CN111340298B - 页岩储层诱导非均质性动态演化预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了页岩储层诱导非均质性动态演化预测方法，将页岩储层孔隙截面为非圆形孔隙校正为圆形孔隙；利用孔隙等效直径将孔隙尺寸演化进行定量表征；计算页岩储层不同截面的表观渗透率；利用不同截面的表观渗透率以及不同截面的孔隙占比计算页岩储层的表观渗透率；基于表观渗透率的达西定律得到页岩储层的物质平衡方程；求解物质平衡方程，得到基质内不同位置页岩储层的表观渗透率随时间的变化关系，利用该变化关系定量表征基质内的非均质性响应及演化，实现页岩储层诱导非均质性动态演化预测。本发明能够促进页岩储层泄压开发过程中诱导非均质性动态评价技术的发展，有助于页岩储层开发过程中非稳态规律的认识。

Description

页岩储层诱导非均质性动态演化预测方法

技术领域

本发明所属技术领域为非常规油气开发中页岩储层诱导非均质性定量表征领域，具体涉及页岩储层诱导非均质性动态演化预测方法。

背景技术

页岩气作为一种新型非常规天然气资源，以其清洁高效、资源量大等特点正日益受到关注和重视，同时页岩气有助于改善我国的能源消费结构，为国家能源安全增加筹码。随着页岩油气资源大规模的开发，针对页岩储层开发的各种基础理论及相关技术的研究已成为焦点和热点。其中页岩基质作为页岩气主要储集空间及缝网系统的物质供给源头，准确定量表征页岩基质向裂缝物质供给过程中，由于基质内瞬时压力响应行为引起的基质内的非均质性响应及演化，有助于掌握页岩气基质内非稳态运移规律，对提高页岩气开发效果具有重要意义。

目前针对页岩储层开发的相关理论主要集中在借用相关学科的静态模型或改进相关静态模型对页岩气开发过程中涉及到的吸附/解吸、微纳米尺度运移及应力敏感等特征进行均质静态地描述，但页岩气开发过程中涉及到的问题属于典型多尺度、多物理场耦合的动态力学问题。考虑滑脱边界及Knudsen扩散机理构建的页岩表观渗透率模型，不仅是孔隙几何形态、尺寸的函数，同时也是孔隙压力的函数，随着页岩储层泄压动态开发，基质内形成压降漏斗，基质内不同位置压力呈现非均质动态分布，同时基质内不同位置孔隙尺寸亦实时演化造成其相应渗流通道的实时改变，这些因素协同诱导下页岩储层的非均质性实时动态演化，转而影响页岩基质内的不稳定渗流。因此综合考虑页岩储层特征，动态定量表征其非均质性演化有助于对基质内非稳态渗流规律的掌握，提高产能预测的准确性。

目前针对页岩储层开发的相关理论主要集中在借用相关学科的静态模型或改进相关静态模型对页岩气开发过程中涉及到的吸附/解吸、微纳米尺度运移及应力敏感等特征进行均质静态地描述，针对页岩储层动态开发过程中，复杂非稳态力学行为诱导下产生的非均质性进行定量评价的相关技术或方法相对较少，同时综合考虑不同机理(吸附/解吸、微纳米尺度运移及应力敏感)协同诱导下的非均质性演化相关定量评价的技术或方法亦相对较少。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供页岩储层诱导非均质性动态演化预测方法，本发明能够客观还原页岩储层特性，就页岩基质向裂缝物质供给过程中，由于基质内瞬时压力响应行为引起的基质内的非均质性响应及演化进行定量表征。

本发明采用的技术方案如下：

页岩储层诱导非均质性动态演化预测方法，包括如下步骤：

S1，针对页岩储层孔隙截面几何形态多样性进行归一化校正，将页岩储层孔隙截面为非圆形孔隙校正为圆形孔隙，得到孔隙等效直径；

S2，针对页岩气藏泄压动态开发过程中的孔隙尺寸演化，利用孔隙等效直径将孔隙尺寸演化进行定量表征，得到实时孔隙等效半径；

S3，利用实时孔隙等效半径计算得到页岩储层不同截面的表观渗透率；利用不同截面的表观渗透率以及不同截面的孔隙占比计算得到页岩储层的表观渗透率；基于表观渗透率的达西定律得到页岩储层的物质平衡方程；求解该物质平衡方程并选取基质不同位置页岩储层的表观渗透率作为输出，绘制基质内不同位置页岩储层的表观渗透率随时间的变化关系，利用该变化关系定量表征在该油藏条件下，页岩基质向裂缝物质供给过程中，由于基质内瞬时压力响应行为引起的基质内的非均质性响应及演化，实现页岩储层诱导非均质性动态演化预测。

