بررسی تجربی اثر همراه تنش موثر و لغزش گاز بر نفوذپذیری شیل

نفوذپذیری یکی از مهمترین پارامترها برای ارزیابی تولید گاز در مخازن شیل است. از آنجایی که نفوذپذیری شیل بسیار کم است، اغلب از گاز در آزمایشگاه برای اندازه گیری نفوذپذیری استفاده می شود. با این حال، نفوذپذیری ظاهری گاز اندازه گیری شده به دلیل اثر لغزش گاز، که می تواند برای مواد دارای نانوحفره ها حتی غالب تر باشد، بالاتر از نفوذپذیری ذاتی است. افزایش فشار گاز در طول آزمایش، اثر لغزش گاز را کاهش می دهد، اما تنش موثر را نیز کاهش می دهد که به نوبه خود بر نفوذپذیری تأثیر می گذارد. اثر همراه لغزش گاز و تنش مؤثر بر نفوذپذیری شیل نامشخص است. در اینجا ما آزمایش های آزمایشگاهی را بر روی نمونه های شیل Longmaxi انجام می دهیم تا اثر جفت شده را کشف کنیم. ما از روش گذرا فشار برای اندازه گیری نفوذپذیری در شرایط تنش و فشار مختلف استفاده می کنیم. نتایج ما نشان می دهد که نفوذپذیری اندازه گیری شده ظاهری توسط این دو اثر رقیب کنترل می شود. با افزایش فشار گاز، آستانه فشاری وجود دارد که در آن اثر غالب بر نفوذپذیری از لغزش گاز به تنش مؤثر تغییر می کند. بر اساس مدل کلینکنبرگ، ما یک مدل مفهومی جدید پیشنهاد می کنیم که هر دو اثر رقابتی را در بر می گیرد. با ترکیب تجزیه و تحلیل ریزساختار، ما بیشتر نقش تنش، فشار گاز و محتوای آب را بر نفوذپذیری گاز شیل مورد بحث قرار می دهیم.

معرفی

With recent development of novel technologies, unconventional gas extraction has made great success in the North America. Shale gas has been considered as an attractive low-carbon solution for the transition period to a future power by renewable energy 1 . As an important supplement to conventional energy resources, shale gas has obtained an increasing attention in the past years. Due to its extremely low permeability, shale gas is still difficult to be recovered, particularly in deep formations. For example, the average burial depth of shale gas in the US is about 800 2000 m, while the average depth in China is over 3500 m where the stress is significantly high (>50 MPa) 2. به منظور ارزیابی بهتر تولید گاز شیل ، نفوذپذیری دقیق شیل در شرایط استرس درجا مورد نیاز است. از آنجا که میانگین منافذ شیل اغلب در نانوذرات قرار دارد ، نفوذپذیری شیل به طور قابل توجهی کم است ، به طور معمول کمتر از 10 - 19 متر متر 2 ، که اندازه گیری آن در آزمایشگاه دشوار است. گازهای بی اثر مانند هلیوم ، آزوته ، نیتروژن اغلب برای اندازه گیری نفوذپذیری کم استفاده می شوند. گاز می تواند زمان آزمایش را کوتاه کند و همچنین می تواند از واکنش هیدراتاسیون شیل با محتوای بالای مواد معدنی رس که به آب حساس هستند جلوگیری کند. با این حال ، اثر لغزش گاز می تواند در نانوذرات بسیار زیاد باشد و بنابراین می تواند بر اندازه گیری نفوذپذیری گاز تأثیر بگذارد. تحقیقات بی شماری برای مطالعه پدیده لغزش گاز انجام شده است که در ابتدا در دهه 1940 3،4،5،6،7،8 ذکر شد. با توجه به لغزش گاز ، سرعت جریان حالت پایدار از طریق مویرگهای کوچک بیشتر است که منجر به برآورد بیش از حد نفوذپذیری می شود. برای برآورد اثر لغزش گاز بر روی نفوذپذیری ، کلینکنبرگ یک معادله تجربی را که به عنوان نوشته شده است پیشنهاد داد

جایی که k_آنفوذپذیری ظاهری ، k است_{در نظر گرفتن}نفوذپذیری ذاتی است ، P_مگسفشار متوسط گاز در منافذ است و B شیب خط مستقیم کلینکنبرگ مربوط به میانگین مسیر آزاد مولکول های گاز است. بسیاری از محققان این پدیده را از دینامیک جریان گازها در کانال های میکرو با تعداد زیاد گره (k) بررسی کرده اند._حرف) ، به عنوان نسبت میانگین مسیر مولکولی به طول مشخصه مسیر جریان 9،10 تعریف شده است. از روش هایی مانند شبیه سازی مستقیم روش مونت کارلو و روش شبکه Boltzmann برای برآورد اثر لغزش گاز 3 استفاده شده است. چند مدل جدید گسترش یافته برای تصحیح معادله کلینکلنبرگ 4،6 پیشنهاد شده است. در آزمایشات آزمایشی ، اثر کلینکنبرگ اغلب با استفاده از فشارهای مختلف گاز برای اندازه گیری نفوذپذیری 11 مشخص می شود. فشار زیاد گاز اغلب برای کاهش اثر لغزش گاز اعمال می شود زیرا فشار بالای گاز می تواند منجر به میانگین مسیر آزاد مولکول های گاز شود و در نتیجه اثر کلینکلنبرگ را به حداقل برساند. با این حال ، فشار گاز بالا همچنین استرس مؤثر را کاهش می دهد و در نتیجه نفوذپذیری را افزایش می دهد. وابستگی نفوذپذیری به استرس در آزمایشگاه به خوبی مشاهده شده است. دونگ و همکاران. در سال 2010 دریافت که نفوذپذیری شیل نسبت به استرس محصور مؤثر نسبت به ماسه سنگ 12 حساس تر است. بر اساس داده های تجربی متعدد ، نفوذپذیری وابسته به استرس را می توان با یک رابطه نمایی 13،14 یا قانون قدرت 15،16،17،18 توصیف کرد. کاتسوکی و همکاران. در سال 2013 در مورد اثرات poroelastic بر نفوذپذیری وابسته به استرس از یک شیل سفت و سخت بحث کرد و دریافت که فشار منافذ باعث تغییر نفوذپذیری گاز شیل به طور قابل توجهی 19 شد. با این حال ، تا به امروز فقط چند مطالعه وجود داشته است که هدف آن درک اثر همراه لغزش گاز و اصل استرس مؤثر بر نفوذپذیری شیل است. در این مقاله یک تحقیق تجربی در مورد این موضوع ارائه شده و در مورد عوامل مختلفی که بر نفوذپذیری گاز شیل تأثیر دارد ، بحث خواهد کرد.

