国外页岩气渗流理论探索研究介绍

烃源岩与储层紧密接触，频繁互层，可在手标本上描述 岩性圈闭
吉36井钻遇的高压层在吉36_H未钻遇，说明横向变化快 吉36井综合柱状图 吉36_H
压井时振动筛网覆着原油
节流管汇点火图
溢流井段
结束语
非常规油气已成为全球油气资源的重要组成部分，这 得益于观念的转变和技术的进步。和国外相比，我们准噶 尔盆地非常规油气勘探开发研究和实践才刚起步。虽然在
短短的几年内，取得了突破性的进展，但是仍然还面临很
多问题。准噶尔盆地致密油勘探开发应该在多学科、多阶 段一体化的理念下，大力开展研究工作，稳步推进，不断 提高。
汇报完毕
请多指正！
祝大家身体健康，工作顺利！
BakerHughes页岩气全生命周期管理方案 勘探阶段
通过盆地筛选研究确定靶区（甜点区）评估地质储量
原子力显微镜（AFM）
利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性 可观测尺度为原子 在探测纳米孔和化学组成分析方面具有优势
一般为2D图像，不具有破坏性
非常耗时 可用来测量原子间的作用力
AFM检测到的纳米孔
二、页岩气渗流机理探讨
最小主应力方向
先导试验部署图
3号平台 2号平台
水平井轨迹沿最小主应力方向
储油储 液平台
1号平台
二、地应力建模
裂缝沿最大水平主应力方向延展
二、地应力建模
最大、最小水平主应力差小，是 形成复杂裂的前提
三、压裂设计要优化
选择合适的井段
2m厚的 泥岩隔层
在泥岩隔层之上压裂和泥岩隔层之下压裂效果相差甚远
评价阶段
建立油藏模型，进行油藏模拟 需要整合油藏工程、地质力学、地球化学、岩石物理、地震，建立以下几个模型： 地质力学模型 单井模型、压裂模型 油藏动态模型 油藏模拟要优化开发方案 井间距、井位
根据滑流的特性，甚至在压力降为零时，仍具有一定的滑流流动。
Knudsen扩散：气体在多孔固体中扩散时，如果孔径小于气体分子的平均
自由程，则气体分子对孔壁的碰撞，较之气体分子间的碰撞要频繁得多，
这种扩散，称为Knudsen扩散： 达西流：符合达西定律的流动
在不同尺度上，页岩气储集和流动状态
纳米孔和微孔（<50nm） 以吸附形式存在
视 渗 透 率 比 达 西 渗 透 率
温度对 视渗透 率几乎 无影响
压力
纳米孔中气体的渗流特性
气体分子量对视渗透率影响不大
视 渗 透 率 比 达 西 渗 透 率
分子量
压力越小、孔喉半径越小、纳米孔中气体的视渗透率越高，而且是“革命 性”的变化
思考！
视 渗 透 率 比 达 西 渗 透 率 扩 散 流 量 比 总 流 量
分级、射孔
反馈、修正
自动网格化
四、非常规油气勘探开发是一体化、系统工程
BakerHughes
页岩气生命周期 勘探-评价-开发-生产-恢复 数据驱动的管理方式 油藏全生命周期的每个阶段都需要采用配 套技术进行全面化数据采集，应用这些大 量的、特定的数据进行分析、解决各种问 题，并运用目的性极强的现代技术来有效 生产 开采非常规油气藏。 是多学科综合的过程
孔喉半径
纳米孔中气体的渗流特性
在一定的温度、孔喉半径条件下，压力越小，扩散对总流量的贡献越大
在一定的压力、孔喉半径条件下， 温度越高，扩散对总流量的贡献越大，但不显著
扩 散 流 量 比 总 流 量
压力小于 1Mpa时， 这种变化
梯度变小
压力
纳米孔中气体的渗流特性
在一定的压力、孔喉半径条件下， 气体分子越大，扩散对总流量的贡献越小
四、非常规油气勘探开发是一体化、系统工程
国外几大油服公司的共同理念——一体化 Halliburton
协同组织结构 多学科团队 多学科深入交流： 评估 操作过程 优化
项目管理 岩石物理学家 地质力学工程师 压裂工程师 完井工程师 油藏工程师 钻井工程师
四、非常规油气勘探开发是一体化、系统工程
静态地质模型 Halliburton
4.5百万立方英尺/天
8.2百万立方英尺/天
1000000立方英尺＝28316立方米
一、钻井轨迹很重要
目的层