优选的，S1中，通过校正因子γ将截面为非圆形的孔隙校正为圆形孔隙，校正后的孔隙等效直径D_equ为：

D_equ＝γD

上式中：

γ为校正因子，孔隙截面为圆形时γ＝1，孔隙截面为正方形时γ＝1.094，孔隙截面为等边三角形时γ＝1.186；

D为孔隙特征长度，单位为m。

优选的，S2中，实时孔隙等效半径r_p为：

r_p＝r_in+dr_dis+dr_pm-r_a＝f(γD,p_p)

其中，dr_dis为基质收缩引起的孔隙半径变化，单位为m；dr_pm为应力敏感引起的孔隙半径变化，单位为m；r_a为吸附层厚度，单位为m。

优选的，基质收缩引起的孔隙半径变化dr_dis为：

其中，r_in为初始孔隙等效半径(D_equ/2)，单位为m；Φ_int为初始孔隙度；ε_L为Langmuir应变；P_L为Langmuir压力，单位为Pa；P_in为初始孔隙压力，单位为Pa；P_p为实时孔隙压力，单位为Pa。

优选的，应力敏感引起的孔隙半径变化dr_pm为：

其中，α_f为页岩孔隙的Biot系数；α_m为页岩基质的Biot系数；K_n为页岩孔隙平均方向刚度，单位为Pa/m；E_m为页岩基质杨氏模量，单位为Pa；s为页岩基质特征长度，单位为m；P_in为初始孔隙压力，单位为Pa；P_p为实时孔隙压力，单位为Pa。

优选的，吸附层厚度r_a为：

r_a＝p_pd_m/(p_L+p_p)

其中，d_m为气体分子直径，单位为m；P_L为Langmuir压力，单位为Pa；P_p为实时孔隙压力，单位为Pa。

优选的，S3中，页岩储层不同截面的表观渗透率

为：

页岩储层的表观渗透率K_a为：

其中：μ为气体粘度，单位为pa.s；ρ_avg为气体平均密度，单位为kg/m；R为气体常数；α为切向动量调节系数；T为温度，单位为K；M为气体分子量，单位为kg/mol；r_p为实时孔隙等效半径，单位为m；P_avg为毛管中的平均压力，单位为Pa；ω_i为不同截面孔隙占比；i代表不同截面孔隙的种类，即当孔隙截面为圆形、正方形或等边三角形时各自应一个i；N为不同截面孔隙的种类数，当只有圆形截面的孔隙、正方形截面的孔隙或等边三角形截面的孔隙时N为1，当有圆形截面的孔隙、正方形截面的孔隙和等边三角形截面的孔隙中的任意两种时N为2，当同时具有圆形截面的孔隙、正方形截面的孔隙和等边三角形截面的空隙时N为3。

优选的，S3中，物质平衡方程为：

其中，u_g为达西流速，

单位为m/s；φ为孔隙度；μ为气体粘度Pa.s；▽P为压力梯度，单位为Pa/m；ρ_g为自由气体密度，单位为kg/m³；ρ_a为吸附气体密度，单位为kg/m³；t为时间，单位为s；K_a为页岩储层的表观渗透率，单位为，单位为m²。

本发明具有如下有益效果：

本发明页岩储层诱导非均质性动态演化预测方法的特征主要包括如下三方面：1、考虑页岩储层孔隙截面几何形态的多样性，将页岩储层孔隙截面为非圆形孔隙校正为圆形孔隙；2、综合考虑页岩储层泄压动态开发过程中，孔隙尺寸演化造成的渗流通道的实时改变，利用孔隙等效直径将孔隙尺寸演化进行定量表征；3、基于物质平衡理论，就页岩泄压动态开发过程中，页岩储层诱导非均质性动态演化进行定量表征。本方法就基质内不同位置压力呈现非均质动态分布，同时基质内不同位置孔隙尺寸亦实时演化造成其相应渗流通道的实时改变，这些因素协同诱导下的非均质性演化进行定量表征，有助于对基质内非稳态渗流规律的掌握，为页岩气高效开发提供理论依据。本发明在一定程度上促进了页岩储层泄压开发过程中诱导非均质性动态评价技术的发展，有助于加深对页岩储层开发过程中非稳态规律的认识。