مواد و روش ها

روش گذرا و تنظیم آزمایشی

روش گذرا فشار یا به عنوان پوسیدگی پالس فشار 13،20،21 اغلب برای اندازه گیری موثر نفوذپذیری کم سنگهای تنگ استفاده می شود (و همکاران 13. این شامل نمونه ای است که با دو مخزن مرتبط است که دارای فشار اولیه تعادل P هستند₀در کل سیستمفشار افزایشی ΔP0 به طور ناگهانی به یکی از دو مخزن تحمیل می شود و تکامل فشار در دو مخزن با گذشت زمان همانطور که در شکل 1a نشان داده شده است ثبت می شود. با تجزیه و تحلیل تغییر فشارهای گازی ، نفوذپذیری را می توان با استفاده از روش تهیه شده توسط بریس 13،21 یا روش تجزیه و تحلیل پشت 20 تعیین کرد.

تصویر روش گذرا فشار برای اندازه گیری نفوذپذیری گاز (الف) اصل روش.(ب) تنظیم آزمایشی).

بر اساس اصل روش گذرا فشار ، مجموعه ای خاص از اندازه گیری نفوذپذیری گاز در انستیتوی مکانیک سنگ و خاک ووهان ، CAS طراحی و توسعه یافته است. در این سیستم ، یک نگهدارنده هسته سه محوره ، قادر به پذیرش نمونه های استوانه ای غشایی غشایی (قطر 2. 5 سانتی متر) و استفاده از بارگذاری مستقل در جهت های شعاعی و محوری ، به دو مخزن گاز وصل می شود. به منظور کوتاه کردن زمان آزمایش ، مخازن کوچک طراحی شده اند و حجم مخزن بالادست در حدود 8. 2 سانتی متر 3 و حجم مخزن پایین دست در حدود 6. 6 سانتی متر 3 است. استرس محوری و محصور (شعاعی) تا 56 مگاپاسکال به طور مستقل با استفاده از دو پمپ ISCO 260D با شاهد تا 0. 007 MPa پوند استفاده می شود. فشار گاز توسط پمپ ISCO 500D کنترل می شود. مبدل های مختلف (مبدل های دما ، فشار و جابجایی) به یک رایانه متصل می شوند تا به طور خودکار داده های تجربی را ضبط کنند. تمام قسمت های این دستگاه در یک کابینت کنترل شده دما قرار دارند که در آن می توان درجه حرارت را با انحراف 0. 1 درجه سانتیگراد ثابت نگه داشت. کل سیستم در شکل 1b نشان داده شده است. آزمایشات روی نمونه های آلومینیومی برای کالیبراسیون سیستم و بررسی نشت احتمالی انجام شده است و دقت نفوذپذیری گاز سیستم تا 10 - 23 متر 2 است.

شرح نمونه

در این مطالعه ، نمونه های شیل از سازند شیل Longmaxi Longmaxi پایین (LM) واقع در Qianjiang ، جنوب شرقی Chongqing بازیابی شد. سازند شیل Longmaxi از شیل خاکستری تیره تا سیاه ، شیل کربن ، شیل کربن ، شیل سیلیسی ، شیل سیلتی و سیلتستون آرگیل 24 تشکیل شده است. محتوای ارگانیک شیل از 0. 5 ٪ بزرگتر است ، با میانگین TOC 2. 54 ٪. شیل های LM عمدتاً از خاک رس ، کوارتز و کلسیت تشکیل شده اند ، در حالی که در کنتراست پیریت و فلدسپار جزئی هستند. چگالی دانه نمونه شیل در حدود 2. 72 گرم در سانتی متر 3 و تخلخل کل 0. 25-3. 25 ٪ و میزان آب اولیه کمتر از 4 ٪ است. دو نمونه استوانه ای با قطر 25. 0 میلی متر و طول 40. 4 میلی متر از همان بلوک شیل LM حفر شد و آنها آسیب دیده بودند و سرعت موج طولی اندازه گیری شده (VP) در حالت اولیه تقریباً یکسان بود (2267 متر بر ثانیه براینمونه شماره 1 و 2254 متر بر ثانیه برای نمونه شماره 2). چگالی خشک نمونه 2. 32 گرم در سانتی متر 3 و تخلخل متصل شده توسط Autopore IV9510 2. 50 ٪ است. توزیع اندازه منافذ شیل LM با روش پوروسیمتری نفوذ جیوه (MIP) (شکل 2A) و با روش جذب گاز (شکل 2B) مشخص شده است. نتایج نشان می دهد که اندازه منافذ شیل LM پیچیده است و دامنه آن از چندین نانومتر تا صد نانومتر و متوسط اندازه منافذ 3. 0 نانومتر است.

توزیع اندازه منافذ شیل Longmaxi با استفاده از (الف) روش MIP و (ب) روش جذب گاز.

