Диссертация (1173029), страница 5
Текст из файла (страница 5)
К органическому веществу относятся био- и геохимическипреобразованные вещества простейших водорослей, сохранившие клеточноестроение(талломоальгинит)илипотерявшиеего(коллоальгинит).Ворганическом веществе также присутствуют в виде примеси измененныеостатки высших растений (витринит, фюзенит, липоидинит) [61]. Органическоевещество составляет 5~30% от массы породы и только в сланцах самоговысокого качества достигает 50~70% [ 62 ].
Степень зрелости органическоговещества в основных формациях сланцевого газа в Северной Америке находитсяв диапазоне между 0,4% и 4,0% [63]. Указано, что содержание газа в сланцевыхтолщах увеличивается с повышением степени зрелости органического веществавсланцевыхтолщах[63].Органическоевеществорассеяновнутринеорганической матрицы [4].Ворганическомвеществеобычноимеетсябольшоеколичествонанометровых пор. К примеру, в формации Барнетт диаметр пор в органическомвеществе изменяется от 5 до 750нм, а пористость цельных зерен органическоговещества составляет до 20,2% [ 64 ], в формации Файетвиль диаметр пор ворганическом веществе составляет 5~100нм [65]. Отмечено, что большая доляобщей пористости газоносных сланцев приходится на поры, находящиеся ворганическом веществе (керогене) [66].В отличие от традиционных коллекторов, в сланцевых толщах природныйгаз может присутствовать и сохраняться в трех формах: свободного газа,адсорбированного газа и растворенного газа.
Адсорбированный газ в основномнаходится на поверхностях зерен глины и органического вещества ирастворенный газ находится в органическом веществе. В частности, к основнымформам относятся свободная и адсорбированная и принято считать количестворастворенного газа незначительным [67]. Установлено, что 20%~85% запасовгаза в сланцевой толще представлены в адсорбированном виде [68]. Обнаружено,что количество адсорбированного газа зависит от содержания органического26вещества и с увеличением содержания органического вещества количествоадсорбированного газа увеличивается [ 69 , 70 ].
В таблице 1.3 представленысодержание органического вещества, степень зрелости органического веществаи содержание адсорбированного газа основных формаций сланцевого газа вСША [63].Таблица 1.3-Содержание органического вещества, степень зрелостиорганического вещества и содержание адсорбированного газа основныхформаций сланцевого газа в СШАФормацияБарнеттНьюАнтримЛевисОхиоАлбаниСодержание2,0~7,01,0~25,00,3~24,00,5~2,50~4,71,0~2,10,4~0,80,4~0,61,6~1,90,4~органического вещества(%)Степень зрелостиорганического вещества1,3(показатель отражательнойспособности витринита)(%)Содержание20,040,0~60,070,013,0~40,050,0адсорбированного газа (%)К настоящему моменту, к общепринятым моделям, описывающимадсорбцию и десорбцию газа в пласте-коллекторе сланцевого газа относятсямодель Ленгмюра [71] и модель БЭТ [72].
