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1、提供全套毕业设计，欢迎咨询 本科毕业设计（论文）题目页岩气合理生产方式研究 学生姓名学号教学院系石油与天然气工程学院专业年级石油工程单位油气田开发所完成日期 2014年06月Southwest Petroleum UniversityGraduation ThesisResearch on reasonable mode of production of shale gasGrade: 2010Name: Speciality: Petroleum EngineeringInstructor: Petroleum Engineering Institute2014-6摘要页岩气是一种极具潜力的
2、非常规能源，近些年受到了国内外的广泛关注。北美页岩气勘探开发获得的巨大成功激起了国内页岩气勘探开发的高潮。由于页岩气藏不同于其他常规气藏的特性，其开发难度更大，技术要求更高，费用更昂贵，因此，对于页岩气藏的机理、特征以及开发技术的研究就变得尤为重要。本文在对国内外页岩气勘探开发等相关文献进行了大量调查和研究的基础上，详细论述了页岩气藏不同于常规气藏的储集特征和吸附解吸渗流机理，及其扩散渗流力学特征，通过Langmuir等温吸附定律及Fick第一扩散定律推导出页岩气藏解吸气稳定扩散速率的方程式。在本文中分别建立板状页岩气藏水平井模型和其在稳定线性流动下的产能方程，以及根据等温压缩定义推导出的页岩
3、气藏水平井线性流动下的产能公式。最后，通过长宁-威远区块的实际生产动态数据的收集、处理、计算，获得了本文中两个页岩气水平井产能公式的计算结果，与实际产能对比后证明了公式的合理性，得到合理有效的结论。本文的研究是对该区块页岩气产能预测的一次尝试，也为今后国内页岩气水平井的开发策略的制定提供了部分理论依据。关键词：页岩气；吸附解析；水平井开发；产能预测1AbstractShale gas is a potential unconventional energy in recent years and it has been widespread concern at home and abroad
4、. Huge success of shale gas exploration and development in North America to get aroused domestic shale gas exploration and development climax. Because shale gas is different from other conventional gas reservoir characteristics, the greater the difficulty of its development, technical requirements a
5、re higher, the cost is more expensive, so the mechanism for shale gas reservoirs, study characteristics and the development of technology becomes more important .In this paper, the relevant literature on shale gas exploration and development conducted an extensive survey and study, based on a detail
6、ed discussion of shale gas is different from conventional gas reservoirs and reservoir characteristics of the mechanism of adsorption and desorption flow, diffusion and percolation mechanics characterized by the Langmuir isotherm laws and Ficks first law of diffusion equations derived shale gas deso
