231 / 2023-07-18 23:53:56

页岩气生产过程中多尺度多机理耦合的同位素分馏模型

同位素分馏,页岩气,产量预测,吸附气比例,数值模拟

页岩气以其分布范围广、资源储备量大及稳产周期长等特点，成为当前勘探开发的热点。目前，我国页岩气已取得阶段性成果，然后大部分区块仍表现出开发效果差、预测产量和实际储量矛盾等现象，还有很多问题有待探究和解决。其中产量预测和生产过程中吸附气/游离气比例评价事关页岩气井的开发方案制定与生产模式优化，早已引起了学术界和工业界的广泛关注。产量预测和生产过程中吸附气/游离气比例评价对于了解页岩气井的寿命和生产状态具有重要意义。页岩气产量预测的方法很多，目前可用的方法主要分为产量递减分析法、解析求解法和计算机数值模拟法三大类。产量递减法仅在井的产量变化具有确定的递减规律的条件下适用。解析求解法在遇到复杂边界条件时，难以求出偏微分方程的解析解。计算机数值模拟法的历史拟合数据主要为产量或井底压力等较为单一的生产数据，导致模型参数的标定存在多解性，缺乏更多元、对生产状态更加敏感的指标来约束模型。近年来的研究表明，在页岩气井生产、岩心现场解析和实验室饱和解析的过程中都存在着显著的多阶段同位素分馏特征，且各阶段分馏特征与气体原位含气量（GIP）、吸附气比例，气体产出进程和边界条件等密切相关，这为页岩气井生产过程中的产量预测和吸附气比例确定提供了全新的思路。然而现有的研究停留于实验的同位素分馏现象定性分析，建立的同位素分馏模型也仅适用于岩心尺度。例如：Zhang和Krooss^[1]提出了一种仅考虑扩散引起的同位素分馏模型；Xia和Tang^[2]建立了一个扩散和吸附/解吸耦合的同位素分馏模型，该模型能表征出气体在均质孔隙传输过程中的同位素分馏。李文镖^[3]等在前人基础上建立了一种考虑裂缝中的压差渗流，基质孔隙中的扩散和吸附/解吸以及干酪根结构孔中的浓度差扩散的多尺度孔-缝耦合的同位素分馏模型。然而上述的同位素分馏模型都是基于一维连续流动方程建立，仅适用于岩心解析过程中在的平面径向流和单向流，难以有效表征页岩气生产过程中多个气体传输区中多种气体传输机理耦合的复杂同位素分馏行为。因此在本次研究中，我们建立了适用于一个页岩气井生产过程中的多尺度多机理耦合的同位素分馏模型。该模型考虑了多尺度气体传输区域（HF、SRV和USRV区域）内的多种气体传输机制（渗流、扩散和吸附/解吸）。与传统模型相比该模型通过对产量和同位素数据的同时拟合提高了产能预测的精度，并提供了一种页岩气井生产过程中吸附气动用比例的评价方法。模型结果表明岩石的扩散和吸附/解吸特性、气井的井底流动压力（BHP）和储层多尺度气体传输区域共同影响着页岩气生产中的同位素分馏。岩石扩散和吸附/解吸参数对同位素分馏的影响由强到弱为：D^*/D, P_L, V_L, α。通过对多尺度气体传输区域耦合模型的解耦我们揭示了页岩气在生产过程中的同位素分馏机理。最后我们成功的将该模型应用于四川泸州地区的一口页岩气井，计算出该井的EUR为1.57×10⁸ m³，吸附气比例在气井生产第一、二和三年分别为2.26%，6.76%和19.59%。本次研究结果对理解气体在复杂系统传输过程中的同位素分馏机理有着重要意义，为页岩气开发方案制定和优化生产模式提供了理论和技术支持。