董明哲，李亞軍，桑 茜，李 晟，李 萌，蘇玉亮

[1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580； 2.卡爾加里大學(xué) 化學(xué)與石油工程學(xué)院，卡爾加里，加拿大T2N 1N4]

頁(yè)巖油儲(chǔ)層非常致密，富含有機(jī)質(zhì)，礦物組成復(fù)雜，孔隙類型和流體賦存狀態(tài)多樣[1-3]。頁(yè)巖油藏與常規(guī)油藏的一個(gè)最大區(qū)別是頁(yè)巖儲(chǔ)層的無(wú)機(jī)礦物中含有干酪根，干酪根可以吸附和溶解大量的烴類流體，使得頁(yè)巖儲(chǔ)層含有兩種截然不同的多孔介質(zhì)[4-5]。陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層的地質(zhì)研究注重尋找有利烴源巖發(fā)育帶和圈閉構(gòu)造，綜合地震、鉆井、測(cè)井、地球化學(xué)等資料并結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析，從地層能量角度分析頁(yè)巖油儲(chǔ)層的可動(dòng)性[6]。盧雙舫等[7]通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，指出頁(yè)巖油的可動(dòng)性和可動(dòng)量與頁(yè)巖孔隙、喉道、裂縫及礦物組成密切相關(guān)，頁(yè)巖儲(chǔ)層的可壓裂改造性和可采性與儲(chǔ)層的無(wú)機(jī)非均質(zhì)性有關(guān)，提出了頁(yè)巖油藏甜點(diǎn)篩選的技術(shù)關(guān)鍵。Zou等人[8]通過(guò)比較北美的海相頁(yè)巖油和中國(guó)的陸相頁(yè)巖油，指出應(yīng)從源巖性質(zhì)、巖相、物性參數(shù)、巖石脆性、含油量及應(yīng)力敏感6個(gè)方面分析致密油和頁(yè)巖油的甜點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，楊智等人[9]總結(jié)了頁(yè)巖油地質(zhì)甜點(diǎn)的參數(shù)，即液態(tài)烴Ro值為0.8%～1.3%，TOC大于2%，巖性為紋層狀頁(yè)巖或致密孔隙性儲(chǔ)集層，孔隙度大于3%，脆性礦物含量大于40%，含油飽和度介于50%～90%。頁(yè)巖油藏在依靠天然彈性能量開采的情況下，流體是否具有動(dòng)用的可能、可動(dòng)的流體能否得到動(dòng)用、在什么條件下才能動(dòng)用、動(dòng)用速率有多高，這些問(wèn)題受儲(chǔ)層及流體物性、儲(chǔ)層非均質(zhì)性、地層壓力水平、儲(chǔ)層改造程度和生產(chǎn)壓差等多因素的綜合影響[10]。因此，在地質(zhì)甜點(diǎn)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，還要對(duì)頁(yè)巖油儲(chǔ)層不同介質(zhì)的滲透特征和流體運(yùn)移模式進(jìn)行研究，以便從開發(fā)角度尋找能夠工業(yè)化開采的有利區(qū)塊。