روش تجربی

به منظور ارزیابی اثر همراه استرس مؤثر و لغزش گاز بر نفوذپذیری گاز شیل ، مجموعه ای از آزمایشات نفوذپذیری گاز بر روی نمونه های شیل در معرض فشارهای مختلف و فشارهای گاز انجام شده است. نمونه شماره 1 در حالت اشباع نشده و میزان آب 1. 24 ٪ بود که در پایان آزمایش با خشک کردن آن در دمای 105 درجه سانتیگراد به مدت 24 ساعت اندازه گیری شد. قبل از آزمایش ، نمونه شماره 2 با محتوای اولیه آب 1. 50 ٪ خشک شد. برای برآورد تأثیر استرس مؤثر بر نفوذپذیری گاز ، چرخه بارگذاری و تخلیه بر روی نمونه شماره 1 با استرس محصور ثابت در 15 MPa انجام می شود. مسیر استرس محوری کاربردی به شرح زیر است: 15 MPa → 30 MPa → 45 MPa → 50 MPa → 55 MPa → 45 MPa → 30 MPa → 15 MPa. حداکثر استرس انحرافی در حدود 40 مگاپاسکال است که تحت آن می تواند در نمونه های شیل آسیب کمی ایجاد کند. در سطح استرس مختلف ، فشار اولیه گاز در 3 مگاپاسکال حفظ شد و فشار گاز افزایشی برای پالس فشار بین 0. 2-0. 4 MPa برای اندازه گیری نفوذپذیری گاز متفاوت بود. در پایان تخلیه مکانیکی ، استرس هیدرواستاتیک 16 مگاپاسکال بر روی نمونه شماره 1 اعمال شد و یک سری از اندازه گیری نفوذپذیری گاز با فشار گازهای مختلف (1 مگاپاسکال ، 2 مگاپاسکال ، 3 مگاپاسکال ، 4 مگاپاسکال) انجام شد. اثر لغزش گاز را مطالعه کنید. سه سطح استرس هیدرواستاتیک (12 مگاپاسکال ، 14 مگاپاسکال ، 16 مگاپاسکال) بر روی نمونه خشک شماره 2 اعمال شد و در این شرایط استرس ، فشارهای مختلف گاز برای اندازه گیری نفوذپذیری گاز نمونه انتخاب شد. تاریخ بارگذاری مکانیکی و فشار گاز انجام شده بر روی نمونه ها (شماره 1 و شماره 2) به ترتیب در شکل 3A و B نشان داده شده است. سرانجام ، 14 آزمایش پالس برای نمونه شماره 1 و 8 پالس برای نمونه شماره 2 انجام شده است و آنها در شکل 3 نشان داده شده است. مدت زمان آزمایش حدود 60 روز به طول انجامیده است. در این مطالعه ، نیتروژن برای اندازه گیری نفوذپذیری گاز انتخاب شد و دمای کل سیستم در دمای 30 درجه سانتیگراد نگهداری شد.

مسیر بارگذاری مکانیکی و تکامل فشار گاز در طول آزمایشات نفوذپذیری گاز (الف) نمونه مرطوب شماره 1 ، (ب) نمونه خشک شماره 2).

نتایج

تعیین نفوذپذیری گاز ظاهری

نفوذپذیری گاز ظاهری k_آابتدا با استفاده از معادله بریس 13،25 ، ارزیابی شد.

جایی که v_upو v_پایین(M 3) حجم موجود در مخزن بالادست و مخزن پایین دست است. پ_upفشار گاز در مخزن بالادست (PA) و P است_fفشار تعادل نهایی سیستم (PA) است. η (pa. s) ویسکوزیته نیتروژن در دمای 30 درجه سانتیگراد و فشار میانگین منافذ است. β ضریب تراکم ایزوترمال مایع منافذ (P A-1) است و وابسته به فشار گاز است. α نماینده پوسیدگی است. L و S طول و سطح مقطعی نمونه است و T زمان آزمایش (های) است.

فرمول بریس با فرض اینکه قانون دارسی معتبر است و بنزین گاز ایده آل است ، بدست آمد. حجم سیال در منافذ نمونه سنگ نادیده گرفته می شود. با این حال ، این یک خطای بزرگ برای سنگ تنگ با تخلخل بسیار کم (به عنوان مثال ، گرانیت ، شیل) ایجاد نمی کند. برای برآورد خطا ، یک سری از نفوذپذیری ، با تغییر مقدار تعیین شده از فرمول (2) با افزایش چند 10 - 22 متر 2 ، برای محاسبه فشار نظری در مخازن بالادست و پایین دست به دنبال روش بریس انتخاب شد. به شرح زیر.

نتایج عددی سپس با نتایج تجربی مقایسه شد (به عنوان مثال ، شکل 4A و B). این دو شکل نشان دهنده تکامل فشار گاز در مخازن بالادست و پایین دست در تست های پالس نمونه شماره 1 (مرحله 3 مرحله) و شماره 2 (مرحله چهارم) است. نتایج نشان می دهد که نتایج عددی به خوبی در برابر نتایج آزمایشی با k مناسب مطابقت دارد_آ.

داده های تجربی و عددی تحولات فشار گاز در مخازن بالادست و پایین دست در طی آزمایش های گذرا فشار برای تعیین نفوذپذیری گاز (الف) مرحله دوم نمونه مرطوب ، k_a= 4. 3 × 10 - 21 متر 2 ، (ب) 8 نمونه از نمونه خشک ، k_a= 39. 5 × 10 - 21 متر 2).

نفوذپذیری گاز ظاهری k_آو نفوذپذیری بنزین که مستقیماً از فرمول بریس نمونه های شیل در مراحل مختلف تعیین می شود در جدول 1 و 2 ذکر شده است. جدول 1 تکامل نفوذپذیری گاز k را نشان می دهد_آاز نمونه شماره 1 در مراحل مختلف ، و در جدول 2 نفوذپذیری اندازه گیری شده برای نمونه شماره 2 ذکر شده است. نتایج نشان می دهد که تفاوت بین نفوذپذیری تعیین شده از فرمول (a) و مناسب به دست آمده در طول مقایسه عددی کمتر از 5 ٪ است. همانطور که نمونه های شیل دارای تخلخل بسیار کمی هستند (<2%), we believe that the Brace method is reliable in determining gas permeability in this work.

