鄧 佳 呂子健 張 奇 宋付權(quán) , 李久江 趙廣杰

* (鄭州大學(xué)力學(xué)與安全工程學(xué)院,鄭州 450001)

? (中石化西北油田分公司采油三廠,新疆庫車 842000)

** (浙江海洋大學(xué)石油化工與能源工程學(xué)院,浙江舟山 316022)

引言

隨著全球能源需求的不斷增加,非常規(guī)油氣資源的開發(fā)利用成為解決能源危機(jī)的有效途徑[1-2].頁巖氣是一種重要的非常規(guī)油氣資源,其主要分布在中國(guó)、阿根廷、美國(guó)等地區(qū),中國(guó)頁巖氣資源分布廣泛[3],如圖1,并且經(jīng)探明其可采資源量達(dá)36 萬億立方米,占全球頁巖氣可采資源量的20%,居世界首位[4].

圖1 中國(guó)頁巖氣資源分布[3]Fig.1 Distribution of shale plays in China[3]

頁巖氣的成藏模式屬于典型的“自生自儲(chǔ)、原地成藏”,其構(gòu)成成份主要以甲烷為主(70%～ 90%),另外還含有少量其他輕質(zhì)烴等.頁巖氣賦存形態(tài)主要有兩種:一種是游離氣,通常賦存于基質(zhì)裂縫和粒間孔隙中;另一種是吸附氣,通常吸附在無機(jī)物或有機(jī)質(zhì)表面,其中吸附態(tài)氣體比例占總氣量的20%～80%.此外由于部分頁巖儲(chǔ)層含水,所以有部分頁巖氣以溶解氣賦存于水中[5,6].頁巖儲(chǔ)層基質(zhì)構(gòu)成復(fù)雜,含有豐富的有機(jī)質(zhì)和不同比例的無機(jī)礦物,主要包含有機(jī)物(干酪根)、黏土礦物(高嶺石、伊利石等)、石英、方解石、黃鐵礦等[7-9],由于納米孔的豐富,其構(gòu)成的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜且跨度大,一般可將頁巖孔隙分為微孔(＜ 2 nm)、中孔(2～ 50 nm)、大孔(＞ 50 nm)3 類[10-11].孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)頁巖油氣的賦存狀態(tài)和儲(chǔ)集能力有重要影響[12].Zhang 等[13]研究了頁巖儲(chǔ)層的孔隙特征,發(fā)現(xiàn)95.6%的頁巖孔隙是納米級(jí)孔隙,其中孔徑在2～ 50 nm 的中孔約占76%.頁巖氣賦存形式以及頁巖儲(chǔ)層的復(fù)雜性造成了開采方式的特殊性,頁巖氣開采通常采用水力壓裂法[14-16],在水力壓裂過程中,頁巖氣儲(chǔ)層被泵入大量液體,返排率通常較低.這一過程不僅需要消耗大量水資源,而且壓裂液中的添加劑存在污染地下水和地表水的風(fēng)險(xiǎn),壓裂也會(huì)造成頁巖儲(chǔ)層孔隙封閉、降低孔隙度等[16];與此同時(shí),CO2的利用和地下封存技術(shù)被認(rèn)為是緩解全球變暖的有效途徑之一[17].通過研究表明,CO2能夠封存于頁巖基質(zhì)中,并且在頁巖儲(chǔ)層中注入CO2會(huì)對(duì)頁巖氣產(chǎn)生驅(qū)替作用,從而提高頁巖氣采收率[18-19],CO2封存和提高天然氣采收率(CSEGR)技術(shù)的出現(xiàn)迅速得到研究人員的關(guān)注.相比較于水力壓裂法,CS-EGR 技術(shù)有很多優(yōu)勢(shì),如CO2的封存不會(huì)破壞原有的地層結(jié)構(gòu)、對(duì)頁巖儲(chǔ)層損害較小、可以提高頁巖氣的采收率、適用于更復(fù)雜的頁巖儲(chǔ)層等[19].

