胡志明，端祥剛，常 進(jìn)，李武廣，沈 瑞

(1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石油西南油氣田分公司，四川 成都 610066)

0 引 言

非常規(guī)油氣在全球油氣產(chǎn)量中的作用和地位不斷加強(qiáng)，中國(guó)非常規(guī)油氣資源豐富，發(fā)展?jié)摿薮?。未?lái)天然氣的持續(xù)上產(chǎn)主要來(lái)源于非常規(guī)天然氣[1-2]。作為源儲(chǔ)一體的非常規(guī)天然氣，煤層氣和頁(yè)巖氣在地質(zhì)條件、儲(chǔ)層物性及開發(fā)特征等方面既有相似性，又具有很大的差異性[3-5]。煤層氣開發(fā)較早[6]，美國(guó)、加拿大、中國(guó)以及澳大利亞等國(guó)均已形成了工業(yè)規(guī)模。

頁(yè)巖儲(chǔ)層和煤巖儲(chǔ)層非常致密，都必須壓裂才會(huì)形成工業(yè)產(chǎn)量，儲(chǔ)層中均含有大量的吸附氣，頁(yè)巖儲(chǔ)層壓力較高，一般處于超壓狀態(tài)，因此，游離氣含量較多，而煤層氣儲(chǔ)層壓力一般較低，游離氣量較少[7-8]。頁(yè)巖和煤巖的儲(chǔ)層物性和賦存狀態(tài)的差異性，導(dǎo)致頁(yè)巖氣和煤層氣的氣體產(chǎn)出規(guī)律具有明顯的不同[2，5，9-13]，因此，對(duì)應(yīng)的開發(fā)技術(shù)政策和開發(fā)方案也具有較大差異[9，14-15]。目前，關(guān)于頁(yè)巖氣和煤層氣的產(chǎn)量及產(chǎn)氣特征研究大多基于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析[16-17]，對(duì)二者的產(chǎn)氣規(guī)律和開發(fā)特征的基礎(chǔ)研究并不深入，考慮儲(chǔ)層特征與氣體賦存狀態(tài)的開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)更是少之又少。為了深入探討不同賦存狀態(tài)氣體的動(dòng)用規(guī)律對(duì)頁(yè)巖氣和煤層氣開采特征的影響，建立了高精度的多測(cè)點(diǎn)衰竭開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，選取具有代表性的沁水盆地的煤巖樣品和四川盆地的頁(yè)巖樣品進(jìn)行了開采模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了不同吸附氣比例的頁(yè)巖氣與煤層氣的壓力傳播和氣體產(chǎn)出規(guī)律的差異性，深化了頁(yè)巖氣和煤層氣2種氣藏類型的開發(fā)特征認(rèn)識(shí)，從而為2種氣藏的開發(fā)技術(shù)對(duì)策制訂提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

頁(yè)巖樣品選取四川盆地志留系龍馬溪組龍一1亞段，煤巖樣品取自沁水盆地煤層，實(shí)驗(yàn)巖樣的具體參數(shù)見表1。為真實(shí)反映天然氣在儲(chǔ)層中的滲流特征，以純度為99.99%甲烷氣作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)。等溫吸附曲線測(cè)試采用美國(guó)CORELAB公司的GAI-100高壓氣體等溫吸附儀，其最大工作壓力為69 MPa，恒溫油浴溫度最高可達(dá)177 ℃?？紫抖葴y(cè)試采用氦氣膨脹法，實(shí)驗(yàn)裝置為PoroPerm-200型孔滲儀。滲透率測(cè)試采用經(jīng)典穩(wěn)態(tài)滲透率測(cè)試方法，并考慮滑脫效應(yīng)，用Klinkenberg原理得出了相應(yīng)的克氏滲透率。

