王程偉，李 蕾，蘇玉亮，曾旭智，盛廣龍，郝永卯

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266000)

0 引 言

頁巖氣主要賦存于富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖及其他巖性薄夾層中，具有自生自儲、無氣水界面、大面積連續(xù)成藏、納米級孔隙、烴類以游離或吸附態(tài)存在以及巖石微裂縫發(fā)育等特點(diǎn)[1-10]?；|(zhì)頁巖巖心致密，孔隙非常小，納米孔隙直徑為5～800 nm，孔喉直徑一般為10～20 nm[11-14]。國內(nèi)外學(xué)者通過大量實驗研究發(fā)現(xiàn)，由于氣體在頁巖儲層中以游離氣和吸附氣的形式存在，造成不同滲流條件下運(yùn)移規(guī)律復(fù)雜[15-28]，因此，在低速及高速滲流階段氣體流動不符合線性流動特征[29-32]。但目前尚未有人通過實驗方法研究低速條件下不同氣體在不同孔隙壓力下的滲流特征。因此，通過自主開發(fā)頁巖氣低速滲流裝置，研究頁巖氣在低速條件下的滲流特征及基質(zhì)頁巖應(yīng)力敏感性特征。

1 實驗方案

采用氦氣、甲烷作為氣體介質(zhì)進(jìn)行單相氣體頁巖低速滲流實驗，分析不同氣體在不同孔隙壓力下的低速滲流規(guī)律與特征。

1.1 實驗裝置

實驗裝置包括氮?dú)鈿馄浚琔YT-2型壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，自制氣體增壓裝置，自制可升溫巖心夾持器，真空泵，回壓閥，自制六通閥，自制微型氣體流量計，圍壓泵等。

1.2 實驗條件

實驗溫度為油藏溫度(80 ℃)，實驗過程中保證圍壓始終高于入口端壓力5.00 MPa，實驗樣品選用干燥的頁巖巖心，實驗氣體選用氦氣與甲烷。

1.3 實驗步驟

(1)將巖心烘干后冷卻至室溫，將其置于巖心夾持器中并控制溫度于80 ℃。

(2)將測試巖心抽真空，飽和氣。

(3)設(shè)定不同圍壓(0.00、1.00、2.00、5.00 MPa等)，調(diào)節(jié)氣體減壓閥，保證入口端與出口端依次存在0.10～0.90 MPa壓差，每個壓差穩(wěn)定時間至少12 h。

(4)采用氣測達(dá)西公式計算氣體滲透率。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中：Kg為氣測滲透率，mD；Qi為氣體流量，cm3/s；p0為大氣壓，MPa；p1為上游壓力，MPa；p2為下游壓力，MPa；μ為氣體黏度，mPa·s；L為巖心長度，cm；A為巖心橫截面積，cm2。

2 實驗數(shù)據(jù)處理及分析

2.1 不同氣體的穩(wěn)態(tài)滲透率

單相氣體測得的滲透率存在Klinkenberg效應(yīng)，不能代表頁巖的真實滲透率，需要進(jìn)行克式校正，將不同孔隙壓力下的氣測滲透率Kg與孔隙壓力pm進(jìn)行線性回歸即可得到等效液體滲透率，即克式滲透率。當(dāng)氣體不同時，對應(yīng)的滲透率變化規(guī)律各不相同，故研究氦氣與甲烷在80 ℃、0 MPa回壓下的滲透率情況，實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 甲烷與氦氣滲透率測試

由圖1可知，在相同壓力范圍內(nèi)，氦氣所測滲透率是甲烷所測滲透率的1.5～2.0倍。這是由于頁巖儲層對2種氣體的吸附能力不同所致，頁巖儲層對氦氣的吸附能力可以忽略不計，對甲烷的吸附能力最強(qiáng)。因此，甲烷分子吸附在孔隙壁面上，形成了致密的吸附層，吸附層的厚度會降低氣體的流動通道，從而降低孔隙的滲透率。

2.2 不同孔隙壓力下的穩(wěn)態(tài)滲透率

在實驗過程中保持圍壓與入口端存在5.00 MPa壓差，避免應(yīng)力敏感造成的滲透率變化。待出口端氣體流量穩(wěn)定后測定氣體流量，并利用氣測達(dá)西滲透率計算公式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 不同孔隙壓力下的頁巖滲透率(測試氣體為甲烷)

由圖2可知，隨著孔隙壓力的增加，利用甲烷測得的基質(zhì)巖心滲透率呈現(xiàn)出明顯的先上升后下降趨勢，并在回壓為5.00 MPa左右滲透率達(dá)到最大值。而相同條件下利用氦氣測得的滲透率不存在這種現(xiàn)象，隨著孔隙壓力的升高，滲透率總體呈現(xiàn)下降趨勢(圖3)。

圖3 不同壓力條件下的頁巖滲透率(測試氣體為氮?dú)?

