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页岩气有机质纳米孔气体传输微尺度效应

天然气工业 2016年第11期36卷 51-64页

作者：吴克柳李相方陈掌星 Department of Chemical and Petroleum Engineering University of Calgary 中国石油大学石油工程教育部重点实验室

页岩气有机质孔隙多为纳米尺度且气体赋存方式多样,因此页岩气有机质纳米孔中的气体存在多种传输机理,而如何建立能描述高压条件下所有传输机理的纳米孔体相气体传输模型、如何描述页岩有机质纳米孔表面扩散,以及确定表面扩散对气体传... 详细信息

页岩气有机质孔隙多为纳米尺度且气体赋存方式多样,因此页岩气有机质纳米孔中的气体存在多种传输机理,而如何建立能描述高压条件下所有传输机理的纳米孔体相气体传输模型、如何描述页岩有机质纳米孔表面扩散,以及确定表面扩散对气体传输贡献究竟有多大等则是目前亟待解决的难题。为此,综合考虑体相气体传输、表面扩散、真实气体、吸附层和应力敏感等微尺度效应的影响,建立了页岩气有机质纳米孔气体传输模型。研究结果表明:①通过滑脱流动和努森扩散加权叠加建立的体相气体传输模型能合理描述体相气体传输;②表面扩散是重要的传输机理,尤其在尺度小的纳米孔中,主宰了气体传输;③页岩气应力敏感效应不同于常规油气藏,其不仅与有机质力学属性、有效应力等有关,而且还与气体传输机理有关。结论认为,所建模型能够从室内低压条件直接推广到页岩储集层高压条件,能为页岩气生产动态分析、产能预测和生产制度制订提供指导。

关键词：页岩气有机质孔隙纳米级孔隙微尺度滑脱流动努森扩散表面扩散应力敏感

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页岩气纳米孔气体传输模型

石油学报 2015年第7期36卷 837-848 889,889页

作者：吴克柳李相方陈掌星中国石油大学石油工程教育部重点实验室北京102249 加拿大卡尔加里大学化学与石油工程系

页岩气纳米孔气体传输模型是准确进行页岩气数值模拟的基础,对页岩气经济开发具有重要的意义。页岩气纳米孔气体传输机理包括纳米孔体相气体传输和吸附气表面扩散,而纳米孔体相气体传输机理包括连续流动、滑脱流动和努森扩散。基于滑脱... 详细信息

页岩气纳米孔气体传输模型是准确进行页岩气数值模拟的基础,对页岩气经济开发具有重要的意义。页岩气纳米孔气体传输机理包括纳米孔体相气体传输和吸附气表面扩散,而纳米孔体相气体传输机理包括连续流动、滑脱流动和努森扩散。基于滑脱流动和努森扩散两种传输机理,分别以分子之间碰撞频率和分子与孔隙壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和努森扩散的权重因子,将这两种传输机理叠加,建立了纳米孔体相气体传输模型。基于Hwang模型,考虑高压条件下吸附气覆盖度的影响,建立了纳米孔吸附气表面扩散模型。结合纳米孔体相气体传输和吸附气表面扩散模型,建立了页岩气纳米孔气体传输模型,并采用分子模拟和实验数据进行了验证。结果表明:1滑脱流动、努森扩散和表面扩散对气体传输的贡献是此消彼长的,其主要受孔隙尺度和压力的支配。2滑脱流动在介、宏孔(半径>2nm)和高压条件下,对气体传输贡献大;在微孔(半径≤2 nm)和低压条件下,其贡献小,可忽略。3努森扩散在宏孔(半径>50nm)和低压条件下,对气体传输贡献不可忽略,在其他条件下均可忽略。4表面扩散在微孔(半径≤2nm)和全压力范围内,总是主宰了气体传输;当孔隙半径>25nm和压力高于1 MPa时,表面扩散贡献可忽略;当孔隙半径在2~25nm和压力低于5 MPa时,表面扩散贡献较高,不能忽略。

