摘要
全球正处于能源转型变革的重要阶段，以页岩气为代表的非常规油气藏作为未来低碳能源的桥梁拥有举足轻重的地位。我国页岩气储量位于世界前列，目前正处于开采的快速增长阶段。由于页岩基质含有大量微纳米多孔介质结构，导致传统理论在描述页岩气体赋存及输运时存在一定的局限性。因此，需要对多孔介质中多组分气体赋存及输运特征进行深入研究，探讨影响纳米尺度下气体赋存和运移的关键因素，寻求气体微纳尺度输运行为的描述方法，从而为我国页岩气探勘开发突破工程难题提供理论依据。 本文在综述国内外多孔介质中页岩气开发及研究现状相关文献基础上，研究了页岩多孔介质中CH4-C2H6混合气体赋存特征；阐明了页岩多孔纳米结构中多组分气体及气-水流动特征；分析了多孔介质结构特征对页岩气流动的影响，并开展了CH4多尺度输运特征研究，取得了以下有重要意义的研究成果： ① 揭示了页岩气混合组分在多孔介质纳米裂缝中的赋存特征。从微观角度对页岩气（CH4-C2H6）双组分竞争吸附和互扩散规律进行了研究，并利用重量法验证了分子模拟的准确性。结果表明：C2H6的吸附能力强于CH4，纯CH4气体的自扩散系数大于纯C2H6气体的，CH4在裂缝表面和裂缝内体相的自扩散系数均大于C2H6。基于分子模拟，估算了美国 Barnett、Marcellus 页岩和中国焦石坝、元坝-兴隆场页岩气组分吸附量和游离量的占比，发现C2H6和CO2含量越多，吸附气占比越大；利用输运扩散选择性参数清晰描述了C2H6和CH4的扩散能力差异随地层深度的增加而减小。 ② 发现气体在有机页岩裂缝内会出现滑移现象，在无机页岩裂缝内则无滑移现象，该现象与吸附层中气体不同碰撞机制有关，揭示了气体在多孔介质纳米裂缝中的流动特征。分析了裂缝宽度、温度和压力对 CH4流动特征的影响规律，归结于对气体有效黏度和视黏度的影响。开展了CH4-C2H6混合组分流动特性研究，混合组分的体相黏度可以较为准确地描述无机页岩中混合气体的流动特征。分析了 CH4-C2H6-H2O 体系流动特征，水分子在有机裂缝中心易形成团簇，在无机黏土裂缝表面易形成水膜。引入水膜厚度和气体有效黏度及视黏度，建立了气体在含水无机/有机页岩纳米裂缝内流动的数学模型。 ③揭示了多孔介质结构特征对CH4气体流动特性的影响机制。研究发现裂缝宽度和界面的相互作用参数之比与吸附密度和自扩散系数存在着定量关系，建立了考虑相互作用参数影响的 CH4表观渗透率关系式；分析了变孔径无机纳米孔中CH4气体输运的影响因素，当顶角逐渐变小时，CH4在圆锥形纳米孔壁面上的流动行为由负滑移逐渐变为正滑移。建立了考虑顶角参数影响的纳米孔中气体流动模型，与分子模拟结果拟合较好；利用Gauge-GEMC模拟，获得有机/无机页岩裂缝中 CH4的临界温度值，建立了受限空间内 CH4流体的 PR 状态方程，并结合LBM 方法，分析了有机/无机纳米裂缝中 CH4气体在不同尺度下的输运机制变化。 本文系统性地研究了多孔介质中页岩气多组分气体的竞争吸附及扩散规律，量化了含水量对有机/无机页岩中页岩气输运的影响，并阐明了多孔结构中的孔喉和相互作用对页岩气吸附及流动的影响机制。最后基于纳米限域理论，结合介观模拟方法，揭示了微纳尺度下 CH4输运机制，完善了非常规油气藏高效开发的相关理论，为高效开发多孔介质中页岩气及合理评价产能规律提供了理论依据。
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