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页岩气解析过程碳同位素分馏的真实岩心三维渗流模型

页岩原位含气量和吸附/游离气比例是评价页岩气资源潜力可采储量、筛选有利目标区和层位的两个关键参数。虽然业内已经提出多种评价方法，如USBM法、多项式拟合法、ACF法和MCF法等，但由于不合理的假设条件导致的局限性，上述方法并未得到广泛的认可。近年来，通过建立页岩气运移过程中的同位素分馏模型，利用现场解析实测数据标定模型参数，进而评价原位含气量和吸附气/游离气比的方法逐渐受到关注和重视。然而，现有的同位素分馏模型基于一维（径向）连续流动模型进行推导，假设岩心解析过程气体只沿径向流动（忽视轴向的气体流动），这一假设条件与真实岩心内的气体流动存在一定差异。因此，本文在前人模型基础上，通过考虑不同甲烷分子之间的竞争吸附作用和扩散能力的差异性，建立了一种能够准确描述真实岩心气体解析过程的三维渗流同位素分馏模型。

通过模型参数的敏感性分析，探究了纯扩散过程、扩散耦合吸附-解析过程的同位素分馏特征、影响因素和机理，同时对比分析了该模型与前人模型^[1-2]在不同岩心高度、含气孔隙度、提心时间的情况下存在的差异以及各模型的适用条件和优缺点。理论分析和计算结果均表明，无论是在提心过程中的气体散失，还是原位地层下的油气渗流，沿x，y，z三个方向的三维渗流相较于二维的平面径向流更加合理、准确。前人模型^[1-3]多采用平面径向流的不稳定渗流微分方程耦合吸附-解吸项作为模型的控制方程，该类模型假设气体仅沿岩心径向方向发生运移（图1）；本次模型采用球面向心流的三维不稳定渗流微分方程耦合吸附-解吸项作为控制方程，不仅考虑了径向的运移、还考虑了同时发生的垂直于径向方向的运移（图2）。当岩心高度较高，或提心时间较短，或含气孔隙度较小时，两种模型计算提心过程中的损失气量差异不大；反之，前人模型计算出的损失气量相对偏小。此外，本次研究建立模型结合现场实测数据还可以标定获取岩心的表观扩散系数、表观渗透率、Langmuir压力、Langmuir体积、页岩的原位含气量以及吸附气/游离气比例等页岩气评价关键参数，进而为页岩气井当前生产状态判识、未来产能变化趋势预测和提高采收效率等勘探开发应用提供坚实的理论支撑和技术手段。