圖1.吸附模型與實驗數據擬合
圖2.FHH曲線確定吸附水狀態界限
在世界經濟對油氣資源需求日益增加的背景下, 非常規頁岩氣資源的開發利用備受關注. 頁岩氣藏具有獨特的存儲和低滲特徵, 水平井完井和水力壓裂技術是開發頁岩氣藏的關鍵技術. 但在水力壓裂過程中, 只有少部分的壓裂液在清洗階段被回收, 大部分壓裂液滯留在頁岩地層中, 水鎖問題嚴重影響著頁岩氣藏的有效開發. 開展頁岩氣藏氣水流動機理研究, 對頁岩氣藏的高效開發具有重要理論指導意義.
近年來, 中國科學院力學研究所, 中國石油勘探開發研究院和美國勞倫斯伯克利國家實驗室等機構的科研人員合作, 在頁岩氣藏氣水流動機理研究中取得系列進展.
科研人員設計了頁岩水吸附解吸及滲吸裝置, 研究了頁岩的水吸附解吸和滲吸特徵, 揭示了頁岩水吸附解吸和滲吸機理, 建立了頁岩水吸附擴散數值模型. 研究結果表明, 頁岩中水吸附與有機碳含量, 礦物組成密切相關, GAB等溫模型可以描述和預測其吸附過程, 而FHH曲線可用於區分吸附水狀態界限; 頁岩的水吸附解吸存在著嚴重滯後現象, 毛管力達到1MPa量級水才能從頁岩中排驅出來, 水鎖問題嚴重製約著頁岩氣藏的有效開發, 頁岩氣的產出主要與未接觸壓裂液的壓裂區域密切相關.
基於克努森數, 科研人員對頁岩氣不同尺度下的流動模式進行劃分, 分析了各流動模式下氣體流動特徵和影響因素; 根據塵氣模型 (Dusty Gas Model) 和廣義朗格謬爾模型 (Extended Langmuir Model) , 利用TOUGH2類比程序研究了頁岩氣的擴散吸附過程, 分析了壓力, 溫度和滲透率變化對頁岩氣擴散吸附的影響. 研究結果表明, 壓力變化對各流態的比例影響很大而溫度對其影響幾乎不變, 吸附作用影響著頁岩氣總的質量通量; 塵氣模型更適合描述低滲儲層介質的擴散過程, 當滲透率低於1.0×10-15m2時, 滲透率變化對頁岩氣擴散和吸附速率影響很小. 以上研究結果對頁岩氣藏的擴散吸附流動, 產能評價和壓裂設計等具有重要理論指導意義.
相關研究成果發表在Water Resources Research, Energies, Transport in Porous Media, Journal of Natural Gas Science and Engineering等上. 該研究得到了美國能源部, '十二五' 和 '十三五' 規劃國家油氣重大科技專項, 國家留學基金委, 中國石油勘探開發研究院和中科院流固耦合重點實驗室青年科技基金等的資助.