7、rbed steady diffusion rate. In this paper we discuss the considerations and desorbed gas adsorption conventional gas reservoir deliverability equation and Establish a plate shale gas horizontal well productivity equation model and its linear flow under steady and productivity formula derived horizon
8、tal wells in shale gas reservoirs under linear flow under isothermal compression definition. Finally, the gang - collecting Weiyuan block the actual production of dynamic data processing, calculation, the results obtained in this paper three horizontal shale gas well productivity equation, after com
9、parison with the actual capacity of the reasonableness of the formula proved obtain reasonably valid conclusions.This study is the block of shale gas production forecast first try, but also for the future of domestic shale gas horizontal well development strategy formulation provides some theoretica
10、l basis.Keywords: Shale gas ; Adsorption resolved ; Percolation diffusion mechanics ; Horizontal wells ; Production capacity forecast.2目录1绪论11.1研究意义与目的11.2国内外研究现状21.2.1国内外页岩气渗流研究及国内开发现状21.2.2国内外水平井产能方程发展历程51.3本文研究内容61.3.1本文的研究内容61.3.2本文的技术路线72页岩气储集特征、储层吸附解析机理82.1页岩气储层及储集特征82.1.1页岩气储层特征82.1.2页岩气储集特征9
11、2.2页岩气吸附解析扩散渗流机理102.2.1页岩气吸附储集机理112.2.2页岩气解析扩散机理143区块合理页岩气产能研究173.1板状页岩气水平井产能研究173.1.1水平井产能计算模型173.1.2水平井产能方程推导183.2基于等温压缩定义的页岩气水平井产能分析194实例分析244.1生产井生产动态244.2 L-Z区块页岩气井产能评价及分解自由气和解吸气的贡献274.3对比分析两区块页岩气井自由气和解析气量的差异及生产方式295结论和建议315.1结论315.2建议31致谢32参考文献33I页岩气合理生产方式研究1 绪论1.1 研究意义与目的经历了工业革命，两次世界大战和石油危机后，
12、世界能源格局发生了翻天覆地的变化，原以木柴、煤炭为主的世界能源供给已经转换为以石油气、天然气等不可再生能源为主导，太阳能、风能等可再生能源为辅的新世界能源格局。然而，近些年由于石油面临枯竭、天然气的大量开发、核能安全利用等诸多问题浮出水面，页岩气作为一种继煤炭、石油、天然气等常规能源新兴能源，随着北美等发达国家页岩气开采技术的不断成熟和实现了页岩气的商业化，其开采技术已经达到了世界前列，并且已经通过多种压裂技术如清水压裂技术、多段压裂技术等进行页岩气的开采。据研究机构预测，全球页岩气资源总量达456万亿方,相当于另外两种非常规能源（煤层气和致密砂岩气）资源量之和。页岩气的开发可以极大的改良全球
