用于计算页岩微裂缝缝宽变化下气体质量传输参数的方法技术

本申请公开了一种用于计算页岩微裂缝缝宽变化下气体质量传输参数的方法，包括以下步骤：收集储层压力、微裂缝初始尺寸、岩石力学参数、储层气体相关参数基础数据；根据微裂缝压缩性、基质压缩性以及气体解吸附性对微裂缝宽度的影响，建立应力敏感下缝宽变化方程；针对不同的传输机理，建立考虑页岩缝宽动态变化下描述连续流动、滑脱流动、克努森流动、表面扩散作用相对应的流态的质量运移方程；建立考虑页岩缝宽动态变化下描述不同传输机理质量运移的统一方程。本发明专利技术能计算页岩微裂缝中气体质量传输参数，且考虑了应力敏感下的缝宽动态变化，具有新颖性、综合性等特点。

A method for calculating gas mass transfer parameters under the change of seam width of shale microcracks

The present application discloses a method for calculating the gas mass transfer parameters under the wide variation of the fracture seam of shale, including the following steps: collecting reservoir pressure, initial size of microcracks, rock mechanics parameters, and basic data of reservoir gas related parameters; based on the compressibility of microcracks, the compressibility of the matrix and the desorption of gas. With the influence of the width of the micro crack, the variation equation of the gap width is established under the stress sensitivity. According to the different transmission mechanism, the mass migration equation which describes the flow state corresponding to the continuous flow, the slippage flow, the Knudsen flow and the surface diffusion under the dynamic variation of the shale seam width is established. The uniform equation of mass migration of different transmission mechanisms. The invention can calculate the gas mass transfer parameters in shale microfracture, and consider the dynamic changes of the seam width under stress sensitivity, which has the characteristics of novelty and comprehensiveness.

【技术实现步骤摘要】
用于计算页岩微裂缝缝宽变化下气体质量传输参数的方法
本申请属于矿物资源
，具体地说，涉及一种用于计算页岩微裂缝缝宽变化下气体质量传输参数的方法。
技术介绍