压裂效果不仅和地质力学特征有 关，井轨迹也非常重要
一、钻井轨迹很重要 人工裂缝延伸
轨迹位于低应力层之上
长度差异大
目的层： 低应力层
轨迹位于低应力层中部
轨迹位于低应力层之下
二、地应力建模
芦草沟组最大水平主应力方向展布图 夹角30°
孔喉半径
孔喉半径
压力越小、孔喉半径越小、纳米孔中气体的视渗透率越高，而且是“革命 性”的变化
思考！
视 渗 透 率 比 达 西 渗 透 率 扩 散 流 量 比 总 流 量
压力
压力
对致密油而言，扩散在渗流中扮演什么样的角色？
思考！
场发射扫描电镜分析显示，致密油样品在真空条件下，随着时间的延长
扩散
滑流
α
和壁面光滑性、气体类型、温度和压力有关，需要通过实验确定
Javadpour方程形式与达西定律一致，能方便的用到油藏模拟中
Q K
AP
L
视渗透率
Javadpour方程中的视渗透率等价于达西定律中的渗透率， 但是随压力、温度、气体分子量的变化而变化
通过视渗透率和渗透率的比值分析研究纳米孔中气体的流动特征
扩 散 流 量 比 总 流 量
气体分子量
纳米孔中气体的渗流特性
在一定的温压条件下，孔喉半径越小，视渗透率越大 孔隙直径小于0.1um时，视渗透率大于达西渗透率，当孔喉半径小于0.01um时，视 渗透率急剧增大
视 渗 透 率 比 达 西 渗 透 率
孔喉半径
纳米孔中气体的渗流特性
在一定的温度、孔喉半径条件下，压力越小，视渗透率越大 当压力小于1Mpa时，视渗透率急剧增大
三、压裂设计要优化
压裂后应力方向
优化水平井分级方案
压裂后应力方向变化量
分级 压裂 裂缝 延展 方向
某一级压完之后，裂缝附近原位应力发生转向
三、压裂设计要优化
压裂后应力方向 压裂后应力方向变化量
裂 缝 延 展 方 向
压裂间距 600ft
三、压裂设计要优化
压裂后应力方向 压裂后应力方向变化量
裂 缝 延 展 方 向
岩石物理系统分析
地球物理分析
完井/钻井工程
完井优化 综合的野 外方案 好的井 轨迹 有效的增 产措施 开发分析
评价、制定计划
地质建模 盆地模拟 地球化学 岩石物理
动态综合的 评估模型
数据管理
四、非常规油气勘探开发是一体化、系统工程
Schlumberger 构造 岩性 天然裂缝预测 地质力学模型 微地震检测结果 建立复杂的水 力压裂模型 油藏模拟
和温度的升高，纳米孔中油膜的厚度在增厚，油分子扩散的能力增强；
纳米孔中的油膜很有可能在一定条件下，由吸附油转化为游离油。
含泥质粉砂质云岩（场发射扫描电镜）
国外页岩气勘探开发经验及启示
一、钻井轨迹很重要
偏离目的层 中部80ft
一、钻井轨迹很重要
远离目的层， 压裂效果不 理想
一、钻井轨迹很重要
目的层
在不同尺度上，页岩气储集和流动状态
宏观
（油藏级别）
微裂缝
微米尺度
（纳米孔）
纳米尺度
（气体从纳米 孔壁解吸）
分子尺度
（气体分子从干酪根或粘 土颗粒向孔隙表面运动）
几个术语
平均自由程：连续两次碰撞之间，气体分子自由运动的平均路程
滑流：在多孔介质流动的气体，它们的平均自由程和孔隙直径相当或比孔隙 直径略小时情况下，当气体通过孔隙时气体分子在孔隙的壁处发生滑动，则 孔隙壁处的流动速度不等于零。这种流动称为滑流。
用AFM来研究样品中的孔隙特征，分析是否以纳米孔为主
用AFM来研究样品中的孔隙特征，分析是否以纳米孔为主
泥岩干酪根孔隙中的气体分子
利用人造纳米孔样品做渗流实验，结果与方程的解析解吻合度高
500nm
人造材料中 的纳米孔
总 流 量
压差
纳米孔中气体的渗流特性
在一定的温压条件下，孔喉半径越小，扩散对总流量的贡献越大 孔喉半径越小0.1um时，扩散流量占总流量的百分数迅速增大；孔喉半径小于1nm 时，扩散流量占总流量的近50% 压力 5Mpa 扩 散 流 量 比 总 流 量 温度 300K
水源
混合 水处理 地层 压裂用水
其它用途
井筒产水 地层水
留在地层中
北美非常规油气区块有很大一部分井产量较低
平均1522百万英尺/天
平均1858百万英尺/天
