一种考虑解吸迟滞效应的、用于页岩气的全耦合岩土力学-流体流动模型

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：A fully coupled geomechanical-fluid flow model for shale gas considering desorption hysteresis

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  建立了一个具有滞后特性的吸附解吸效应的数学模型。
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  提出了一种考虑吸附解吸效应的页岩气岩土力学-流体耦合流动模型。
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  揭示了吸附解吸效应对渗流机制和生产的影响规律。

引言

页岩储层的特征是孔隙度低、渗透率极低以及具有复杂连通性的多尺度孔隙结构[1], [2], [3], [4]。在页岩气开发过程中，储层中有机质和粘土矿物表面吸附的气体的解吸会影响气体的流动能力。因此，准确描述页岩气的流动机制是开发页岩气储层的关键。

页岩气主要在具有纳米级孔隙大小的页岩储层中自生成和自储存，存在于自由状态和吸附状态。吸附气体的能力占总气体能力的约20%到85%[5], [6], [7]。当储层压力低于临界解吸压力时，吸附的气体会解吸出来供应气体，此时的生产能力与解吸过程密切相关。目前，吸附模型被用来描述页岩气的解吸现象。然而，实验和模拟都发现页岩气的解吸存在滞后现象，表明解吸过程不能简单等同于吸附过程[8], [9]。通过等温吸附-解吸实验，胡和梁等人[10], [11]证明了页岩气的吸附过程会导致孔隙变形，从而产生解吸滞后。Alafnan等人[12]通过分子模拟发现孔隙结构的变化导致了页岩气的滞后现象。陈等人[13]发现孔隙喉部的收缩会产生排斥效应，增加了解吸所需的能量。因此，需要建立一个解吸模型来准确描述页岩气的解吸特性。

在页岩气井进行压裂后，页岩气会形成多尺度流动。在基质中，当自由气体从孔隙中逸出时，孔隙压力会降低，同时吸附在基质孔壁表面的气体也会解吸出来。这两种气体都会流入天然裂缝和水力裂缝中。通常，基质中的气体流动涉及质量传递过程，而裂缝中的气体流动遵循达西定律。因此，作为来自基质孔隙表面的解吸气体供应源，会影响整个气体的流动。陈等人[14]考虑了表面扩散、气体吸附和有效应力的影响，并构建了一个气体传输模型。高等人[15]建立了一个气体传输模型，该模型考虑了孔隙力学、非达西流动、气体吸附以及孔隙结构的分形分布，并分析了页岩基质微裂缝中的气体质量传递。然而，现有研究将解吸视为吸附的可逆过程，忽略了解吸效应，导致对页岩气传输机制的理解不够清晰。

页岩气生产预测方法主要包括基于渗流理论的方法、经验方法和实际数据的方法，如表1所示。在各种页岩气生产预测方法中，数值模拟方法能够保持非线性模型的基本特征，并考虑页岩储层的复杂物理参数和气体流动机制[16], [17]。它有效地解决了复杂的耦合方程，计算结果可靠。目前，数值模拟方法通常基于吸附机制来评估产量，这导致了对考虑解吸效应的生产评估理解不够清晰。黄等人[18]考虑了吸附和解吸、扩散以及应力敏感性，并阐明了天然裂缝密度和井类型对气井产量的影响。赵等人[19]定量分析了裂缝参数、物理参数以及解吸和扩散参数的影响，并明确了水力裂缝的导电性和天然裂缝的渗透性是影响页岩气产量的主要因素。张等人[20]通过考虑吸附、解吸、扩散和滑移效应，准确预测了页岩气的储量。由于对解吸效应引起的渗流机制理解不够清晰，导致页岩气产量的预测存在偏差。

总之，在页岩气井的生产过程中，页岩气的解吸存在滞后现象，这使得页岩气的渗流机制更加复杂。因此，通过明确不同温度和压力下的解吸特性，提出了一个解吸模型。考虑到解吸效应对固体变形和气体流动的影响，建立了一个岩土力学-流体耦合流动模型，并评估了解吸气体流动和生产的影响。结合统计方法，通过权重评估系统分析了主要控制因素。这项工作有助于阐明解吸效应对页岩气多尺度流动机制的作用。

章节摘录

解吸模型

为了准确描述页岩气的解吸特性，采用了正则蒙特卡洛算法和分子动力学算法来模拟甲烷在基质孔隙中的吸附和解吸过程。基于Ungerer等人[23]提出的有机质分子式C₂₄₂H₂₁₉N₅O₁₃S₂，建立了一个有机质模型，以模拟353.15 K到433.15 K范围内的等温吸附和解吸曲线，如图1和图2所示。然后，进行吸附和解吸

控制方程

描述了页岩变形、气体迁移以及页岩系统中相互作用的数学耦合模型的推导过程。基于以下假设：

(3)

将页岩视为三重连续介质系统；

(4)

页岩应变表现出线性弹性行为，并满足小变形假设；

页岩储层中的气体是可压缩的，且压力保持正值；

(6)

基质系统、天然裂缝系统和水力裂缝系统内的压力特性

物理模型描述

页岩储层具有微纳级孔隙，存在天然裂缝和水力裂缝网络。基质孔隙中存在吸附气体和自由气体，导致复杂的流动机制。虽然水力裂缝网络提高了井筒附近的渗透率，但也增加了多相流动过程的复杂性。因此，通过采用等效表示模型来描述页岩储层中的复杂流动系统，可以更好地理解页岩气的跨尺度流动机制

结论

由于对渗流机制中解吸效应的理解不够清晰，本研究建立了解吸模型，并明确了不同温度和压力下的解吸特性。然后，基于考虑解吸的质量传递定律和渗流模型，确定了解吸效应对页岩气流动的影响。主要结论如下：

通过分子模拟方法，计算了解吸和吸附能力

CRediT作者贡献声明

李文瑞：撰写 – 原始稿、可视化、验证、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。梁鸿彬：撰写 – 审查与编辑、撰写 – 原始稿、验证、监督、项目管理、方法论、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。曾黄斌：可视化、研究、正式分析、数据管理。张璐：验证、研究、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52304024、52474034）、重庆市自然科学基金（项目编号：CSTB2023NSCQ-MSX0264）、国家重点实验室页岩油气富集机制与高效开发开放基金（项目编号：33550000-24-ZC0613-0111）以及重庆科学技术大学研究项目（项目编号：20240323、202511551001）的支持。作者希望

李文瑞|梁鸿彬|曾黄斌|张璐|徐有杰|傅景刚|赖哲瀚|向海宇|熊伟|齐志林

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