第六章 气体渗流理论

致密气渗流机理研究综述致密气渗流是指天然气在煤层气、页岩气等微孔介质中的流动过程。

由于储层孔隙度很低、孔隙连通性差，导致气体无法通过常规的气水平分离和垂直驱替作用实现开采。

研究致密气渗流机理对于高效开发致密气资源具有重要意义。

从气体渗流的角度来看，致密气的渗流过程可以分为弥散渗流和煤层气吸附解吸两种机制。

弥散渗流是指气体在孔隙中依靠浓度差异进行的扩散过程，其主要影响因素为气体浓度梯度和孔隙结构特征。

煤层气吸附解吸是指气体分子在煤体孔隙中与煤质表面发生吸附和解吸作用，其主要影响因素为煤质特征和温度压力条件。

煤质特征是影响致密气渗流机理的重要因素之一。

煤质的孔隙结构特征直接影响气体在孔隙中的扩散速率。

煤质孔隙主要包括无序毛细孔、裂隙、聚并孔和溶蚀孔等，其中无序毛细孔是致密气渗流的主要通道。

煤质还会影响气体在煤质表面的吸附量和解吸速率。

温度压力条件也对致密气渗流机理有重要影响。

随着温度和压力的升高，气体在煤体孔隙中的吸附量减小，解吸速率增加，渗流能力提高。

适当的温度和压力条件还有助于改善煤质的吸附解吸性能，提高煤层气产量。

研究致密气渗流机理还需要考虑气体相态变化对渗流行为的影响。

在低压条件下，气体主要以气态存在，流动行为以扩散为主。

随着压力的增加，气体逐渐进入连续相态，流动行为更加接近于流体流动。

气体的压缩系数和黏度等物性参数发生变化，也会影响渗流行为。

数值模拟方法在研究致密气渗流机理中发挥了重要作用。

通过建立储层物理模型和数学模型，可以传统实验难以观测到的气体渗流行为进行模拟和预测。

常用的数值模拟方法包括等效介质模型、多孔介质模型和离散元模型等，其能够定量分析孔隙结构对渗流行为的影响，提高气田开发效率。

致密气渗流机理研究已经取得了一定的进展，但仍存在许多问题需要进一步研究。

未来的研究重点将更加注重储层物性特征、温度压力条件和气相态变化对致密气渗流机理的影响，加强数值模拟方法的应用，以实现对致密气开采的更加准确预测和高效开发。

《油气层渗流力学》讲授内容及作业第一章油气渗流力学基础第一节油气藏类型及其外部形态的简化（全讲）第二节油气藏内部储集空间结构的简化（全讲）第三节多孔介质及连续介质场（全讲）第四节渗流过程中的概念及渗流形态的简化（全讲）第二章油气渗流的基本规律第一节油气渗流的力学分析（全讲）第二节油气渗流的达西定律（全讲）第三节油气渗流的非达西定律（全讲）第四节两相渗流规律（全讲）第三章单相液体渗流数学模型第一节渗流数学模型的建立原则（全讲）第二节渗流数学模型的微分方程（全讲）第三节渗流数学模型的定解条件（全讲）第四章单相液体稳定渗流理论第一节单相液体稳定渗流理论（全讲）第二节井的不完善性对渗流的影响（全讲）第三节多井干扰与势的叠加理论（全讲）第四节等值渗流阻力法（简要提到）第五章单相液体不稳定渗流理论第一节弹性不稳定渗流的物理过程（全讲）第二节弹性液体不稳定渗流理论（全讲）第三节不稳定渗流的井间干扰（全讲）第六章气体渗流理论第一节气体渗流微分方程（全讲）第二节气体稳定渗流理论（全讲）第三节气体不稳定渗流理论（全讲）第七章油水两相渗流理论第一节影响水驱油非活塞性的因素（全讲）第二节油水两相渗流理论（全讲）第三节油水两相渗流理论的应用（全讲）第八章油气两相渗流理论第一节油气两相渗流的物理过程（全讲）第二节油气两相渗流的微分方程（重点阐述微分方程的建立方法）第三节油气两相稳定渗流理论（重点阐述稳定渗流研究的目的）第四节油气两相不稳定渗流理论（重点阐述不稳定渗流研究的目的）第九章双重介质渗流理论第一节双重介质油藏模型（全讲）第二节双重介质油藏渗流微分方程（全讲）第三节双重介质油藏渗流理论（全讲）第十章复杂渗流理论（简要提到）第一节传质扩散流体渗流理论第二节非牛顿液体渗流理论《油气层渗流力学》作业第一章油气层渗流力学基础：p26，第1、2、3题。