平均315桶/天
平均324桶/天
太着急往往会导致不好的结果
致密油的所谓“连续型”油藏可能是由无数个微型岩性油藏叠合而成
吉30井七性关系图
压裂间距 650ft
三、压裂设计要优化
压裂后应力方向
优化水平井井间距
压裂后应力方向变化量
水平井井距设计不合理，会导致互相干扰，影响压裂效果 水平井1
水平井2 两口水平井横向间距1000ft
实例
压裂井 监测井
三、压裂设计要优化
裂缝延伸长度对产量的影响很大
裂缝长度
裂缝导流能力
基质渗透率
纵轴均为累计产气量
基于电子束的反射原理 可观测尺度为微米级和纳米级的尺度 在探测纳米孔和化学组成分析方面具有优势 一般为2D图像，如果和聚焦式离子束显微镜配合可产生3D图像 离子束可产生非常光滑的面 孔隙
二维扫描电镜图像
溶蚀缝 有机质内 部的孔隙
有机质内部 无序的孔隙
方解石
方解石
扫描电镜（SEM）和AFM检测到的纳米孔
国外页岩气渗流机理基础
理论探索研究的介绍
二零一四年五月
所有内容译自Frazam Javadpour 博士及其研 究团队的成果
Frazam Javadpour 博士简介： 伊朗石油工业大学（ Petroleum University of Technology ）， 石油工程学士学学位。 加拿大卡尔加里大学（University of Calgary），化学和石油工程硕士和博士学位； 《加拿大石油技术》编辑委员会成员。 从2003年开始在卡尔加里大学任教。曾应邀在欧洲、美国、中国做过关于页岩气、 CO2驱和多孔介质渗流方面的讲座。 目前任美国经济地质局纳米技术实验室主任，主要研究方向为页岩气和CO2驱。 E-mail：farzam.javadpour@beg.utexas.edu
百度文库勘探
恢复 评价
生命周期
开发
四、非常规油气勘探开发是一体化、系统工程
勘探 评价 开发
确定资源潜力
恢复
评价，优化野外方案
优化水平井井位 确保钻井的准确、高效 确定甜点区 选择合理的完井方式
优选压裂监控钻进过程、细化压裂设计方案
保持连续生产
水管理
建立油藏模型并不断修正
水管理流程
地表水 地下水 工业水 城市用水
进行油藏表征
确定初始有经济开采价值的地区，进一步优化评价油藏潜力
勘探阶段
盆地筛选，确定靶区，储量评估所需要的学科：
利用地质
地球化学 岩石力学 地球物理 岩石物理
地球物理的角色
落实构造
利用3D地震属性分析TOC最高的区域 预测天然裂缝 方位各向异性分析 预测甜点
评价阶段
钻评价井 建立早期的油藏模型，并进行油藏模拟
然后编制油藏开发方案
进一步评价储藏是否具有经济开采价值考虑 先导实验区进行先导实验。
评价阶段
评价阶段的井要解决一下问题： 钻直井，采集数据进行油藏表征 钻水平井，评价完井作业 压裂试验，导流机理研究 优化水平段长度
一、页岩中的孔隙特征
石英
粒间孔
主要类型： 粒内孔 粒间孔 有机质内部孔（粒内孔） 微裂缝
粒内孔
大小：以纳米孔为主
高分辨率微CT（Micro-CT）
和X射线CT的原理相同，但是所测量的样品更小，发射源和接收器之间的距离更短 可观测的尺度为毫米级 在探测裂缝和一下矿物方面具有优势
扫描电镜（SEM）
流动状态为扩散和滑流
大孔（>50nm） 以压缩和溶解形式存在
流动状态为扩散、滑流和达西流
天然裂缝（>50nm） 以压缩和溶解形式存在 流动状态为达西流
纳米孔中，气体流动状态为扩散和滑流，达西定律不能精确描述
达西定律：
Q K
AP
K为渗透率，与孔隙结构有关， 与流体性质无关
L
Frazam Javadpour 提出了如下方程：
三、压裂设计要优化
渗透率较高的区块 5年净现值
60英尺
优化水平井分级方案
120英尺
裂缝间距60ft
裂缝间距120ft
同样的分级方案，在不同区块效果有差异
三、压裂设计要优化
渗透率较低的区块 5年净现值
120英尺
优化水平井分级方案
60英尺
裂缝间距60ft
裂缝间距120ft
同样的分级方案，在不同区块效果有差异