关键词：页岩气纳米孔滑脱流动努森扩散表面扩散

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页岩气藏多重介质耦合流动模型

天然气工业 2016年第2期36卷 52-59页

作者：苏玉亮盛广龙王文东闫怡张璇中国石油大学(华东)石油工程学院

为准确掌握页岩气流动规律以及精准评价水力压裂效果,需要建立页岩气藏多重介质耦合流动模型。为此,基于页岩气藏干酪根、无机基质及裂缝物性特征,综合考虑微纳米尺度气体黏性滑脱、努森扩散、吸附解吸、表面扩散等运移规律,通过表观渗... 详细信息

为准确掌握页岩气流动规律以及精准评价水力压裂效果,需要建立页岩气藏多重介质耦合流动模型。为此,基于页岩气藏干酪根、无机基质及裂缝物性特征,综合考虑微纳米尺度气体黏性滑脱、努森扩散、吸附解吸、表面扩散等运移规律,通过表观渗透率来综合表征页岩气藏多尺度介质渗流机理。在此基础上,考虑储层压裂改造特征及跨尺度流体传质机理,建立页岩气藏多重介质耦合流动模型,应用Laplace变换和Stehfest数值反演,得到了定产和定压情况下封闭边界单裂缝井底无因次拟压力和产量半解析解。在模型正确性验证的基础上,结合矿场参数对模型进行实例分析。结果表明:①干酪根是页岩气藏重要的烃源介质,干酪根含量每增加10%,对页岩气累积产量的贡献度增加12%左右;②无机基质滑脱效应及努森扩散在对生产中期气体流速产生较大影响的同时也增大了孔隙压力衰竭速度。基于所建流动模型研究了页岩气藏分段压裂水平井流动规律,结果表明:不考虑井筒存储及表皮效应时,储层有线性流、双线性流、"双窜流"、无机基质稳态流、拟边界流、"三线性"流、封闭边界流7个流动阶段。

关键词：页岩气藏干酪根滑脱效应努森扩散吸附解吸表面扩散表观渗透率耦合流动模型

页岩气储层纳米级孔隙中气体的质量传输机理及流态实验

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天然气工业 2018年第12期38卷 87-95页

作者：刘杰张永利胡志明李英杰杨新乐辽宁工程技术大学力学与工程学院中国科学院渗流流体力学研究所中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院

为了探究页岩气储层纳米级孔隙中气体的质量传输方式、机理、气体流态,以及页岩表观渗透率的合理表示方法,首先基于前人的研究成果,从微观和宏观的角度综合分析了页岩纳米孔隙中气体的质量传输机理;然后通过开展致密页岩中气体渗流实验... 详细信息

为了探究页岩气储层纳米级孔隙中气体的质量传输方式、机理、气体流态,以及页岩表观渗透率的合理表示方法,首先基于前人的研究成果,从微观和宏观的角度综合分析了页岩纳米孔隙中气体的质量传输机理;然后通过开展致密页岩中气体渗流实验,对纳米孔隙中气体的真实流态进行了分析,讨论了孔隙尺寸、压力等参数对页岩渗透率的影响;进而对不同页岩表观渗透率模型进行了比较,探讨了其合理的表示方法。研究结果表明:(1)页岩纳米孔隙中游离气质量传输方式主要为滑脱流、努森扩散及斐克扩散,吸附气质量传输方式主要为表面扩散,气体流态为滑脱流或过渡流,不存在连续流,并且孔隙越小、压力越低,滑脱流越弱,努森扩散越强;(2)在相同的实验条件下,Darcy渗透率最低,B-K表观渗透率和Civan表观渗透率非常接近,Klinkenberg表观渗透率居中,APF表观渗透率与Wu表观渗透率最高且出现了曲线交替;(3)在Wu表观渗透率中,滑脱流在滑脱区和过渡区都是气体质量主要的传输方式;(4)在APF表观渗透率中,滑脱流是滑脱区气体质量主要的传输方式,而努森扩散则是过渡区气体质量主要的传输方式。