在应力和热流体作用下，页岩气储集层在成岩及烃类演化过程中会产生微裂缝，呈规则和不规则的微裂缝易在有机质边缘或薄弱面形成，这些微裂缝的存在对页岩气体的质量传输影响很大。根据Knudsen数的定义，可以把微裂缝气体传输流动形态分为连续流、滑脱流、过渡流和克努森流，不同的流态也会影响页岩微裂缝的质量传输。与砂岩相比，页岩有机质强度弱，更易变形，页岩气藏在降压开发过程中，有效应力增大，应力敏感效应会更强。因此，在建立页岩气微裂缝质量传输时，充分考虑应力敏感效应的影响，对我国页岩气开发显得尤为重要。页岩有机质与黏土矿物均能吸附页岩气，但以有机质为主。研究表明吸附气的解吸附对气体传输的影响较大，在页岩气降压开发过程中，吸附气部分解吸，有效水动力传输通道增大，页岩气传输能力大幅度提高。吸附气除了解吸附，在浓度梯度作用下还发生表面扩散，其对气体传输也起着重要作用。表面扩散在较小的纳米级尺度下总是主宰了气体传输。由此可知，在计算页岩微裂缝气体质量传输参数时，缝宽变化、解吸附作用、表面扩散作用是不能忽略的。针对页岩储层，前人对应力敏感下孔隙中气体质量传输参数计算方法进行了大量研究，而对页岩微裂缝中气体传输参数计算方法的研究却几乎没有。吴克柳等基于滑脱流动和克努森扩散模型，耦合了不同传输机理，建立了微裂缝气体传输模型(吴克柳,etal.,页岩气和致密砂岩气藏微裂缝气体传输特性.力学学报,2015.47(6):p.955-964.)。然而，该模型并未考虑实际开发中应力敏感下微裂缝宽度的变化、真实气体解吸附和吸附气体表面扩散对气体传输流量的影响。Robertson等(Robertson,E.P.andR.L.Christiansen,APermeabilityModelforCoalandOtherFractured,Sorptive-ElasticMedia.SpeJournal,2006.13(3):p.314-324.)将储层划分为理想化的立方网格，研究了应力敏感导致的基质之间的微裂缝宽度变化。其认为微裂缝压缩性、基质压缩性以及气体解吸附性共同使微裂缝宽度发生变化。但其仅讨论了缝宽变化，未对裂缝中气体传输流量特性展开研究。由于微裂缝宽度变化对页岩微裂缝气体质量传输影响很大，而前人对考虑应力敏感下页岩微裂缝气体传输特性并没有作相关研究，气体传输参数的计算方法也未被提出。页岩气体质量传输参数包括传输流量、微裂缝渗透率等，这些参数能够很好地反映气体传输特性，为储层页岩气开发提供基础参数。因而，专利技术一种考虑缝宽变化的页岩微裂缝气体质量传输参数的计算方法对更为精确合理地指导现场页岩气生产开发及产量计算等方面具有重要意义。
技术实现思路
有鉴于此，本申请针对以上问题，提供了一种用于计算页岩微裂缝缝宽变化下气体质量传输参数的方法。为了解决上述技术问题，本申请公开了一种用于计算页岩微裂缝缝宽变化下气体质量传输参数的方法，包括以下步骤：步骤1、收集储层压力、微裂缝初始尺寸、岩石力学参数、储层气体相关参数基础数据；步骤2、根据微裂缝压缩性、基质压缩性以及气体解吸附性对微裂缝宽度的影响，建立应力敏感下缝宽变化方程；步骤3、针对不同的传输机理，建立考虑页岩缝宽动态变化下描述连续流动、滑脱流动、克努森流动、表面扩散作用相对应的流态的质量运移方程；步骤4、建立考虑页岩缝宽动态变化下描述不同传输机理质量运移的统一方程。进一步地，所述步骤1中的收集储层压力、微裂缝初始尺寸、岩石力学参数、储层气体相关参数基础数据具体为：收集初始裂缝宽度、初始裂缝高度、初始裂缝压缩系数、裂缝压缩系数变化速率、岩石泊松比、岩石杨氏模量、朗格缪尔压力、朗格缪尔应变、初始地层压力、当前地层压力、地层温度、气体摩尔质量、气体分子密度、气体黏度、表面吸附气最大浓度、表面扩散系数、微裂缝孔隙度、微裂缝迂曲度基本参数。进一步地，所述步骤2中的根据微裂缝压缩性、基质压缩性以及气体解吸附性对微裂缝宽度的影响，建立应力敏感下缝宽变化方程，具体包括以下步骤：步骤2.1、微裂缝压缩性的影响：为了研究压力变化引起的应力敏感对微裂缝宽度和基质压缩等方面的影响，将页岩储层网格化处理，得到若干个基质裂缝网格；在立方网格中，基质单元是长度为a的正方体，基质之间是宽度为b的裂缝，最终形成理想化的立方网格模型；考虑基质中孔隙极小，储层孔隙全由微裂缝提供，这里重点针对基质之间的裂缝进行研究；该模型中，微裂缝孔隙度φ和微裂缝高度a和微裂缝宽度b满足以下关系：式中，a为微裂缝高度