頁(yè)巖儲(chǔ)層中的無(wú)機(jī)礦物多為水濕表面，孔隙尺寸相對(duì)有機(jī)孔隙較大，而有機(jī)孔隙表面親油，且多為納米級(jí)孔隙[11-13]。研究分析表明，頁(yè)巖油具有3種賦存狀態(tài)：存在于無(wú)機(jī)孔縫中的游離態(tài)流體、存在于有機(jī)孔隙中的游離態(tài)流體和以吸附互溶態(tài)存在于干酪根表面及其內(nèi)部的流體[14]。Sang等人[15]根據(jù)不同流體在不同孔隙中的潤(rùn)濕及賦存特征，通過(guò)油氣水流體飽和實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)定了中國(guó)東部濟(jì)陽(yáng)坳陷陸相頁(yè)巖巖樣的無(wú)機(jī)孔隙度、有機(jī)孔隙度、最大有機(jī)飽和度、最大無(wú)機(jī)飽和度和吸附互溶態(tài)流體飽和度。所測(cè)樣品的有機(jī)飽和油量(含有機(jī)游離態(tài)流體和吸附互溶態(tài)流體)占總飽和量的6%～55%，其中50%～90%為吸附互溶態(tài)，其余為有機(jī)孔隙中的游離態(tài)油相。通過(guò)擬合油、水自吸曲線得到所測(cè)頁(yè)巖的無(wú)機(jī)滲透率和有機(jī)滲透率，有機(jī)滲透率比無(wú)機(jī)滲透率約低1.5～2個(gè)數(shù)量級(jí)。現(xiàn)階段頁(yè)巖油開采主要依賴分段壓裂水平井改造后的彈性開采，頁(yè)巖油的可動(dòng)性與其在頁(yè)巖中的賦存狀態(tài)和流動(dòng)機(jī)理密切相關(guān)，游離態(tài)烴類流體在流體膨脹和井底壓差的綜合作用下發(fā)生流動(dòng)，而吸附互溶態(tài)頁(yè)巖油由于受分子大小、物理化學(xué)性質(zhì)(密度、粘度)、流固相互作用(潤(rùn)濕性)及其結(jié)合能(吸附溶解性質(zhì))的影響[7]，僅依靠壓差作用基本不能流動(dòng)。故有機(jī)介質(zhì)中50%～90%的流體在現(xiàn)階段的開發(fā)條件下不能動(dòng)用，而其余10%～50%的游離態(tài)流體的滲流能力也低于無(wú)機(jī)孔隙中的流體。對(duì)于經(jīng)分段壓裂水平井改造的頁(yè)巖氣藏，由于縫網(wǎng)的存在和氣體的易流動(dòng)性，其實(shí)際動(dòng)用范圍遠(yuǎn)高于壓裂改造區(qū)，而對(duì)于頁(yè)巖油藏，如果沒(méi)有足夠的流動(dòng)壓差或長(zhǎng)距離高滲導(dǎo)流通道，遠(yuǎn)離壓裂縫的頁(yè)巖無(wú)機(jī)孔中的油難以流動(dòng)，大量賦存于有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的油也因低壓力梯度及微尺度效應(yīng)無(wú)法運(yùn)移，僅壓裂縫附近小范圍內(nèi)的頁(yè)巖油能被產(chǎn)出，大量賦存于頁(yè)巖內(nèi)部的油無(wú)法開采，導(dǎo)致頁(yè)巖油藏動(dòng)用范圍有限，采收程度不高，這也是頁(yè)巖油藏區(qū)別于頁(yè)巖氣藏的顯著特點(diǎn)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在頁(yè)巖儲(chǔ)層中流體運(yùn)移和滲流能力方面做了大量的研究，但大多針對(duì)于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層。Wu和Aguilera[16]運(yùn)用CMG建立了頁(yè)巖氣藏單井雙重介質(zhì)模型，通過(guò)CMOST模塊進(jìn)行了產(chǎn)量的敏感性分析，研究表明天然裂縫的滲透率、壓裂縫的滲透率梯度及其最低滲透率是對(duì)采收率影響最大的3個(gè)因素。Zhang等人[17]運(yùn)用CMG建立了Montney地層的頁(yè)巖氣藏單井開采模型，分析了吸附作用和納米孔隙對(duì)產(chǎn)量的影響。以上研究均采用大尺度網(wǎng)格剖分，不能考慮頁(yè)巖儲(chǔ)層及流動(dòng)過(guò)程微觀非均質(zhì)特性的影響。Kanfar和Clarkson[18]分析了影響彈性開采和二氧化碳吞吐采收率的模型參數(shù)，結(jié)果顯示網(wǎng)格尺寸對(duì)模擬結(jié)果影響明顯，過(guò)大的網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致采收率模擬結(jié)果高于實(shí)際值[19]。此外，針對(duì)常規(guī)砂巖油藏所采用的等效介質(zhì)模型，由于所處理的砂巖滲透率差異不大，且不同滲透率砂巖中的流動(dòng)機(jī)理基本一致，因此能較好地解決非均質(zhì)砂巖儲(chǔ)層的宏觀模擬問(wèn)題；而紋層狀泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的紋層間滲透率存在著數(shù)量級(jí)差別，且砂巖層與頁(yè)巖層中的流體流動(dòng)機(jī)理不同，因此不宜直接采用等效介質(zhì)模型。

與頁(yè)巖氣相比，頁(yè)巖油的流動(dòng)性要遠(yuǎn)差于頁(yè)巖氣，理論方面的研究主要是借鑒頁(yè)巖氣的研究思路，將邊界滑移[20]、吸附[21]等概念引入頁(yè)巖油，但這些微觀機(jī)理的認(rèn)識(shí)沒(méi)有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也難以運(yùn)用到頁(yè)巖油藏的數(shù)值模擬中。宏觀數(shù)值模擬中，頁(yè)巖油藏的模型劃分與頁(yè)巖氣藏類似，將儲(chǔ)層分為有機(jī)質(zhì)、無(wú)機(jī)質(zhì)、微裂縫和裂縫，分別研究各介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)，通過(guò)竄流項(xiàng)耦合各介質(zhì)的模型。同樣也存在大網(wǎng)格和等效介質(zhì)模型無(wú)法細(xì)致描述頁(yè)巖油藏的儲(chǔ)層條件及其滲流特征的問(wèn)題。綜上所述，本文根據(jù)陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層的巖相特征，建立了頁(yè)巖油藏的地質(zhì)概念模型，計(jì)算了近4 000多個(gè)算例并進(jìn)行參數(shù)的敏感性分析，得到了各種不同地質(zhì)條件下彈性開采的邊界條件。