关键词：页岩气储集层纳米级孔隙气体质量传输气体流态表观渗透率模型滑脱流努森扩散斐克扩散

页岩气复杂孔裂隙真实气体传输机理和数学模型

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中国科学：技术科学 2016年第8期46卷 851-863页

作者：吴克柳李相方陈掌星李靖梁羽丰吴修华中国石油大学石油工程教育部重点实验室北京102249 Chemical and Petroleum Engineering University of Calgary 中国海洋石油研究总院北京100027 山东省东营市胜利油田河口采油厂东营257200

基于滑脱流动和努森扩散,分别以分子之间碰撞频率和分子与壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和努森扩散的权重系数,进行权重叠加,建立了页岩气复杂孔裂隙气体传输模型.该模型综合考虑了滑脱效应和真实气体效应,同时还分别考... 详细信息

基于滑脱流动和努森扩散,分别以分子之间碰撞频率和分子与壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和努森扩散的权重系数,进行权重叠加,建立了页岩气复杂孔裂隙气体传输模型.该模型综合考虑了滑脱效应和真实气体效应,同时还分别考虑了截面类型(圆形和矩形)和形状对气体传输的影响.用公开发表的分子模拟数据验证模型.结果表明:(1)本文模型能够合理地描述页岩气复杂孔裂隙气体传输机理,包括连续流动、滑脱流动和过渡流动;(2)页岩气孔裂隙截面类型和形状影响气体传输能力,相同截面面积,圆形截面孔裂隙气体传输能力大于矩形截面孔裂隙气体传输能力,矩形截面孔裂隙气体传输能力随纵横比增大而减小;与截面类型相比,截面形状对气体传输能力的影响更大;(3)真实气体效应提高了气体传输能力,且这种影响随压力增大而增大,随孔裂隙尺度减小而增大;(4)与圆形截面相比,真实气体效应对矩形截面气体传导率影响更大,且随矩形截面纵横比增大而增大.本文模型能为页岩气准确数值模拟奠定一些理论基础.

关键词：页岩气孔裂隙截面类型真实气体滑脱流动努森扩散

用于分离CH_4/CO_2疏水性SiO_2膜的制备

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材料工程 2013年第2期41卷 78-82页

作者：李文秀葛珂宁张兵陈立峰张志刚沈阳化工大学化学工程学院沈阳110142

分别采用KH-570,KH-560和A-151代替部分TEOS作为前驱体,通过溶胶-凝胶法制备了疏水性SiO2气体分离膜,利用IR,BET,TG,SEM以及接触角测试仪等对其进行了表征,并对(0.8KH-570)SiO2膜进行了CH4/CO2气体渗透性能评价。结果表明,当A-151,KH-57... 详细信息

分别采用KH-570,KH-560和A-151代替部分TEOS作为前驱体,通过溶胶-凝胶法制备了疏水性SiO2气体分离膜,利用IR,BET,TG,SEM以及接触角测试仪等对其进行了表征,并对(0.8KH-570)SiO2膜进行了CH4/CO2气体渗透性能评价。结果表明,当A-151,KH-570和KH-560与TEOS的摩尔比均为0.8时,膜的接触角分别从28.6°增大到97.8,94.2°和90.7°。膜样品的疏水性增强,修饰后的膜孔径分布更加狭窄,平均孔径减小,抵抗水蒸汽的能力明显增强;膜层无开裂,表面完整。其中,KH-570修饰的膜性能较好,在n(KH-570)/n(TEOS)=0.8时,压力为30kPa的条件下,(0.8KH-570)SiO2膜对CH4/CO2的分离因子为2.13,大于纯SiO2膜的分离因子(1.58)和努森扩散理论的分离因子(1.67),分离效果较好。