頁(yè)巖儲(chǔ)層和煤巖儲(chǔ)層都需經(jīng)過(guò)壓裂后建立流動(dòng)通道，由于裂縫的導(dǎo)流能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基質(zhì)的導(dǎo)流能力，在氣體的長(zhǎng)期生產(chǎn)過(guò)程中，氣體流動(dòng)主要是基質(zhì)向裂縫的供給流動(dòng)。為模擬縫面附近的基質(zhì)供給區(qū)氣體向裂縫的一維流動(dòng)，采用多巖心串聯(lián)的方式建立多測(cè)點(diǎn)衰竭開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要設(shè)備包括ISCO泵、高壓體積流量計(jì)、高精度壓力傳感器、巖心夾持器、中間容器、環(huán)壓泵及甲烷檢測(cè)防爆裝置等。通過(guò)設(shè)置沿程測(cè)壓點(diǎn)可直接獲取壓力在基質(zhì)中的傳播距離，然后根據(jù)產(chǎn)氣規(guī)律和壓力剖面計(jì)算距離縫面不同深度的基質(zhì)塊的氣體動(dòng)用情況。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品基本物性參數(shù)

實(shí)驗(yàn)步驟主要包括：①先檢查系統(tǒng)的氣密性，再將巖心在105 ℃下烘干48 h，在干燥皿中冷卻至室溫后放入夾持器，加環(huán)壓至35 MPa。②恢復(fù)儲(chǔ)層原始賦存狀態(tài)，采用恒壓模式將甲烷氣注入巖心中，記錄各測(cè)點(diǎn)壓力。飽和至巖心各測(cè)點(diǎn)壓力至30 MPa后關(guān)閉氣源，然后觀察各測(cè)點(diǎn)壓力，如96 h內(nèi)各測(cè)點(diǎn)壓力不再變化，則認(rèn)為巖心恢復(fù)至原始賦存狀態(tài)。由于頁(yè)巖儲(chǔ)層的致密性與吸附特性，該過(guò)程可長(zhǎng)達(dá)幾天，甚至幾十天。③打開出口，開始衰竭開發(fā)實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)記錄各測(cè)點(diǎn)壓力和出口端產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 吸附氣賦存特征

頁(yè)巖氣和煤層氣均含有大量的吸附氣。其中，煤層中吸附氣約占80%～90%，游離氣約占10%～20%，只有極少量溶于煤層裂隙地下水中而呈溶解態(tài)[13]；頁(yè)巖中吸附氣比例分布差異較大，不同地區(qū)和類型氣藏的吸附氣比例為20%～80%。與煤層不同的是，頁(yè)巖儲(chǔ)層一般埋藏較深，屬于超壓氣藏，因此，游離氣的含量較高。目前，商業(yè)開發(fā)的長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)等氣田的游離氣含量均超過(guò)了60%[2，6]。采用高壓等溫吸附儀測(cè)試頁(yè)巖樣品和煤巖樣品的等溫吸附曲線見圖1。

圖1 頁(yè)巖和煤巖的高壓等溫吸附曲線

由圖1可知，隨壓力增加，測(cè)試吸附量逐漸增加，達(dá)到一定壓力后，吸附逐漸達(dá)到飽和，隨后等溫吸附曲線開始下降。這主要是因?yàn)椴捎萌莘e法測(cè)試的吸附量為過(guò)剩吸附量，即隨壓力增加，吸附氣達(dá)到飽和狀態(tài)，吸附層密度增加幅度趨于平緩，而隨壓力持續(xù)增加，游離氣密度持續(xù)增加。因此，采用二者密度差計(jì)算的過(guò)剩吸附量曲線呈先迅速增加后下降的趨勢(shì)，實(shí)際上吸附層的絕對(duì)吸附量是隨壓力的增加而持續(xù)增加的[6]。

由圖1可知，煤巖樣品的最大過(guò)剩吸附量達(dá)到了13.50 m3/t，頁(yè)巖樣品的最大過(guò)剩吸附量?jī)H為1.45 m3/t，說(shuō)明煤巖的吸附能力遠(yuǎn)大于頁(yè)巖的吸附能力。主要是由于煤巖中有機(jī)顯微組分和碳含量對(duì)煤巖的吸附能力影響最大，同等條件下煤巖中碳含量越高，吸附能力越強(qiáng)，而頁(yè)巖的有機(jī)碳含量是影響頁(yè)巖吸附能力的主要因素，頁(yè)巖的有機(jī)碳含量遠(yuǎn)低于煤巖的碳含量，煤巖的吸附氣量是其含氣量的主要來(lái)源[13]。研究認(rèn)為[14]，頁(yè)巖樣品和煤巖樣品的吸附和解吸過(guò)程是可逆的，根據(jù)等溫吸附曲線特征，過(guò)剩吸附量曲線的最大值對(duì)應(yīng)的壓力為臨界壓力，當(dāng)儲(chǔ)層壓力大于該壓力時(shí)，儲(chǔ)層吸附氣處于吸附飽和狀態(tài)，吸附氣基本不動(dòng)用，氣井基本不會(huì)產(chǎn)出吸附氣，只有當(dāng)壓力小于臨界壓力時(shí)，吸附態(tài)氣體才會(huì)發(fā)生大量的解吸，變成游離氣被采出。