1 儲(chǔ)層概念模型

陸相環(huán)境中沉積的頁(yè)巖埋藏深、非均質(zhì)性強(qiáng)、演化程度偏低，其儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)和物性特征是決定儲(chǔ)層滲流能力的關(guān)鍵。以濟(jì)陽(yáng)坳陷沙河街組三段下亞段和沙四上亞段泥頁(yè)巖為例，巖相可分為紋層狀、層狀和塊狀3種類型[22-23]。濟(jì)陽(yáng)坳陷中大量的砂質(zhì)層與泥質(zhì)頁(yè)巖層交互出現(xiàn)，單層厚度在0.1～1 000 mm，地層中砂巖層總厚度占比可達(dá)30%，其中單層砂巖厚度小于1 cm的薄層定義為紋層，大于1 cm的定義為夾層。砂巖層與頁(yè)巖層在礦物組成和沉積結(jié)構(gòu)上具有較大差異，進(jìn)而造成頁(yè)巖儲(chǔ)層在儲(chǔ)集性和滲流能力上的非均質(zhì)性[13]。從目前濟(jì)陽(yáng)坳陷頁(yè)巖油勘探實(shí)踐來(lái)看，夾薄層砂巖、碳酸鹽巖的泥頁(yè)巖、紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r和灰質(zhì)泥巖是目前獲得工業(yè)油流最多的泥頁(yè)巖巖相[24-25]，可以推測(cè)頁(yè)巖油的可動(dòng)性主要取決于臨近的高滲透率條帶。頁(yè)巖儲(chǔ)層的流體需要先通過(guò)竄流而進(jìn)入相鄰的高滲條帶，再經(jīng)裂縫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入生產(chǎn)井筒。

根據(jù)陸相頁(yè)巖儲(chǔ)層的特征，建立了頁(yè)巖油藏的地質(zhì)概念模型(圖1)，重點(diǎn)考慮紋層、裂縫分布(非貫穿和貫穿縫)和流體性質(zhì)(粘度)等3類因素，模擬彈性開采過(guò)程中頁(yè)巖儲(chǔ)層中砂質(zhì)層與泥質(zhì)頁(yè)巖層中流體的竄流以及裂縫對(duì)流體流動(dòng)的影響。頁(yè)巖油藏通常采用水平井分段壓裂后的彈性開采，假設(shè)壓裂縫間距為200 m，頁(yè)巖油由兩簇壓裂縫中間的基質(zhì)流向兩側(cè)裂縫。計(jì)算模型的寬度為100 m，砂巖紋層、頁(yè)巖紋層厚度都為0.1 mm，模型左端為壓裂縫，右端為封閉邊界表示基質(zhì)中心。目標(biāo)區(qū)塊的頁(yè)巖儲(chǔ)層深度為3 000～4 500 m，地層壓力系數(shù)為1.2～1.8，因此地層初始?jí)毫υO(shè)為60 MPa，井底壓力為30 MPa。

紋層狀泥頁(yè)巖儲(chǔ)層中頁(yè)巖和砂巖互層均勻分布，模型的垂直方向分為20個(gè)紋層，每層為一個(gè)網(wǎng)格；模型水平方向分為200個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格寬0.5 m。頁(yè)巖紋層滲透率為10-7μm2；砂巖紋層滲透率為10-2μm2至10-7μm2。在模型中，垂向滲透率與水平滲透率的比值在100～10-9變化。為考慮粘度對(duì)頁(yè)巖油的可動(dòng)性的影響，模擬中分考慮3種不同粘度的油：低粘度油(0.55 mPa·s)、中粘度油(5 mPa·s)和高粘度油(10 mPa·s)。模型計(jì)算至總產(chǎn)量不再增加，對(duì)于滲透率特別低的算例，計(jì)算前10年產(chǎn)量變化。生產(chǎn)開始后，記錄頁(yè)巖儲(chǔ)層內(nèi)部含油量隨時(shí)間的變化從而計(jì)算出頁(yè)巖油的采收率變化過(guò)程。

