1.一种描述页岩裂缝-孔隙流体自吸的方法,它包括以下步骤:
s1、假设有一直径为d,长度为l的理想圆柱体页岩岩样,且沿圆柱体长轴方向在端面中心发育一条缝宽w的贯穿平板裂缝,其中w<<d,岩样的一端面与自吸流体充分接触,使其在无外加流体压力的条件下发生流体自吸;当自吸时间为t时,该页岩岩样总流体自吸质量s(t)包括三个部分,接触端面自吸进入页岩基块孔隙的自吸流体质量sm(t)、自吸进入裂缝并储存于裂缝中的自吸流体质量sf(t)和进入裂缝并通过裂缝壁面再自吸进入基块孔隙的自吸流体质量sf-m(t),且满足如下关系:
s(t)=sm(t)+sf(t)+sf-m(t)(1)
式中s(t)—自吸时间为t时,测试页岩岩样总流体自吸质量,kg;
sm(t)—自吸时间为t时,由接触端面自吸进入页岩基块孔隙的自吸流体质量,kg;
sf(t)—自吸时间为t时,自吸进入裂缝并储存于裂缝中的自吸流体质量,kg;
sf-m(t)—自吸时间为t时,自吸进入裂缝并通过裂缝壁面再自吸进入基块孔隙的自吸流体质量,kg;
s2、假设页岩基块孔隙中的自吸流体前缘为均匀推进,当自吸时间为t时,由接触端面自吸进入页岩基块孔隙的自吸流体质量sm(t)表达为如下形式:
式中ρ—自吸流体密度,kg/m3;
a—自吸接触端面面积且a=πd2/4,m2;
ξ—流体自吸过程页岩基块孔隙中的自吸流体驱替系数,ξ介于在0~1之间,无因次;
hm(t)—自吸时间为t时,由接触端面自吸进入页岩基块的流体自吸深度,m;
s3、假设页岩裂缝中的自吸流体前缘同样呈均匀推进,当自吸时间为t时,由裂缝端面自吸进入并储存于页岩裂缝中的自吸流体质量sf(t)可以表达为如下形式:
sf(t)=ρdwhf(t)(3)
式中d—圆柱体页岩岩样的直径,m;
w—圆柱体页岩岩样中自吸裂缝缝宽,m;
hf(t)—自吸时间为t时,自吸流体在页岩裂缝中的自吸深度,m;
步骤s4、在流体自吸进入页岩裂缝的同时,自吸流体会通过裂缝壁面自吸进入基块孔隙,当自吸时间为t时,由裂缝壁面自吸进入基块孔隙的流体会形成自吸前缘推进剖面;把总自吸时间t均分为n等分,每等分的时间则为δt,由裂缝壁面自吸进入页岩基块的总的自吸流体质量可以表示为:
式中af-m(tfi)—自吸时间为t时第i时间等分所对应的由裂缝壁面向基块孔隙自吸的有效自吸接触面积,m2;
hf-m(tmi)—自吸时间为t时第i时间等分内自吸流体由裂缝壁面向基块孔隙的自吸深度,m;该值可以带入相关参数直接采用方程(11)进行计算;
s5、通过步骤s2-s4,分别计算得到接触端面自吸进入页岩基块孔隙的自吸流体质量sm(t)、自吸进入裂缝并储存于裂缝中的自吸流体质量sf(t)、进入裂缝并通过裂缝壁面再自吸进入基块孔隙的自吸流体质量sf-m(t),将步骤s2-s4得到的结果代入方程(1),得到页岩裂缝-孔隙总流体自吸量。
分析方程(4)可知,当n值趋于无穷大时,计算结果无限趋近于理论值,不过在实际室内实验和工程计算中当n取20时,计算结果已具有足够的精度,能够满足实验数据分析和工程计算需求。
2.根据权利要求1所述的一种描述页岩裂缝-孔隙流体自吸的方法,其特征在于:
所述步骤s2中,hm(t),其计算方法是:
基于毛管束模型,假设页岩基块孔隙均为半径为r的圆形毛细管;
自吸流体所受到的毛管力用经典的young-laplace方程进行描述:
式中pc—自吸流体所收到的毛管压力,pa;
r—页岩基块孔隙半径,m;
θ—自吸流体对页岩的润湿润湿角,°;
γ—自吸流体在实验测试条件下的界面张力,n/m;
当自吸流体为不可压缩牛顿流体,且自吸流动为充分发展的hagen-poiseuille流动时,流体在孔隙中所受到的粘滞阻力表示为:
fvisco=8hπμv(6)
式中fvisco—自吸流体在自吸过程中所受到的流动通道的粘滞阻力,n;
h—自吸流体自吸深度,m;
μ—自吸流体粘度,pa·s;
v—自吸流体的自吸瞬时流动速率,m/s;
对于页岩基块孔隙中的流体自吸,根据动量定理,得如下描述方程:
式中pπ—自吸流体所受到的页岩黏土矿物渗透压,pa;
m—自吸流体流体单元体质量,kg;
结合方程(5)~(7),可得如下方程:
由于实际页岩基块孔隙有较多曲折,且孔隙截面并非理想圆形,不同于毛管束模型的假设,因而,方程(8)引入孔隙形状因子和迂曲度两个参数进行修正:
式中δ—页岩基块孔隙形状因子,无因次;
τ—页岩基块孔隙迂曲度,无因次;
页岩基块纳米级孔隙中自吸流体分子的边界滑移长度与流体-壁面相互作用强度和润湿性的显著影响采用如下半经验公式进行计算:
式中lslip—页岩基块纳米孔隙中自吸流体的真实滑移长度,m;
c—页岩孔隙壁面与自吸流体分子间的相互作用常数,通常可以结合页岩矿物组成和自吸流体类型,采用分子动力学模拟得到,对于页岩-水分子体系,其值为3.2nm;
考虑页岩纳米级孔隙中的自吸流体边界滑移,方程(9)可以进一步修正为:
以此得到hm(t)的计算结果。
3.根据权利要求2所述的一种描述页岩裂缝-孔隙流体自吸的方法,其特征在于:
所述步骤s3中,hf(t)的计算方法步骤如下:
由于裂缝缝宽较大,缝内流体重力的相对比重上升,因而,对于裂缝中的流体自吸,根据动量定理,得到如下方程:
式中fgrav—裂缝中自吸流体的自身重力,n;
结合方程(5)、(6)和(12)得到裂缝中自吸流体深度的显性解:
式中w(α)—lambertw函数;
g—重力加速度,9.8m/s2。
4.根据权利要求3所述的一种描述页岩裂缝-孔隙流体自吸的方法,其特征在于:
所述步骤s4中,af-m(tfi)的计算方法步骤如下:
自吸时间为t时第i时间等分所对应的由裂缝壁面向基块孔隙自吸的有效自吸接触面积af-m(tfi)可以表示tfi与tfi-1时刻所对应裂缝中自吸流体前缘位置的差值:
af-m(tfi)=d[hf(tfi)-hf(tfi-1)](14)
式中hf(tfi)的根据方程(13)进行计算。
5.根据权利要求1所述的一种描述页岩裂缝-孔隙流体自吸的方法,其特征在于:
分析方程(4)可知,当n值趋于无穷大时,计算结果无限趋近于理论值,在实际室内实验和工程计算中,当n取20时,计算结果已具有足够的精度,因此取值为n=20。