，m；b为微裂缝宽度，m；φ为微裂缝孔隙度，无量纲；根据定义，净压力由下式表示σ＝pob-pp(2)式中，σ为净压力，MPa；pob为上覆岩石压力，MPa；pp为孔隙压力，Mpa；当上覆岩石压力和孔隙压力变化时，Δσ＝(pob-pob0)-(pp-pp0)(3)式中，Δσ为净压力改变量，MPa；pob0为初始上覆岩石压力，MPa；pp0为初始孔隙压力，MPa；裂缝压缩系数表达为下式式中，cf为裂缝压缩系数，MPa-1；Δφ为微裂缝孔隙度变化量，无量纲；φ0为初始微裂缝孔隙度，无量纲；在上覆岩石压力不变的情况下，裂缝压缩系数表达为下式式中，c0为初始裂缝压缩系数，Pa-1；δ为裂缝压缩系数变化速率，Pa-1；结合式(1)、式(3)、式(4)，则由微裂缝的压缩性引起的裂缝宽度变化为Δbf＝-b0cf[(pob-pob0)-(pp-pp0)](6)式中，Δbf为微裂缝的压缩性引起的裂缝宽度变化，m；b0为初始裂缝宽度，m；步骤2.2、基质压缩性的影响：岩石体积模量由下式表示式中，K为岩石体积模量，MPa；Δphydrostatic为静水压力，MPa；ΔV为岩石体积改变量，m3；V0为岩石初始体积，m3；由于地层岩石主要与周围孔隙流体接触，与其它基质仅有少量点接触，所以孔隙压力变化对基质压缩的影响远大于上覆岩石压力的影响；由此，式(7)表达为下式：体积机械应变由式(8)表示：式中，-εvm为体积机械应变，无量纲；V为岩石体积，m3；体积模量由杨氏模量和泊松比表示：式中，E为岩石杨氏模量，MPa；υ为岩石泊松比，无量纲；由式(9)、式(10)得线性应变为体积机械应变的三分之一，则线性应变表示为式中，εlm为线性应变，无量纲；线性应变定义为由基质压缩性引起的基质长度变化量与基质原始长度的比值式中，Δam为由基质压缩性引起的基质长度变化量，m；a0为初始基质长度，m；基质长度变化量与裂缝宽度变化量相等，但变化趋势相反：Δam＝-Δbm(14)式中，Δbm为由基质压缩性引起裂缝宽度变化量，m；由式(12)、式(13)、式(14)得出在压力变化下，由基质压缩性引起的裂缝宽度变化Δbm表示为步骤2.3、气体解吸附性的影响：由Langmuir方程得下式式中，εls为解吸附导致的应变，m；SL为Langmuir应变，m；pL为Langmuir压力，Mpa；从初始孔隙压力状态到当前孔隙压力状态的线性应变可由下式表示：解吸附导致的应变定义为解吸附导致基质长度的变化量与基质原始长度的比值：式中，Δas本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于计算页岩微裂缝缝宽变化下气体质量传输参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、收集储层压力、微裂缝初始尺寸、岩石力学参数、储层气体相关参数基础数据；步骤2、根据微裂缝压缩性、基质压缩性以及气体解吸附性对微裂缝宽度的影响，建立应力敏感下缝宽变化方程；步骤3、针对不同的传输机理，建立考虑页岩缝宽动态变化下描述连续流动、滑脱流动、克努森流动、表面扩散作用相对应的流态的质量运移方程；步骤4、建立考虑页岩缝宽动态变化下描述不同传输机理质量运移的统一方程。

【技术特征摘要】
1.一种用于计算页岩微裂缝缝宽变化下气体质量传输参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、收集储层压力、微裂缝初始尺寸、岩石力学参数、储层气体相关参数基础数据；步骤2、根据微裂缝压缩性、基质压缩性以及气体解吸附性对微裂缝宽度的影响，建立应力敏感下缝宽变化方程；步骤3、针对不同的传输机理，建立考虑页岩缝宽动态变化下描述连续流动、滑脱流动、克努森流动、表面扩散作用相对应的流态的质量运移方程；步骤4、建立考虑页岩缝宽动态变化下描述不同传输机理质量运移的统一方程。