計(jì)算表明，對(duì)于塊狀的頁(yè)巖，當(dāng)滲透率低于10-7μm2，流體流動(dòng)性極小，不具備商業(yè)化開發(fā)的價(jià)值。而陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層在成藏過(guò)程中往往形成頁(yè)巖-砂巖互層的紋層狀構(gòu)造，滲透率較高的砂巖條為頁(yè)巖油的流動(dòng)提供了必要的優(yōu)勢(shì)通道。因此，本文針對(duì)紋層狀頁(yè)巖油儲(chǔ)層，提出其流動(dòng)機(jī)理為：僅有少量通過(guò)自身流出，絕大部分的頁(yè)巖油需要先運(yùn)移到相鄰的高滲透率砂巖紋層中從而產(chǎn)出，具體過(guò)程如圖1所示。以頁(yè)巖滲透率為10-7μm2，砂巖滲透率10-2μm2，垂向滲透率/水平滲透率為0.1，壓差30 MPa為例，雖然純頁(yè)巖紋層的滲透率較低，其彈性采收率為3.85%，與砂巖紋層一致，其中99.99%的頁(yè)巖油通過(guò)砂巖層產(chǎn)出，僅不到0.01%的頁(yè)巖油由純頁(yè)巖紋層產(chǎn)出。紋層砂巖條帶的存在顯著降低了油在頁(yè)巖中的流動(dòng)難度，使得頁(yè)巖油的工業(yè)化開采成為可能。

2 頁(yè)巖油流動(dòng)的儲(chǔ)層條件和機(jī)理

紋層狀頁(yè)巖儲(chǔ)層中油的流動(dòng)途徑主要有兩種：①通過(guò)頁(yè)巖紋層流至裂縫經(jīng)井筒產(chǎn)出；②先運(yùn)移至鄰近的高滲透率砂巖紋層，再流至裂縫經(jīng)井筒產(chǎn)出。兩種流動(dòng)途徑的流動(dòng)阻力影響了相應(yīng)的產(chǎn)量：由于砂巖紋層的滲透率高，其內(nèi)部的壓力要比頁(yè)巖紋層內(nèi)部的壓力降低得快，因而砂巖紋層與頁(yè)巖紋層之間形成壓差，且通過(guò)砂巖至裂縫的流動(dòng)阻力遠(yuǎn)小于頁(yè)巖內(nèi)部阻力，導(dǎo)致頁(yè)巖油自頁(yè)巖紋層向砂巖紋層進(jìn)行縱向流動(dòng)。通過(guò)模擬計(jì)算分析了滲透率、粘度和微裂縫等因素對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層動(dòng)用程度的影響，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖1 紋層狀頁(yè)巖概念模型及流體流動(dòng)過(guò)程示意圖Fig.1 The conceptual model of laminated shale formations and the schematic diagram showing the internal oil flow

2.1 砂巖與頁(yè)巖紋層滲透率差異的影響

模型計(jì)算比較了在不同的滲透率差異程度下，通過(guò)砂巖紋層流出的頁(yè)巖油占總可動(dòng)頁(yè)巖油的百分比。頁(yè)巖紋層滲透率固定在10-7μm2。砂巖紋層的滲透率變化范圍為10-7～10-2μm2，垂向滲透率為水平滲透率的0.1倍。

圖2a給出了頁(yè)巖油通過(guò)砂巖紋層動(dòng)用程度隨滲透率差異的變化，頁(yè)巖油通過(guò)砂巖紋層產(chǎn)出的百分比隨著砂巖紋層滲透率的增加而增加。當(dāng)砂巖紋層滲透率為頁(yè)巖紋層的10倍時(shí)，60%以上的油通過(guò)砂巖紋層產(chǎn)出；當(dāng)滲透率比值達(dá)到100倍以上時(shí)，幾乎所有的油都通過(guò)砂巖紋層產(chǎn)出。此外，從圖中還能得出不同粘度的油對(duì)于砂巖紋層動(dòng)用程度的影響。當(dāng)滲透率比值為10倍的時(shí)候，粘度越低的油越容易通過(guò)砂巖紋層進(jìn)行流動(dòng)；當(dāng)滲透率比值增大到100倍以上時(shí)，粘度的影響可以忽略不計(jì)，3種粘度的油均通過(guò)砂巖紋層流出。

因此，頁(yè)巖儲(chǔ)層中的高滲砂巖紋層的存在是產(chǎn)生縱向竄流的關(guān)鍵因素，高滲砂巖紋層能有效溝通頁(yè)巖儲(chǔ)層、擴(kuò)大波及面積、提高動(dòng)用范圍，是開發(fā)意義上頁(yè)巖油流動(dòng)的必要條件。垂向竄流與頁(yè)巖層水平流動(dòng)的相對(duì)大小，受到砂巖滲透率、頁(yè)巖滲透率、垂向滲透率、流體粘度、紋層長(zhǎng)度以及瞬時(shí)壓力梯度的影響，通過(guò)雙重介質(zhì)模型或者等效滲透率進(jìn)行頁(yè)巖油的數(shù)值模擬將忽略該生產(chǎn)過(guò)程中的流動(dòng)機(jī)理，影響模擬準(zhǔn)確性。

