基于多尺度页岩复杂流动行为的动态评价模型研究

Multi-scale flow channel generated by hydraulic fracturing in shale formations and the special storage mechanism of shale gas lead to the complexity of shale gas flow behavior. Dynamic evaluation of shale gas flow aims at the difficult problems, such as microcosmic molecular flow in nanometer pore, macroscopic seepage in micro-fractures and hydraulic fractures, and flow coupling of different flow state in multi-scale medium. Through the indoor experiment platform, combined with the mathematical modeling and computer simulation, the different flow state characteristics of shale gas in micro-pore, micro-fractures and hydraulic fractures will be studied, meanwhile, based on the principle of mass conservation, the transformation and coupling mechanism of different flow state will be revealed to analyze the control factors of shale gas from microcosmic molecular flow to macroscopic seepage. Finally we will master flow law of shale gas in multi-scale medium to establish the dynamic evaluation model and method for predicting the fracturing effect of shale reservoir more exactly. The research results may provide a theoretical basis for volume fracturing stimulation and production evaluation, and simultaneously can improve the scientificalness and effectiveness of hydraulic fracturing design for shale gas reservoirs.

页岩储层水力裂缝网络展布下的多尺度流动通道和页岩气的特殊赋存机制导致了页岩气流动行为的复杂性，针对页岩储层动态评价面临纳米孔隙尺度的微观分子流动、微裂缝尺度和水压体积裂缝尺度的宏观渗流、以及页岩气在多尺度介质中的不同流态转化耦合等难点问题。通过室内实验平台，结合数学模拟和计算机模拟方法，研究页岩气在纳米孔隙、微裂缝和水压体积裂缝多尺度介质的不同流态特征；基于质量守恒原理，探究页岩气从微观到宏观尺度介质的流态转化耦合机制，揭示页岩气在多尺度介质的流动规律；最终建立基于页岩储层复杂流动行为的动态评价模型和方法。从而可以更加精确地预测和分析页岩储层的压裂改造效果，为页岩储层体积压裂改造以及压后产量评价提供理论依据，提高页岩储层水力压裂设计的科学性和有效性，完善页岩气开发的渗流理论和体积改造理论。

本项研究属于目前页岩气开发研究的最新前沿性课题之一。受页岩气储层物性特征、赋存方式以及压裂缝扩展形态的多重复合作用，页岩气在开采过程中将在纳米孔隙—微裂缝—水压体积裂缝多尺度空间进行流动传输。为此，页岩气开发过程中流体流动路径复杂，流态形式多样，但由于目前对页岩气在页岩储层中流动特性以及流态转化耦合作用的认识不清，导致目前页岩气压后动态评价方法研究严重滞后，对页岩气的水力压裂设计和工艺措施优化存在很大的盲目性，势必严重影响页岩储层水力压裂设计的有效性。.项目开展了页岩储层纳米尺度孔隙的微观流动机制、页岩储层微裂缝—宏观裂缝的流体流动特征、页岩储层不同流态转化物理机制以及页岩储层的动态评价模型几个方面的研究。.基于页岩气微观尺度气体流动特征，结合真实气体状态方程，采用格子Boltzmann方法，建立了页岩微尺度气体流动模型，对影响流动的压力、孔隙尺寸、吸附作用和温度影响因素进行了定量分析，掌握了页岩气在纳米孔隙的流动行为特征。.设计了页岩剪切裂缝导流测试实验方法，加工形成随机自然剖分的粗糙裂缝岩板，使用激光扫描仪分析裂缝面的粗糙程度，然后采用导流能力测试分析系统。定量测试和分析裂缝面粗糙度、剪切位错量、铺砂浓度和闭合应力等关键因素对裂缝导流能力影响。.考虑不同尺度介质中的气体复杂流动规律，以及天然裂缝应力敏感特征，建立了考虑流固耦合效应的页岩干酪根-无机质-裂缝三重介质多尺度流动数学模型。模型通过定义表观渗透率来表征纳米孔隙中的滑移流、Knudsen扩散和表面扩散等复杂流动行为，实现了页岩气从微观流动到宏观渗流的耦合转换。研究了裂缝参数和地层参数对生产动态的影响。.该项目研究对完善页岩气渗流理论和体积压裂改造基础理论，推动体积压裂理论模型的发展和体积压裂工艺技术的进步，提高页岩气储层水力压裂设计的有效性，保持我国天然气工业可持续发展具有十分重要的意义。