頁巖氣開采機(jī)理及數(shù)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(jī)質(zhì)的頁巖中開采出頁巖氣的量逐年上升，預(yù)計(jì)將來在全球范圍內(nèi)頁巖氣的開采量也會(huì)持續(xù)增長。而頁巖氣的形成過程非常復(fù)雜，頁巖既作為源巖，又作為儲(chǔ)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(duì)全球能源安全起到了一個(gè)關(guān)鍵性的保障作用，同時(shí)對(duì)改善能源結(jié)構(gòu)也具有非常重要的意義。
　　本文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：51374257

2、）、教育部新世紀(jì)人才計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：NCET-09-0844）的資助下，利用TOUGH+REALGASBRINE（由Lawrence Berkeley National Laboratory開發(fā)）軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為了驗(yàn)證模擬的可靠性，本文還與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在相同的參數(shù)條件下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果能達(dá)到很好的吻合。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了多組分吸附模擬，CO2驅(qū)替CH4模擬，超臨界CO2驅(qū)替CH4模擬，以及工程實(shí)例的數(shù)值

3、仿真研究。通過上面的實(shí)驗(yàn)和模擬分析得到如下研究成果：
　?、俦疚南仁沁M(jìn)行了頁巖單組分吸附模擬，與單組分吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，頁巖的吸附受溫度和壓強(qiáng)影響比較大，吸附量和壓強(qiáng)呈正相關(guān)，而與溫度成負(fù)相關(guān)。頁巖氣的累計(jì)產(chǎn)量隨著時(shí)間也逐漸增加，最后達(dá)到最大值。
　?、谠趩谓M分吸附實(shí)驗(yàn)和模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了多組分吸附實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在相同條件下，頁巖對(duì)不同氣體的吸附量是不同的，這是由于范德華力的不同導(dǎo)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(qiáng)。同時(shí)，由于在混合氣體中，這種吸附能力強(qiáng)弱的體現(xiàn)導(dǎo)致氣體之間會(huì)出現(xiàn)競爭吸附，而在混合氣體中吸附能力強(qiáng)的氣體所占的比例越多，則其吸附量也越大。
　?、垡詭в信蚜芽p的頁巖滲流實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了宏觀裂縫的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)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(duì)孔隙壓力的敏感程度要高一些。同時(shí)在有宏觀裂縫的情況下，溫度越高其熱應(yīng)力也越大，在熱應(yīng)力的作用下，頁巖的滲

5、透率會(huì)降低。通過模擬可以看出有宏觀裂縫的頁巖對(duì)氣體的吸附量明顯減少，但有利于氣體的產(chǎn)量增加。
　?、茉诙嘟M分吸附模擬中可以看出混合氣體中各組分氣體會(huì)出現(xiàn)競爭吸附，利用這一原理使吸附能力強(qiáng)的CO2去驅(qū)替吸附能力弱的CH4以增加其產(chǎn)量。發(fā)現(xiàn)溫度越高越有利于氣體的產(chǎn)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(shí)在相同溫度條件下，壓強(qiáng)越大氣體的產(chǎn)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(qiáng)大，所以在開采中利

6、用CO2來驅(qū)替開采CH4，實(shí)際情況中CO2已經(jīng)處于超臨界狀態(tài)，為了更加真實(shí)的反應(yīng)開采情況，達(dá)到高效開采頁巖氣的目的，本文進(jìn)行了超臨界CO2驅(qū)替CH4的研究，發(fā)現(xiàn)超臨界CO2來驅(qū)替CH4的研究規(guī)律與氣態(tài)CO2驅(qū)替CH4的基本一致。同時(shí)發(fā)現(xiàn)由于超臨界CO2的一些物理性質(zhì)發(fā)生了變化導(dǎo)致其更加有利于頁巖氣的開采，使開采量增加。
　?、拊谏鲜龅睦碚摵湍M的研究基礎(chǔ)上，本文進(jìn)行了工程實(shí)例的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)注入CO2后生產(chǎn)井所產(chǎn)的氣體明顯增加，規(guī)律

7、符合前面的研究。同時(shí)進(jìn)行了氣體的瞬態(tài)流動(dòng)研究，發(fā)現(xiàn)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(dòng)。并且發(fā)現(xiàn)有宏觀裂縫的頁巖氣體飽和度相對(duì)較低，氣體的流速也較大。
　　⑦本文還研究了Klinkenberg效應(yīng)對(duì)氣體產(chǎn)量的影響，由于在低滲孔隙介質(zhì)中，氣體的流速非常慢，此時(shí)應(yīng)該考慮Klinkenberg效應(yīng)所產(chǎn)生的影響。發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)氣初期，是否考慮Klinkenberg對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量并沒有產(chǎn)生太大的影響，而隨著時(shí)間的推移