2.2 頁(yè)巖紋層滲透率對(duì)可動(dòng)性的影響

為了研究頁(yè)巖紋層滲透率對(duì)頁(yè)巖油動(dòng)用程度的影響，設(shè)置頁(yè)巖滲透率范圍為10-9～10-5μm2，垂向滲透率為水平滲透率的0.1倍，砂巖滲透率為10-4μm2，模擬不同粘度下頁(yè)巖油動(dòng)用程度，結(jié)果如圖2b所示。由模擬結(jié)果可知，由于頁(yè)巖層中的油主要通過(guò)相鄰的高滲砂巖紋層流出，因此頁(yè)巖滲透率的變化對(duì)頁(yè)巖油動(dòng)用程度的影響不明顯,說(shuō)明紋層儲(chǔ)層中的頁(yè)巖油動(dòng)用程度主要取決于相鄰的砂巖紋層滲流能力和儲(chǔ)層垂向滲流能力。當(dāng)紋層狀頁(yè)巖油儲(chǔ)層中的砂巖紋層足夠發(fā)育且滲透率較高時(shí)，即使頁(yè)巖紋層滲透率較低，依然可以通過(guò)砂巖的捕集和導(dǎo)流能力將頁(yè)巖紋層中的原油采出。在此機(jī)理的作用下，頁(yè)巖的主要作用為原油儲(chǔ)集空間，而砂巖提供了有利通道。彈性開采是一個(gè)非穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程，受諸多參數(shù)(前文2.1末段所述)的綜合影響，以往的穩(wěn)定流動(dòng)的等效滲透率概念在此是不適用的。

圖2 儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)頁(yè)巖油可動(dòng)程度的影響Fig.2 The impacts of petrophysical properties on the movability of shale oila.頁(yè)巖油通過(guò)砂巖紋層動(dòng)用程度隨滲透率差異的變化；b.頁(yè)巖油動(dòng)用程度隨頁(yè)巖層滲透率變化；c.不同紋層厚度下垂向與水平滲透率比值對(duì) 頁(yè)巖油可動(dòng)性的影響；d.垂向微裂縫對(duì)可動(dòng)性的影響

2.3 紋層厚度及垂向滲透率的影響

如前所示，紋層狀頁(yè)巖油藏中的油主要通過(guò)砂巖紋層流出，而要實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，頁(yè)巖油首先通過(guò)垂向流動(dòng)(竄流)自頁(yè)巖流入砂巖紋層，紋層厚度決定了頁(yè)巖油垂向流動(dòng)的距離，垂向滲透率決定了頁(yè)巖油竄流量的大小，為此計(jì)算分析了紋層厚度和垂向滲透率對(duì)頁(yè)巖油可動(dòng)性的影響。以低粘度油為例，紋層厚度分別設(shè)為0.1，0.5，1，2 mm，砂巖滲透率10-4μm2，頁(yè)巖滲透率10-7μm2，生產(chǎn)壓力差為50 MPa，圖2c是在不同紋層厚度時(shí)可動(dòng)性隨垂向滲透率/水平滲透率比值的變化關(guān)系。

由圖分析可知，當(dāng)垂向滲透率與水平滲透率的比值小于10-8時(shí)，不同的紋層厚度下3種粘度的頁(yè)巖油幾乎都不可動(dòng)，紋層厚度對(duì)低粘度的油幾乎無(wú)影響。中粘度油和高粘度油的結(jié)果與低粘度油的相似，當(dāng)垂向滲透率與水平滲透率的比值大于10-6時(shí)，頁(yè)巖油均達(dá)到其彈性開采的最大動(dòng)用程度。

2.4 微裂縫對(duì)可動(dòng)性的影響

頁(yè)巖儲(chǔ)層常伴隨有垂直于紋層發(fā)育的高角度天然微裂縫，微裂縫長(zhǎng)度較小且孤立存在，雖不能連接壓裂縫形成縫網(wǎng)，但能溝通紋層結(jié)構(gòu)中的砂巖層和頁(yè)巖層，可有效提高頁(yè)巖層與砂巖層之間的竄流量，改善垂向流動(dòng)條件。為此模擬了低垂向滲透率時(shí)垂向微裂縫對(duì)頁(yè)巖油可動(dòng)性的影響。以低粘度油為例，假設(shè)模型長(zhǎng)度為100 m，在距離壓裂縫50和100 m的位置分別設(shè)置一條垂向非穿層裂縫，用以模擬微裂縫對(duì)砂巖層與頁(yè)巖層間的導(dǎo)流能力，垂向滲透率與水平滲透率比值為10-8，砂巖層滲透率為10-5μm2，頁(yè)巖層滲透率為10-7μm2，其它參數(shù)與前文2.1一致，模擬結(jié)果如圖2d所示。