جدول 2 نفوذپذیری ظاهری نمونه شیل شماره 2 تحت استرس هیدرواستاتیک ثابت برای فشارهای مختلف گاز.

نفوذپذیری در مقابل استرس انحرافی با همان فشار گاز

همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است ، نفوذپذیری گاز ظاهری در طی فرآیند بارگذاری کاهش می یابد و در طی فرآیند تخلیه افزایش می یابد ، اما نفوذپذیری کاملاً قابل بازیابی نیست. کاهش نفوذپذیری را می توان با فشرده سازی شیل به دلیل افزایش استرس که باعث کاهش تخلخل مؤثر می شود ، توضیح داد. در مرحله اول بارگذاری ، که در طی آن ، استرس انحرافی به 15 مگاپاسکال افزایش می یابد ، تغییر نفوذپذیری (از 10 × 10 - 21 متر 2 تا 10 × 10 - 21 متر 2) در مقایسه با سایر مراحل که در طی آن تغییر کمتر است ، بسیار بزرگتر استبیش از 1 × 10 - 21 متر 2. این می تواند به این دلیل باشد که مرحله اول بارگذاری هیدرواستاتیک است در حالی که مراحل زیر همه بارگذاری انحرافی است. تغییر نفوذپذیری با تکامل تغییر شکل نمونه سازگار است. کرنش محوری به دست آمده در طول بارگذاری هیدرواستاتیک بزرگتر از آن است که در طول بارگذاری انحرافی برای همان اندازه تنوع تنش ها وجود دارد. کاهش نفوذپذیری با فشرده سازی نمونه در هنگام بارگذاری مکانیکی سازگار است. اعتقاد بر این است که از دست دادن نفوذپذیری برگشت ناپذیر مربوط به سویه برگشت ناپذیر است که در انتهای چرخه بارگذاری و تخلیه در جهت محوری 0. 18 ٪ است.

نفوذپذیری در مقابل فشار گاز تحت استرس هیدرواستاتیک ثابت

نتایج در جدول 1 و 2 نشان می دهد که نفوذپذیری اندازه گیری نمونه ها (شماره 1 و شماره 2) با افزایش فشار گاز تحت فشارهای مختلف هیدرواستاتیک ثابت کاهش می یابد (شکل 5) زیر یک فشار خاص. این کاهش نفوذپذیری اغلب با تأثیر لغزش گاز که با افزایش فشار گاز تضعیف می شود ، توضیح داده می شود. نمونه شماره 2 در پی در معرض استرس ایزوستاتیک 16 مگاپاسکال ، 12 مگاپاسکال ، 14 مگاپاسکال قرار گرفت. برای همان سطح فشار گاز (حدود 1 مگاپاسکال) ، نفوذپذیری در ایزوستاتیک 14 مگاپاسکال از 12 مگاپاسکال کوچکتر است. این باید به وابستگی نفوذپذیری به استرس همانطور که در بالا ارائه شده است مربوط باشد. استرس بالاتر باعث فشرده سازی زیادی از شیل می شود و بنابراین تخلخل مؤثر را کاهش می دهد و منجر به کاهش نفوذپذیری می شود. نفوذپذیری نمونه شماره 2 بسیار بزرگتر از نمونه شماره 1 در شرایط مشابه است ، که می تواند با نقش اشباع آب در نفوذپذیری گاز توضیح داده شود.

نفوذپذیری در مقابل فشار گاز در استرس ایزوتروپیک مختلف (A) نمونه مرطوب شماره 1 ، (ب) نمونه خشک شماره 2).

بحث

نتایج تجربی ما نشان می دهد که نفوذپذیری ظاهری اندازه گیری شده تحت تأثیر تنش محدود و اثر لغزش گاز قرار می گیرد. اصل تنش موثر ترزاقی به طور گسترده ای برای مشخص کردن تأثیر فشار منافذ بر روی مواد استفاده می شود. تنش مؤثر Biot را می توان با تانسور تنش کوشی، p فشار منفذی و b ضریب Biot تعریف کرد. در پورومکانیک الاستیک خطی 26،27، با b' = 1 - K/K محاسبه می شود._s، که در آن K_sمدول فله دانه جامد است و k مدول فله ای الاستیک ظاهری در شرایط تخلیه شده است. برای مواد نرم مانند ماسه و خاک ، k ks ، و سپس استرس مؤثر Terzaghi از زمان B '= 1. بازیابی می شود. 28 ضریب بیوت Cox Shale را شناسایی کرد و مقدار متوسط برابر با 0. 52 را بدست آورد. هومند و همکاران. هنگامی که استرس محوری از 8 به 24 مگاپاسکال 20 افزایش یافته است ، ضریب Biot از 0. 95 به 0. 55 کاهش یافته است. کاریو و همکاران. 29 ضریب Biot از شیل COX تا حدی اشباع شده را مشخص کرده و ضریب Biot ظاهری را به عنوان 1 مشخص می کند. در این مطالعه ، ضریب Biot با تجزیه و تحلیل تفاوت در فشار محوری ناشی از محدود کردن استرس و با فشار گاز ارزیابی می شود. برای نمونه مرطوب شماره 1 ، هنگامی که تنش هیدرواستاتیک به 15 مگاپاسکال افزایش می یابد ، فشار محوری به 0. 49 ٪ افزایش می یابد. با افزایش فشار گاز به 2. 9 مگاپاسکال ، تقریباً 017 ٪ است. برای نمونه خشک No. 2 ، تغییر کرنش محوری حدود 0. 009 ٪ در MPa در طول افزایش فشار گاز و 0. 024 ٪ در MPa در دوره بارگذاری استرس هیدرواستاتیک است. سهم متفاوت استرس هیدرواستاتیک و فشار گاز بر روی فشار محوری نشان می دهد که ضریب Biot از شیل LM کمتر از 1. این اندازه گیری جابجایی است. افزایش استرس مؤثر ، که با محدود کردن استرس و فشار گاز کنترل می شود ، حجم منافذ را جمع می کند و منجر به کاهش نفوذپذیری می شود. نفوذپذیری از 10 44 44 44 متر 2 به 39. 5 × 10 - 21 متر 2 در زمان افزایش استرس هیدرواستاتیک از 12 مگاپاسکال به 14 مگاپاسکال کاهش می یابد. تحت همان استرس هیدرواستاتیک ، افزایش فشار گاز منافذ را گسترش داده و منجر به افزایش نفوذپذیری می شود که این اثر برعکس در مقایسه با تأثیر لغزش گاز است. رابطه بین نفوذپذیری و فشار گاز غیرخطی است (شکل 5) و فرمول تجربی Klinkenberg نمی تواند به طور مستقیم برای توصیف نفوذپذیری ذاتی شیل Longmaxi مورد استفاده در این کار استفاده شود. ما این مطلب را برای سایر مواد معقول برای تغییر فشار منافذ نیز حفظ می کنیم. بنابراین ، تأثیر استرس مؤثر بر نفوذپذیری را نمی توان نادیده گرفت و پیشنهاد می شود که مدل کلینکلنبرگ را گسترش دهد.

