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科研助力页岩油气采收率提高

科研助力页岩油气采收率提高

通过建立新的模型,科研人员能够准确计算天然气开采状况!

编译 | 惊蛰

通过更好地预测难以察觉的断裂力学,新的计算模型可以潜在地提高天然气生产效率和利润。 除此之外,新的计算模型还准确地计算了在开采过程中释放的气体量。

该模型由几所大学的多名教授共同推出,美国西北大学的Zdeněk Bažant教授说:“我们的模型比现有的行业模型和软件更加真实,结果也更加准确。这种模式可以帮助油气行业提高效率,降低成本,并提高盈利能力。”

尽管油气行业在快速发展,油气产量也在不断增长,但对开发商来说,大部分的压裂过程仍然是神秘的。 由于裂缝在地下深处,研究人员无法观察到页岩中气体释放的断裂机制,这在一定程度上限制了采收率的提高。

美国Los Alamos国家实验室的计算地球科学家Hari Viswanathan表示:“这项工作提供了更好的天然气开采预测能力,可以帮助开发商更好地控制生产,同时通过减少压裂液的使用来减少对环境的影响。该计算模型应该可以优化各种参数,如泵送速率和循环,压裂液性质的变化(如粘度等)。计算结果的提高会帮助开发商从深层页岩地层中提取更多的天然气,而目前天然气采收率仅约为5 %,很少超过15%,开采效率很低。”

通过考虑近期构造事件引起的早期裂缝封闭,并结合此前从未考虑过的渗水力数据,研究人员开发了一种新的数学和计算模型,显示了压裂过程中分支裂缝是如何形成的,能够提高底层中天然气的释放量。截至目前,该模型是第一个能够预测压裂裂缝分支的模型,同时其计算结果与实际开采中页岩释放的已知气体量一致。整体来看,新的模型可能会提高油气行业的开采效率。

该研究结果已经发表在1月11日的“美国国家科学院院刊”上,题为“页岩中封闭天然裂缝的水力裂缝分支:如何掌握渗透率”。

了解页岩裂缝的形成方式也可以改善封存管理,将来自油气开采的废水泵回地下。目前压裂是一种提取页岩中天然气的主要手段,通过在页岩层下钻一个洞(井筒),通常在地表下几公里,然后水平段延伸数英里。当含有添加剂的压裂液在高压下被泵入地层中时,页岩中就会产生纳米尺寸的裂缝,天然气从孔隙中释。

根据经典的断裂力学研究预测,那些从水平孔垂直延伸的裂缝应该没有分支,但这些裂缝本身并不能解释在此过程中释放的气体量。实际上,气体产生率比实验室中提取的页岩岩心测得的渗透率计算高约10000倍,这也证明当前计算模型亟需改进。

在此前的研究中,研究人员曾假设水力裂缝与页岩中预先存在的裂缝有关,使页岩渗透性更高。但是Bažant和他的同事发现,这些构造产生的裂缝大约有1亿年的历史,必然会被应力下页岩中的粘性流动所封闭。

在此基础上,Bažant和他的同事在相反方向展开了研究,假设页岩层沿着现存的封闭裂缝具有微弱的微裂纹层,并且这些裂缝分支也会促进主裂缝形成。与以前的研究不同,它们还考虑了水扩散到多孔页岩中时的渗透力。

当他们使用这种弱层的新概念开发模拟过程以及所有渗流力计算时,他们发现结果与现实中的结果相匹配。Bažant说:“我们第一次证明,裂缝可以横向分支,如果页岩不是多孔的,这是不可能的”。在确立了这些基本原则之后,研究人员希望能够在更大范围内对这一过程进

页岩中分支出高密集的水力裂缝对有效的油气开采是必不可少的。研究人员认为在压裂中地层会发生这种变化,但现有的数学模型和商业软件无法预测它。研究人员提出了一种预测分支何时发生的方法,以及如何控制它,将为页岩油气的开采提高最大助力。

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