可以看出，當(dāng)垂向滲透率極低時(shí)，微裂縫可有效增加頁(yè)巖油動(dòng)用程度。其原因是隨著生產(chǎn)進(jìn)行，頁(yè)巖層與砂巖層之間出現(xiàn)壓力差，頁(yè)巖層壓力高于砂巖層，當(dāng)壓力傳播至裂縫時(shí)，裂縫附近砂巖層與頁(yè)巖層壓力差減小，有更多流體通過(guò)裂縫從頁(yè)巖層流入砂巖層，從而提高頁(yè)巖油動(dòng)用程度。雖然在常規(guī)情況下，儲(chǔ)層垂向滲透率與水平滲透率比值鮮少低于10-8，但對(duì)于層狀以及塊狀頁(yè)巖儲(chǔ)層以及流體粘度較高的情況，較高的垂向滲透率仍無(wú)法滿足垂向竄流條件，此時(shí)垂向天然微裂縫的發(fā)育程度對(duì)頁(yè)巖油可動(dòng)性的影響愈發(fā)重要。

3 紋層狀頁(yè)巖油儲(chǔ)層流體動(dòng)用界限

基于上述彈性開采分析結(jié)果，本節(jié)對(duì)頁(yè)巖油在紋層狀儲(chǔ)層中各條件下的動(dòng)用程度進(jìn)行模擬分析，得到不同油藏條件下達(dá)到最大動(dòng)用程度的臨界參數(shù)或邊界條件。由于紋層厚度和基質(zhì)長(zhǎng)度的影響不大，本節(jié)模擬計(jì)算紋層厚度和基質(zhì)長(zhǎng)度分別為0.1 mm和200 m，頁(yè)巖層水平滲透率為10-7μm2。模擬結(jié)果先以曲線形式展示紋層狀儲(chǔ)層中頁(yè)巖油動(dòng)用程度分別隨砂巖紋層滲透率和垂向滲透率的變化趨勢(shì)，然后用三維圖形式給出達(dá)到最大動(dòng)用程度的臨界參數(shù)。

3.1 頁(yè)巖油藏生產(chǎn)年限計(jì)算

依靠天然能量開采的頁(yè)巖油藏通常生產(chǎn)時(shí)間較短，根據(jù)前面分析結(jié)果，油藏能否有效動(dòng)用主要受砂巖滲透率、垂向滲透率與水平滲透率比值、流體粘度以及儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度的影響，油藏條件設(shè)定為：砂巖滲透率為10-3～10-5μm2，頁(yè)巖滲透率為10-7μm2，垂直滲透率為水平滲透率的0.1倍，儲(chǔ)層內(nèi)每隔50 m發(fā)育有一條裂縫，油的粘度為0.55～5 mPa·s，模擬頁(yè)巖油動(dòng)用程度與生產(chǎn)時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

可以看出，砂巖滲透率越大，頁(yè)巖油達(dá)到最大動(dòng)用程度所用的時(shí)間越短。同時(shí)，頁(yè)巖油生產(chǎn)具有初期產(chǎn)量高、產(chǎn)量遞減快、穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短的特點(diǎn)，與實(shí)際生產(chǎn)情況相符。根據(jù)模擬結(jié)果，在設(shè)定的模型條件下，頁(yè)巖油生產(chǎn)至1年即可開采出70%以上的彈性儲(chǔ)量，之后產(chǎn)量較低。因此在后面的計(jì)算中，以生產(chǎn)1年的累積產(chǎn)油量計(jì)算頁(yè)巖油動(dòng)用程度并進(jìn)行分析。

3.2 滲透率對(duì)可動(dòng)性的影響

圖4a為砂巖層滲透率對(duì)頁(yè)巖動(dòng)用程度的影響曲線，不同垂向滲透率與水平滲透率比值下的可動(dòng)性主要分為兩類：①當(dāng)該比值小于10-8的時(shí)候，頁(yè)巖油的可動(dòng)程度不受砂巖滲透率的影響；②當(dāng)該比值大于10-6的時(shí)候，隨著砂巖滲透率增高，頁(yè)巖油的可動(dòng)用程度逐漸增加。

圖4b為滲透率各向異性對(duì)頁(yè)巖油可動(dòng)性的影響曲線，主要分為3部分：①當(dāng)垂向滲透率與水平滲透率的比值小于10-8時(shí)，頁(yè)巖油可動(dòng)用程度非常低且不受粘度和砂巖滲透率的影響。②當(dāng)該比值為10-8～10-7時(shí)，可動(dòng)用程度迅速升高。頁(yè)巖油可動(dòng)程度隨砂巖滲透率增大而增大，當(dāng)砂巖滲透率從10-7μm2增大至10-1μm2時(shí)，可動(dòng)用程度增加不明顯，說(shuō)明砂巖滲透率為10-7μm2時(shí)1年內(nèi)動(dòng)用程度已經(jīng)接近最大值。對(duì)于中高粘度的油，砂巖滲透率為10-4μm2時(shí)可動(dòng)程度與砂巖滲透率為10-5μm2時(shí)相比仍有明顯提升，說(shuō)明需要較高的砂巖滲透率才能使可動(dòng)性達(dá)到理想值。③當(dāng)垂向滲透率與水平滲透率的比值大于10-7時(shí)，在所有的算例中頁(yè)巖油可動(dòng)用程度不再隨著該比值的增大而增加。