2.2 壓力傳播規(guī)律

儲(chǔ)層壓力是吸附氣和游離氣動(dòng)用的關(guān)鍵參數(shù)，為了獲取氣井動(dòng)態(tài)開發(fā)過(guò)程中儲(chǔ)層壓力的變化情況，建立了頁(yè)巖樣品和煤巖樣品的多測(cè)點(diǎn)衰竭式開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)，直接測(cè)量了距離縫面不同距離的基質(zhì)壓力傳播剖面及其隨生產(chǎn)時(shí)間的變化曲線(圖2)。

實(shí)驗(yàn)中5塊巖心串聯(lián)總長(zhǎng)度均約為20 cm，生產(chǎn)時(shí)間達(dá)300.00 d以上。其中，頁(yè)巖樣品的基質(zhì)滲流能力較低，平均基質(zhì)滲透率為0.000 25 mD，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)氣時(shí)間長(zhǎng)達(dá)315.00 d，目前仍在持續(xù)產(chǎn)氣中，入口壓力從初始的30.0 MPa降至9.7 MPa；煤巖樣品的滲透率均值為0.080 00 mD，初期壓力降低較快，在1.40 d內(nèi)壓力已降至12.0 MPa以下，生產(chǎn)時(shí)間為326.00 d時(shí)，入口壓力降至3.6 MPa，越到生產(chǎn)后期，壓力變化幅度越小。由圖2可知，在初始開采階段，各測(cè)點(diǎn)的壓力剖面與砂巖等常規(guī)氣藏一樣，動(dòng)邊界內(nèi)呈“上凸型”壓降漏斗，越靠近采出端，壓降越大；隨著生產(chǎn)繼續(xù)，各測(cè)點(diǎn)壓力逐漸降低，當(dāng)壓力降至約為15.0 MPa時(shí)，壓力剖面逐漸由“上凸型”轉(zhuǎn)為“下凹型”，且壓力越低，該趨勢(shì)越明顯。這主要是因?yàn)槲綒獾拇罅抗┙o，導(dǎo)致靠近出口端的低壓區(qū)壓力降幅變緩，而遠(yuǎn)端測(cè)壓點(diǎn)吸附氣尚未動(dòng)用，主要產(chǎn)出游離氣，越到生產(chǎn)后期，吸附氣的供給導(dǎo)致后期壓力剖面更加平緩。

頁(yè)巖樣品和煤巖樣品的滲流能力差異很大，頁(yè)巖的壓力傳播到邊界(入口)的時(shí)間約為6.00 d，而煤樣僅用了0.01 d傳播到邊界。煤巖樣品測(cè)試的滲透率不高，由于煤結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性和不均一性，孔徑分布跨度范圍很大，煤巖樣品中大孔及裂隙大量存在，成為氣體流動(dòng)的主要通道[15]，同時(shí)煤巖樣品的氣體主要以吸附氣存在，實(shí)驗(yàn)樣品吸附氣占比約為80%，游離氣量相對(duì)較少，因此，前期壓力下降幅度較快。煤巖樣品基質(zhì)中存在大量的吸附氣，壓力降低后吸附氣解吸供給，壓力降幅明顯變緩，吸附氣的供給導(dǎo)致煤層氣處于長(zhǎng)期的低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期。生產(chǎn)300.00 d以后，頁(yè)巖巖心的壓力普遍較高，有大量吸附氣未動(dòng)用，動(dòng)用的氣量仍然以游離氣為主。