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中的收集储层压力、微裂缝初始尺寸、岩石力学参数、储层气体相关参数基础数据具体为：收集初始裂缝宽度、初始裂缝高度、初始裂缝压缩系数、裂缝压缩系数变化速率、岩石泊松比、岩石杨氏模量、朗格缪尔压力、朗格缪尔应变、初始地层压力、当前地层压力、地层温度、气体摩尔质量、气体分子密度、气体黏度、表面吸附气最大浓度、表面扩散系数、微裂缝孔隙度、微裂缝迂曲度基本参数。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中的根据微裂缝压缩性、基质压缩性以及气体解吸附性对微裂缝宽度的影响，建立应力敏感下缝宽变化方程，具体包括以下步骤：步骤2.1、微裂缝压缩性的影响：为了研究压力变化引起的应力敏感对微裂缝宽度和基质压缩等方面的影响，将页岩储层网格化处理，得到若干个基质裂缝网格；在立方网格中，基质单元是长度为a的正方体，基质之间是宽度为b的裂缝，最终形成理想化的立方网格模型；考虑基质中孔隙极小，储层孔隙全由微裂缝提供，这里重点针对基质之间的裂缝进行研究；该模型中，微裂缝孔隙度φ和微裂缝高度a和微裂缝宽度b满足以下关系：式中，a为微裂缝高度，m；b为微裂缝宽度，m；φ为微裂缝孔隙度，无量纲；根据定义，净压力由下式表示σ＝pob-pp(2)式中，σ为净压力，MPa；pob为上覆岩石压力，MPa；pp为孔隙压力，Mpa；当上覆岩石压力和孔隙压力变化时，Δσ＝(pob-pob0)-(pp-pp0)(3)式中，Δσ为净压力改变量，MPa；pob0为初始上覆岩石压力，MPa；pp0为初始孔隙压力，MPa；裂缝压缩系数表达为下式式中，cf为裂缝压缩系数，MPa-1；Δφ为微裂缝孔隙度变化量，无量纲；φ0为初始微裂缝孔隙度，无量纲；在上覆岩石压力不变的情况下，裂缝压缩系数表达为下式式中，c0为初始裂缝压缩系数，Pa-1；δ为裂缝压缩系数变化速率，Pa-1；结合式(1)、式(3)、式(4)，则由微裂缝的压缩性引起的裂缝宽度变化为Δbf＝-b0cf[(pob-pob0)-(pp-pp0)](6)式中，Δbf为微裂缝的压缩性引起的裂缝宽度变化，m；b0为初始裂缝宽度，m；步骤2.2、基质压缩性的影响：岩石体积模量由下式表示式中，K为岩石体积模量，MPa；Δphydrostatic为静水压力，MPa；ΔV为岩石体积改变量，m3；V0为岩石初始体积，m3；由于地层岩石主要与周围孔隙流体接触，与其它基质仅有少量点接触，所以孔隙压力变化对基质压缩的影响远大于上覆岩石压力的影响；由此，式(7)表达为下式：体积机械应变由式(8)表示：式中，-εvm为体积机械应变，无量纲；V为岩石体积，m3；体积模量由杨氏模量和泊松比表示：式中，E为岩石杨氏模量，MPa；υ为岩石泊松比，无量纲；由式(9)、式(10)得线性应变为体积机械应变的三分之一，则线性应变表示为式中，εlm为线性应变，无量纲；线性应变定义为由基质压缩性引起的基质长度变化量与基质原始长度的比值式中，Δam为由基质压缩性引起的基质长度变化量，m；a0为初始基质长度，m；基质长度变化量与裂缝宽度变化量相等，但变化趋势相反：Δam＝-Δbm(14)式中，Δbm为由基质压缩性引起裂缝宽度变化量，m；由式(12)、式(13)、式(14)得出在压力变化下，由基质压缩性引起的裂缝宽度变化Δbm表示为步骤2.3、气体解吸附性的影响：由Langmuir方程得下式式中，εls为解吸附导致的应变，m；SL为Langmuir应变，m；pL为Langmuir压力，Mpa；从初始孔隙压力状态到当前孔隙压力状态的线性应变可由下式表示：解吸附导致的应变定义为解吸附导致基质长度的变化量与基质原始长度的比值：式中，Δas为解吸附导致基质长度的变化量，m；由式(17)、式(18)得下式基质长度变化量与裂缝宽度变化量相等，但变化趋势相反，所以式(19)表达为：式中，Δbs为解吸附导致的裂缝宽度变化量，m；步骤2.4、应力敏感下缝宽总变化方程：由式(6)、(15)、(20)得由压力变化引起的裂缝宽度总变...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾凡辉，彭凡，曾波，郭建春，向建华，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51