根據(jù)氣體在巖心中的滲流規(guī)律可知，由于氣體在多孔介質(zhì)中的流動不同于液體，存在滑脫效應(yīng)，故隨著孔隙壓力的升高，巖心滲透率隨之降低，但是頁巖氣藏中氣體以自由態(tài)和吸附態(tài)2種形式存在，自由態(tài)常存在于裂縫及孔隙內(nèi)，吸附態(tài)常吸附于有機(jī)質(zhì)及其壁面。因此，有機(jī)質(zhì)多孔介質(zhì)表觀滲透率可以看做是自由氣滲透率和吸附氣滲透率之和，則有機(jī)質(zhì)多孔介質(zhì)表觀滲透率可以表示為[33]：

(2)

式中：Kad為視滲透率，mD；Ka為自由氣滲透率，mD；D為表面擴(kuò)散系數(shù)；M為氣體分子摩爾質(zhì)量，g·mol-1；Camax為壓力無窮大時吸附相的密度，g/cm3；μ為氣體黏度，mPa·s；pL為朗格繆爾壓力，MPa；ρ為氣體密度，g/cm3；p為孔隙壓力，MPa；Φeff為有效孔隙度。

基質(zhì)頁巖滲透率是2種滲透率共同作用的結(jié)果，當(dāng)孔隙壓力維持不變時，不同氣體在頁巖有機(jī)質(zhì)中的吸附作用是造成滲透率發(fā)生變化的最主要因素。

對比甲烷與氦氣滲流特征可以發(fā)現(xiàn)：隨著孔隙壓力的增加，甲烷氣體在有機(jī)質(zhì)中的吸附能力增強(qiáng)，吸附層厚度增加，吸附層滲透率占主導(dǎo)地位，有機(jī)質(zhì)多孔介質(zhì)滲透率呈現(xiàn)上升趨勢；但隨著孔隙壓力的升高，有機(jī)質(zhì)對甲烷的吸附能力存在一個飽和值，當(dāng)達(dá)到飽和值之后，吸附層厚度便不再隨著孔隙壓力的升高而變化，表觀滲透率中自由氣滲透率占主導(dǎo)地位。滲透率變化符合氣體滑脫滲流規(guī)律，隨著孔隙壓力的升高，滲透率不斷降低。相比于甲烷氣體，頁巖有機(jī)質(zhì)對氦氣的吸附作用非常小，可以忽略不計，通過對比實驗可以發(fā)現(xiàn)：隨著孔隙壓力的升高，吸附層滲透率影響非常微弱，自由氣滲透率影響占主導(dǎo)地位，滲流滿足氣體滑脫效應(yīng)，隨著孔隙壓力的升高滲透率逐漸下降。

2.3 不同滲透率巖心的滲流特征

由于氣體滑脫效應(yīng)受到頁巖巖心孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑分布、孔徑的影響較大。因此，不同滲透率巖心，甲烷氣體表現(xiàn)出不同的低速滲流規(guī)律。利用滲透率等級不同的2塊頁巖巖心進(jìn)行實驗，結(jié)果如圖4所示，并對實驗結(jié)果進(jìn)行擬合，得到兩塊巖樣的滲透率數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖4 不同滲透率巖心滲流曲線

表1 不同滲透率頁巖低速滲流實驗數(shù)據(jù)

由表1可知，巖心的滲透率、孔隙度越大，滑脫因子越小，并且隨著孔隙壓力的增大，甲烷在基質(zhì)頁巖中的滑脫效應(yīng)逐漸減弱，體現(xiàn)為氣測滲透率逐漸降低。將klinkenberg氣測滲透率計算公式變形，可推導(dǎo)出氣體滑脫效應(yīng)對滲透率貢獻(xiàn)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

(3)

式中：η為滑脫貢獻(xiàn)率，%；Kg為氣測滲透率，mD；K∞為Klinkenberg滲透率，mD；b滑為滑脫因子；pm為孔隙壓力，MPa。

通過式(3)計算不同巖心在不同壓力下的滑脫貢獻(xiàn)率，結(jié)果如表2所示。

表2 滑脫貢獻(xiàn)率分布數(shù)據(jù)

由表2可知，對于同一塊頁巖巖樣，驅(qū)替壓力降低，氣測滲透率增大，滑脫效應(yīng)增強(qiáng)，對氣體的滲透率貢獻(xiàn)也越大。說明增大驅(qū)替壓力能夠有效地降低滑脫效應(yīng)對滲透率的貢獻(xiàn)率，從而減弱氣體非線性滲流特征。

2.4 應(yīng)力敏感性分析

根據(jù)頁巖特征及礦場實際情況，通過應(yīng)力敏感實驗研究基質(zhì)頁巖的應(yīng)力敏感程度。實驗中將巖心圍壓穩(wěn)定在30.00 MPa，依次改變巖心入口與出口端壓力，并維持出入口壓差為1.50 MPa。分別測試不同孔隙壓力下的氣測滲透率，其中，每個壓力點(diǎn)均穩(wěn)定1 h以上，結(jié)果如圖5所示。