افزایش فشار گاز باعث کاهش تنش موثر و همچنین کوتاه شدن میانگین مسیر آزاد مولکول های گاز و در نتیجه محدود شدن اثر پدیده لغزش گاز می شود. میانگین مسیر آزاد گاز به این صورت تعریف می شود

جایی که k_بثابت بولتزمن است (K_ب= 1. 3805 × 10-23 J/K)، δ قطر برخورد مولکول گاز (برای نیتروژن، )، T دما (K) و P فشار (Pa) است. وقتی فشار گاز 1 مگاپاسکال است و با افزایش فشار گاز به 4 مگاپاسکال، 1. 92 نانومتر می شود. میانگین مسیر آزاد گاز با اندازه متوسط منافذ شیل لانگ ماکسی قابل مقایسه است. همانطور که در بخش توضیحات نمونه ارائه شد، متوسط اندازه منافذ شیل LM حدود 3. 0 نانومتر است. نسبت میانگین مسیر آزاد گاز (λ) به متوسط قطر منافذ ماده (d) عدد نادسن نامیده می شود. عدد نادسن متفاوت به معنی رژیم های مختلف جریان گاز در ماده 3 است: جریان پیوسته برای K_حرف <0.001, slip flow (0.001 حرف <0.1); transition flow (0.1 حرف <10) and free-molecule flow ( K _حرف>10). همانطور که در منحنی MIP نشان داده شده است (شکل 2)، توزیع اندازه منافذ شیل Longmaxi گسترده است، بنابراین انواع مختلفی از جریان ممکن است در شیل Longmaxi رخ دهد، مشابه آنچه توسط Dadmohammadi و همکاران مشاهده شده است. 22, 23 . با کوچکتر شدن منافذ، پدیده لغزش گاز قابل توجه تر خواهد بود و قانون دارسی نامعتبر خواهد بود. این پدیده اغلب با معادله کلینکنبرگ (معادل 1) ارزیابی می شود. این معادله یک رابطه خطی بین نفوذپذیری ظاهری و معکوس فشار متوسط (1 / p_m). با این حال، نتایج تجربی ما (شکل 5) را نمی توان با معادله خطی کلینکنبرگ توضیح داد. با افزایش فشار گاز، آستانه فشاری را نیز مشاهده می کنیم که در آن اثر غالب بر نفوذپذیری خالص از لغزش گاز به تنش مؤثر تغییر می کند.

بر اساس کار کلینکنبرگ، اشرفی و همکاران. یک معادله بسط یافته جدید 4 پیشنهاد کرد،

این مدل یک وابستگی درجه دوم بین نفوذپذیری گاز ظاهری و میانگین فشار را توصیف می کند. ثابت ، A و B به خصوصیات سیال و هندسه منافذ وابسته است ، B شبیه به ثابت Klinkenberg است و A اثر لغزش با توزیع سرعت غیر ثابت است و می تواند نمایانگر یک فاکتور لغزش پویا یا ثانویه باشد. این معادله جدید می تواند رابطه غیرخطی بین نفوذپذیری ظاهری و 1/p را توصیف کند. با این حال ، این معادله نمی تواند تکامل نفوذپذیری ظاهری را کاملاً توضیح دهد. از داده های به دست آمده در این کار برای متناسب با مدل های کلینکنبرگ و اشرفی استفاده شده است و نتایج در شکل 5 نشان داده شده است که نشان می دهد تغییر نفوذپذیری با پیش بینی های نظری از مدل کلینکنبرگ و مدل اشرفی متفاوت است. به طور خاص ، هنگامی که فشار گاز به یک آستانه خاص افزایش می یابد ، نفوذپذیری خالص دوباره افزایش می یابد و این بر اساس اصل استرس مؤثر است. علاوه بر این ، هر دو معادله Klinkenberg و مدل Ashrafi فکر می کنند که اندازه منافذ ثابت است در حالی که فشار گاز افزایش می یابد. مطمئناً این مورد در مورد ژئوم ماده در معرض بارگذاری مکانیکی نیست. بنابراین ، برای به دست آوردن تخمین دقیق از نفوذپذیری ، باید اثر همراه استرس مؤثر و لغزش گاز را در نظر گرفت.

رابطه نمایی 30 اغلب برای بیان وابستگی نفوذپذیری به استرس مؤثر استفاده می شود و به شرح زیر اتخاذ می شود

جایی که k نفوذپذیری مواد در معرض تغییر استرس مؤثر (M 2) ، k است₀نفوذپذیری اولیه مواد (M 2) ، γ یک خاصیت مادی است (P A-1) ، تغییر استرس مؤثر است. این مدل می تواند نشان دهنده افزایش نفوذپذیری به دلیل کاهش استرس مؤثر باشد. برای گسترش مدل Klinkenberg برای ترکیب هر دو لغزش گاز و اثرات استرس مؤثر ، ما یک مدل مفهومی جدید را بیان می کنیم که به عنوان ،

این مدل قادر به تکرار اثر همراه و رقابتی هر دو اثر لغزش گاز و اثر استرس مؤثر است. این امر به تأثیر غالب بر نفوذپذیری خالص اجازه می دهد تا هنگام افزایش فشار گاز ، از لغزش گاز به استرس مؤثر تغییر یابد. آزمایش های بیشتری در فعالیت های تحقیقاتی آینده ما برای شناسایی این پارامترها و محدودیت های بهتر این مدل مفهومی انجام خواهد شد.

