估計頁岩氣滲透性的無島孔網絡模型
https://www.nature.com/articles/s41598-021-86829-4
作者：Di Zhang, Xinghao Zhang, Haohao Guo, Dantong Lin, Jay N. Meegoda & Liming Hu
研究亮點：
在這項研究中，頁岩的滲透性是使用孔網絡模型來預測的。孔隙結構的特徵可以通過特定參數來描述，包括孔隙、毛孔身體和毛孔喉嚨大小以及分佈和協調數字。使用協調編號比和為頁岩形成中毛孔連接而開發的算法將同位素納入模型。通過預測水力連接並將其與幾個高壓滲透性測試進行比較，驗證了建議的三維孔隙網絡模型。
成果簡介
與基於異位孔網絡模型的預測相比，來自無熱帶孔隙網絡模型的預測更接近測試結果。中國基地組織盆地四個頁岩利用同向孔網絡模型進行數值模擬的預測滲透值與實驗室測試測得的值非常相似。本研究證實，開發的無煙三維孔隙網絡模型可以合理地代表實際頁岩形成中的天然氣流量，從而作為預測工具。
要點1：擬議孔網絡的參數
利用數學方法結合實際孔隙結構的數據，開發出具有可變協調數的等效孔網絡模型，該模型可以容納不同的孔徑、孔隙、孔隙連接和孔隙，具有可變的協調數。
網絡模型通過喉嚨連接的孔隙的常規三維晶格表示岩石的空隙空間。每個孔喉孔孔或孔體被假定為圓柱形或球形在定期間隔網格16，24.此假設是開發預測模型以描述實際地甲酸鹽多孔網絡的主要基礎25.此模型將複雜的滲漏通道（孔、喉嚨）幾何材料簡化為常規幾何形狀，如球體、圓柱體等，並定期將其排列在格子的網格中。要構建上述等效孔隙網絡，需要以下六個關鍵模型參數：
- 孔徑半徑（R）p）及其分佈：孔體半徑代表整個地質介質中大腔的毛孔大小。
- 孔喉半徑 （Rth）及其分佈：孔喉半徑表示孔體之間的滲漏通道的大小。由於孔隙體之間的任何液體遷移都必須流過孔隙喉嚨，因此孔隙的咽喉大小直接影響整個地質介質的滲漏特徵。
- 協調編號（ζ）及其分佈：孔隙協調號表示孔隙體之間的連接。對於具有高滲透性的地質介質（如沙子），一個孔隙可能與多個周圍孔相連，因此協調數很高（> 6）。對於透水性低的地質介質（如頁岩），孔隙協調數相對較小（<4）。
- 孔隙性（n）：孔隙度表示地質介質中空隙的比例。在這裡，空隙包括所有的毛孔身體和毛孔喉嚨，包括死孔屍體和相應的孔隙喉嚨。
- 特徵長度（L ）：L是一個概念引入一個等效毛孔網絡，代表網格的長度，即相鄰毛孔體之間的距離。L 不能小於兩個連接孔的平均孔隙大小。
- 同位素參數：由於地理材料的沉積因子不同，其液壓性能在不同方向上不同，從而產生同位素滲透性。無氧參數試圖捕捉這種液壓異位。
要點2：建設無脊孔網絡
當等效孔網絡模型中的平均協調數較低時，可能會有一些毛孔的協調數小於 2，從而成為死胡同毛孔（ζ = 1）或孤立毛孔（ζ = 0）。也可能有死胡同孔群和孤立的孔隙組（多個孔與主滲透通道的連接少於兩個）。這些毛孔是在實際孔隙結構，但他們不貢獻的流動，所以在等效孔網絡模型，他們可以消除，從而減少計算時間。為了消除模型中未連接的毛孔，有必要首先將孤立的毛孔和死胡同定義如下：
1.從任何上游孔開始，通道通過稱為滲漏通道的非重複孔與任何下游孔隙相連。
2.如果孔隙包含在任何滲漏通道中，則稱為滲漏孔隙：否則，它被稱為非滲漏孔。
3.對於相互關聯的非滲孔組，如果有孔可以連接到任何滲漏通道，此孔組被定義為死胡同孔組。否則，它就變成了一個孤立的毛孔組。
根據上述定義，可以看出，在圖3所示的等效孔隙網絡中，孔A是孤立的，孔B是死孔，孔C屬於孤立的孔隙組，毛孔D屬於死孔群。圖3
中的暗區域顯示了孔隙結構預處理後的滲漏孔隙和毛孔喉嚨。
要點3：基於概率的異位和協調數生成
由於沉積和床上用品，頁岩是極為無能的，因此與水平方向或床上用品平面相比，垂直方向的滲透性通常較低26.已公布的滲透值因數量級而異，與應用有效應力（限制壓力和孔隙壓力之間的差異）和床上用品方向相對於流動方向（與床上用品平行或正常）直接相關。密西西比巴奈特頁岩的測試結果27，28，29顯示滲透值範圍從 10+17到 10+21m2.對於斯堪的納維亞校友和塔爾西安頁岩，加尼扎德等人。26報告滲透性在 10 之間+17和 10+22m2.在加拿大西部伍德福德頁岩， 帕蒂4報告了三到四個數量級的亞熱帶滲透性差異。丁尼等人30，為德文和奧爾多維奇頁岩樣品發現高達100倍的異位素。圖5顯示了不同方向滲透性的變化。這種無向行為被納入本研究中描述的毛孔網絡。
小結
本文稿描述了使用一種新的算法來改進孔隙網絡模型的發展，該算法採用了包含無索比的協調數字以及孤立的毛孔消除方法。該模型通過將模擬頁岩滲透性與龍馬西地層四個頁岩的測量數據進行比較得到驗證。首次詳細描述了等效的同位素孔隙網絡模型的構建，特別是建議的協調數生成方法和基於相鄰孔隙連接概率的協調號的分配。開發連接的概率，發現兩個毛孔之間的連接不僅與兩個毛孔的協調數有關，還與整個網絡的平均協調數有關。一個無與共生的比例（ax：ay：az） 然後被引入， 以解釋含氣頁岩的無間膠形成。為了準確表示不同同位素地層（如土壤、砂岩或頁岩）的滲透行為，將三個方向的同位素比率定義為每個方向的孔連接比率。對於不同的地層，使用不同的同向比來模擬不同的氣體流動行為。從四川東部龍馬溪地層採集的四個頁岩樣品在預測和測量滲透性方面得到了很好的一致，表明同位素模型比傳統的同位素孔網絡模型更具代表性，能夠代表頁岩地層中的孔隙連接。
參考文獻：
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).