2.3 氣體產(chǎn)出規(guī)律

根據(jù)出口端氣體的計(jì)量可獲得頁(yè)巖樣品和煤巖樣品的產(chǎn)氣速率與采出程度隨生產(chǎn)時(shí)間的關(guān)系曲線(圖3)。

圖2 頁(yè)巖和煤巖的壓力產(chǎn)出剖面

由圖3可知，煤巖樣品和頁(yè)巖樣品的產(chǎn)氣速率隨生產(chǎn)時(shí)間呈數(shù)量級(jí)式遞減，與現(xiàn)場(chǎng)L型產(chǎn)量遞減曲線的規(guī)律基本一致。實(shí)驗(yàn)中初期采出程度較高，隨后產(chǎn)氣速率迅速降低，進(jìn)入低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期，生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)到300.00 d以上，頁(yè)巖和煤巖仍在持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣中，巖心內(nèi)仍保持較高的壓力，煤巖樣品的平均壓力遠(yuǎn)低于頁(yè)巖樣品的平均壓力，煤巖產(chǎn)氣速率遠(yuǎn)大于頁(yè)巖產(chǎn)氣速率。壓力越高，巖心中的氣量越大，對(duì)應(yīng)產(chǎn)氣速率越大[18]，煤巖產(chǎn)氣速率高的主要原因是煤中存在大量吸附氣。生產(chǎn)后期壓力越低，解吸的氣量越大，大量的吸附氣是煤層氣后期穩(wěn)產(chǎn)的主要來(lái)源。由圖3可知，煤巖采出程度達(dá)到了95%以上，而頁(yè)巖采出程度僅達(dá)到75%。當(dāng)生產(chǎn)時(shí)間超過(guò)100.00 d，頁(yè)巖游離氣被采出之后，由于吸附氣解吸緩慢，采出程度趨于平緩，而煤巖采出程度是緩慢持續(xù)增加，說(shuō)明有大量吸附氣的持續(xù)供給，頁(yè)巖的采出氣大部分來(lái)源于生產(chǎn)前期游離氣的貢獻(xiàn)，在后期雖然吸附氣也供給，但貢獻(xiàn)比例遠(yuǎn)小于煤層。

圖3 頁(yè)巖樣品和煤巖樣品的采出程度與產(chǎn)氣速率隨生產(chǎn)時(shí)間的變化

為進(jìn)一步對(duì)比吸附氣對(duì)產(chǎn)氣量的貢獻(xiàn)，采用單位壓降產(chǎn)氣量表征巖心系統(tǒng)中壓力平均每降低1 MPa的產(chǎn)氣量(圖4)。

圖4 頁(yè)巖和煤巖樣品單位壓降產(chǎn)氣量與平均壓力的關(guān)系

由圖4可知，在生產(chǎn)初期壓力較高時(shí)，頁(yè)巖氣和煤層氣的產(chǎn)氣速率維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平，隨壓力降至一定水平，頁(yè)巖儲(chǔ)層和煤層的單位壓降產(chǎn)氣量明顯上升。主要原因是吸附氣開始解吸，吸附氣解吸變成游離態(tài)并被采出，且吸附氣量越大，該上升的幅度越明顯。截至生產(chǎn)后期，由于煤巖中氣體的流動(dòng)能力較強(qiáng)，巖心內(nèi)平均壓力遠(yuǎn)低于頁(yè)巖，巖心內(nèi)的壓力均低于臨界解吸壓力，吸附氣的大量解吸導(dǎo)致煤巖的單位壓降產(chǎn)氣量迅速增加。在實(shí)驗(yàn)中，為保持實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比性，煤巖樣品和頁(yè)巖樣品的實(shí)驗(yàn)壓力均為30.0 MPa，而實(shí)際煤層的儲(chǔ)層壓力很低，且處于欠壓狀態(tài)，因此，對(duì)應(yīng)的游離氣量更少。煤層中的吸附氣量越多，對(duì)后期累計(jì)產(chǎn)氣量的貢獻(xiàn)越大，因此，煤層氣產(chǎn)量來(lái)源主要依靠壓力降低的吸附氣解吸供給。

3 頁(yè)巖氣與煤層氣開發(fā)實(shí)踐指導(dǎo)