頁巖儲(chǔ)層基質(zhì)構(gòu)成及孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,CH4和CO2在納微米級(jí)孔隙中吸附及流動(dòng)機(jī)制不同于常規(guī)儲(chǔ)層,所以本文主要針對(duì)頁巖儲(chǔ)層納微米孔隙中CH4及CO2/CH4二元混合物的賦存狀態(tài)、吸附特性,分析了影響CH4在頁巖孔隙中吸附的主要影響因素,從實(shí)驗(yàn)、理論、數(shù)值模擬3 個(gè)方面綜述了CO2/CH4二元混合物在頁巖儲(chǔ)層納微米孔隙中的競(jìng)爭(zhēng)吸附特性及驅(qū)替特性,對(duì)于利用CS-EGR 技術(shù)高效開采頁巖氣發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望,具有重要的實(shí)際意義.

1 CH4 吸附特性

頁巖儲(chǔ)層納微米孔隙中的氣體通常被認(rèn)為是物理吸附,尹帥等[20]對(duì)頁巖中的CH4進(jìn)行了等溫吸附實(shí)驗(yàn)分析,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明CH4在該頁巖上的吸附熱大致在10～ 25 kJ/mol.隋宏光和姚軍[21]采用分子模擬的方法探究了CH4在干酪根壁面的吸附熱,研究結(jié)果表明CH4的最大吸附熱為21.42 kJ/mol,這些研究者均得到了CH4的吸附熱小于42 kJ/mol 的結(jié)果,證明了CH4氣體在頁巖儲(chǔ)層中屬于物理吸附.基于這一結(jié)論,許多研究人員通過實(shí)驗(yàn)及分子模擬等方法進(jìn)一步探究了頁巖儲(chǔ)層中影響CH4吸附的多種因素.

目前,從宏觀角度探討頁巖納微米孔隙中CH4的吸附特性主要采用實(shí)驗(yàn)的方法,并從頁巖中有機(jī)質(zhì)的特征、納米孔隙結(jié)構(gòu)、溫度和壓力等因素對(duì)頁巖吸附CH4能力的影響進(jìn)行研究[22-26].郭春禮等[27]對(duì)來自同一地區(qū)的修武盆地下寒武統(tǒng)海相頁巖做CH4吸附實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)影響CH4吸附的主要因素為有機(jī)質(zhì)含量(TOC)和孔隙結(jié)構(gòu).經(jīng)過頁巖微孔結(jié)構(gòu)定量表征發(fā)現(xiàn)頁巖中TOC 含量越高,會(huì)導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)中產(chǎn)生大量的中孔和微孔,而這些微孔越多,比表面積越大,又因?yàn)榇蟛糠諧H4分子吸附在微孔之中,少部分分子單層吸附在中孔中,所以氣體吸附位點(diǎn)越多,吸附能力就越強(qiáng)[28].不同地區(qū)頁巖吸附能力也有差距,沈偉軍等[29]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)美國(guó)Woodford 頁巖的等量吸附熱大于中國(guó)南方龍馬溪頁巖的等量吸附熱,這與頁巖物理性質(zhì)和成熟度有關(guān),頁巖吸附熱越大,吸附越強(qiáng).陳磊等[30]對(duì)采自四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組五段的頁巖樣品進(jìn)行高壓CH4等溫吸附實(shí)驗(yàn),也得出了類似的結(jié)論,即更不規(guī)則的孔隙表面與更復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)為CH4的吸附提供更多的空間,使頁巖的吸附能力更強(qiáng).朱漢卿等[31]通過實(shí)驗(yàn)也得出了TOC 含量是影響蜀南地區(qū)龍馬溪組海相頁巖吸附甲烷能力的主要因素的結(jié)論.