نفوذپذیری گاز اندازه گیری شده نمونه مرطوب شماره 1 کمتر از نمونه خشک شماره 2 است. با توجه به اینکه تخلخل شیل LM 2. 5 درصد و محتوای آب 1. 46 درصد است، درجه اشباع آب نمونه شماره 1 83 درصد برآورد شده است. وابستگی نفوذپذیری گاز به محتوای آب در گذشته در شیل Cox 25 مشاهده شده است. نتایج تجربی یانگ و همکاران. 25 نشان می دهد که یک رابطه شبه خطی بین log (K_آ) و اشباع. نتایج به دست آمده در این کار تأیید می کند که نفوذپذیری شیل به شدت به محتوای آب بستگی دارد و باید در طراحی تولید گاز مورد توجه قرار گیرد، زیرا گاز و آب اغلب به صورت همزمان در سازندهای شیل وجود دارند. مشخص کردن بیشتر نفوذپذیری گاز شیل غیراشباع در آینده ضروری است، اگرچه کنترل اشباع نمونه در آزمایشگاه چالش برانگیز است زیرا تخلخل شیل لانگ ماکسی (2. 50٪) بسیار کمتر از شیل کاکس است.(18%).

در این مطالعه از نیتروژن برای اندازه گیری نفوذپذیری گاز استفاده می شود و این گاز کمی جذب کننده است که می تواند باعث تورم شیل شود. ناتال و همکارانجذب شیل های سیاه دونین را مطالعه کرد و CO را پیدا کرد₂ظرفیت جذب تقریباً 5 برابر بیشتر از CH دارند₄31 . باتیستوتا و همکاران32 و وانگ و همکاران. 17 اثر جذبی گازهای مختلف (CO₂، CH₄و N₂) روی زغال سنگ خشک و دریافت که CO₂جذب در زغال سنگ باعث ایجاد اثر تورم بزرگتر در ماتریس زغال سنگ نسبت به CH می شود₄و N₂. وو و ژانگ 33 دریافتند که تورم ماتریس باعث کاهش نفوذپذیری گاز می شود. در این مطالعه، اثر جذب بر نفوذپذیری با آزمایش های مکرر نفوذپذیری گاز تحت شرایط مشابه در مراحل مختلف که در شکل های 3a, b و جداول 1, 2 نشان داده شده است بررسی شد و نتایج نشان می دهد که نفوذپذیری حتی با وجود آزمایش های گاز تغییر نمی کند. دو هفته طول کشیده است. دلیل آن می تواند به این دلیل باشد که N₂ظرفیت جذب نسبتا ضعیفی دارد. بنابراین، تورم شیل ناشی از جذب گاز را می توان برای مشخص کردن نفوذپذیری گاز در این مطالعه نادیده گرفت.

اطلاعات تکمیلی

نحوه استناد به این مقاله: Yang, D. et al. بررسی تجربی اثر همراه تنش موثر و لغزش گاز بر نفوذپذیری شیل. علمیRep. 7 , 44696; doi: 10. 1038/srep44696 (2017).

یادداشت ناشر: Springer Nature با توجه به ادعاهای قضایی در نقشه های منتشر شده و وابستگی های سازمانی بی طرف باقی می ماند.

منابع

Gensterblum ، Y. et al. ظرفیت ذخیره سازی گاز و حمل و نقل در مخازن گاز شیل - یک بررسی. قسمت A: فرآیندهای حمل و نقل. J. Uncon. گاز نفت12 ، 87 122 (2015).

Li ، Y. B. ، Li ، Y. ، Wang ، B. Q. ، Chen ، Z. E. & Nie ، D. بررسی وضع موجود و سیاست های پیشنهادی برای توسعه گاز شیل در چین. تجدیدپایدارانرژیRev. 59 ، 420-428 (2016).

Arabjamaloei ، R. & Ruth ، D. W. Lattice Boltzmann مبتنی بر شبیه سازی رژیم های جریان گاز در رسانه های متخلخل نفوذپذیری کم: منطقه Klinkenberg و فراتر از آن. J. Nat. SCI GAS. مهندس31 ، 405-416 (2016).

Ashrafi-Moghadam ، A. & Chalatuyk ، R. گسترش معادله لغزش Klinkenberg به رسانه های متخلخل نفوذپذیری کم. int. ج. زغال سنگ ژئول. 123 ، 2-9 (2014).

Darabi ، H. ، Ettehad ، A. ، Javadpour ، F. & Sepehoori ، K. جریان گاز در اقشار شیل فوق العاده تنگ. J. Fluid Mech. 710 ، 641-658 (2012).

Fathi ، E. ، Tinni ، A. & Yucel-Akkutlu ، I. تصحیح نظریه لغزش Klinkenberg برای جریان گاز در نانو کالاران. int. ج. زغال سنگ ژئول. 103 ، 51-59 (2012).

Klinkenberg ، L. J. نفوذپذیری رسانه های متخلخل به مایعات و گازها. تمرین حفاری و تولید API. 200-213 (1941).

Tanikawa ، W. & Shimamoto ، T. مقایسه نفوذپذیری گاز اصلاح شده توسط کلینکلنبرگ و نفوذپذیری آب در سنگهای رسوبی. int. J. Rock Mech. حداقلعلمیژئومکAbtr46 ، 229-238 (2009).

هارلی ، J. C. ، Huang ، Y. ، Bau ، H. H. & Zemel ، J. N. جریان گاز در کانال های میکرو. J. Fluid Mech. 284 ، 257 274 (1995).

