含水页岩甲烷吸附特性及热力学特征研究

页岩储层普遍含水,水分对页岩气体吸附行为和地质储量评估具有显著影响。为探究水分对页岩吸附行为的影响规律,构建了考虑含水率影响的吸附模型,结合多组试验数据对新建模型的合理性进行验证,并进一步剖析了含水页岩的吸附行为。在此基础上,讨论了不同吸附机制对页岩中甲烷等温吸附的贡献,并通过热力学参数对比了干湿页岩中吸附热力学特性。结果表明:在气体压力变化过程中,甲烷气体吸附量呈典型的“三段式”变化。其中,水分对甲烷吸附量具有抑制作用,含水页岩吸附量显著低于干燥页岩,页岩吸附量随含水率的增大呈降低趋势。此外,温度同样对甲烷吸附具有抑制作用,当含水率恒定时,随温度升高页岩吸附能力呈降低趋势。同时,不同吸附机制对吸附量的贡献受到水分和压力的共同影响,压力和含水率越高,微孔填充吸附量对总吸附量的贡献率越低。热力学参数表明干燥页岩与含水页岩的甲烷吸附均为物理吸附,同一吸附量下,干燥页岩等量吸附热始终高于含水页岩。水分通过改变页岩非均一性占据高能吸附位点同时影响分子间作用力,综合作用下使得等量吸附热降低,进而导致含水页岩吸附能力降低。研究结果有助于页岩吸附气量的准确计算,并为页岩气藏开发方案和编制提供理论依据。

考虑虚拟边界与应力耦合的页岩渗透率模型

为探讨页岩气开采过程中页岩渗透率的变化情况,基于毛细管层序模型,采用虚拟边界与应力耦合相结合的方法,按照一定权重系数将应力推导黏性流动和克努森扩散相加,建立了页岩纳米孔体相气体传输模型。结果表明:新建渗透率模型计算曲线与试验实测值吻合较好,可以较好揭示页岩纳米孔体相气体流动情况;与Lu模型和S&D模型相比,新建模型考虑虚拟边界与应力的耦合,表观渗透率模型计算曲线与试验结果更为吻合,且能很好地反映实测值与孔隙压力所呈现的变化规律,具有较好的优越性;页岩力学参数(弹性模量、泊松比)、Langmuir应变常数及裂隙压缩系数对页岩渗透率起抑制作用,主要表现为其值越大,页岩渗透率越小;初始渗透率对页岩渗透率起促进作用,表现为其值越大,页岩渗透率越大。研究成果可为页岩气开发提供理论支撑。

应力作用下含水煤岩渗透率及水膜动态演化机制

为探究应力−吸附−水与滑脱效应多因素综合作用下煤岩渗透率演化机制,考虑应力−吸附诱导煤岩变形的影响,修正水膜厚度表达式,并分析煤岩孔隙的动态变化。基于此,进一步量化含水煤岩气体滑脱效应的强度,建立考虑应力−吸附−水与滑脱效应多因素综合作用的煤岩渗透率模型。此外,结合煤岩渗透率试验研究,通过试验数据验证渗透率模型的可靠性,以揭示应力−吸附−水多因素综合作用下煤岩渗透率、动态水膜及滑脱因子的演化机制。研究结果表明:同一含水饱和度条件下,煤岩渗透率随有效应力增大先急剧减小后趋于平缓;同一有效应力条件下,煤岩渗透率随含水饱和度增大逐渐减小。水膜厚度在应力−吸附−水作用下动态变化,水膜厚度与应力、吸附呈负相关趋势,而与含水饱和度呈正相关趋势;随含水饱和度增大,滑脱因子逐渐增大,但在低应力条件下,增大趋势平缓,高应力条件下增大趋势急剧。此外,基于气−液−固表面分离压,推导应力−吸附作用下正方形、正三角形内动态水膜表达式,并分析不同几何形态孔隙的煤岩渗透率、动态水膜及滑脱因子演化机制的差异。其中,因角孔存在,不同几何形态孔隙内水膜厚度从大至小排序为圆形、正方形、正三角形,煤岩渗透率排序与其相反;圆形孔隙内滑脱因子较含角孔隙更大,而正方形与正三角形孔隙内滑脱因子差异较小。