以上主要是頁巖本身的物理性質(zhì)差異帶來的吸附能力變化,除此之外的環(huán)境因素如溫度壓力等也會(huì)帶來很大影響[32].趙丹等[33]提出隨著壓力的升高,CH4分子的密度隨之增大,也更容易被頁巖吸附.同時(shí)密度增大還會(huì)導(dǎo)致CH4分子間斥力增大,甲烷在頁巖表面吸附逐漸趨于飽和,因此壓力的變化對(duì)吸附量的影響程度隨著壓力增大而逐步減小.薛培等[34]分別在30 °C,45 °C,60 °C 下對(duì)頁巖做了等溫吸附實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著溫度的升高,頁巖的吸附性能下降.同時(shí)也提出與前文類似的結(jié)論,影響頁巖對(duì)CH4吸附能力的因素還有有機(jī)質(zhì)成熟度以及黏土礦物的類型和含量,成熟度越高的頁巖中有機(jī)質(zhì)孔的數(shù)量也越多,比表面積越大,頁巖整體吸附能力越強(qiáng).分析五峰組頁巖樣品發(fā)現(xiàn),伊利石含量也與吸附CH4量成正相關(guān).此外,孔隙中的含水量也是一個(gè)影響因素,李靖等[35]研究了水分含量對(duì)CH4吸附的影響,狹縫孔隙考慮氣固界面的CH4吸附模型如圖2 所示，H為層間距.CH4吸附量可以用Langmuir方程表示為

圖2 狹縫孔隙氣固界面吸附示意圖[35]Fig.2 Schematics of gas-solid interface adsorption[35]

其中nad-dry為甲烷在干燥黏土表面的吸附量,mmol/g;Aslit為單個(gè)黏土晶層面積,m2/g;2Aslit為孔隙比表面積,m2/g;K為單位面積最大吸附量,mmol/m2;PL為蘭氏壓力,MPa;P為氣相壓力,MPa.

研究表明水分對(duì)孔隙中CH4吸附行為的影響主要表現(xiàn)為:部分小孔隙被水分阻塞而失去吸附能力;由于水分子形成水膜,大孔隙內(nèi)CH4由氣體在固體表面吸附轉(zhuǎn)化為氣體在液體表面吸附.在兩者綜合作用下,甲烷吸附能力降低約80%～ 90%[35-37].

雖然實(shí)驗(yàn)方法可以得到真實(shí)有效的吸附數(shù)據(jù),但是在進(jìn)行CH4的吸附實(shí)驗(yàn)時(shí)通常將頁巖樣品研磨成粉末,這就會(huì)導(dǎo)致頁巖樣品的孔隙度、粗糙度以及孔隙之間的連通性發(fā)生改變,所得到的頁巖吸附數(shù)據(jù)與真實(shí)頁巖氣藏的吸附出現(xiàn)偏差.因此,在以后的實(shí)驗(yàn)過程中如何保持頁巖樣品的完整性是得到真實(shí)頁巖儲(chǔ)層中頁巖氣吸附特性的關(guān)鍵,見圖3[38].

圖3 張家口新元古代下馬嶺頁巖顯微組分照片[38]Fig.3 Maceral photographs of the neoproterozoic Xiamaling shale[38]

由于尺度的限制,實(shí)驗(yàn)研究主要集中在頁巖基質(zhì)的宏觀吸附性能上[39],但是對(duì)微觀條件下頁巖氣吸附機(jī)理認(rèn)識(shí)不足,對(duì)頁巖氣運(yùn)移過程也無法直觀.因此近些年來,越來越多的研究人員使用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法探究頁巖納微米孔中氣體的吸附特性[40-41].