13、能源结构，缓和世界不可再生能源的枯竭1。页岩气主要分布在北美、中亚、中国、中东和北非、拉丁美洲、前苏联等地区。页岩气研究最早开始于美国。目前美国已发现丰富的页岩气资源,拥有世界领先的勘探开发技术,取得了丰富的成果,并已进入页岩气开发的快速发展阶段。中国是继美国和加拿大之后,正式开始页岩气资源勘探开发的国家,我国页岩气资源丰富,据初步评价与美国页岩气资源量大体相当,但目前我国页岩气领域刚刚开始发展,页岩气藏的研究相对欠缺,页岩气勘探开发技术还尚未成熟,与常规天然气和煤层气相比页岩气仍属起步阶段。但是，页岩气在中国具有较好的勘探前景,其总地质储量预计可达1501012 m3 ，首先我国的地质条件有
14、利于页岩气的富集，因为我国海相沉积面积广,烃源岩发育良好、演化程度高。在四川盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地、松辽盆地、吐哈盆地、江汉盆地、塔里木盆地等均有页岩气成藏的地质条件,局部有机碳含量在30%以上,发现了典型页岩层中局部的天然气富集 2。同气井产能相同，页岩气井产能也是一个生产能力参数，反映了油气井受储层地质条件影响下的目前生产能力。在页岩气田开发的过程中，准确预测页岩气井的产能和分析其动态，是科学开发页岩气田的基础。本文的主要目的就是通过与页岩气藏相关的储层特性及渗流机理，利用现有的产能方程，进行修正及完善，根据已有的区块生产动态数据计算不同产能方程得到的产能，以此最终得到合理有效的页
15、岩气藏水平井产能预测方法。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内外页岩气渗流研究及国内开发现状常规天然气主要是指受浮力作用而聚集在储层上部以游离态存在的天然气，而页岩气则是指以吸附和游离态同时存在于泥页岩地层中，通过连续生物作用、热成熟作用或两者结合作用而形成的天然气。由于页岩气的成因和流入流出规律不同于常规天然气，因此对其渗流机理及储层物性的研究是很重要的。 1962年，Warre和Root3两位科学家基于天然裂缝性油气藏提出了传统双孔介质模型，并对双孔介质模型的渗流理论进行了研究。Ozkan等人在Serra等人4于1982年对三个渗流特征进行研究的基础上，得出了另外两个渗流特征。其中一个流
16、动特征是在基质系统中无边界条件影响下的不稳定线性流动；另一个是有边界条件影响下的流动特征。1987年，Ozkan等人5成功运用层状基质模型分析了圆柱形封闭储层区域定压生产下的渗流特征。同年，Gatens等人6在通过分析大量页岩气井生产数据的基础上，提出了生产数据分析曲线、解吸模型和经验模型，其中，经验模型能有效避免确定未知储层参数而造成的困难，它代表着某时间段累积产量和其他时间段积累参量之间的关系，而解吸模型则可通过自动历史拟合算法模型对实际数据进行拟合。在1989年，Schettler等人7提出了页岩基质中页岩气在流动区域中的运移方式，并通过用氦气测量孔隙来近似页岩气含量，这个方法可以较好地
17、分析出页岩储层的储集能力。最后，得出的结论是页岩的解吸能力非常强，但解吸能力与微小的流通孔隙及裂缝限制相比实在太小，基本可忽略解吸带来的贡献。然而由于脱气实验的测量是基于气体在基质中的运移而不是裂缝中的运移，所以运用脱气测量方法测出的页岩储层的渗透率结果将产生很大的误差。在1990年，King8指出了气体从煤层和页岩中生成的两个主要过程：第一，随着地层压力的降低，气体从主要的孔隙表面解吸出来并通过基质渗透而扩散到裂缝中；第二，游离气通过达西流动从裂缝及微孔隙导流到井筒。由此可得，裂缝对于原生孔隙系统是汇点，而对于生产井则是流通渠道。该理论的提出成功的为页岩气藏渗流分析理论奠定了基础。在1993