圖3 頁(yè)巖油動(dòng)用程度隨生產(chǎn)時(shí)間的變化Fig.3 The variation of shale oil production with timea.低粘度油；b.中粘度油

圖4 滲透率對(duì)頁(yè)巖動(dòng)用程度的影響Fig.4 The impacts of permeability on shale oil productiona.砂巖滲透率對(duì)頁(yè)巖動(dòng)用程度的影響；b.低粘度頁(yè)巖油可動(dòng)性隨砂巖滲透率、頁(yè)巖垂向/水平滲透率比值的變化

3.3 頁(yè)巖油可動(dòng)性綜合分析

在分析了頁(yè)巖油可動(dòng)性隨砂巖紋層滲透率和垂相滲透率的變化后，3種粘度下的頁(yè)巖油可動(dòng)性隨3種滲透率變化關(guān)系如圖5所示。兩條水平軸分別為砂巖滲透率和垂直滲透率與水平滲透率的比值，縱軸為頁(yè)巖油的可動(dòng)程度。頁(yè)巖油可動(dòng)性的不同階段分析如下(考慮實(shí)際情況，三維圖中僅畫出了垂向滲透率/水平滲透率為0.001～1的部分)：①當(dāng)砂巖滲透率較低時(shí)，三維圖中的可動(dòng)性處于底部，表示頁(yè)巖油幾乎不可動(dòng)。其物理意義為砂巖滲透率過(guò)低時(shí)砂巖層提供的傳輸作用有限，使得頁(yè)巖油無(wú)法充分利用砂巖紋層運(yùn)移。②當(dāng)砂巖滲透率適中時(shí)，三維圖的可動(dòng)性處于斜坡帶，表示在該取值范圍內(nèi)，頁(yè)巖油的可動(dòng)性隨著砂巖滲透率的增長(zhǎng)而增大。其物理意義為，在垂向流動(dòng)能力足夠的情況下，增加砂巖滲透率可以有效增加竄流量，從而提高頁(yè)巖油的可動(dòng)性。③當(dāng)砂巖滲透率大于特定程度時(shí)，如圖中黃色部分所示，三維圖的可動(dòng)性處于頂部平臺(tái)區(qū)。此時(shí)的可動(dòng)性不隨著砂巖滲透率的增加而變化。其物理意義為此時(shí)的垂向滲透率已經(jīng)能保證充分的竄流，而砂巖滲透率能夠保證來(lái)自頁(yè)巖層的流體以較快的速度流入壓裂縫，頁(yè)巖油達(dá)到理想的可動(dòng)用條件。對(duì)比不同粘度的頁(yè)巖油可動(dòng)性三維圖可以發(fā)現(xiàn)，理想可動(dòng)性隨著粘度的增加而減小。此外，低粘度頁(yè)巖油的平臺(tái)區(qū)最大，反之高粘度頁(yè)巖油的平臺(tái)區(qū)最小，這是因?yàn)楦Z流的困難程度隨著流體粘度的增加而加大，此時(shí)需要更高的滲透率來(lái)保證相同程度的竄流。

3.4 垂直裂縫對(duì)可動(dòng)性的影響

為了比較裂縫間距對(duì)頁(yè)巖油可動(dòng)性的影響，選取兩種代表性的油藏條件，分別為：①高砂巖滲透率(10-3μm2)、低垂直滲透率/水平滲透率(10-3)；②低砂巖滲透率(10-6μm2)、低垂直滲透率/水平滲透率(10-3)。圖6為如上兩種油藏條件下頁(yè)巖油可動(dòng)性隨裂縫條數(shù)的變化。由圖可見(jiàn)，在高砂巖滲透率的情況下，3種粘度油不需要裂縫均可達(dá)到最大可動(dòng)性。當(dāng)砂巖滲透率降低時(shí)，低粘度油需要10 m間距的裂縫來(lái)達(dá)到最大可動(dòng)性,而中高粘度油需要5 m間距的裂縫來(lái)達(dá)到最大可動(dòng)性。