具体实施方式

下面结合实施例来对本发明做进一步的说明。

本法发明针对页岩开发这一多尺度、多物理场耦合动态力学问题，就页岩基质向裂缝物质供给过程中，由于基质内瞬时压力响应行为引起的基质内的非均质性响应及演化进行定量表征，该方法考虑随着页岩储层泄压动态开发，因吸附气解吸造成的孔隙壁面吸附层厚度变化及页岩基质收缩协同影响下的渗流通道的改变，同时耦合储层应力敏感造成的孔隙渗流通道的改变，综合考虑以上三重机理协同作用下的孔隙尺寸动态演化，并结合基于滑脱边界及Knudsen扩散机理建立的页岩表观渗透率模型，基于基质内物质平衡理论，实现页岩储层诱导非均质性动态演化预测。

本发明页岩储层诱导非均质性动态演化预测方法主要包括三部分：1、针对页岩储层孔隙截面几何形态多样性进行归一化校正，提出校正因子，将截面为非圆形孔隙校正为圆形孔隙；2、针对页岩气藏泄压动态开发过程中，孔隙尺寸演化进行定量表征；3、基于滑脱边界及Knudsen扩散机理建立的页岩表观渗透率模型并结合物质平衡理论，通过数值求解，定量表征基质内不同位置K_a随时间的动态演化。具体包括如下步骤：

(1)通过校正因子γ将截面为非圆形的孔隙校正为圆形孔隙，校正后的孔隙等效直径D_equ为：

D_equ＝γD

上式中：D_equ：孔隙等效直径，m；

γ：校正因子，孔隙截面为圆形时γ＝1，孔隙截面为正方形时γ＝1.094，孔隙截面为等边三角形时γ＝1.186；

D：孔隙特征长度，m；

(2)针对页岩储层泄压动态开发过程中，孔隙尺寸演化，提出如下计算方法：

由于气体解吸导致基质收缩，孔隙半径增大，基质收缩引起的孔隙半径变化dr_dis为：

上式中：dr_dis：基质收缩引起的孔隙半径变化，m；

r_in：初始孔隙等效半径(D_equ/2)，m；

Φ_int：初始孔隙度；

ε_L：Langmuir应变；

P_L：Langmuir压力，Pa；

P_in：初始孔隙压力，Pa；

P_p：实时孔隙压力，Pa；

由于应力敏感导致孔隙半径变小，应力敏感引起的孔隙半径变化dr_pm为：

上式中：dr_pm：应力敏感引起的孔隙半径变化，m；

α_f：页岩孔隙的Biot系数；

α_m：页岩基质的Biot系数；

K_n：页岩孔隙平均方向刚度，Pa/m；

E_m：页岩基质杨氏模量，Pa；

s：页岩基质特征长度，m；

P_in：初始孔隙压力，Pa；

P_p：实时孔隙压力，Pa；

由于吸附层气体解吸导致吸附层厚度变小，有效孔隙半径变大，吸附层厚度ra为：

r_a＝p_pd_m/(p_L+p_p)

上式中：r_a：吸附层厚度，m；

d_m：气体分子直径，m；

P_L：Langmuir压力，Pa；

P_p：实时孔隙压力，Pa；

三重机理协同作用下实时孔隙等效半径为：

r_p＝r_in+dr_dis+dr_pm-r_a＝f(γD,p_p)

