基于分子模拟的页岩纳米孔隙吸附规律及二氧化碳驱替效果研究
页岩中大量存在的纳米孔隙造成了页岩气赋存及开采方式的特殊性。明确纳米孔隙内甲烷吸附规律及其影响因素是指导页岩气储层生产的重要理论基础。本文建立了页岩主要粘土矿物伊利石、蒙脱石及高岭石，以及有机质的平板型孔隙模型，采用分子模拟方法模拟了不同温度、压力、孔隙大小条件下各类吸附剂纳米孔隙中的甲烷吸附以及二氧化碳/甲烷竞争吸附规律，明确了甲烷绝对吸附量的计算方法。以分子模拟为手段，借鉴页岩储层参数建立流动模块，并结合粘土矿物孔隙分布特征，分析计算了不同粘土矿物的导流能力、页岩储层注二氧化碳生产的采收率。 模拟计算结果表明，粘土矿物微孔内甲烷吸附以微孔填充为主，有效孔隙体积内各处的甲烷密度均高于同等温度压力条件下的体相密度。而中孔内的甲烷表面吸附特征明显，纳米孔隙壁面形成较强的吸附单分子层。孔隙中心为自由相，其密度为同等温度压力条件下的体相密度。依据甲烷密度分布曲线特征划分了纳米孔隙内甲烷分布的吸附相及自由相。通过对比分析确定了基于过剩吸附量及吸附相体积的绝对吸附量计算方法优于基于过剩吸附量及吸附相密度的计算方法。甲烷吸附量计算结果表明，随着温度的增加甲烷吸附量逐渐减小，过剩吸附量随着压力的增加呈现先增加后减小的趋势，过剩吸附量在15MPa左右达到最大值;而绝对吸附量随着压力的增加呈持续上升趋势，高压区上升幅度有所减缓。由于表面吸附的特征，粘土矿物类型及孔径大小对吸附量的影响不大。 与甲烷单组份吸附不同，二氧化碳/甲烷竞争吸附中由于二氧化碳四极距性质，其吸附作用远强于甲烷吸附。从竞争吸附选择性系数来看，温度对竞争吸附的影响不大;而随着压力的增加选择性系数逐渐减小，在压力高于15MPa后选择性系数变化趋于平缓;不同粘土矿物模型中的选择性系数对比结果显示，蒙脱石中二氧化碳选择性系数最大，伊利石次之，高岭石模型中的选择性系数最小;孔隙大小也会在一定程度上影响选择性系数，微孔中二氧化碳吸附的选择性系数较高，随着孔径的增加，二氧化碳在竞争吸附中的选择性系数减小;此外，随着二氧化碳比例的增加，选择性系数逐渐减小。从绝对吸附量来看，竞争吸附中的甲烷及二氧化碳同样表现出吸附量随着温度升高逐渐减小，而随着压力的增加逐渐增加的变化趋势。由于存在离子交换，伊利石及蒙脱石纳米孔隙模型中的甲烷吸附量低于高岭石纳米孔隙模型中的吸附。而在低压区高岭石中的二氧化碳吸附量小于伊利石及蒙脱石中的吸附量，但在压力达到10MPa之后高岭石中的吸附量显著上升，且在高压区基本与蒙脱石模型中的吸附量持平。竞争吸附模拟研究为注二氧化碳驱替甲烷提高页岩气采收率提供了理论基础。基于物质平衡原理，评估了注入二氧化碳达到给定体相密度摩尔比后地层压力恢复的上限值。结合分子模拟结果及开采方式分析表明，在固定体相密度摩尔比的条件下，随着温度的增加下注二氧化碳后被置换甲烷比例有所增加但涨幅不大;而在温度固定的条件下提高二氧化碳的体相密度百分比可有效提高二氧化碳置换甲烷效率。 分子模拟研究提供了精确的纳米孔隙内甲烷分布参数，对划分纳米孔内甲烷流动类型具有重要意义。基于分子模拟获得的参数，以克努森系数为指标划分了粘土矿物纳米孔隙内甲烷的流动类型，并探讨了流动类型变化的临界压力与孔隙大小的关系。甲烷单组份吸附及二氧化碳/甲烷竞争吸附中的临界压力与孔径均呈良好的幂函数关系。计算结果表明，纳米孔隙内主要发生分子扩散、自由相气体滑流、自由相气体过渡流、自由相气体克努森扩散以及考虑吸附的表面扩散。流动类型的变化与孔隙大小、压力条件及纳米孔隙内流体性质密切相关，结合实际粘土矿物样品的孔径分布与孔隙体积参数，绘制了不同粘土矿物的表观渗透率曲线。计算结果显示三种粘土矿物的表观渗透率曲线随压力的变化趋势一致且差异不大。在较高压力条件下三种矿物的表观渗透率均在100-150nD之间，且随压力的变化幅度不大;而在低压条件下，表观渗透率随压力的变化幅度急剧增加，数值分布在150-400nD之间。自由相体积减少、自由相密度减小、流体粘度减小、绝对吸附最大吸附量与兰氏压力比值的减小的综合作用下，二氧化碳/甲烷竞争吸附条件下的表观渗透率低于甲烷单组份吸附条件下表观渗透率。 参考实际页岩储层参数建立模拟计算模块，综合表观渗透率与纳米孔隙内甲烷赋存量变化特征研究分析了甲烷采收率的变化规律及其影响因素。降压开采方式的采收率在1.47％-2.36％之间，当向孔隙中注入二氧化碳后提高的采收率百分比在1.31％-37.84％之间，表明注二氧化碳驱替甲烷是提高页岩气采收率的有效方法。
页岩气;页岩纳米孔隙;吸附规律;二氧化碳驱;采收率
成都理工大学
博士
油气田开发工程
王洪辉
2018
中文
TE377
168
2018-11-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）