱。
E-mail：farzam.javadpour@
一、页岩中的孔隙特征
石英
粒间孔
主要类型：粒内孔粒间孔有机质内部孔（粒内孔）微裂缝
大小：以纳米孔为主
粒内孔
当压力小于1Mpa时，视渗透率急剧增大
视
渗透
温度对
率
视渗透
比达
率几乎
西渗
无影响
透
率
压力
纳米孔中气体的渗流特性
➢ 气体分子量对视渗透率影响不大
视渗透率比达西渗透率
分子量
压力越小、孔喉半径越小、纳米孔中气体的视渗透率越高，而且是“革命
性”的变化
思考！
视
渗透率
扩散流
➢ AFM检测到的纳米孔
二、页岩气渗流机理探讨
在不同尺度上，页岩气储集和流动状态
宏观
（油藏级别）
微裂缝
微米尺度
（纳米孔）
纳米尺度
（气体从纳米孔壁解吸）
分子尺度
（气体分子从干酪根或粘土颗粒向孔隙表面运动）
几个术语
平均自由程：连续两次碰撞之间，气体分子自由运动的平均路程
滑流：在多孔介质流动的气体，它们的平均自由程和孔隙直径相当或比孔隙直径略小时情况下，当气体通过孔隙时气体分子在孔隙的壁处发生滑动，则孔隙壁处的流动速度不等于零。这种流动称为滑流。
比
量
达西渗透率
比总流量
孔喉半径
孔喉半径
压力越小、孔喉半径越小、纳米孔中气体的视渗透率越高，而且是“革命
性”的变化
思考！
视
渗
扩
透
散
率
流
比
量
达
比
西
总
渗透
流量
率
压力
压力
对致密油而言，扩散在渗流中扮演什么样的角色？
思考！
场发射扫描电镜分析显示，致密油样品在真空条件下，随着时间的延长和温度的升高，纳米孔中油膜的厚度在增厚，油分子扩散的能力增强；纳米孔中的油膜很有可能在一定条件下，由吸附油转化为游离油。
大孔（>50nm）以压缩和溶解形式存在流动状态为扩散、滑流和达西流
天然裂缝（>50nm）以压缩和溶解形式存在流动状态为达西流
纳米孔中，气体流动状态为扩散和滑流，达西定律不能精确描述
达西定律：
Q
K
AP L
K为渗透率，与孔隙结构有关，与流体性质无关
Frazam Javadpour 提出了如下方程：
含泥质粉砂质云岩（场发射扫描电镜）
国外页岩气勘探开发经验及启示
扩散流量比总流量
在一定的温压条件下，孔喉半径越小，视渗透率越大孔隙直径小于0.1um时，视渗透率大于达西渗透率，当孔喉半径小于0.01um时，视渗透率急剧增大
视渗透率比达西渗透率
孔喉半径
纳米孔中气体的渗流特性
➢ 在一定的温度、孔喉半径条件下，压力越小，视渗透率越大
➢ 一般为2D图像，如果和聚焦式离子束显微镜配合可产生3D图像
➢ 离子束可产生非常光滑的面
孔隙
➢ 二维扫描电镜图像
溶蚀缝有机质内部的孔隙
方解石
有机质内部无序的孔隙
方解石
➢ 扫描电镜（SEM）和AFM检测到的纳米孔
原子力显微镜（AFM）
➢ 利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性 ➢ 可观测尺度为原子 ➢ 在探测纳米孔和化学组成分析方面具有优势 ➢ 一般为2D图像，不具有破坏性 ➢ 非常耗时 ➢ 可用来测量原子间的作用力
国外页岩气渗流机理基础理论探索研究的介绍
二零一四年五月
所有内容译自Frazam Javadpour 博士及其研究团队的成果
Frazam Javadpour 博士简介： ➢ 伊朗石油工业大学（ Petroleum University of Technology ），
石油工程学士学学位。
➢ 加拿大卡尔加里大学（University of Calgary），化学和石油工程硕士和博士学位； ➢ 《加拿大石油技术》编辑委员会成员。 ➢ 从2003年开始在卡尔加里大学任教。曾应邀在欧洲、美国、中国做过关于页岩气、
孔喉半径
纳米孔中气体的渗流特性
➢ 在一定的温度、孔喉半径条件下，压力越小，扩散对总流量的贡献越大 ➢ 在一定的压力、孔喉半径条件下，温度越高，扩散对总流量的贡献越大，但不显著
扩散
压力小于
流量
1Mpa时，
比
这种变化
总
流
梯度变小
量
压力
纳米孔中气体的渗流特性
➢ 在一定的压力、孔喉半径条件下，气体分子越大，扩散对总流量的贡献越小
用AFM来研究样品中的孔隙特征，分析是否以纳米孔为主
用AFM来研究样品中的孔隙特征，分析是否以纳米孔为主
泥岩干酪根孔隙中的气体分子
利用人造纳米孔样品做渗流实验，结果与方程的解析解吻合度高
500nm
人造材料中
总
的纳米孔
流
量
压差
纳米孔中气体的渗流特性
➢ 在一定的温压条件下，孔喉半径越小，扩散对总流量的贡献越大孔喉半径越小0.1um时，扩散流量占总流量的百分数迅速增大；孔喉半径小于1nm 时，扩散流量占总流量的近50% 压力 5Mpa 温度 300K 扩散流量比总流量
高分辨率微CT（Micro-CT）
➢ 和X射线CT的原理相同，但是所测量的样品更小，发射源和接收器之间的距离更短 ➢ 可观测的尺度为毫米级 ➢ 在探测裂缝和一下矿物方面具有优势
扫描电镜（SEM）
➢ 基于电子束的反射原理
➢ 可观测尺度为微米级和纳米级的尺度
➢ 在探测纳米孔和化学组成分析方面具有优势
扩散
滑流
α和壁面光滑性、气体类型、温度和压力有关，需要通过实验确定
Javadpour方程形式与达西定律一致，能方便的用到油藏模拟中
Q
K
AP L
视渗透率
Javadpour方程中的视渗透率等价于达西定律中的渗透率，但是随压力、温度、气体分子量的变化而变化
通过视渗透率和渗透率的比值分析研究纳米孔中气体的流动特征
根据滑流的特性，甚至在压力降为零时，仍具有一定的滑流流动。
Knudsen扩散：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，这种扩散，称为Knudsen扩散：达西流：符合达西定律的流动
在不同尺度上，页岩气储集和流动状态
纳米孔和微孔（<50nm）以吸附形式存在流动状态为扩散和滑流