第二章油气渗流的基本规律：p44，第1、2题。

第三章单相液体渗流数学模型：p62，第7、8题。

的渗流稳定性，为尾矿库的设计提供科学依据。

5.2 渗流数值模拟方法 5.2.1计算理论简介采用土木工程数值计算分析软件对石灰窑沟尾矿库进行渗流数值模拟及稳定性分析时，基于如下渗流理论：①达西定律（线性渗流定律）假定尾矿库渗透水流在尾矿堆积体内流动时做低雷诺数的层流运动，此时渗透水的运动符合达西线性渗流定律，即水的流速在数值上与其水力坡度成正比，其数学表达式为：kJ v =式中：v —（平均）渗流速度（cm/s ）；k —介质的渗透系数（cm/s ）； J —水力坡度（无量纲）。

在实际的地下水流中，水力坡度往往是各处不同的，此时达西定律的一般性表达式为：dsdHkv −= 式中：dsdH−—水力坡度（水力比降）。

②饱和-非饱和渗流的基本微分方程在多孔的岩土介质中，渗流的连续性方程写成张量形式表示为：()()i w i v S nS x tρρ∂∂−+=∂∂ i =1,2,3式中：ρ—水的密度；i v —达西流速；n —岩土介质的孔隙率；S —汇源项。

在非饱和渗流中，非饱和渗流问题的连续性方程如下：()()()()S nS tv z v y v x w z y x +∂∂−=∂∂+∂∂+∂∂ρρρρ 式中：x v 、y v 、z v —非饱和渗流场中达西流速在x 、y 、z 三个方向上的分量；w S —饱和度，0≤w S ≤1，其它符号意义同前。

饱和土体中水的流动常常用达西定律来表达，达西定律同样也适用于非饱和土体中水的流动，但是，在非饱和土体中渗透系数一般不能假定为常数，相反，渗透系数的变化很大，是非饱和土孔隙比和含水量或基质吸力的函数， 在非饱和渗流中达西定律的表达式为：()jr ij i x Hk k v ∂∂−=θ j i ,=1,2,3 此式即为广义达西定律。

式中：ij k —饱和渗透系数张量；r k —非饱和渗透系数相对于饱和渗透系数s k 的比值，是饱和度或压力水头的函数。

在非饱和区，0≤r k ＜1，在饱和区，r k =1； θ—岩土介质的体积含水量，w S n =θ；H —总水头，z h H +=，h 为压力水头，z 为位置水头。

气体渗流机理页岩气是指那些聚集在暗色泥页岩或高碳泥页岩中,以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气。

它与常规天然气的理化性质完全一样，只不过赋存于渗透率、孔隙度极低的泥页岩之中，气流的阻力比常规天然气大，很大程度上增加了页岩气的开采难度，因此被业界归为非常规油气资源。

页岩自身的有效孔隙度很低,页岩气藏主要是由于大范围发育的区域性裂缝,或热裂解生气阶段产生异常高压在沿应力集中面、岩性接触过渡面或脆性薄弱面产生的裂缝提供成藏所需的最低限度的储集孔隙度和渗透率。

通常孔隙度最高仅为4% ~5%,渗透率小于1×10-3μm。

页岩气藏与常规气藏最主要的差异在于页岩气藏存在吸附解吸特性。

利用Langmuir等温吸附方程描述页岩气的吸附解吸现象，点源函数及质量守恒法，结合页岩气渗流特征建立双重介质压裂井渗流数学模型，通过数值反演及计算机编程绘制了产能递减曲线图版。

分析了Langmuir体积、Langmuir压力、弹性储容比、窜流系数、边界、裂缝长度等因素对页岩气井产能的影响。

在储层条件下页岩气藏中20％～80％的气体以吸附态储存在页岩基质颗粒表面，其余绝大部分以游离态储存于孔隙和裂缝中。

针对页岩气存在特有的吸附解吸特性，国外许多学者通过修正物质平衡时间、建立半解析数学模型及整合Blasingame产能递减等方法在页岩气产能方面取得了一系列研究成果，但其将页岩气藏假设为均质储层，不能页岩气藏是一种“自生自储式”气藏，开采过程中，地层压力降低，打破原来的吸附平衡，原先吸附在页岩基质表面的气体将发生解吸，形成游离态气体，最终重新到达平衡。

页岩气穿过页岩孔隙介质的流动可描述为图1所示的解吸、扩散和渗流这3个过程。

数法及质量守恒法则，结合页岩气藏渗流特征对传统的渗流微分方程进行修正，建立双重介质压裂井渗流数学模型，通过数值反演及计算机编程绘制了产能递减曲线并对其影响因素进行分析。

