頁巖氣開采機理及數值仿真研究.pdf

1、頁巖氣作為一種非常有前景的非常規(guī)天然氣能源，尤其是在北美地區(qū)，最近幾年從富含有機質的頁巖中開采出頁巖氣的量逐年上升，預計將來在全球范圍內頁巖氣的開采量也會持續(xù)增長。而頁巖氣的形成過程非常復雜，頁巖既作為源巖，又作為儲存巖，從頁巖中開采頁巖氣是不同與常規(guī)氣體的開采。如何能高效率地開采頁巖氣這對全球能源安全起到了一個關鍵性的保障作用，同時對改善能源結構也具有非常重要的意義。
　　本文在國家自然科學基金項目（項目批準號：51374257

2、）、教育部新世紀人才計劃項目（項目批準號：NCET-09-0844）的資助下，利用TOUGH+REALGASBRINE（由Lawrence Berkeley National Laboratory開發(fā)）軟件進行數值模擬分析，為了驗證模擬的可靠性，本文還與實驗結果進行了對比分析，發(fā)現在相同的參數條件下，實驗結果和模擬結果能達到很好的吻合。在此基礎上，進行了多組分吸附模擬，CO2驅替CH4模擬，超臨界CO2驅替CH4模擬，以及工程實例的數值

3、仿真研究。通過上面的實驗和模擬分析得到如下研究成果：
　　①本文先是進行了頁巖單組分吸附模擬，與單組分吸附實驗結果進行了對比分析發(fā)現，頁巖的吸附受溫度和壓強影響比較大，吸附量和壓強呈正相關，而與溫度成負相關。頁巖氣的累計產量隨著時間也逐漸增加，最后達到最大值。
　　②在單組分吸附實驗和模擬的基礎上，進行了多組分吸附實驗，發(fā)現在相同條件下，頁巖對不同氣體的吸附量是不同的，這是由于范德華力的不同導致不同氣體的吸附能力不同，范德華

4、力大的氣體其吸附能力就越強。同時，由于在混合氣體中，這種吸附能力強弱的體現導致氣體之間會出現競爭吸附，而在混合氣體中吸附能力強的氣體所占的比例越多，則其吸附量也越大。
　　③以帶有劈裂裂縫的頁巖滲流實驗為基礎，進行了宏觀裂縫的數值模擬，發(fā)現有宏觀裂縫的頁巖其滲透率要大一些，滲透率隨著孔隙壓力的增加而有所增加，而有宏觀裂縫的頁巖對孔隙壓力的敏感程度要高一些。同時在有宏觀裂縫的情況下，溫度越高其熱應力也越大，在熱應力的作用下，頁巖的滲

5、透率會降低。通過模擬可以看出有宏觀裂縫的頁巖對氣體的吸附量明顯減少，但有利于氣體的產量增加。
　　④在多組分吸附模擬中可以看出混合氣體中各組分氣體會出現競爭吸附，利用這一原理使吸附能力強的CO2去驅替吸附能力弱的CH4以增加其產量。發(fā)現溫度越高越有利于氣體的產量增加，這是由于溫度上升被吸附的氣體容易被解吸出去。同時在相同溫度條件下，壓強越大氣體的產量也越大。
　?、萦捎陧搸r氣深埋于地下，地下環(huán)境溫度高、壓強大，所以在開采中利

6、用CO2來驅替開采CH4，實際情況中CO2已經處于超臨界狀態(tài)，為了更加真實的反應開采情況，達到高效開采頁巖氣的目的，本文進行了超臨界CO2驅替CH4的研究，發(fā)現超臨界CO2來驅替CH4的研究規(guī)律與氣態(tài)CO2驅替CH4的基本一致。同時發(fā)現由于超臨界CO2的一些物理性質發(fā)生了變化導致其更加有利于頁巖氣的開采，使開采量增加。
　　⑥在上述的理論和模擬的研究基礎上，本文進行了工程實例的研究，發(fā)現當注入CO2后生產井所產的氣體明顯增加，規(guī)律

7、符合前面的研究。同時進行了氣體的瞬態(tài)流動研究，發(fā)現離井越近，氣體的流速越大，這是由于井周圍的壓力很小，氣體能夠快速流動。并且發(fā)現有宏觀裂縫的頁巖氣體飽和度相對較低，氣體的流速也較大。
　?、弑疚倪€研究了Klinkenberg效應對氣體產量的影響，由于在低滲孔隙介質中，氣體的流速非常慢，此時應該考慮Klinkenberg效應所產生的影響。發(fā)現在產氣初期，是否考慮Klinkenberg對累計產氣量并沒有產生太大的影響，而隨著時間的推移