考虑动态滑脱的页岩微裂隙表观渗透率演化机制

为研究页岩气开采过程中有效应力、气体吸附及滑脱效应作用下微裂隙表观渗透率的演化机制,利用分形理论表征微裂隙气体总流量,并基于Hagen-Poiseuille二阶滑脱方程建立微裂隙变形和滑脱效应综合作用的表观渗透率模型。同时,结合滑脱系数与固有渗透率间的函数关系,量化有效应力和气体吸附等因素对滑脱系数的影响,探讨页岩气渗流过程中滑脱系数动态演变过程,并验证模型可靠性。此外,结合敏感性分析,探讨微裂隙压缩性系数、分形维数、内膨胀系数对滑脱系数的影响。结果表明:(1)恒定外应力和恒定有效应力条件下,随孔隙压力逐渐增大,受气体吸附与滑脱效应的耦合影响,表观渗透率呈减小趋势;(2)当外应力恒定时,气体分子平均自由程随孔隙压力增大而减小,滑脱效应减弱,一阶、二阶滑脱系数C_(1)、C_(2)减小,整体滑脱系数B增大;当有效应力恒定时,页岩气渗流通道受制于气体吸附的影响而逐渐减小,C_(1)、C_(2)和B逐渐增大;(3)基于模型敏感性分析,探讨微裂隙压缩性系数、分形维数、内膨胀系数与滑脱系数之间的互馈机制,其中微裂隙压缩性系数、分形维数导致固有渗透率增大,而C_(1)、C_(2)、B减小;内膨胀系数的增大导致固有渗透率减小,C_(1)、C_(2)、B增大。研究所得结论将为页岩气开采提供一定的理论支撑。

孔隙压力循环加卸载下煤岩渗流演化机制研究

为探究孔隙压力周期性变化对煤岩变形和渗流特性的影响,采用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展孔隙压力循环加卸载下煤岩的变形及渗流试验.基于基质-裂隙相互作用的重要性,引入内膨胀系数以量化气体吸附对裂隙体积模量的影响,并进一步修正Betti-Maxwell互易定理,构建气体吸附效应控制下的煤岩渗流模型.结果表明:当有效应力恒定时,煤岩轴向应变、径向应变和体积应变随孔隙压力的增大而减小;相同孔隙压力下,随循环次数增大,煤岩体积应变和径向应变呈减小趋势,而轴向应变呈增大趋势.在孔隙压力加载的过程中,煤岩渗透率先迅速减小后趋于平缓,而卸载时煤岩渗透率有所恢复,但均小于加载阶段;相同孔隙压力下,随循环次数增大,煤岩渗透率呈减小趋势.新建模型所呈现的渗透率演化过程与试验测试结果基本保持一致,表明该模型可较好地描述孔隙压力循环加卸载下煤岩渗流演化过程.探讨不同循环次数下内膨胀系数演化规律,并发现在孔隙压力加载过程中,内膨胀系数随循环次数的增大而增大;而孔隙压力卸载过程中,内膨胀系数随循环次数的增大而减小.研究结果可为合理布置瓦斯抽采钻孔提供理论指导,对井下瓦斯高效抽采和瓦斯灾害防治具有重要意义.

页岩储层动态表观渗透率演化机制

为探究页岩储层中的气体传输机理,基于合理描述各种传输机理权重系数的重要性,采用将连续流动和克努森扩散权重叠加的方法,考虑表面扩散、有效应力和气体吸附,建立页岩气体传输模型.结果表明:新建模型的计算值和试验值基本一致,其理论适用性及数据匹配均优于传统模型和Wang模型;有效应力不变时,随孔隙压力升高,页岩表观渗透率降低;孔隙压力不变时,有效应力越大,页岩表观渗透率越小;随裂隙压缩系数增大,页岩表观渗透率减小;吸附变形对孔隙率及渗透率的作用更明显,其对渗透率改变的贡献较大;在低压或小孔径条件下,克努森扩散对气体传输影响较大.