Экспериментально показано, чтоадсорбция метана в породе-коллекторе сланцевого газа соответствует моделиЛенгмюра [73-75], а адсорбция углекислого газа в породе-коллекторе сланцевогогаза отвечает модели БЭТ [75].Теория Ленгмюра основана на утверждении, что при адсорбциипроисходитхимическаяадсорбционнымиреакцияцентрамимеждуповерхностиадсорбируемымадсорбента;свеществомиувеличениемконцентрации адсорбируемого вещества возникает адсорбционное насыщение27поверхности адсорбента [4]. Основные допущения модели Ленгмюра состоят вследующем [4]:1) адсорбция вещества возникает не на всей поверхности адсорбента, атолько на дискретных адсорбционных центрах;2) при адсорбции соблюдается стехиометрическое условие—на одномцентре адсорбируется только одна молекула, и соответственно, на поверхностиадсорбента может образоваться только мономолекулярный слой адсорбата;3) когда все активные адсорбционные центры заняты и поверхностьадсорбентапокрытамономолекулярнымслоемадсорбата,наступаетадсорбционное равновесие и дальнейшее возрастание адсорбции невозможно;4) адсорбированные молекулы удерживаются данным адсорбционнымцентром только в течение определенного промежутка времени, десорбируясь,они уходят в свободную газовую фазу, а их место занимают другие молекулы;5) время пребывания молекул в адсорбированном состоянии в большойстепени зависит от температуры: при низких температурах время может бытьочень большим;6) адсорбция на одном центре не оказывает влияния на адсорбцию надругих центрах, и адсорбируемые молекулы не взаимодействуют друг с другом,в связи с этим, пребывание молекул на активных адсорбционных центрах неоказывает влияния на процесс адсорбции на соседних активных адсорбционныхцентрах;7) процесс адсорбции и процесс десорбции протекают с одинаковымискоростями и соответственно, система находится в динамическом состоянииравновесия.По теории Ленгмюра равновесная адсорбция V выражается следующимуравнением:V=VLbp/(1+bp),(1.1)где VL—емкость адсорбционного монослоя или предельная адсорбция; b—константа сорбции, зависящая от природы адсорбента и адсорбата; p—равновесное давление газа.28Чтобы учитывать возможность адсорбции адсорбата в несколько слоев, М.Полянипредложенатеорияполимолекулярнойадсорбции,котораяосновывается на абсолютно иных представлениях, чем теория Ленгмюра, аименно: адсорбция вызывается физическими, дальнодействующими силамиВан-дер-Ваальса между адсорбентом и адсорбатом; действие сил с удалением отповерхности ослабляется и на некотором расстоянии они становятся равныминулю, на поверхности адсорбента нет активных адсорбционных центров, иадсорбционные силы действуют возле всей поверхности и образуют около этойповерхности непрерывное силовое поле; притяжение молекулы поверхностьюне зависит от наличия других молекул в адсорбционном пространстве, благодарячему возможна полимолекулярная адсорбция; на адсорбционные силытемпературанеоказываетвлияния,т.е.сизменениемтемпературыадсорбционный объем не изменяется [4].Опираясь на теорию полимолекулярной адсорбции М.
Поляни, быларазработана современная модель полимолекулярной адсорбции (модель БЭТ)[72]. В модели БЭТ первый и последующие адсорбированные слои вотдельности соответствуют концепции Ленгмюра. В связи с отсутствиемвзаимодействия межу молекулами адсорбция локализуется. На поверхностиадсорбента образуются последовательные комплексы адсорбционных центров исоответственно,процессадсорбцииможетбытьпредставленкакпоследовательное протекание квазихимических реакций. В модели БЭТ, посравнению с моделью Ленгмюра, принято дополнительное допущение о том, чтокаждая молекула предыдущего слоя является возможным центром дляадсорбции следующего слоя. Адсорбированная фаза представляет собойсовокупность адсорбционных комплексов молекул, первая из которых связана споверхностью адсорбента, причем возможно образование последующих слоевпринезаконченномпервом.Впроцессеадсорбциипротекаетрядпоследовательных квазихимических реакций образования единичных и кратныхадсорбционных комплексов.Модель БЭТ имеет следующий вид:29VVLС ( p ps ),p p(1 ) 1 (C 1) ps ps (1.2)где С—константа; ps—давление насыщенного пара.Существуют и другие модели адсорбции: модель Фрейндлиха, модельЛенгмюра- Фрейндлиха, модель Д-Р и модель Тотт.
