估计页岩气渗透性的无岛孔网络模型
https://www.nature.com/articles/s41598-021-86829-4
作者：Di Zhang, Xinghao Zhang, Haohao Guo, Dantong Lin, Jay N. Meegoda & Liming Hu
研究亮点：
在这项研究中，页岩的渗透性是使用孔网络模型来预测的。孔隙结构的特征可以通过特定参数来描述，包括孔隙、毛孔身体和毛孔喉咙大小以及分布和协调数字。使用协调编号比和为页岩形成中毛孔连接而开发的算法将同位素纳入模型。通过预测水力连接并将其与几个高压渗透性测试进行比较，验证了建议的三维孔隙网络模型。
成果简介
与基于异位孔网络模型的预测相比，来自无热带孔隙网络模型的预测更接近测试结果。中国基地组织盆地四个页岩利用同向孔网络模型进行数值模拟的预测渗透值与实验室测试测得的值非常相似。本研究证实，开发的无烟三维孔隙网络模型可以合理地代表实际页岩形成中的天然气流量，从而作为预测工具。
要点1：拟议孔网络的参数
利用数学方法结合实际孔隙结构的数据，开发出具有可变协调数的等效孔网络模型，该模型可以容纳不同的孔径、孔隙、孔隙连接和孔隙，具有可变的协调数。
网络模型通过喉咙连接的孔隙的常规三维晶格表示岩石的空隙空间。每个孔喉孔孔或孔体被假定为圆柱形或球形在定期间隔网格16，24.此假设是开发预测模型以描述实际地甲酸盐多孔网络的主要基础25.此模型将复杂的渗漏通道（孔、喉咙）几何材料简化为常规几何形状，如球体、圆柱体等，并定期将其排列在格子的网格中。要构建上述等效孔隙网络，需要以下六个关键模型参数：
- 孔径半径（R）p）及其分布：孔体半径代表整个地质介质中大腔的毛孔大小。
- 孔喉半径 （Rth）及其分布：孔喉半径表示孔体之间的渗漏通道的大小。由于孔隙体之间的任何液体迁移都必须流过孔隙喉咙，因此孔隙的咽喉大小直接影响整个地质介质的渗漏特征。
- 协调编号（ζ）及其分布：孔隙协调号表示孔隙体之间的连接。对于具有高渗透性的地质介质（如沙子），一个孔隙可能与多个周围孔相连，因此协调数很高（> 6）。对于透水性低的地质介质（如页岩），孔隙协调数相对较小（<4）。
- 孔隙性（n）：孔隙度表示地质介质中空隙的比例。在这里，空隙包括所有的毛孔身体和毛孔喉咙，包括死孔尸体和相应的孔隙喉咙。
- 特征长度（L ）：L是一个概念引入一个等效毛孔网络，代表网格的长度，即相邻毛孔体之间的距离。L 不能小于两个连接孔的平均孔隙大小。
- 同位素参数：由于地理材料的沉积因子不同，其液压性能在不同方向上不同，从而产生同位素渗透性。无氧参数试图捕捉这种液压异位。
要点2：建设无脊孔网络
当等效孔网络模型中的平均协调数较低时，可能会有一些毛孔的协调数小于 2，从而成为死胡同毛孔（ζ = 1）或孤立毛孔（ζ = 0）。也可能有死胡同孔群和孤立的孔隙组（多个孔与主渗透通道的连接少于两个）。这些毛孔是在实际孔隙结构，但他们不贡献的流动，所以在等效孔网络模型，他们可以消除，从而减少计算时间。为了消除模型中未连接的毛孔，有必要首先将孤立的毛孔和死胡同定义如下：
1.从任何上游孔开始，通道通过称为渗漏通道的非重复孔与任何下游孔隙相连。
2.如果孔隙包含在任何渗漏通道中，则称为渗漏孔隙：否则，它被称为非渗漏孔。
3.对于相互关联的非渗孔组，如果有孔可以连接到任何渗漏通道，此孔组被定义为死胡同孔组。否则，它就变成了一个孤立的毛孔组。
根据上述定义，可以看出，在图3所示的等效孔隙网络中，孔A是孤立的，孔B是死孔，孔C属于孤立的孔隙组，毛孔D属于死孔群。图3
中的暗区域显示了孔隙结构预处理后的渗漏孔隙和毛孔喉咙。
要点3：基于概率的异位和协调数生成
由于沉积和床上用品，页岩是极为无能的，因此与水平方向或床上用品平面相比，垂直方向的渗透性通常较低26.已公布的渗透值因数量级而异，与应用有效应力（限制压力和孔隙压力之间的差异）和床上用品方向相对于流动方向（与床上用品平行或正常）直接相关。密西西比巴奈特页岩的测试结果27，28，29显示渗透值范围从 10+17到 10+21m2.对于斯堪的纳维亚校友和塔尔西安页岩，加尼扎德等人。26报告渗透性在 10 之间+17和 10+22m2.在加拿大西部伍德福德页岩， 帕蒂4报告了三到四个数量级的亚热带渗透性差异。丁尼等人30，为德文和奥尔多维奇页岩样品发现高达100倍的异位素。图5显示了不同方向渗透性的变化。这种无向行为被纳入本研究中描述的毛孔网络。
小结
本文稿描述了使用一种新的算法来改进孔隙网络模型的发展，该算法采用了包含无索比的协调数字以及孤立的毛孔消除方法。该模型通过将模拟页岩渗透性与龙马西地层四个页岩的测量数据进行比较得到验证。首次详细描述了等效的同位素孔隙网络模型的构建，特别是建议的协调数生成方法和基于相邻孔隙连接概率的协调号的分配。开发连接的概率，发现两个毛孔之间的连接不仅与两个毛孔的协调数有关，还与整个网络的平均协调数有关。一个无与共生的比例（ax：ay：az） 然后被引入， 以解释含气页岩的无间胶形成。为了准确表示不同同位素地层（如土壤、砂岩或页岩）的渗透行为，将三个方向的同位素比率定义为每个方向的孔连接比率。对于不同的地层，使用不同的同向比来模拟不同的气体流动行为。从四川东部龙马溪地层采集的四个页岩样品在预测和测量渗透性方面得到了很好的一致，表明同位素模型比传统的同位素孔网络模型更具代表性，能够代表页岩地层中的孔隙连接。
参考文献：
Mehmani, A., Prodanovic, M. & Javadpour, F. Multiscale, multiphysics network modeling of shale matrix gas flows. Transport. Porous Med. 99, 377–390. https://doi.org/10.1007/s11242-013-0191-5 (2013).