18、年，Luffel，Hopkins和Schettler9共同采用三种方法测量了页岩气基质渗透率，包括：原有的氦测量方法，还引入了脉压测试法和使用氦及甲烷的脱气测试法，其测试结果表明，在较高的生产压力下，多重微孔隙依然可以保持良好流通，因此，对于极低渗透率的储层来说，基质渗透率为常数，固定不变。在1999年，Sawyer等10利用Excel程序和历史拟合的方法对页岩气藏产能进行了模拟和预测研究，由于页岩气藏其特有的地质构造、储层物性且稳产年限长，这种不需要建立在基础模型上的预测手段也得到了相对较好的效果。2005年，Montgomery等人11提出，绝大多数页岩气藏都含有吸附气体，故分析产量数据和
19、构建其气藏模型时则需要使用Langmuir等温吸附定律。气体大多吸附在储层的孔隙空间、天然裂缝和岩石表面上。吸附气体的解吸能力随解吸时的时间、压力及被吸附体积的不同而不同。固体吸附剂的天然物性、温度变化以及气体扩散量都会影响页岩气解吸效果。2006年，Mayerhofer等人12提出了将水力压裂技术应用于页岩气藏开发中，通过水力压裂后，连通的裂缝网格能够增加页岩气的基本渗流通道，从而增大页岩气的产量。在2007年，Gale等人13提出页岩储层类似于碳酸盐岩储层的理论，它们通常都含有二个储集单元：岩石基质和天然裂缝，其研究也指出由于页岩储层的天然塑性，裂缝将随岩石上覆岩层压力的增加而闭合，这导致
20、了页岩气渗流通道的减小的同时也影响了页岩气渗流。2008年，Bello等人14提出了片状基质双孔介质非稳态的渗流模型，并通过运用不同的形状因子方程，调整其参数，最终得到了不稳定线性反应，提出了适用于分析裂缝性页岩气藏不稳定线性流动特征矩形储层双孔介质的模型。2009年，Wang等人15应用孔隙成像和地球化学数据，分析了有机质对岩石物性、孔隙网格和流体流动的影响，指出页岩气中流体流动在微观和宏观中渗流特性确定，其流体渗流机理包括四部分：游离气流动、解吸附、扩散、渗吸。因气体滑脱效应的影响，储层游离气在有机质和非有机质中的流动均为非达西流动，但其在天然裂缝和水力压裂裂缝中的流动为达西流动。有机质中
21、吸附气体的存在对渗透率有着不利影响，吸附气体层的存在增加了气体分子渗流阻力。近些年来，页岩气工业在北美获得了蓬勃的发展，使得国内不少专家学者们意识到国内页岩气产业的发展前景及必要性。虽然国内页岩气研究起步晚，但还是有很多学者在这方面做了详细的研究。2004年，中国地质大学教授张金川16通过对页岩气成藏机理及气体分布研究中说明，完整的页岩气成藏及演化包括三个主要过程：吸附积聚、膨胀造隙富集，活塞式推进或置换式运移。岩性的特征变化及裂缝的发育情况都对页岩气藏中的天然气赋存特征和分布具有控制作用。2007年，李新景等人17提出了一种页岩气藏产能分析方法，应用于预测具有裂缝和孔隙的双重介质泥页岩储层的
22、产能，但若在分析过程中忽略了页岩气藏吸附作用的影响，结果将会远低于其资源开发潜力；但若忽视了页岩储集层岩石物性和微孔隙裂缝的发育情况，则会高估其开发价值。2008年，吴月先等人18提出,暗色页岩的水化稳定性差，由于钻开前片状粘土颗粒处于力学平衡状态，而钻开后离子、水分子的渗流扩散和交换将引起片状粘土颗粒中离子浓度变化，导致电势变化，再导致双电层斥力变化，打破其原有的力学平衡，最终造成页岩内部体积膨胀变形。同年，张金川等对四川盆地页岩气成藏地质条件进行的研究表明，页岩气藏中游离气含量与其构造保存条件密切相关。2008年，江怀友等人对页岩气成藏过程进行了系统有效的研究，表明页岩气在生物化学生气阶段
23、时，气体先吸附在有机质和岩石颗粒表面，其中，富余状态下饱和后的天然气变为游离相及溶解相的形态进行运移，但运移达到热裂解生气时，体系压力升高，页岩基质内部会产生多条斜向的裂缝，此时地层中的天然气以游离相为主要运移状态进行聚集，又由于受到了周围致密分布的烃源岩层的遮挡及圈闭作用，最终形成工业性且具有开采价值的页岩气藏。由于页岩在地层中的扩散作用将对气态烃的运移起到极大的影响，继续生成大量天然气，将因生烃膨胀作用使得富余的天然气向外扩散运移，此时无论页岩储集层本身情况，还是相对较薄的互型分布的砂岩储层，都出现了普遍的饱和含气的特性。同年，蒲泊伶19指出页岩储层孔隙度会影响页岩气以何种状态储存于页岩储