Их применимость кописанию адсорбции метана в породе-коллекторе сланцевого газа подтвержденаэкспериментально [74].Из вышеизложенного следует, что низкопроницаемый коллектор иколлектор сланцевого газа обладают общими характеристиками, в которыевходят низкая пористость, низкая проницаемость, маленький радиус пор ипоровых каналов, частое наличие природных трещин и подверженность величинпористости и проницаемости влиянию пластового давления. По сравнению снизкопроницаемым коллектором, порода-коллектор сланцевого газа имеетменьший радиус пор и радиус поровых каналов и разница составляет больше чемодин порядок. Экспериментально показано, что влияние деформации породколлекторов на пористость в сланцевых толщах является более значительнымчем в низкопроницаемых коллекторах [76]. Сходные фильтрационно-емкостныесвойства приводят к тому, что для разработки низкопроницаемых и сланцевыхгазовых месторождений часто применяют одинаковые технологии, в большомчислеслучаев,какотмеченовыше,горизонтальныескважинысмногостадийным ГРП, и соответственно, характеристики фильтрации газа впластах-коллекторах этих двух типа также аналогичны.301.3 Особенности моделирования фильтрации природного газа внизкопроницаемых коллекторах и сланцевых толщахОпираясьнавышеизложенныехарактеристикинизкопроницаемыхколлекторов и сланцевых толщ, ниже приведен анализ особенностейфильтрации природного газа и конфигурации зоны дренирования скважины внизкопроницаемых коллекторах и сланцевых толщах, которые необходимоучитыватьприразработкемоделипритокагазакскважинедлянизкопроницаемых и сланцевых газовых месторождений.Как отмечено выше, в низкопроницаемых коллекторах и сланцевыхтолщах имеются микро- и нанометровые поры.
Ввиду того, что в микро-,нанометровых порах средний свободный пробег молекул газа в пластовыхусловиях является сопоставимым с радиусами пор, фильтрация газа не вполнесоответствуетмоделиконтинуумасграничнымиусловиямибезпроскальзывания (к примеру, закону Дарси) [77]. Установлено, что в микро- инанопористой среде могу возникать различные режимы течения газа, в том числесвободномолекулярный режим, континуальный режим, континуальный режим сграничными условиями проскальзывания и переходный режим [77].Вконтинуальном режиме при движении газа возникает в основном соударениемолекул газа между собой, а в свободномолекулярном режиме при движениигаза возникает преимущественно соударение молекул газа со стенками пор.
Вконтинуальном режиме с граничными условиями проскальзывания придвижении газа молекулы газа как сталкиваются между собой в центрах пор, таки ударяются о твердую поверхность вблизи стенок пор. В переходном режимепри движении газа в порах возникает и соударение молекул газа между собой исоударение молекул газа со стенками пор.Как представлено в таблице 1.4, режимы течения газа в микро- инанопористой среде классифицируются по числу Кнудсена (Kn), котороеопределяется отношением средней длины свободного пробега молекул газа λк характерному линейному размеру канала течения (к примеру, радиусу поры r):31Kn r,(1.3)где λ вычисляется по формуле [78]: zRT,p 2M(1.4)где µ—динамическая вязкость газа, Па·с; p в паскалях; z—коэффициентсверхсжимаемости газа (д.е); Т—температура, К; R—универсальная газоваяпостоянная, 8314Дж/кмоль/К; M—молекулярная масса, кг/кмоль.Таблица 1.4-Классификация режимов течения газа по числу КнудсенаРежимтеченияКонтинуальный режимКонтинуальн- Переходн- Свободномолекуляый режим сый режимрный режимграничнымиусловиямипроскальзыванияK n 100,001 K n 0,1 0,1 K n 10K n 0,001ЧислоКнудсенаВ соответствии с представленными в таблице 1.2 геологическими даннымиосновных формаций сланцевого газа в США, пластовая температура находитсяв диапазоне между 297,0 и 366,5К, начальное пластовое давление находится вдиапазоне 2,8~27,6MПa, и, как указано выше, радиус поровых каналовсланцевых коллекторов колеблется от 0,002 до 0,015 мкм, радиус пор сланцевыхколлекторов колеблется от 0,005мкм до 0,15мкм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