通過建立不同的壁面模型,更改溫度壓力等條件進(jìn)行運(yùn)算是分子動(dòng)力學(xué)模擬方法的主要形式.王擎等[42]通過建立蒙脫石、高嶺石、方解石和生石膏4 種礦物質(zhì)分子模型來進(jìn)行CH4吸附分子動(dòng)力學(xué)模擬,比較不同礦物種類對(duì)CH4吸附的影響,在相同的溫度壓力條件下,各種礦物類型對(duì)CH4氣體吸附量的結(jié)果為蒙脫石 ＞ 高嶺石 ＞ 生石膏 ＞ 方解石.這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似,說明礦物種類對(duì)頁巖儲(chǔ)層吸附CH4有很大影響.同時(shí)還發(fā)現(xiàn)4 種礦物中CH4的吸附量隨著壓力的增大而增大,直到接近恒定值.CH4吸附量隨著溫度的增加而減小,這是因?yàn)闇囟壬咴龃罅薈H4分子的動(dòng)能,使它不容易被礦物質(zhì)表面所吸附.Chen 等[43]通過分子動(dòng)力學(xué)模擬分別討論了溫度、壓力和壁面材料對(duì)宏觀解吸速度的影響,也得出了類似的結(jié)論:低壓時(shí),溫度越高,解吸速度越快;高壓時(shí),溫度越高,解吸速度越慢;低壓時(shí),不同壁面的解吸速度為石英 ＞ 高嶺石 ＞ 石墨,但在高壓條件下時(shí),解吸速度的大小關(guān)系變?yōu)槭?＞ 石墨 ＞ 高嶺石.Sui 等[44]的研究除了提出吸附量隨著壓力增加而增加,隨溫度升高而減少之外,還研究了孔徑對(duì)吸附的影響:在低壓條件下,微孔中的吸附量大于大孔中的氣體吸附量,在中高壓下,隨著孔徑的增大,氣體吸附量增大.以上分子動(dòng)力學(xué)模擬都得到了與實(shí)驗(yàn)相似的結(jié)論,即頁巖儲(chǔ)層中CH4吸附能力與有機(jī)質(zhì)類型、溫度、壓力、孔隙結(jié)構(gòu)等有關(guān).

但利用分子模擬探討納微米尺度下CH4的吸附特性也不盡完善,比如建立的壁面構(gòu)型較為單一,建立狹縫孔、柱狀孔以及碳納米管代替復(fù)雜的頁巖儲(chǔ)層能否被石油工程界認(rèn)可是一個(gè)重要問題.一方面,研究人員在建立壁面時(shí)應(yīng)該考慮壁面構(gòu)型的多樣性,如壁面粗糙度、孔喉與孔隙的迂曲度等問題,以建立更加真實(shí)的頁巖孔隙模型;另一方面,分子模擬在一定程度上加深了對(duì)相關(guān)吸附機(jī)理的認(rèn)識(shí),但模擬得到的結(jié)果有時(shí)會(huì)出現(xiàn)與理論相悖的現(xiàn)象,如吸附層厚度,對(duì)于這方面的研究需要進(jìn)一步探討.

2 CO2/CH4 二元混合物競(jìng)爭(zhēng)吸附特性

頁巖儲(chǔ)層納微米孔隙中CO2/CH4二元混合物的競(jìng)爭(zhēng)吸附特性是探討注CO2提高頁巖氣采收率的關(guān)鍵.陳強(qiáng)等[45]通過實(shí)驗(yàn)研究了頁巖納米孔內(nèi)CH4與CO2混合氣體的傳輸,色譜監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,CH4相對(duì)于CO2更容易通過頁巖,從而證實(shí)了超臨界CO2在頁巖納米孔內(nèi)的傳輸能力顯著弱于CH4.賈連超等[46]基于核磁共振測(cè)試技術(shù)對(duì)頁巖巖芯進(jìn)行解吸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明注入CO2后吸附態(tài)甲烷的解吸效率較自然解吸顯著提高,同時(shí)解吸速率從3.01%/h提升至13.69%/h,這是因?yàn)樵谧⑷隒O2后,吸附態(tài)甲烷的物質(zhì)的量下降,轉(zhuǎn)化為游離態(tài),還說明頁巖顆粒及表面對(duì)CO2氣體的吸附能力大于CH4,見圖4[47].