對(duì)于頁(yè)巖氣和煤層氣，儲(chǔ)層物性和氣體賦存狀態(tài)的差異性導(dǎo)致了其產(chǎn)氣規(guī)律的不同：頁(yè)巖氣生產(chǎn)前期采出程度迅速上升，主要來(lái)源于游離氣的貢獻(xiàn)，后期吸附氣緩慢供給；煤層的產(chǎn)出氣主要依靠吸附氣，采出程度一直處于緩慢上升的階段。因此，對(duì)于頁(yè)巖，高效動(dòng)用游離氣是快速建產(chǎn)的主要途徑，而對(duì)于煤層氣，高效動(dòng)用吸附氣則是其形成高產(chǎn)的主控因素。實(shí)際生產(chǎn)中，煤層氣的生產(chǎn)特征與頁(yè)巖氣的下降曲線有所不同，由于煤層普遍含水，煤層氣的生產(chǎn)曲線為負(fù)下降曲線，即產(chǎn)氣量先上升，達(dá)到高峰后再緩慢下降，可持續(xù)很長(zhǎng)的開采期(20～30 a)[17]，而頁(yè)巖氣一般在前3 a能采出約70%的氣量[19]，因此，需要針對(duì)不同儲(chǔ)層和賦存狀態(tài)氣體的動(dòng)用規(guī)律建立相應(yīng)的開發(fā)技術(shù)政策。

由等溫吸附曲線和開采特征曲線可知[12]，隨壓力降至臨界解吸壓力，吸附氣開始大量解吸，單位壓降產(chǎn)氣量呈指數(shù)遞增，儲(chǔ)量快速增加，同時(shí)壓力降低，擴(kuò)散作用增強(qiáng)，氣體的流動(dòng)能力也相對(duì)增強(qiáng)。因此，在頁(yè)巖氣藏的開采過(guò)程中，應(yīng)泄壓生產(chǎn)，盡快降低井底壓力，達(dá)到臨界解吸壓力以下，使得游離氣和吸附氣有效動(dòng)用；對(duì)于煤層，通過(guò)排水降壓降低儲(chǔ)層壓力，使煤層氣解吸產(chǎn)出，可采用加密井網(wǎng)部署，通過(guò)群井排水降壓，實(shí)現(xiàn)煤層的整體面積降壓，促使煤層氣大量解吸并產(chǎn)出。

4 結(jié)論及建議

(1) 頁(yè)巖和煤巖的地化特征和微觀結(jié)構(gòu)決定了其滲流能力與吸附能力的差異，煤巖樣品的吸附能力約為頁(yè)巖樣品的吸附能力的9倍，煤巖儲(chǔ)層中吸附氣(占比79%)占主導(dǎo)地位，頁(yè)巖儲(chǔ)層中游離氣占主導(dǎo)地位。

(2) 頁(yè)巖與煤巖壓力傳播速度均較慢，煤層動(dòng)用能力高于頁(yè)巖儲(chǔ)層，衰竭開發(fā)近1 a，頁(yè)巖儲(chǔ)層距縫面20 cm處壓力仍高于10.0 MPa，采出程度僅為75%，煤巖儲(chǔ)層均距縫面30 cm處壓力高于5.0 MPa，采出程度達(dá)到95%。開發(fā)中后期，隨壓力降低吸附氣逐步解吸并參與供給，頁(yè)巖和煤巖壓力下降速度均明顯變緩，單位壓降產(chǎn)氣量增加，煤巖樣品的單位壓降產(chǎn)氣量增加程度遠(yuǎn)高于頁(yè)巖。

(3) 頁(yè)巖氣開發(fā)技術(shù)政策應(yīng)以高效動(dòng)用游離氣為主，應(yīng)泄壓生產(chǎn)，盡快降低井底壓力，達(dá)到臨界解吸壓力以下，從而實(shí)現(xiàn)有效控制、高效采出。而煤層氣開發(fā)技術(shù)政策應(yīng)以有效動(dòng)用吸附氣為主，應(yīng)采用積極排水等方式主動(dòng)降壓，盡早動(dòng)用吸附氣。研究成果豐富了非常規(guī)天然氣開發(fā)理論，為頁(yè)巖氣和煤層氣的開發(fā)技術(shù)政策優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。