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页岩气作为一种有潜力的非常规资源,具有广阔的开发前景。但是页岩气渗流机理复杂,微纳米孔隙/缝结构复杂,快速而有效地评估页岩气渗透率一直是国内外学者和工程师们关注的焦点。近期,中国科学院力学研究所林缅研究团队根据岩样的扫描电镜(SEM)图像数据,获得了页岩典型矿物的分形特性,分别建立了准三维和三维混合分形渗流模型,提出了快速评估页岩气渗透率的新方法。

研究团队根据四川盆地下志留统龙马溪组页岩样品的SEM图像数据,分别针对页岩的三大类典型特征:有机质块体和有机孔、黄铁矿和其中的有机孔、无机孔和裂缝等,利用混合分形单元(IFU, intermingled fractal unit)法,提取各类渗流空间的分形特征,提出准三维的混合分形模型(IFM, intermingled fractal model)。该模型与真实岩样的累计孔径分布频谱一致,能够有效表征不同尺度下的页岩孔隙结构特征。利用该模型,研究团队对页岩气的渗透率进行了敏感性分析,并将渗透率计算结果与实验数据进行了比较验证。

之后,研究团队又提出了页岩三维混合分形模型(3D-IFM, 3D intermingled fractal model)。将孔隙连通性算法(PCC, pore connective calculation method)引入该模型,得到了不同种类孔隙之间的连通概率矩阵,与非达西渗流公式相结合,构建了新型跨尺度页岩渗透率评估方法。该方法能够快速准确地评估页岩表观渗透率。与传统方法相比,该方法涵盖信息多(有机纳米孔、无机孔、黄铁矿、微米裂缝)、计算速度快,便于工程应用,为快速评估页岩渗透率提出了一条新途径。

以上研究成果已相继发表于石油工程国际期刊SPE Journal(Li C,Lin M,Ji L,et al.Rapid evaluation of the permeability of organic-rich shale based on 3D intermingled fractal model[J].SPE Journal,2018,SPE-191358-PA.)和Energy & Fuels(Li C,Lin M,Ji L,et al.Investigation of Intermingled Fractal Model for Organic-Rich Shale[J].Energy & Fuels,2017,31(9).)上。研究工作得到了中科院先导B页岩气专项、国家自然科学基金和国家重点基础研究发展计划(“973”计划)等的支持。

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图1 三维混合分形模型建立流程(Li et al.,2018)

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图2 模型尺度和规模对样品表征的有效性验证(Li et al.,2018)

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图3 分形参数对表观渗透率的影响(Li et al.,2017)

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