24、层中。在含有较大孔隙页岩储层中，页岩气主要以游离方式储集在孔隙裂缝中，在含有孔隙度较小的页岩储层中页岩气则通常以吸附状态为主。同年，杨振恒等提出页岩气成藏动力主要来源于分子间作用力、生气膨胀和毛细管力等。同年，张利萍经研究表明煤层气的解吸过程是其吸附过程的逆过程，处于运动状态的气体分子因温度、压力等条件的变化而变化，导致动能的增加以用来克服引力场，吸附气体从煤层内表面自由脱离而成为游离相气体。研究中也提出可以将煤层气藏的解吸机理运用在页岩气藏开发中。其中页岩中泥质含量、页理发育程度等都会影响到页岩气储层吸附气的解吸，随着泥质含量越高和页理越发育，解吸率也就越高。中国页岩气的研究历程共走过三个阶
25、段分别是裂缝油气藏勘探与偶然发现(2005 年前)、基础研究与相关技术准备(20052009年)和工业化突破(2010年)。 1966年，在四川威5井寒武系龙马溪组页岩中获得日产气2.46104m3，是中国最早的页岩产气井。从2002年开始，国土资源部油气资源战略研究中心开始跟踪国外页岩气发展动态变化。2004年，国土资源部油气资源战略研究中心和中国地质大学(北京)重点研究了中国富有机质泥页岩发育的情况，进行了中新生代含油气盆地泥页岩和古生代地层富有机质泥页岩的分析研究。2008年，中国石油勘探开发研究院在四川长宁地区钻探了中国第一口页岩气地质井长芯1井，同年，张金川等利用多种方法，计算我国主
26、要盆地和地区的页岩气资源量约为(1530)1012m3，中值23.51012m3。2009年8月17日，启动綦江页岩气项目。2009年11月，国土部在重庆市彭水县莲湖镇实施了第一口页岩气战略调查井，同年12月，中石油在四川盆地威远构造带上部署了一口页岩气评价井，于2010年4月完钻，通过压裂措施获得了日产为1.08104m3的工业气流；中石化也于2010年5月开钻了宣1井，在贵州对方深1井进行压裂。2010年，中国石油在四川页岩储集地长宁地区建立了中国国内第一条页岩气标准数字化剖面。2010年，中国石油在四川盆地所钻探的威201井在寒武系、志留系两个页岩层系中获得了工业气流，实现了中国页岩气首
27、次工业化突破。1.2.2 国内外水平井产能方程发展历程目前为止，全球范围内已有70个国家通过水平井技术来开发油气田，且都取得的很好的经济效益。中国虽然早在1965年就已经钻成了第一口水平井，但由于技术等原因，在80年代以前国内水平井技术发展一直都停滞不前。到80年代中后期，水平井钻完井技术开始有飞速的发展，在大庆、辽河、西南等，乃至南海及渤海的海上油田上都钻探了诸多水平井。1958年，苏联人Merkulov20首次提出了计算水平井产能的解析公式，其适用于拟径向流及平行流。1983年，Borisov21在考虑了水平井发展历程及生产原理的前提上，提出了预测水平井产能的理论模型，并推出适用于单相不可
28、压缩稳态流动且其泄油区域为椭圆的水平井产能解析公式。1986年，美国人Joshi22利用电场流动理论，成功的将三维实际流动问题简化为垂向和水平向的两个二维流动问题，且推导出了均质各向同性油藏的水平井产能公式，在这之后的研究中，Joshi又考虑到了油藏的非均质性和水平井偏心距影响等原因，于1988年发表了更完善的水平井产能公式，许多研究者后来提出的水平井产能公式都与之相类似。1988年Babu和Odeh23通过结合了物质平衡原理，首次给出了有限箱体油藏中拟稳态的前提下推导出的水平井产能公式。1990年，Renard和Dupuy24全面总结了Joshi和Giger的水平井产能方程的优、缺点，通过表
29、皮因子的引入，修正了稳态方程，使得该方程适用于圆形，椭圆形和方形的泄油区域。1996年，Elgaghad，Osisanya 和Tiab25提出了适用于复杂泄油区域的水平井产能方程，采用拆分的方法假设油藏包含了一系列半圆和矩形，其是对水平井产能公式研究的一种新尝试。2000年，Dehane26使用 VIP组分模型对气藏进行模拟，分析了水平井生产动态及生产过程中的各种现象，并对其进行了数值模拟。2005年，Anklam和Wiggins27提出了一个适用于水平井筒渗流的数学模型，其包含了重力，加速度，摩擦和流体流入的作用，适用于在多重因素影响条件下的水平井井生产能力，压力动态研究等。在水平井压裂方面