圖4 吸附裝置流程[47]Fig.4 Working principle of adsorption instrument[47]

孫瑩等[48]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比CH4和CO2的吸附能力,提出在相同條件下,CO2比CH4更易吸附,因此在頁巖儲(chǔ)集層中注入CO2可以促進(jìn)CH4的解吸,并有利于CO2的地質(zhì)埋存.并且在一定范圍內(nèi),增加CO2注入速率可以有效提高頁巖氣的采氣速率及采收率.卓亭妤等[49]向已經(jīng)達(dá)到吸附CH4平衡的鄂爾多斯盆地陸相延長(zhǎng)組頁巖通入CO2進(jìn)行實(shí)驗(yàn),提出在相同的壓力下,隨著溫度的升高,CH4的解吸速度也隨之增大,CO2的封存量則與其密度相關(guān),密度越大,CO2的封存量也越大.Liu 等[50]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),注入CO2可使吸附相剩余CH4氣體的回收率提高約25%,在常壓下每小時(shí)可提高約11%.

多位學(xué)者都證明了CO2在與CH4競(jìng)爭(zhēng)吸附中占據(jù)優(yōu)勢(shì),并且適當(dāng)改變溫度、壓力等影響條件可以提高CH4解吸速度[51-56],但為了定量描述二元混合物在孔隙中競(jìng)爭(zhēng)吸附行為,采用選擇性系數(shù)作為重要參數(shù),它可以用來評(píng)估吸附劑的性能,選擇性系數(shù)大于1 時(shí),說明在二元混合物中CO2分子比CH4分子優(yōu)先吸附于壁面(即吸附能力越強(qiáng)),選擇性系數(shù)越大,CO2分子優(yōu)先級(jí)越高[21].選擇性系數(shù)定義為

圖5 (a)高嶺石微孔中兩層吸附層:SAL,強(qiáng)吸附層;WAL,弱吸附層;(b)不同吸附層,高嶺石孔中CO2/CH4 的選擇性[67]Fig.5 (a) Two adsorption layers in kaolinite micropores.SAL,strong adsorption layer;WAL,weak adsorption layer.(b) Selectivity of CO2/CH4 in kaolinite pores at different adsorption layers[67]

CO2/CH4二元混合物在頁巖儲(chǔ)層納微米孔隙中的競(jìng)爭(zhēng)吸附特性是研究注CO2提高頁巖氣采收率的關(guān)鍵,目前利用實(shí)驗(yàn)方法與分子模擬方法從不同角度探討了CO2/CH4二元混合物的競(jìng)爭(zhēng)吸附特性,但是兩種研究方法得到的結(jié)果卻彼此獨(dú)立,并不能關(guān)聯(lián)耦合,從而無法指導(dǎo)高效采收頁巖氣.因此,在以后的研究中需要建立連接宏觀競(jìng)爭(zhēng)吸附特性與微觀競(jìng)爭(zhēng)吸附的橋梁,進(jìn)而指導(dǎo)注CO2提高頁巖氣采收率技術(shù).

3 CO2/CH4 二元混合物驅(qū)替特性

頁巖儲(chǔ)層中氣體復(fù)雜的貯存形式?jīng)Q定了其開采機(jī)理不同,對(duì)于吸附氣主要通過注入其他氣體對(duì)CH4進(jìn)行置換解吸,而對(duì)于游離氣則通過驅(qū)替得到.通過實(shí)驗(yàn)方法可以獲得氣體宏觀輸運(yùn)特性,而分子動(dòng)力學(xué)模擬方法從微觀角度來模擬開采過程[68],結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，建立相應(yīng)的理論模型描述頁巖基質(zhì)氣體輸運(yùn)規(guī)律[69],形成數(shù)值模擬技術(shù)，這些方法均為提高頁巖氣開采效率提供了新方法、新思路.