Shan ، X. ، Yuan ، X. F. & Chen ، H. تئوری جنبشی هیدرودینامیک: راهی فراتر از معادله Naiver Stokes. J. Fluid Mech. 550 ، 413-441 (2006).

Ren ، X. X. ، Li ، A. F. ، Wang ، Y. Z. & Chen ، M. Q. مطالعه تجربی نفوذپذیری گاز از هسته نفوذپذیری کم با توجه به تأثیر لغزش گاز ، NAT. GEASCI GAS. 26 (4) ، 733-736 (2015).

دونگ ، J. J. و همکاران. وابستگی به استرس از نفوذپذیری و تخلخل ماسه سنگ و شیل از TCDP Hole-A. int. J. Rock. مکانیکmin. sci. 47 (7) ، 1141-1157 (2010).

Brace ، W. F. ، Walsh ، J. B. & Frangos ، W. T. نفوذپذیری گرانیت تحت فشار بالا ، J. Geophys. res73 ، 2225-2236 (1968).

David ، C. ، Wong ، T. F. ، Zhu ، W. & Zhang ، J. اندازه گیری آزمایشگاهی تغییر نفوذپذیری ناشی از تراکم در سنگهای متخلخل: پیامدهای تولید و حفظ فشار بیش از حد فشار منافذ در پوسته. GEOPHYS خالص اعمال می شود. 143 ، 425-456 (1994).

Kwon ، O. ، Kronenberg ، A. & Gangi ، A. نفوذپذیری شیل Wilcox و قانون فشار مؤثر آن ، J. Geophys. res106 (B9) ، 19339-19353 (2001).

Shi ، T. & Wang ، C. Y. تولید فشار منافذ در حوضه های رسوبی: اضافه بار در مقابل Aquathermal. J. Geophys. res91 (B2) ، 2153 2162 (1986).

Wang ، S. ، Elsworth ، D. & Liu ، J. تکامل نفوذپذیری در زغال سنگ شکسته: نقش هندسه شکستگی و محتوای آب. int. ج. زغال سنگ ژئول. 87 (1) ، 13-25 (2011).

Wang ، S. ، Elsworth ، D. & Liu ، J. یک مدل مکانیکی برای تکامل نفوذپذیری در رسانه های سوربینگ شکسته. J. Geophys. res117 (B06) (2012).

Katsuki ، D. & Gutierrez ، M. اثرات Poroelastic بر نفوذپذیری وابسته به استرس یک شیل سفت. پورومکانیک در مقابل . 1705-1714. doi: 10. 1061/9780784412992. 202 (2013).

Homand ، F. ، Shao ، J. ، Giraud ، A. ، Auvray ، C. & Hoxha ، D. Pétrofabrique et propriétés Mécaniques des argilites.comptes Rendus Géosc علوم. 338 (12-13) ، 882-891 (2006).

Rathnaweera ، T. D. ، Ranjith ، R. G. & Perera ، S. A. بررسی تجربی اثرات ژئوشیمیایی و کانی شناسی توقیف CO2 بر خصوصیات جریان سنگ مخزن در سفره های شور عمیق. علمیهرزه . doi: 10. 1038/srep19362 (2016).

Dadmohammadi ، Y. ، Misra ، S. ، Sondergeld ، C. H. & Rai ، C. S. تفسیر پتروفیزیکی بهبود یافته از اندازه گیری فشار مرحله آزمایشگاهی در نمونه های سنگ فوق العاده تنگ. در کنفرانس فناوری منابع غیر متعارف. سان آنتونیو ، تگزاس.(2016a).

Dadmohammadi ، Y. ، Misra ، S. ، Sondergeld ، C. H. & Rai ، C. S. تخمین همزمان از نفوذپذیری ذاتی ، تخلخل مؤثر ، فشرده سازی حجم منافذ و فاکتور کلینکنبرگ از نمونه های سنگ فوق العاده محکم بر اساس روش فشار آزمایشگاهی-مرحله-مرحلهبشرSPE-180266-MS ، SPE Low Perm Symposium ، دنور ، کلرادو ، ایالات متحده ، انجمن مهندسان نفت (2016 ، مه ، 5-6).

Cao ، C. H. ، LV ، Z. G. ، Li ، L. W. & Du ، L. ویژگی های ژئوشیمیایی و پیامدهای گاز شیل از سازند Longmaxi ، حوضه سیچوان ، چین. J. Nat Gas Geosci. doi: 10. 1016/j. jnggs. 2016. 05. 001 (2016).

Yang ، D. S. ، Billotte ، J. & Su ، K. خصوصیات رفتار هیدرومکانیکی سنگهای آرگیل با نفوذپذیری گاز مؤثر در استرس انحرافی. مهندسGEOL114 ، 116 122 (2010).

Biot ، M. A. نظریه عمومی ادغام 3 بعدی. J. Appl. فیزیک12 ، 155-164 (1941).

Coussy ، O. Poromekanics. جان ویلی و پسران ، شیچستر ، انگلیس (2004).

Bemer ، E. ، Longuemare ، P. & Vincké ، O. Poroelastic پارامترهای Meuse/Haute Mae Argillites: تأثیر حالت بارگذاری و اشباع. کاربردSci Clay. 26 ، 359-366 (2004).

Cariou ، S. ، Duan ، Z. ، Davy ، C. ، Skoczylas ، F. & Dormieux ، L. Poromekanics از آرگیلیت کاکس تا حدی اشباع شده. کاربردSci Clay. 56 ، 36-47 (2012).

Seidle ، J. P. ، Jeansonne ، M. W. & Erickson ، D. J. استفاده از هندسه Matchstick برای نفوذپذیری وابسته به استرس در ذغال سنگ. SPE-24361 ، جلسه منطقه ای SPE Rocky Mountain ، کاسپر ، وایومینگ ، ایالات متحده ، انجمن مهندسان نفت (1992 ، 18-21 مه).

