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| 內容簡介： |
本书以页岩气藏注CO2 提采与封存数值模拟为主线，立足多尺度模拟方法，从分子尺度的相互作用机理到宏观尺度的数值模型构建与求解，全方位多角度剖析了页岩气藏注CO2 过程中多组分流体传输动态变化规律及关键因素，内容包括绪论、页岩气藏储渗特征及多尺度流动机理、页岩有机纳米孔隙中CH4/CO2 竞争吸附、CO2 提高采收率分子模拟、页岩气藏注CO2 多组分数学模型、页岩气藏注CO2 数值模型及求解方法以及页岩气藏注CO2 提采封存模型的应用等。
本书具有较强的针对性和参考价值，可供从事油气田勘探和开发、二氧化碳封存及利用等的科研人员、工程技术人员及管理人员等参考，也可供高等学校石油与天然气工程、地质工程及相关专业师生参阅。
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| 目錄：
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第1章 绪 001
1.1 碳达峰碳中和目标和意义 002
1.2 页岩气吸附机理 004
1.2.1 页岩气吸附脱附理论及模型 004
1.2.2 页岩气吸附机理及其影响因素 006
1.3 注CO2 置换页岩气机理 007
1.3.1 CH4-CO2 竞争吸附机理 007
1.3.2 气体解吸 014
1.3.3 CO2 对CH4 驱替机理 015
1.4 注CO2 多组分渗流及数值模拟 017
1.4.1 页岩气藏多尺度渗流机理 017
1.4.2 页岩气藏注CO2 多组分渗流 020
1.4.3 页岩气藏注CO2 数值模拟 024
1.5 本书研究目标及主要内容 026
1.5.1 研究目标 026
1.5.2 主要内容 026
参考文献 028
第2章 页岩气藏储渗特征及多尺度流动机理 038
2.1 页岩气藏基本特征 039
2.1.1 页岩气藏成藏特征 039
2.1.2 页岩气藏岩石学及有机地化特征 040
2.1.3 页岩气藏孔隙类型及结构特征 043
2.1.4 页岩气藏地质力学特征 055
2.2 微纳尺度流动机理 058
2.2.1 页岩气藏基本储集特征 058
2.2.2 页岩微纳尺度流态划分 059
2.2.3 微观渗流数学模型表征 061
2.3 压裂井缝网系统流动机理 064
2.3.1 连续介质模型 065
2.3.2 离散裂缝模型 068
2.3.3 连续介质- 离散裂缝耦合模型 070
2.4 CH4-CO2 竞争吸附实验及机理 081
2.4.1 吸附解吸理论 081
2.4.2 页岩吸附能力影响因素分析 087
2.4.3 CH4、CO2 等温吸附实验 093
2.4.4 CH4、CO2 竞争吸附机理及描述 095
参考文献 104
第3章 页岩有机纳米孔隙中CH4/CO2 竞争吸附 109
3.1 分子动力学基础理论 110
3.1.1 分子内部相互作用 111
3.1.2 分子间相互作用 114
3.1.3 分子动力学模拟数值解 116
3.1.4 分子动力学模拟边界条件 119
3.1.5 系综分类 120
3.2 巨正则系统 121
3.2.1 蒙特卡罗模拟 121
3.2.2 巨正则蒙特卡罗（GCMC）模拟 122
3.3 页岩干酪根多孔介质内CH4/CO2 竞争吸附机理 124
3.3.1 干酪根多孔介质模型构建 124
3.3.2 CH4、CO2 单组分吸附特征 132
3.3.3 CH4/CO2 双组分竞争吸附特征 139
3.4 单纳米孔道CH4/CO2 竞争吸附机理 146
3.4.1 简化纳米孔道模型构建 146
3.4.2 CH4、CO2 单组分吸附特征 147
3.4.3 CH4/CO2 双组分竞争吸附特征 149
参考文献 159
第4章 CO2 提高采收率分子模拟 162
4.1 页岩气藏注CO2 微观驱替研究现状 163
4.2 干酪根纳米孔道CH4 传输机制 165
4.2.1 外场非平衡分子动力学方法 165
4.2.2 驱动力对流动的影响 168
4.3 石墨烯孔隙中CH4 传输机制 170
4.3.1 驱动力对流动的影响 170
4.3.2 壁面粗糙度对CH4 吸附运移行为的影响 173
4.4 页岩有机质纳米孔道注CO2 流体三维空间演化规律 183
4.4.1 注入压差对界面行为影响 184
4.4.2 驱替过程轨迹图 186
4.4.3 CO2 注入量和CH4 残余量随时间的变化关系 187
参考文献 188
第5章 页岩气藏注CO2 多组分数学模型 190
5.1 基本假设条件 191
5.1.1 页岩气井注CO2 开采基本物理模型 191
5.1.2 物理模型的基本假设条件 191
5.2 多组分数学模型的建立 192