Oldenburg[70]運(yùn)用數(shù)值模擬探討CO2和CH4的物理性質(zhì),模擬結(jié)果表明,超臨界狀態(tài)下的CO2與CH4在密度、黏度和壓縮性方面差異顯著,因此,利用超臨界CO2作為驅(qū)替CH4的驅(qū)替氣體是完全可行的.Hughes 等[71]通過實(shí)驗(yàn)證明了超臨界CO2在CH4中的分散性小于0.000 1 m,并提出兩者的流度比小于1,因此黏性指進(jìn)也不會(huì)發(fā)生[72].其分散性描述如下

其中C分別為示蹤劑濃度,u(r) 為管內(nèi)徑向速度,D為分子擴(kuò)散系數(shù),t是時(shí)間,r為分子到管中心的徑向距離,x為沿管的距離.

Sidiq 和Amin[73]在研究超臨界CO2驅(qū)替CH4分散性的過程中,成功捕獲了超臨界CO2與CH4的非混相界面.此外還有許多學(xué)者的研究都證明了超臨界CO2驅(qū)替CH4有別于普通氣體的驅(qū)替過程,在兩者之間可能存在一個(gè)過渡帶,這為利用超臨界CO2驅(qū)替CH4提供了理論支持.

在前人的基礎(chǔ)上,許多研究人員利用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)一維CO2驅(qū)替CH4過程中的成分分布進(jìn)行了探討.Sidiq 和Amin[74]利用實(shí)驗(yàn)研究了不同孔隙壓力對(duì)CO2驅(qū)替CH4的影響,結(jié)果表明施加最高孔隙壓力(40.68 MPa)可以提高約40%的回收率.同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn),當(dāng)兩種氣相在多孔介質(zhì)中相遇時(shí),它們的界面是從一種純相到另一種純相的混溶區(qū),即在兩種純相之間存在著過渡帶.通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳擬合,得到氣-氣相相對(duì)滲透率模型如下

其中,分別為CO2與CH4的相對(duì)滲透率,為超臨界CO2的飽和度,fc為原始?xì)怏w中的甲烷濃度分?jǐn)?shù),方程中的變量a,b,c則通過方程(4)和方程(5)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合得到.

許多研究人員也得到了類似的結(jié)論[75-82],其中Shi 等[81]進(jìn)行了致密/低滲透儲(chǔ)層下CO2驅(qū)替CH4的實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明注入超臨界CO2時(shí),CO2不會(huì)廣泛地與天然氣混合,而是部分地與天然氣混合.同時(shí)由于超臨界CO2的密度大于天然氣,因此CO2傾向于沉降于儲(chǔ)層底部,形成受傾角約束的驅(qū)替鋒面.

Ma 等[82]采用二維模型運(yùn)用流體力學(xué)進(jìn)行模擬,得到不同注入時(shí)間下混合區(qū)的分布情況如圖6 所示.模擬結(jié)果表明隨著CH4的不斷注入,二氧化碳在儲(chǔ)層邊界處被驅(qū)替和壓縮,但混合程度明顯增加.同時(shí)混相界面的混合程度和傾角隨儲(chǔ)層厚度的增加而減小.以上學(xué)者的研究均證明了超臨界CO2驅(qū)替CH4的過程存在著一個(gè)過渡帶能夠起到類似活塞驅(qū)替的效果.

圖6 (a)注氣后22 m 厚儲(chǔ)層混合區(qū)域的分布;(b)不考慮重力影響,注氣后22 m 厚儲(chǔ)層混合區(qū)域的分布;(c)注氣后50 m 厚儲(chǔ)層混合區(qū)分布;(d)注氣后100 m 厚儲(chǔ)層混合區(qū)分布[82]Fig.6 (a) The distribution of the 22 m thick reservoir mixing zone after gas injection.(b) The distribution of the mixing zone of 22 m thick reservoir after gas injection without considering the influence of gravity.(c) The distribution of the 50 m thick reservoir mixing zone after gas injection.(d) The distribution of the 100 m thick reservoir mixing zone after gas injection[82]

目前對(duì)于油氣藏的注采方式多采用井網(wǎng)形式,因此研究井網(wǎng)條件下CO2/CH4驅(qū)替是很有必要的,能夠?yàn)楹笃贑H4的開采提供理論指導(dǎo).Patel 等[83]通過數(shù)值模擬建立了CO2驅(qū)替CH4的5 點(diǎn)井網(wǎng)模型,研究1/4 單元中驅(qū)替鋒面的移動(dòng)情況如圖7 所示.