30、，Soliman等建立了一种水平井早期产能模型，这种模型建立在无限大油藏中一口水平井中具有多条具有有限导流能力裂缝，比较准确的预测了单重孔隙具有N条垂直裂缝的水平井产能。之后，Soliman等又考虑由于水力压裂的原因，使得裂缝分为横向裂缝及纵向裂缝的实际情况后，提出了定压条件下的压裂水平井产能计算模型，此产能模型也可以用于致密气藏水平井产能计算。国内也有很多的学者在水平井产能和水力压裂技术方面进行了有效的研究。1996年，窦宏恩28通过把水平井看成两个不渗透边界之间的一口直井，把水平段长度看成油层厚度，利用镜像反映和势的叠加原理对产能进行研究，从而得到新的水平井产能公式。1998年，李晓平29
31、31通过对气体稳定渗流理论的研究，推导出的水平气井产能公式，其适用于无限大气藏达西流动和非达西流动。2001年，郎兆新32使用拟三维方法和等值渗流阻力法，提出了多井底水平井产能条件上的产能计算公式。2008年，陈元千33运用了面积等值原理，将水平井生产中椭圆形驱动边界转换为拟圆形驱动边界，将水平段长度转换为拟圆形生产坑道，再利用等值渗流阻力法，最终得到一个新水平井产能计算公式。2010年，陈小凡34将水平井泄油体简化、分解及流场的三维处理，遵循基本渗流规律，运用等值渗流阻力法推导出水平井产量公式。1.3 本文研究内容1.3.1 本文的研究内容页岩气藏是带有吸附解吸过程，且特低渗低孔隙度的特殊气
32、藏，因其不同于常规气藏的特殊物性，相比于常规气藏机理研究就更为复杂，开发难度更高，费用也昂贵。国内正将处于页岩气开发的黄金时代，对页岩气其的渗流机理和开发技术的研究将对国内页岩气开发进程起到较大的推动作用。本文基于油气藏工程及渗流力学基础理论，在考虑页岩气吸附及解吸扩散渗流影响的基础上，对该区块页岩气井产能方程进行的改良。主要的研究内容如下：（1）收集和分析大量有关页岩气及其产能方程的文献，建立页岩气储集和流动的概念，熟悉解析扩散渗流力学特征，建立页岩气储量的基本概念。（2）收集整理长宁-威远区块的基本生产动态数据。（3）筛选和推导考虑解析贡献的页岩气井产能方程。（4）对长宁-威远区块页岩气井
33、产能进行评价并分解自由气和解析气的贡献。 （5）对比分析长宁页岩气和威远页岩气井自由气和解析气量的差异。1.3.2 本文的技术路线文献调研推导常规水平井产能公式建模，推到不同条件下的水平井产能公式分析不同因素对产能曲线的影响实例分析，编写毕业论文图1.1 研究技术路线图2 页岩气储集特征、储层吸附解析机理2.1 页岩气储层及储集特征2.1.1 页岩气储层特征页岩气是指主体上以吸附和游离态的方式存在于低孔隙度、特低渗透率且富含有机质的暗色泥页岩或者是高碳泥页岩层系中的天然气。有机质的特征：由于页岩气储层中含有大量的有机质，故有机质的丰度和成熟度对页岩气资源量有着极为重要的影响。同时，页岩气吸附实
34、验结果也表明，页岩气的生气率与其有机碳的含量具有较好的正相关性。在同温度、压力下，富含有机质的页岩比有机质含量少的页岩具有更多的微孔隙空间，且前者能吸附更多的天然气。矿物组成：构成页岩储层的矿物除了常见的粘土矿物（伊利石、高岭石等）外，还混有石英、长石、云母、白云石等矿物。图2.1四川盆地及周边下古生界黑色页岩与北美Barnett页岩矿物组成对比三角图表2.1四川盆地及邻区下古生界黑色页岩粘土矿物组成统计表含量九老洞组龙马溪组最大值最小值平均值最大值最小值平均值粘土矿物相对含量SI/S010%4.25%017%8.43%I65%100%83.50%56%100%75.40%K06%3.88%0
35、7%3.67%C029%11%024%15.67%C/S018%14.50%04%4%混层比I/S040%32.50%015%10.72%c/s045%40%030%30%Barnett页岩层中粘土矿物的主要成分为微含蒙皂石的伊利石。而四川盆地及其临区页岩储层粘土矿物分析结果也表明其成分主要是伊利石。研究表明，页岩气储层中的粘土矿物含量与吸附气含量有着一定的关系，其中最为重要的是伊利石，而蒙皂石等膨胀类粘土物对于后期储层压裂造缝是不利的。物性特征：国内幕前技术不如美国，美国研制的GRI页岩岩心测定方法不仅可以测定页岩基质总的孔隙度，也可以测定出含气的孔隙度。故国内只能按常规储层物性分析方法进行