关键词：溶胶-凝胶法疏水性无开裂分离因子努森扩散

等温条件下页岩储层视渗透率随压力变化规律研究

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天然气地球科学 2017年第4期28卷 514-520页

作者：崔亚星熊伟胡志明左罗高树生中国科学院渗流流体力学研究所河北廊坊065007 中国石油勘探开发研究院廊坊分院河北廊坊065007

储层中页岩气通常在较大压差和压力梯度条件下流动,流动过程受努森扩散、滑脱效应等多种机理综合作用,流动特征也随流动机制改变而产生相应的变化。实验选取9块页岩岩心,通过开展氮气与氦气的页岩流态实验,得到等温条件下一定压力范围... 详细信息

储层中页岩气通常在较大压差和压力梯度条件下流动,流动过程受努森扩散、滑脱效应等多种机理综合作用,流动特征也随流动机制改变而产生相应的变化。实验选取9块页岩岩心,通过开展氮气与氦气的页岩流态实验,得到等温条件下一定压力范围内不同流动机制下的页岩视渗透率变化规律。实验结果表明:发生努森扩散的页岩视渗透率可高于常规气测值数十倍以上,低压差或低压力梯度条件下储层因扩散作用增强实际流动能力增加。当压力水平或压力梯度较低时,扩散是传质的重要机制。认识这一特征对于进一步了解页岩气流动规律以及指导提高页岩气产量有着重要意义。

关键词：页岩视渗透率压力过渡流努森扩散吸附作用

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内在矿物质对煤粉燃烧过程影响的动力学研究

燃烧科学与技术 2018年第3期24卷 270-274页

作者：杜晓杰李水清高琦姚强清华大学能源与动力工程系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

本文采用数学建模方法研究煤粉内在矿物质析出对其燃烧的动力学影响.在MIT Graham研究工作的基础上,借鉴内在矿物质群平衡演化析出模型,建立包含表面矿物质结构演化的焦炭燃烧动力学模型.理论分析表明,在焦炭燃烧过程中,表面矿物质层内... 详细信息

本文采用数学建模方法研究煤粉内在矿物质析出对其燃烧的动力学影响.在MIT Graham研究工作的基础上,借鉴内在矿物质群平衡演化析出模型,建立包含表面矿物质结构演化的焦炭燃烧动力学模型.理论分析表明,在焦炭燃烧过程中,表面矿物质层内的气体传质过程会经历由分子扩散到努森扩散的转变.与已有的焦炭燃烧灰壳模型进行对比分析,结果表明,已有灰壳模型在焦炭燃烧初期较高地估计了表面矿物质对气体传质的抑制作用.当内在矿物含量低于10%(质量分数)时,焦炭燃烧全过程中内部矿物质对气体传质的抑制作用不明显.

关键词：内在矿物质分子扩散努森扩散焦炭燃烧表面温度

磁控溅射陶瓷薄膜(SiOx)阻隔性机理的研究

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包装工程 2008年第10期29卷 12-14页

作者：刘壮林晶孙智慧高德哈尔滨商业大学哈尔滨150028

研究了磁控溅射镀陶瓷薄膜(SiOx)使PET基体阻隔性提高的机理,并对SiOx层的堆积结构做了假设及理论分析,结合SEM形貌表明:磁控溅射SiOx层存在层状结构及针孔随机分布,阻隔性的提高可由努森扩散和层流两种机理加以解释,即在一定的压力差下... 详细信息

研究了磁控溅射镀陶瓷薄膜(SiOx)使PET基体阻隔性提高的机理,并对SiOx层的堆积结构做了假设及理论分析,结合SEM形貌表明:磁控溅射SiOx层存在层状结构及针孔随机分布,阻隔性的提高可由努森扩散和层流两种机理加以解释,即在一定的压力差下,阻隔性提高决定于针孔的分布、陶瓷层厚度以及SiOx层数。

关键词：磁控溅射陶瓷膜努森扩散层流