圖7(a)為三維油藏模擬的平面.虛線表示滲透率不同的巖層,IW 和PW 分別表示注入井和生產(chǎn)井的位置.圖7(b)為超臨界層狀油藏模擬基本情況的成分分布的時(shí)間演化.箭頭表示局部流動(dòng)方向,長(zhǎng)度與流體速度的對(duì)數(shù)成正比.從圖中可以看出驅(qū)替鋒面較為狹窄,這是因?yàn)槌R界CO2與CH4的性質(zhì)差異顯著,所以導(dǎo)致超臨界CO2在CH4中的擴(kuò)散系數(shù)較小[71].同時(shí)Patel 等[83]通過模擬得到一個(gè)關(guān)鍵結(jié)果,將注入速度提高10 倍,CO2的突破時(shí)間僅減少6.7～8.2 倍,同時(shí)會(huì)使得CH4采收率提高.

圖7 (a)三維模擬結(jié)果的平面.IW 和PW 分別表示注入井和生產(chǎn)井的位置;(b)超臨界層狀油藏模擬基本情況的成分分布的時(shí)間演化[83]Fig.7 (a) 3D simulation results of the plane.IW and PW represent the location of the injection and production well.(b) Temporal evolution of component distribution in a supercritical layered reservoir simulation base case[83]

Song 等[84]根據(jù)納米多孔介質(zhì)儲(chǔ)層中頁巖氣的運(yùn)移機(jī)理,建立了一種新的多尺度氣體運(yùn)動(dòng)方程和頁巖氣運(yùn)移數(shù)學(xué)模型.提出在壓降壓力、裂縫半長(zhǎng)、裂縫導(dǎo)流能力、擴(kuò)散系數(shù)和裂縫間距之間進(jìn)行優(yōu)化配置,實(shí)現(xiàn)頁巖氣高效產(chǎn)能.

Liu 等[85]建立了注入井的位置、數(shù)量以及方式3 種數(shù)值模型,模擬結(jié)果表明重力對(duì)儲(chǔ)層中天然氣的驅(qū)替作用是積極的.因此,為了獲得更好的CH4采收率和更大的CO2儲(chǔ)存能力,最好選擇儲(chǔ)層頂部作為射孔位置注入CO2.Biagi 等[86]對(duì)5 點(diǎn)井網(wǎng)注入方式下CO2注入速率進(jìn)行了優(yōu)化,模擬結(jié)果表明最優(yōu)注入速率為0.294 kg/s,最優(yōu)注入速率可以顯著提高CH4產(chǎn)量,提高采收率,縮短關(guān)井時(shí)間.綜上所述,注入井的位置、數(shù)量以及注入速率均對(duì)突破時(shí)間和產(chǎn)量有影響,因此從三方面均可進(jìn)行優(yōu)化考慮,從而得到最佳采收率[87-88].

4 討論及關(guān)鍵問題分析

許多研究人員利用不同的手段從不同的尺度探究氣體在頁巖儲(chǔ)層納微米孔隙中的吸附特性,基于前人研究工作,本文對(duì)氣體在頁巖儲(chǔ)層中吸附特性的基礎(chǔ)研究及關(guān)鍵問題進(jìn)行討論分析并提出如下展望.