圖5 基質(zhì)巖心應(yīng)力敏感性測試

有效應(yīng)力為圍壓與孔隙壓力的差值，也可稱作凈圍壓。由圖5可知，隨有效應(yīng)力的減小，頁巖滲透率呈現(xiàn)指數(shù)上升的趨勢。當(dāng)有效應(yīng)力為20.00～25.00 MPa時，隨著有效應(yīng)力的增加，巖心滲透率保持平穩(wěn)并略有增加，原因是在高應(yīng)力范圍內(nèi)，巖心孔隙直徑進(jìn)一步縮小，氣體滑脫效應(yīng)增強(qiáng)，氣體滑脫效應(yīng)對滲透率的影響高于應(yīng)力敏感效應(yīng)。當(dāng)有效應(yīng)力達(dá)到15.00 MPa左右時，基質(zhì)頁巖中的微裂縫逐漸張開，導(dǎo)致巖心滲透率迅速升高。對比降壓過程與升壓過程可以發(fā)現(xiàn)，升壓過程中的滲透率普遍高于降壓過程中的滲透率，是因為當(dāng)巖心有效應(yīng)力升高時，巖心某些孔徑發(fā)生塑性變形，巖心裂縫完全閉合；當(dāng)有效應(yīng)力下降時，某些裂縫不能完全恢復(fù)正常狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致在降壓過程中的滲透率低于升壓過程中的滲透率。

3 開發(fā)實踐指導(dǎo)意義

(1)在頁巖氣開采初期，儲層有效應(yīng)力較小，頁巖氣儲層具有較高的滲流能力，產(chǎn)量較高。伴隨著頁巖氣的不斷開采，儲層孔隙壓力逐漸減小，由于應(yīng)力敏感作用使得儲層滲透率呈指數(shù)式下降，頁巖氣產(chǎn)量也急劇下降，根據(jù)實驗結(jié)果，產(chǎn)量預(yù)計在儲層有效應(yīng)力為20.00 MPa左右達(dá)到穩(wěn)定，儲層進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)階段。隨著有效應(yīng)力進(jìn)一步增加，由于頁巖滑脫導(dǎo)致滲透率在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上略有增加，頁巖儲層的應(yīng)力敏感性可較大幅度地影響氣井的產(chǎn)氣量與穩(wěn)產(chǎn)期，上述研究成果為頁巖氣井工作制度和開發(fā)技術(shù)政策的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

(2)在頁巖氣生產(chǎn)開發(fā)末期，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，地層壓力降低，生產(chǎn)壓差減小，頁巖儲層無法維持高壓差下的高速滲流階段，逐漸呈現(xiàn)出低速滲流特征。根據(jù)研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于甲烷氣體滑脫、吸附及應(yīng)力敏感等因素的共同作用，在低速滲流階段存在一段滲流能力較高的區(qū)域，因此，在頁巖氣儲層生產(chǎn)末期應(yīng)控制井底流壓以保證氣井具有較高產(chǎn)氣量。

綜上所述，頁巖氣滲流能力是由滑脫、吸附、擴(kuò)散、應(yīng)力敏感等多種因素所共同決定的，在頁巖氣生產(chǎn)的不同階段，各影響因素的作用程度也各不相同，故在頁巖氣實際生產(chǎn)開發(fā)過程中應(yīng)根據(jù)不同生產(chǎn)階段制訂出最佳的氣井生產(chǎn)制度，保證頁巖氣儲層具有較高的滲流能力，效益最大化地實現(xiàn)頁巖氣的開采。

4 結(jié) 論

(1)由于頁巖的微觀結(jié)構(gòu)以及氣體賦存狀態(tài)造成不同種類氣體在頁巖中的滲流規(guī)律各不相同。相同孔隙壓力下，由于吸附作用，氦氣測得的滲透率是甲烷測得的滲透率的1.5～2.0倍左右。相同有效應(yīng)力條件下，甲烷測得的滲透率曲線呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢，氦氣測得的滲透率曲線呈現(xiàn)下降趨勢。

(2)頁巖在低速滲流階段，氣體流動主要受滑脫效應(yīng)影響，隨著孔隙壓力的升高，氣體滑脫貢獻(xiàn)率降低，滑脫效應(yīng)減弱，同時，氣體滑脫效應(yīng)隨著巖心孔隙尺寸的升高而降低。

(3)頁巖開發(fā)過程中，應(yīng)力敏感性與滑脫效應(yīng)共同影響氣體的滲流能力。低速條件下的應(yīng)力敏感實驗結(jié)果表明，隨著有效應(yīng)力的增加，滲透率初期下降很快，當(dāng)有效應(yīng)力達(dá)到20.00 MPa左右，由于滑脫效應(yīng)影響增強(qiáng)，導(dǎo)致滲透率緩慢升高。