5.2.1 微纳孔隙中多组分流体的运输 192
5.2.2 裂缝中多组分流体的运输 192
5.2.3 页岩气藏注CO2 多组分综合渗流数学模型 193
5.3 定解条件 194
5.3.1 初始条件 194
5.3.2 外边界条件 194
5.4 数学模型中特殊参数的处理 195
5.4.1 多组分流体物性的计算 195
5.4.2 井模型的处理 202
参考文献 206
第6章 页岩气藏注CO2 数值模型及求解方法 208
6.1 非结构网格生成及空间离散 209
6.1.1 非结构网格类型 209
6.1.2 非结构网格生成方法 211
6.1.3 插值函数及选择 213
6.2 控制体积有限元法基本原理 218
6.2.1 控制体积有限元法的发展历程 218
6.2.2 控制体积有限元法的基本原理 220
6.3 全隐式数值模型的建立 224
6.3.1 多组分数学模型的单元离散 224
6.3.2 单元数值模型的组装 229
6.3.3 全隐式数值模型 236
6.3.4 线性代数方程组的求解 238
6.4 CO2 压裂与压后生产一体化模拟 242
6.4.1 裂缝扩展数学模型的建立 242
6.4.2 裂缝扩展数学模型的求解与验证 253
6.4.3 CO2 压裂与压后生产一体化模拟 257
参考文献 274
第7章 页岩气藏注CO2 提采封存模型的应用 276
7.1 CO2 压裂及压后注采数值模拟方法应用 277
7.1.1 压后衰竭开采模式应用 277
7.1.2 压后单井注CO2 吞吐模式应用 280
7.1.3 压后两井注采模式应用 286
7.2 水力压裂及压后注CO2 数值模拟方法应用 292
7.2.1 在双压裂井注采模型中的应用 292
7.2.2 在单井注CO2 吞吐模型中的应用 296
7.2.3 在现场井注CO2 吞吐开采中的应用 300
参考文献 308
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| 內容試閱：
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实现二氧化碳地下封存与利用是实现“双碳”目标的“托底”技术。利用CO2 置换强化页岩气开采（CO2-EGR）是二氧化碳利用与封存研究的重要方向之一。通过该技术不仅能够有效提高页岩气采收率，还能够实现以枯竭页岩气藏为目标地层的CO2 地质封存，有效缓解CO2 排放所引起的一系列环境问题。而页岩气储层具有低孔渗透、微纳孔隙普遍发育等特点，难以通过开展原位物理实验的方式深入探析CO2 驱替提高页岩气采收率的作用机理。因此，本书以多尺度数值模拟为主线，主要介绍了以下内容：第1章主要概述页岩气的吸附机理、注CO2 置换页岩气机理及注CO2 多组分渗流及数值模拟等内容；第2 ～第4章基于分子动力学（MD）模拟方法，刻画了地层条件下原始页岩气分布特征，耦合CH4-CO2-壁面间相互作用，追踪流体分子运动轨迹，研究了多组分流体与页岩不同矿物壁面微观作用变化对孔隙内气体赋存状态的控制作用，基于动静态多角度揭示页岩气藏注CO2 提高采收率机理；第5章考虑注入CO2 后页岩储层中流体组分的变化，构建了页岩气藏注CO2 多组分数学模型，通过引入定解条件及特殊参数处理方法对数学模型进行求解演算，建立综合的渗流传输模型对多组分、多尺度渗流规律进行耦合表征；第6章基于非结构网格生成及空间离散方法，形成页岩气藏注CO2 多组分流体流动传输数值模拟技术，结合控制体积有限元方法，建立全隐式数值模型，从宏观角度阐释CO2 提高采收率机制；第7章立足气田现场实际工况，综合注CO2 提高页岩气采收率机理研究开展川南页岩气藏实际应用等研究内容，旨在丰富提高页岩气藏采收率的CO2 注入理论基础与实际操作可行性。本书具有较强的针对性和参考价值，可为从事油气田勘探和开发、二氧化碳封存及利用等的研究人员、工程技术人员及管理人员提供有益的参考，也可供高等学校石油与天然气工程、地质工程及相关专业师生参阅。
本书由赵玉龙、张芮菡等编著，具体分工如下：第1章、第7章由赵玉龙编著；第2章、第5章由张芮菡编著；第3章、第4章由张涛、熊伟、关博文编著；第6章由唐慧莹、田野编著；全书最后由赵玉龙、张芮菡统稿并定稿。本书的编著和出版得到了国家自然科学基金重点项目“海相页岩水平井超临界二氧化碳压裂机理与一体化模拟研究”（编号：52234003）的大力资助，在编著过程中得到中国石油西南油气田分公司领导，西南石油大学油气藏地质及开发工程全国重点实验室的多位专家、教授以及作者的博士研究生们的帮助，在此一并表示感谢。
限于编著者水平及编著时间，书中难免存在不足和疏漏之处，敬请读者批评指正。
赵玉龙
2025 年2 月
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