页岩气藏水平井流—固耦合非线性渗流问题的理论分析及产能计算

论文摘要

页岩的岩石力学性能决定着储层体积压裂所形成的裂缝网络结构的复杂程度,以及页岩气生产过程中流-固耦合作用的强弱。考虑页岩孔隙-裂隙介质的变形场对页岩气渗流场的影响,可以更为深入地揭示页岩气的渗流规律,从而建立较为准确的产能预测计算模型。本研究针对页岩气藏压裂水平井流-固耦合非线性渗流问题,开展了页岩岩石力学性能的实验分析、页岩气多尺度非线性渗流理论模型的建立,以及水平井产能的数值计算等方面的系统研究,主要内容和成果如下:（1）通过巴西圆盘实验分析了页岩的抗拉强度、弹性模量和断裂韧性等岩石力学性能。首先采用弹性平面问题的复应力函数方法,获得了任意对称分布载荷作用下圆盘应力和位移的级数解。同时针对含预制裂纹圆盘,结合权函数方法给出了裂纹尖端的应力强度因子表达式。进而,以此为间接实验分析的理论基础,研究了接触压力分布形式和摩擦力作用对实验测试结果的影响。此外,考虑了页岩的初始非线性弹性效应对圆盘接触压力分布形式的影响。基于广义变分原理和载荷增量方法,计算了接触压力的分布,得到了与实验测试数据相一致的结果,指出了线性弹性和非线性弹性圆盘的接触压力分布形式特征的差异。（2）针对页岩气藏压裂水平井,分析了页岩气生产程中的流-固耦合作用机理。考虑支撑剂嵌入效应的影响,建立了考虑初始地应力、压裂缝方位和支撑剂铺置层数等因素的压裂缝网等效固有渗透率模型;考虑孔隙介质弹性变形效应的影响,给出了基质固有渗透率修正模型;考虑游离气的Fick扩散和Knudsen扩散效应,以及吸附气的表面扩散效应,建立了页岩气多尺度渗流的等效渗透率模型。数值计算分析了流-固耦合作用强弱的影响因素,以及各种非线性效应对页岩气渗流的影响。（3）基于压裂过程中的能量衰减规律,提出了适用于全流场的等效孔隙度和等效固有渗透率空间非均匀分布模型,建立了页岩气藏压裂水平井流-固耦合作用下的非均匀、非线性和非稳态三维渗流数学模型,并发展了相应的半解析-半数值计算方法。通过与文献中的实际生产数据对比,验证了本研究数学模型的适用性以及半解析-半数值计算方法的正确性。（4）数值模拟并预测了我国西南地区典型页岩气藏水平生产井的产量,计算结果与现场实际记录数据基本一致。另外,数值分析了初始地应力、支撑剂铺置层数、弹性模量、Biot系数等流-固耦合作用参数,以及Knudsen扩散、表面扩散和解吸等效应对页岩压裂水平井产量的影响。

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致谢

摘要

Abstract

1 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 巴西圆盘实验的研究现状

1.2.2 页岩基质中的流动规律研究现状

1.2.3 裂缝性储层流动模型研究进展

1.2.4 孔隙弹性介质流-固耦合渗流模型研究进展

1.2.5 页岩气藏渗流数学模型及产能数值模拟研究现状

1.3 本文研究的目的和主要内容

2 页岩力性巴西圆盘的间接测试理论

2.1

2.1.1 一般载荷作用下弹性圆盘的应力解和位移解

2.1.2 抗拉强度和弹性模量间接测试的理论计算

2.2 断裂韧性测试的理论计算

2.3 不同接触压力下应力和位移级数解的收敛性

2.4 接触压力分布形式及摩擦力对岩石力学性能测定的影响

2.4.1 抗拉强度

2.4.2 弹性模量

2.4.3 应力强度因子

2.5 本章小结

3 页岩岩石力学性能的测试及相关理论研究

3.1 接触压力的实验测试

3.2 页岩抗拉强度、弹性模量和断裂韧性的实验测定

3.2.1 完整圆盘实验测定页岩的抗拉强度和弹性模量

3.2.2 含预制裂纹圆盘实验测定页岩的断裂韧性

3.3 接触压力的非线性理论分析

3.3.1 问题描述

3.3.2 线性弹性圆盘混合边值问题的广义变分近似解

3.3.3 非线性弹性页岩圆盘问题的接触压力近似解

3.4 本章小结

4 页岩气藏流-固耦合多尺度渗流的理论模型

4.1 考虑流-固耦合作用的固有渗透率模型

4.1.1 流-固耦合作用机理分析

4.1.2 考虑弹性变形效应的基质固有渗透率模型

4.1.3 考虑支撑剂嵌入效应的压裂缝固有渗透率模型

4.2 流-固耦合作用的数值计算分析

4.2.1 基质固有渗透率数值分析

4.2.2 裂缝导流能力数值分析

4.3 页岩气多尺度渗流的理论模型

4.3.1 游离气多尺度运移规律及渗透率模型

4.3.2 吸附气的吸附-解吸规律

4.3.3 吸附气表面扩散规律

4.4 多尺度效应的数值分析

4.4.1 渗透率的数值分析

4.4.2 表面扩散效应对页岩气质量运移的影响

4.5 小结

5 页岩气藏水平井流-固耦合非线性渗流问题的数学模型及数值方法

5.1 等效孔隙度和渗透率非均匀分布的三维模型

5.2 流-固耦合作用下水平井非均匀、非线性、非稳态渗流数学模型

5.3 半解析-半数值计算方法

5.3.1 局部均匀化离散及近似变换

5.3.2 转化为常微分方程组及数值迭代格式

5.4 数值算例验证及比较

5.5 本章小结

6 页岩气藏水平井产能的影响因素分析及预测

6.1 流-固耦合作用对产量的影响

6.2 非线性效应对产量的影响分析

6.3 页岩压裂水平井产能预测及实例

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 研究成果总结

7.2 下一步工作展望

参考文献

作者简历及在学研究成果

学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 于俊红

导师: 尚新春

关键词: 页岩气水平井,非线性渗流,流固耦合,产能计算,巴西圆盘实验

来源: 北京科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,石油天然气工业

单位: 北京科技大学

基金: 国家重点基础研究发展计划(973计划):中国南方海相页岩气高效开发的基础研究(课题编号:2013CB228002)

分类号: O357.3;TE328

总页数: 151

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