36、测试，故无法与北美页岩物性进行对比。根据四川盆地的页岩储层物性分析而取得部分孔隙度的资料研究得出，四川盆地下古生界页岩具备储集条件。页岩储层的含水饱和度会直接影响其含气量，随其成熟度的增加使得产气量剧增，而含水饱和度却降低且当含有饱和度低于5时才被认为是页岩气的有利勘探区域。2.1.2 页岩气储集特征页岩储层中气体其主要的形态为：游离气、吸附气、少量溶解气，如图2.2所示。而以吸附状态依附在页岩基质及其裂缝表面的吸附气所占比例最大，占20%-80%且有机质的含量及储层压力与吸附气含量密切相关， 有机质含量越高、储层压力越高，往往导致吸附气的含量也越高。图2.2 页岩气藏储集特征游离气为页岩气藏
37、其早期开发时的主要供气源，占总气量的10%-20%，在地层压力差的作用下在孔隙或裂缝中自由运移。可通过常规天然气研究手段进行分析。对于溶解气而言，由于页岩气储层中几乎不含水，故只有极少比例的页岩气在地层压力作用而溶解于水中，形成溶解气，因其量极少，通常可以忽略不计。2.2 页岩气吸附解析扩散渗流机理页岩气藏与常规气藏两者之间最大差异在于前者有吸附气的存在，页岩储层因其特殊的成藏作用而产生大量的吸附气，而在开发过程中，因地层压力的下降，使得发生了解吸附作用，形成游离气，再被采出。储层中的气体分子因为表面分子层的存在使得力场不平衡而存在表面自由能，而由于所有物质都有自发减少其表面自由能的趋势，使得
38、在固体表面的气体分子由于其分子力处于不平衡或是不饱和的状态下，固体就会将其周围与其接触的气体或液体吸引到其表面上，使得残余力最终达到平衡。页岩储层对气体分子的吸附作用的过程是可逆的（物理过程），这期间没有发生化学反应，因而在吸附和解吸之间存在着一个平衡值，当页岩气藏开始开发后，地层压力逐渐降低，原有的压力平衡被打破，存在于页岩基质上的吸附气体由于表面分子层力场发生不平衡，开始脱离页岩基质而进入到微孔隙或裂缝喉道中去，成为新的游离气，当气量达到饱和的时候进入新的平衡，这种现象被称为解吸附现象。图2.3 页岩储层流动过程2.2.1 页岩气吸附储集机理已知页岩气吸附作用是物理吸附，那么就可以通过La
39、ngmuir等温吸附定律来对其进行研究。Langmuir 等温吸附定律：Langmuir 等温吸附定律是法国化学家 Langmuir 于1916 年通过结合动力学观点，研究了固体表面的吸附特性，从而提出了三点假设：（1） 吸附作用发生在单分子层；（2） 被吸附的分子与分子之间无相互作用力；（3） 吸附固体表面均匀。基于以上三点假设，最终得出了Langmuir单分子层吸附状态方程。近一百年来，Langmuir等温吸附定律广泛应用在石油、化工、材料等诸多领域。国外学者在近几十年对页岩气研究过程中发现可通过Langmuir等温吸附方程来研究页岩储层表面对页岩气的吸附特性。于是页岩气吸附量与压力之间有
40、如下关系式: (2.1)上式中，V等温吸附量，m3/t； VmLangmuir等温吸附常数，m3/t； bLangmuir等温压力常数，1/MPa； p气体压力，MPa。由（2.1）可以看出，当页岩储层处于高压状态时，P远大于1，故，则，证明了当储层处于高压状态时，页岩基质表面已经被气体分子吸附物覆盖了，吸附气量不再随着压力的增加而增加。因前提是等温吸附，所以理论上审核温度条件下，极限吸附量都是相同的，的不同反映了不同页岩储层吸附量的差异。改写成线性Langmuir方程，如下式： （2.2）在对（2.2）进行变形，得到最终Langmuir方程为： （2.3）式中，V 吸附量，m3/t；p L
41、Langmuir压力，吸附量达到极限吸附量 1/2 时的压力，PL=1/b，MPa；VL Langmuir体积，反映页岩的最大吸附能力，VL=Vm ，m3/t。结合式（2.10），Langmuir等温吸附曲线如下图所示：Langmuir体积1/2极限吸附气量Langmuir压力(P，MPa)气体吸附体积，(m3/t)图2.4 Langmuir等温吸附曲线根据（Bo Song等，2011）对Langmuir等温吸附定律的研究认为，在页岩气吸附解吸过程中考虑页岩储层平均孔隙度影响的基础上应用等温吸附定律，应引入一个描述吸附解吸过程的量，即吸附解吸因子Cads，其表达式如下： （2.4） (2.5)