Nuttall ، B. C. ، Eble ، C. F. ، Drahovzal ، J. A. & Bustin ، R. M. تجزیه و تحلیل شیل های سیاه Devonian در کنتاکی برای توقیف دی اکسید کربن بالقوه و افزایش تولید گاز طبیعی. گزارش بررسی زمین شناسی کنتاکی/ دانشگاه کنتاکی (DE-FC26-02NT41442). http://www. osti. gov/scitech/servlets/purl/842849(2005).

Battistutta ، E. ، Hemert ، P. ، Lutynski ، M. ، Bruining ، H. & Wolf ، K. آزمایش های تورم و جذب روی متان ، نیتروژن و دی اکسید کربن بر روی ذغال سنگ خشک کورنیا خشک. int. ج. زغال سنگ ژئول. 34 ، 39-48 (2010).

Wu ، T. H. & Zhang ، D. X. تأثیر جذب در حمل و نقل گاز در نانوذرات. علمیهرزه . doi: 10. 1038/srep23629 (2016).

سپاسگزاریها

این کار توسط برنامه تحقیقاتی بنیادی چینی (973) (2015CB057906) ، بنیاد ملی علوم طبیعی چین (Grant NOS 51379200 ، 41572290 ، 51225902 ، 41672281) پشتیبانی می شود ، برنامه دولت چین در مورد استخدام استعدادهای جهانی و جوانان نوآوری جوانانانجمن ارتقاء CAS. این پشتیبانی ها با قدردانی تصدیق می شوند.

اطلاعات نویسنده

نویسندگان و وابستگی ها

آزمایشگاه کلیدی ایالتی ژئومکانیک و مهندسی ژئوتکنیک ، انستیتوی مکانیک سنگ و خاک ، آکادمی علوم چین ، ووهان ، 430071 ، هوبی ، چین

Diansen Yang ، Wei Wang & Weizhong Chen

دانشگاه آکادمی علوم چین ، پکن ، 100049 ، چین

مرکز تحقیقات مهندسی ژئوتکنیک و ساختاری ، دانشگاه شاندونگ ، جینان ، شاندونگ ، چین

Weizhong Chen & Shugang Wang

موسسه غیر متعارف گاز طبیعی ، دانشگاه نفت چین ، پکن ، 102249 ، چین

1. دیانسن یانگ

همچنین می توانید این نویسنده را در PubMed Google Scholar جستجو کنید

همچنین می توانید این نویسنده را در PubMed Google Scholar جستجو کنید

همچنین می توانید این نویسنده را در PubMed Google Scholar جستجو کنید

همچنین می توانید این نویسنده را در PubMed Google Scholar جستجو کنید

همچنین می توانید این نویسنده را در PubMed Google Scholar جستجو کنید

مشارکت

D. S. Y. و S. G. W. تحقیق را طراحی کرده و داده ها را مورد تجزیه و تحلیل قرار داد ، همه نویسندگان این تحقیق را انجام دادند ، D. S. Y. و S. G. W. مقاله را نوشت ، W. W. و X. Q. W. نمونه ها را تهیه کرده و آزمایشات را انجام داد ، D. S. Y. و W. Z. C. نتایج را تجزیه و تحلیل کرد. همه نویسندگان نسخه خطی را مورد بحث و تصویب قرار دادند. نویسندگان از داوران بخاطر نظرات و پیشنهادات سازنده خود برای بهبود مقاله تشکر می کنند.

نویسندگان مربوطه

اعلامیه های اخلاق

منافع رقابتی

نویسندگان هیچ منافع مالی رقابتی را اعلام نمی کنند.

حقوق و مجوزها

این کار تحت مجوز بین المللی Creative Commons Attribution 4. 0 مجوز است. تصاویر یا سایر مطالب شخص ثالث در این مقاله در مجوز Creative Commons مقاله گنجانده شده است ، مگر اینکه در خط اعتباری در غیر این صورت مشخص شود. اگر این ماده تحت مجوز Creative Commons گنجانده نشده باشد ، کاربران برای تولید مثل مواد باید از دارنده مجوز دریافت کنند. برای مشاهده یک نسخه از این مجوز ، به http://creativeecommons.org/licenses/by/4. 0/ مراجعه کنید

در مورد این مقاله

این مقاله را ذکر کنید

Yang ، D. ، Wang ، W. ، Chen ، W. et al. تحقیقات تجربی در مورد اثر همراه استرس مؤثر و لغزش گاز بر نفوذپذیری شیل. SCI Rep 7 ، 44696 (2017). https://doi.org/10. 1038/srep44696

دریافت: 16 اوت 2016

پذیرفته شده: 13 فوریه 2017

منتشر شده: 17 مارس 2017

این مقاله را به اشتراک بگذارید

هرکسی که لینک زیر را با آن به اشتراک بگذارید قادر به خواندن این محتوا خواهد بود:

لینک اشتراکی دریافت کنید

با عرض پوزش ، یک لینک قابل اشتراک در حال حاضر برای این مقاله در دسترس نیست.

کپی به کلیپ بورد

ارائه شده توسط SPRINGER NATURE SHAREDIT SICTIONATION CONTENT

این مقاله توسط

تحقیقات تجربی در مورد حساسیت به استرس نفوذپذیری در شیل طبیعی شکسته

• دیانسن یانگ
• وی وانگ
• شوگانگ وانگ

علوم زمین محیطی (2019)

یک مطالعه تجربی در مورد تخلخل و رفتار حساس به استرس ماسه سنگ تحت فشرده سازی هیدرواستاتیک: خصوصیات ، مکانیسم ها و عوامل کنترل

• chengyuan xu
• چونگ لین
• شما

مهندسی مکانیک و راک (2018)

نظرات

با ارسال نظر ، شما موافقت می کنید که از شرایط و دستورالعمل های جامعه ما پیروی کنید. اگر چیزی توهین آمیز پیدا کردید یا مطابق با شرایط یا دستورالعمل های ما نیست ، لطفاً آن را به صورت نامناسب پرچم گذاری کنید.