同時(shí)由圖6可以看出，對(duì)于不同粘度的油，隨垂向裂縫條數(shù)增加，頁(yè)巖油達(dá)到理想可動(dòng)性所需的砂巖滲透率減小，說(shuō)明對(duì)于裂縫發(fā)育程度好的儲(chǔ)層，需要較小的砂巖滲透率，即可達(dá)到可動(dòng)用程度理想值。由于紋層的厚度取值僅為0.1 mm，因此在垂向滲透率/水平滲透率為0.001～1的范圍內(nèi)，頁(yè)巖油動(dòng)用程度無(wú)明顯變化，即當(dāng)砂巖滲透率滿足條件時(shí)，垂向滲透率/水平滲透率在0.001～1的范圍內(nèi)均能達(dá)到可動(dòng)性理想值。為了表示砂巖滲透率、垂向/水平滲透率之比和裂縫條數(shù)對(duì)頁(yè)巖油動(dòng)用程度的影響，以粘度為5 mPa·s的油為例，把頁(yè)巖油生產(chǎn)1年的動(dòng)用程度達(dá)到或接近理論彈性采收率時(shí)對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)層物性定義為頁(yè)巖油開采邊界條件，繪制了三坐標(biāo)系圖版(圖7)，以帶顏色區(qū)表示達(dá)到理想動(dòng)用程度的參數(shù)邊界。由圖可見(jiàn)，較高的砂巖滲透率和裂縫條數(shù)將降低對(duì)儲(chǔ)層條件的要求，增加可動(dòng)用儲(chǔ)層范圍。

圖5 頁(yè)巖油可動(dòng)性隨滲透率各向異性的變化Fig.5 The variation of shale oil movability with permeability anisotropya.低粘度油(0.55 mPa·s);b.中粘度油(5.0 mPa·s);c.高粘度油(10 mPa·s)

圖6 裂縫間距對(duì)頁(yè)巖油可動(dòng)性的影響Fig.6 Impacts of fracture distribution on shale oil movabilitya.較高的砂巖滲透率;b.較低的砂巖滲透率

圖7 紋層狀頁(yè)巖油達(dá)到理想動(dòng)用程度的儲(chǔ)層參數(shù)Fig.7 Formation conditions for ideal movable level of laminated shale reservoir(以紅色區(qū)域?yàn)槔?，?dāng)裂縫條數(shù)為50條時(shí)，頁(yè)巖儲(chǔ)層能達(dá)到彈性采收率的儲(chǔ)層條件為：砂巖滲透率>10-7 μm2，頁(yè)巖的垂 向/水平滲透率比介于10-3～100。)

4 結(jié)論

1) 建立了紋層狀頁(yè)巖油儲(chǔ)層動(dòng)用程度計(jì)算方法，評(píng)價(jià)了不同儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)頁(yè)巖油動(dòng)用程度的影響，進(jìn)行了不同參數(shù)對(duì)頁(yè)巖油可動(dòng)性的敏感性分析和變化規(guī)律研究，為劃分儲(chǔ)層性質(zhì)、判定開發(fā)有利區(qū)提供了方法和理論依據(jù)。

2) 通過(guò)模擬計(jì)算結(jié)果，分析了頁(yè)巖油藏彈性開采過(guò)程中的流動(dòng)機(jī)理。由于頁(yè)巖層與砂巖層間的滲透率差異，開采過(guò)程中壓力波傳播速度不同，在頁(yè)巖層和砂巖層之間產(chǎn)生壓差，頁(yè)巖層中的油主要通過(guò)相鄰的高滲砂巖紋層流出，砂巖紋層能有效溝通頁(yè)巖、擴(kuò)大波及面積、提高動(dòng)用范圍。

3) 通過(guò)模擬分析，頁(yè)巖油藏高效開發(fā)的有利條件為：砂巖-頁(yè)巖交互發(fā)育的紋層狀頁(yè)巖油儲(chǔ)層；滲透率較高的砂巖紋層；垂直于紋層方向且高發(fā)育程度的天然微裂縫系統(tǒng)；優(yōu)質(zhì)的原油物性參數(shù)(低粘度、高溶解氣油比和壓縮系數(shù))；當(dāng)砂巖滲透率足夠高時(shí)，頁(yè)巖紋層的主要作用為原油儲(chǔ)集空間，砂巖紋層為提供有利通道，頁(yè)巖滲透率的影響可以忽略。

4) 紋層狀頁(yè)巖油藏的流動(dòng)過(guò)程和動(dòng)用程度受砂巖層和頁(yè)巖層垂向及水平滲透率、儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度、儲(chǔ)層流體性質(zhì)、動(dòng)態(tài)生產(chǎn)壓差等多種因素綜合影響，該過(guò)程為非穩(wěn)態(tài)的多尺度多物理場(chǎng)問(wèn)題，常規(guī)的雙重介質(zhì)模型和等效介質(zhì)模型不能準(zhǔn)確描述，針對(duì)具體開發(fā)問(wèn)題，需結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)和大量的模擬計(jì)算得到規(guī)律性認(rèn)識(shí)。