CO2驱和多孔介质渗流方面的讲座。 ➢ 目前任美国经济地质局纳米技术实验室主任，主要研究方向为页岩气和CO2驱。
E-mail：farzam.javadpour@
一、页岩中的孔隙特征
石英
粒间孔
主要类型： 粒内孔 粒间孔 有机质内部孔（粒内孔） 微裂缝
大小：以纳米孔为主
粒内孔
当压力小于1Mpa时，视渗透率急剧增大
视
渗 透
温度对
率
视渗透
比 达
率几乎
西 渗
无影响
透
率
压力
纳米孔中气体的渗流特性
➢ 气体分子量对视渗透率影响不大
视 渗 透 率 比 达 西 渗 透 率
分子量
压力越小、孔喉半径越小、纳米孔中气体的视渗透率越高，而且是“革命
性”的变化
思考！
视
渗 透 率
扩 散 流
➢ AFM检测到的纳米孔
二、页岩气渗流机理探讨
在不同尺度上，页岩气储集和流动状态
宏观
（油藏级别）
微裂缝
微米尺度
（纳米孔）
纳米尺度
（气体从纳米 孔壁解吸）
分子尺度
（气体分子从干酪根或粘 土颗粒向孔隙表面运动）
几个术语
平均自由程：连续两次碰撞之间，气体分子自由运动的平均路程
滑流：在多孔介质流动的气体，它们的平均自由程和孔隙直径相当或比孔隙 直径略小时情况下，当气体通过孔隙时气体分子在孔隙的壁处发生滑动，则 孔隙壁处的流动速度不等于零。这种流动称为滑流。
比
量
达 西 渗 透 率
比 总 流 量
孔喉半径
孔喉半径
压力越小、孔喉半径越小、纳米孔中气体的视渗透率越高，而且是“革命
性”的变化
思考！
视
渗
扩
透
散
率
流
比
量
达
比
西
总
渗 透
流 量
率
压力
压力
对致密油而言，扩散在渗流中扮演什么样的角色？
思考！
场发射扫描电镜分析显示，致密油样品在真空条件下，随着时间的延长 和温度的升高，纳米孔中油膜的厚度在增厚，油分子扩散的能力增强； 纳米孔中的油膜很有可能在一定条件下，由吸附油转化为游离油。
大孔（>50nm） 以压缩和溶解形式存在 流动状态为扩散、滑流和达西流
天然裂缝（>50nm） 以压缩和溶解形式存在 流动状态为达西流
纳米孔中，气体流动状态为扩散和滑流，达西定律不能精确描述
达西定律：
Q
K
AP L
K为渗透率，与孔隙结构有关， 与流体性质无关
Frazam Javadpour 提出了如下方程：
含泥质粉砂质云岩（场发射扫描电镜）
国外页岩气勘探开发经验及启示
扩 散 流 量 比 总 流 量
在一定的温压条件下，孔喉半径越小，视渗透率越大 孔隙直径小于0.1um时，视渗透率大于达西渗透率，当孔喉半径小于0.01um时，视 渗透率急剧增大
视 渗 透 率 比 达 西 渗 透 率
孔喉半径
纳米孔中气体的渗流特性
➢ 在一定的温度、孔喉半径条件下，压力越小，视渗透率越大
➢ 一般为2D图像，如果和聚焦式离子束显微镜配合可产生3D图像
➢ 离子束可产生非常光滑的面
孔隙
➢ 二维扫描电镜图像
溶蚀缝 有机质内 部的孔隙
方解石
有机质内部 无序的孔隙
方解石
➢ 扫描电镜（SEM）和AFM检测到的纳米孔
原子力显微镜（AFM）
➢ 利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性 ➢ 可观测尺度为原子 ➢ 在探测纳米孔和化学组成分析方面具有优势 ➢ 一般为2D图像，不具有破坏性 ➢ 非常耗时 ➢ 可用来测量原子间的作用力
国外页岩气渗流机理基础 理论探索研究的介绍
二零一四年五月
所有内容译自Frazam Javadpour 博士及其研 究团队的成果
Frazam Javadpour 博士简介： ➢ 伊朗石油工业大学（ Petroleum University of Technology ），
石油工程学士学学位。
➢ 加拿大卡尔加里大学（University of Calgary），化学和石油工程硕士和博士学位； ➢ 《加拿大石油技术》编辑委员会成员。 ➢ 从2003年开始在卡尔加里大学任教。曾应邀在欧洲、美国、中国做过关于页岩气、
孔喉半径
纳米孔中气体的渗流特性
➢ 在一定的温度、孔喉半径条件下，压力越小，扩散对总流量的贡献越大 ➢ 在一定的压力、孔喉半径条件下， 温度越高，扩散对总流量的贡献越大，但不显著
扩 散
压力小于
流 量
1Mpa时，
比
这种变化
总
流
梯度变小
量
压力
纳米孔中气体的渗流特性
➢ 在一定的压力、孔喉半径条件下， 气体分子越大，扩散对总流量的贡献越小
用AFM来研究样品中的孔隙特征，分析是否以纳米孔为主
用AFM来研究样品中的孔隙特征，分析是否以纳米孔为主
泥岩干酪根孔隙中的气体分子
利用人造纳米孔样品做渗流实验，结果与方程的解析解吻合度高
500nm
人造材料中
总
的纳米孔
流
量
压差
纳米孔中气体的渗流特性
➢ 在一定的温压条件下，孔喉半径越小，扩散对总流量的贡献越大 孔喉半径越小0.1um时，扩散流量占总流量的百分数迅速增大；孔喉半径小于1nm 时，扩散流量占总流量的近50% 压力 5Mpa 温度 300K 扩 散 流 量 比 总 流 量
高分辨率微CT（Micro-CT）
➢ 和X射线CT的原理相同，但是所测量的样品更小，发射源和接收器之间的距离更短 ➢ 可观测的尺度为毫米级 ➢ 在探测裂缝和一下矿物方面具有优势
扫描电镜（SEM）
➢ 基于电子束的反射原理
➢ 可观测尺度为微米级和纳米级的尺度
➢ 在探测纳米孔和化学组成分析方面具有优势
扩散
滑流
α和壁面光滑性、气体类型、温度和压力有关，需要通过实验确定
Javadpour方程形式与达西定律一致，能方便的用到油藏模拟中
Q
K
AP L
视渗透率
Javadpour方程中的视渗透率等价于达西定律中的渗透率， 但是随压力、温度、气体分子量的变化而变化
通过视渗透率和渗透率的比值分析研究纳米孔中气体的流动特征
根据滑流的特性，甚至在压力降为零时，仍具有一定的滑流流动。
Knudsen扩散：气体在多孔固体中扩散时，如果孔径小于气体分子的平均 自由程，则气体分子对孔壁的碰撞，较之气体分子间的碰撞要频繁得多， 这种扩散，称为Knudsen扩散： 达西流：符合达西定律的流动
在不同尺度上，页岩气储集和流动状态
纳米孔和微孔（<50nm） 以吸附形式存在 流动状态为扩散和滑流