42、通过上式可以看出，随着储层孔隙度增加，则Ac增加，使得Cads也将增大，这表明孔隙度越大，吸附解吸因子就越大，导致吸附气量也就越多。当开发过程中地层压力下降时，解吸速度随之越大。储层物性对吸附效果影响因素：（1） 地层压力的影响，由Langmuir等温吸附定律可知，在一定压力变化范围内，页岩气吸附量随着压力增大而增加。当压力高于某个极限值时，页岩气吸附量不再随之增加，故每个页岩气藏的气体吸附量都有一个峰值，即为Langmuir体积。（2）地层温度的影响页岩气吸附是物理吸附，无化学作用。气体分子与基质表面分子在范德华力作用下而结合在一起，随温度升高，分子间运动加剧，气体分子逐步脱离固体表面，成为
43、游离态，使得吸附气量减少，游离气增加。100204060805090甲烷吸附气量（scf/t）005001000150020002500压力（psi）图 2.5 地层温度及压力对页岩储层吸附量的影响（3）地层含水量的影响，由于页岩储层中的水的存在占据了部分页岩表面积，从而减少了气体吸附量，当水分含量增加直至高于临界水分含量时，吸附气量不再减少，而超过临界水分含量水分子仅仅覆盖在页岩表面，而不会对气体吸附产生任何影响。（4）储层有机质含量的影响，页岩储层的有机碳含量对其生气效果有极大的影响。如，Ross等在研究加拿大侏罗系页岩中发现，Kentuck东部的Appalachian盆地页岩气主产区的H
44、uron下段的泥页岩储集层有机碳比上下紧邻的页岩都高，甲烷吸附气量也丰富，这说明了有机碳与甲烷吸附能力关系密切。有机碳不仅是衡量烃源岩生气潜力的重要参数，而且有机质含量的高低会导致吸附气量发生数量级的变化。（5）地层天然裂缝的影响，根据北美页岩气勘探开发研究表明，大多数页岩气盆地，经历了区域地质构造运动后形成了褶皱和裂缝，最终在地层中形成了有效的不整合面，同时这些裂缝和不整合面为气体提供了储集空间，也提供了有效的运移通道，故通常认为开启的、相互垂直的天然裂缝可以显著的增加页岩储层吸附气量（图2.6）。图2.6 Antrim页岩裂缝特征及产量对比图(David,1992)2.2.2 页岩气解析扩
45、散机理页岩气储层吸附气解吸过程: 由于页岩气的解吸过程是吸附过程的逆过程，故可知在吸附与解吸附作用之间存在着一个平衡，在一定范围内，随着地层压力降低，原始平衡被打破，吸附在页岩基质中的吸附气开始解吸，成为新游离气。当其达到饱和时，吸附态与游离态又形成新的平衡。因其为可逆的解吸附过程，符合Langmuir等温吸附模型，故可直接根据页岩Langmuir等温吸附曲线来分析页岩气的解吸过程。若页岩储层已经被页岩气所饱和，表明储层在初始条件下含气量位于等温吸附曲线上或等温吸附曲线以上，那么吸附气将随着压力降低从基质系统中解吸出来。当页岩未饱和时，则储层初始含气量在等温吸附曲线以下，那么随着地层压力降低，
46、页岩气不会立即进行解吸，假使页岩气开始解吸，储层压力也必须降到等温吸附曲线上，即与实际含气量相对应的压力临界解吸压力处。且随着储层初始压力与临界解吸压力越来越接近，页岩气解吸就越快。页岩气储层解吸气的扩散：当地层压力下降时，发生解吸附作用使得吸附气被解析出来，变为游离气，且其通过微孔隙及裂缝从密度高的地方移动至密度低的区域，使得原高密度区域密度有所降低，而低密度区域密度迅速增加，这就称为解吸气的扩散作用。通常来说，页岩气的扩散是指甲烷分子从高浓度区域向低浓度区域定向流动的过程，这个过程的驱动力为浓度梯度。基于上述理论，外国学者们认为页岩基质块中页岩气的扩散应该属于Fick型扩散。页岩气通过页岩基质、微孔隙系统的扩散可分为拟稳态扩散和非稳态扩散两种，当扩散为拟稳态时，符合Fick第一定律；而页岩气中的扩散为非稳态时，扩散过程符合Fick第二定律。当属于拟稳态扩散时，根据Fick第一定律得到具体表达式如下： （2.6）上式中：气体扩散速率