1 页岩气解吸特征及吸附解吸方程页岩气藏是一种“自生自储式”气藏，开采过程中，地层压力降低，打破原来的吸附平衡，原先吸附在页岩基质表面的气体将发生解吸，形成游离态气体，最终重新到达平衡。

渗流力学有关概念2.3.1 渗流力学指专门研究流体通过各种多孔介质渗流时的运动形态和运动规律的科学。

它是现代流体力学的一个重要分支，是油藏工程、油藏数值模拟的理论基础。

2.3.2 不可压缩流体{刚性流体)又称为刚性流体，是指随着压力的变化，体积不发生弹性变'形的流体。

2.3.3 可压缩流体(弹性流体)又称弹性流体，是指随压力的变化，体积发生弹性膨胀或收缩的流体。

2 .3 . 4体相流体指分布在多孔介质孔道的中轴部分，其性质不受界面影响的流体。

2.3.5 边界流体指分布在孔道壁上形成一个边界层，其性质受界面影响的流体。

2.3.6 地下流体流场指地下流体与岩石相互作用所占据的、并能在其中流动的场所或空间。

2.3.7 变形介质当地层中的液体压力降低时，岩石发生变形而使孔隙空间减小，渗透率降低，这种孔隙空间发生变形的多孔介质称为变形介质。

2.3.8 可变渗透率地层变形多孔介质的渗透率不是常数，而是压力的函数，具有这种性质的油、气层称为可变渗透率地层。

2.3.9 多孔介质以固相介质为骨架，含有大量互相交错又互相分散的微小孔隙或微毛细管孔隙的介质叫多孔介质。

油气储层就是多孔介质的一种。

2.3.10 双重孔隙介质{裂缝孔隙介质}又称裂缝孔隙介质，是指由孔隙介质和裂缝介质两个水动力学系统构成，两个系统按一定规律进行流体交换。

2.3.11 渗流与地下渗流流体在多孔介质中的流动称为渗流。

流体在地层中流动叫做地下渗流。

2.3.12 单相渗流指在多孔介质中只有一种流体以一种状态参与流动。

如在地层压力高于饱和压力条件下，油藏中的原油流动，气藏中的气体流动等。

2.3.13 两相渗流与多相渗流指在多孔介质中有两种流体同时参与流动叫两相渗流，如油层中的油、水两相流动。

同时有两种以上互不混溶的流体参与流动叫多相渗流，如油层中的油、气、水三相流动。

2.3.14 多组分渗流指含有多种组分的烃质和非烃质混合的流体在多孔介质中的流动。

第一章 渗流力学基本概念和定律1、多孔介质（porous medium ）：含有大量任意分布的彼此连通的且形状各异、大小不一的孔隙的固体介质。

2、渗流（permeability ）：流体通过多孔介质的流动，也叫渗滤。

3、油藏：具有统一压力系统的油气聚集体4、渗流力学：研究流体在多孔介质中的运动形态和规律的科学。

5、油气层是油气储集的场所和流动空间6、定压边界油藏：层体延伸到地表，有边水供给区，在边界上保持一个恒定的压头。

7、封闭边界油藏：边界为断层或尖灭 没有边水供给 渗流中的力学分析及驱动类型：力学分析：重力、惯性力、粘滞力（大小用牛顿内摩擦定律表示1mPa·s ＝lcP ）、弹性力、毛管力。

驱动类型：依靠何种能量把原油驱入井底。

弹性驱动、水压驱动、溶解气驱、气压驱动（主要靠气顶气或注入气的膨胀能或压能驱油的驱动方式。

刚性气压驱动、弹性气压驱动）、重力驱动 不同驱动方式及开采特征总结：1、能量补充充足（边、底水，气顶、注水/气）：刚性驱动：刚性气/水驱；开采特征：Pe 、 Ql 、 Qo 有稳产段。

2、能量补充不充足（无边底水气顶注水注气或有而不足）： 弹性驱动：弹性驱动、溶解气驱、弹性气/水驱；开采特征：Pe 、 Ql 、 Qo 均不断下降。

3、 凡是气驱的Rp 都有上升的过程，其它驱动方式Rp 不变。

溶解气驱、刚/弹性气驱4、 Qo 或Rp 的突然变化反映水或气的突破。

供给压力Pe ：油藏中存在液源供给区时，在供给边缘上的压力。

井底压力Pw ：油井正常生产时，在生产井井底所测得的压力称为井底压力，也称为流动压力，简称流压。

折算压力Pr ：油藏中某点折算到某一基准面时的压力，它表示油层中各点流体所具有的总能量。

达西定律：在一定范围内△P 与Q 成直线关系，当流量不断增大，直线关系就会被破坏。

真实流速与渗流速度的关系达西定律适用条件： 液流处于低速、层流，粘滞力占主导地位，惯性主力很小，可忽略。