(1) 利用實(shí)驗(yàn)方法研究CH4的吸附特性可以認(rèn)為是流動(dòng)狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,而利用分子模擬方法的研究主要集中在非流動(dòng)狀態(tài)下;氣體在流動(dòng)狀態(tài)下與非流動(dòng)狀下表現(xiàn)出的流體特性是完全不同的,如何使分子模擬方法更加接近真實(shí)頁巖儲(chǔ)層條件需要進(jìn)一步研究;另一方面,頁巖氣的吸附層厚度,頁巖有效孔隙度和成熟度等,與準(zhǔn)確評(píng)價(jià)頁巖氣儲(chǔ)量相關(guān)的參數(shù)是未來研究頁巖氣吸附特性的重要方向.此外,在實(shí)驗(yàn)過程中如何采用真實(shí)巖心并實(shí)現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)下吸附特性的研究更能逼近真實(shí)頁巖儲(chǔ)層.

(2) 在探討頁巖儲(chǔ)層中CO2/CH4二元混合物競(jìng)爭(zhēng)吸附特性時(shí),如何定量描述不同因素影響下(含水率、頁巖成熟度、復(fù)雜頁巖氣成分等)競(jìng)爭(zhēng)吸附效率是提高頁巖氣采收率的關(guān)鍵;另一方面,通過基礎(chǔ)理論建立數(shù)學(xué)模型探討CO2/CH4二元混合物競(jìng)爭(zhēng)吸附特性對(duì)于注CO2提高頁巖氣采收率機(jī)理分析至關(guān)重要,但是相關(guān)研究較少,在以后的研究中可以進(jìn)一步考慮分析.

(3) 利用CO2驅(qū)替CH4不同于一般氣體的混合,在兩者之間存在著過渡帶能夠起到類似活塞驅(qū)替的效果,這一結(jié)論對(duì)理解CO2驅(qū)替頁巖氣有重要意義,但對(duì)于兩者之間的過渡帶更多的是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定出口處氣體成分來確定,而關(guān)于過渡帶在移動(dòng)過程中的特性仍不明朗.同時(shí)對(duì)影響突破時(shí)間和累計(jì)產(chǎn)量的因素,如注入井的位置、數(shù)量以及注入時(shí)間等缺乏系統(tǒng)性比較.因此如何從實(shí)驗(yàn)角度實(shí)現(xiàn)可視化的驅(qū)替過程仍然是有待研究的重要課題.

(4) 在注CO2提高頁巖氣采收率的相關(guān)研究中,CH4的吸附特性、CO2/CH4二元混合物競(jìng)爭(zhēng)吸附特性以及驅(qū)替特性的研究涉及多個(gè)尺度,包括從納微米級(jí)孔隙到天然裂縫,不同尺度下的氣體吸附機(jī)理對(duì)氣藏的開采至關(guān)重要.如何將多尺度吸附及流動(dòng)機(jī)理耦合,建立注CO2提高頁巖氣采收率產(chǎn)能模型,從而準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和高效開采頁巖氣藏是亟待解決的關(guān)鍵問題.

5 總結(jié)

頁巖氣貯存形式復(fù)雜并且頁巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)在納微米級(jí)尺度,這導(dǎo)致頁巖氣的開采難度大.CH4在頁巖儲(chǔ)層中表現(xiàn)為物理吸附,有機(jī)質(zhì)特征(豐度、成熟度、類型)、納米孔隙結(jié)構(gòu)、無機(jī)礦物組成、溫度和壓力、含水率對(duì)頁巖的CH4吸附能力均有一定程度的影響.在相同條件下,CO2比CH4更易被頁巖儲(chǔ)層吸附,在頁巖儲(chǔ)層中注入CO2可以促進(jìn)CH4的解吸,并有利于CO2的地質(zhì)埋存.利用CO2開采頁巖氣不僅能夠提高頁巖氣采收率,并且對(duì)CO2進(jìn)行地質(zhì)封存,有助于實(shí)現(xiàn)頁巖氣開采過程的碳中和.開采方案的部署可采用井網(wǎng)形式的注采方式,可以通過調(diào)整注入井的位置、數(shù)量以及CO2注入速率對(duì)開采方案進(jìn)行優(yōu)化.