上式中：r_p：实时孔隙等效半径，m；

基于以上计算，实时孔隙等效半径为孔隙截面几何形态、孔隙尺寸及孔隙压力的函数。

(3)基于基质内物质平衡理论，实现页岩储层诱导非均质性动态演化预，具体计算流程如下：

页岩储层不同截面的表观渗透率：

上式中：

页岩储层不同截面的孔隙表观渗透率，m²；

μ：气体粘度，pa.s；

ρ_avg：气体密度，kg/m；

R：气体常数；

α：切向动量调节系数；

T：温度，K；

M：气体分子量，kg/mol；

P_avg为毛管中的平均压力，单位为Pa；

页岩储层的表观渗透率K_a为：

上式中：ω_i：不同截面孔隙占比；

K_a：考虑页岩储层不同几何截面的表观渗透率，m²；

N为孔隙尺寸大于或等于孔隙特征长度D的累积孔隙数；

根据达西定律，达西流速u_g为：

上式中：u_g：达西流速，m/s；

φ：孔隙度；

μ：气体粘度，Pa.s；

▽P：压力梯度，Pa/m；

物质平衡方程为：

上式中：ρ_g：自由气体密度，kg/m³；

ρ_a：吸附气体密度，kg/m³；

▽P：压力梯度，Pa/m；

φ：孔隙度；

t为时间，单位为s；

基于物质平衡，给定相应边界条件及初始条件，通过数值方法对其求解，选取基质不同位置K_a作为输出，绘制基质内不同位置K_a随时间的变化关系，即可定量表征在该油藏条件下，页岩基质向裂缝物质供给过程中，由于基质内瞬时压力响应行为引起的基质内的非均质性响应及演化，实现页岩储层诱导非均质性动态演化预测。

Claims (4)

1.页岩储层诱导非均质性动态演化预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，针对页岩储层孔隙截面几何形态多样性进行归一化校正，将页岩储层孔隙截面为非圆形孔隙校正为圆形孔隙，得到孔隙等效直径；

S2，针对页岩气藏泄压动态开发过程中的孔隙尺寸演化，利用孔隙等效直径将孔隙尺寸演化进行定量表征，得到实时孔隙等效半径；

S3，利用实时孔隙等效半径计算得到页岩储层不同截面的表观渗透率；利用不同截面的表观渗透率以及不同截面的孔隙占比计算得到页岩储层的表观渗透率；基于表观渗透率的达西定律得到页岩储层的物质平衡方程；求解该物质平衡方程并选取基质不同位置的表观渗透率作为输出，绘制基质内不同位置页岩储层的表观渗透率随时间的变化关系，利用该变化关系定量表征在该油藏条件下，页岩基质向裂缝物质供给过程中，由于基质内瞬时压力响应行为引起的基质内的非均质性响应及演化，实现页岩储层诱导非均质性动态演化预测；

S2中，实时孔隙等效半径r_p为：

r_p＝r_in+dr_dis+dr_pm-r_a＝f(γD,p_p)

其中，dr_dis为基质收缩引起的孔隙半径变化；dr_pm为应力敏感引起的孔隙半径变化；r_a为吸附层厚度；

基质收缩引起的孔隙半径变化dr_dis为：

其中，r_in为初始孔隙等效半径，大小为孔隙等效直径的一半；Φ_int为初始孔隙度；ε_L为Langmuir应变；P_L为Langmuir压力；P_in为初始孔隙压力；P_p为实时孔隙压力；

应力敏感引起的孔隙半径变化dr_pm为：

其中，α_f为页岩孔隙的Biot系数；α_m为页岩基质的Biot系数；K_n为页岩孔隙平均方向刚度；E_m为页岩基质杨氏模量；s为页岩基质特征长度；P_in为初始孔隙压力；P_p为实时孔隙压力；

吸附层厚度r_a为：

r_a＝p_pd_m/(p_L+p_p)

其中，d_m为气体分子直径；P_L为Langmuir压力；P_p为实时孔隙压力。

2.根据权利要求1所述的页岩储层诱导非均质性动态演化预测方法，其特征在于，S1中，通过校正因子γ将截面为非圆形的孔隙校正为圆形孔隙，校正后的孔隙等效直径D_equ为：

D_equ＝γD

上式中：

γ为校正因子，孔隙截面为圆形时γ＝1，孔隙截面为正方形时γ＝1.094，孔隙截面为等边三角形时γ＝1.186；

D为孔隙特征长度。

3.根据权利要求1所述的页岩储层诱导非均质性动态演化预测方法，其特征在于，S3中，页岩储层不同截面的表观渗透率

为：

页岩储层的表观渗透率K_a为：

其中：μ为气体粘度；ρ_avg为气体平均密度；R为气体常数；α为切向动量调节系数；T为温度；M为气体分子量；r_p为实时孔隙等效半径；P_avg为毛管中的平均压力；ω_i：不同截面孔隙占比；i代表不同截面孔隙的种类；N为不同截面孔隙的种类数。

4.根据权利要求1所述的页岩储层诱导非均质性动态演化预测方法，其特征在于，S3中，物质平衡方程为：

其中，u_g为达西流速，

φ为孔隙度；μ为气体粘度；▽P为压力梯度；ρ_g为自由气体密度；ρ_a为吸附气体密度；t为时间；K_a为页岩储层的表观渗透率。