李 蕾，郝永卯，王程偉，肖樸夫，趙春鵬

(1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580；3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引 言

近年來，非常規(guī)油氣資源開發(fā)逐漸成為國內(nèi)外石油資源開發(fā)的熱點(diǎn)[1-2]。頁巖油儲(chǔ)層與常規(guī)砂巖儲(chǔ)層相比滲透率低、孔隙度小，富含有機(jī)物，泥質(zhì)含量高，滲流通道為微納米孔隙及喉道[3-5]。頁巖儲(chǔ)層的平均孔喉尺度變化范圍大，儲(chǔ)集空間類型多樣，如有機(jī)孔、無機(jī)孔、不規(guī)則孔隙形狀及微裂縫等[6-11]。這些特性導(dǎo)致頁巖油滲流機(jī)理復(fù)雜，流體流動(dòng)規(guī)律不再符合達(dá)西滲流。目前大多采用蒙特卡洛分子模擬、數(shù)字巖心和理論推導(dǎo)等方法研究頁巖油滲流特征[12-13]，但微觀模擬結(jié)果很難直接應(yīng)用于宏觀數(shù)值模擬和指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)踐。因此，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室?guī)r心尺度研究[14-17]。Wang等[18]采用長度為幾毫米的巖心測定了頁巖油流動(dòng)能力；雷浩等[19-20]設(shè)計(jì)了全封閉式循環(huán)滲流系統(tǒng)，對(duì)潛江凹陷巖心進(jìn)行了滲流特征實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，儲(chǔ)層應(yīng)力敏感是影響滲流特征的主要因素。在上述研究基礎(chǔ)上，通過控制巖心兩端壓差(小于0.50 MPa)，消除應(yīng)力敏感影響，對(duì)中國典型頁巖油儲(chǔ)層潛江凹陷、濟(jì)陽坳陷以及美國鷹灘的頁巖巖心進(jìn)行低速滲流實(shí)驗(yàn)，明確了頁巖油低速滲流規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用巖心為潛江凹陷、濟(jì)陽坳陷、美國鷹灘頁巖油藏天然巖心，實(shí)驗(yàn)用油為模擬油(C12)，黏度為1.0 mPa·s。頁巖油自生自儲(chǔ)成藏機(jī)理及現(xiàn)場巖心干餾實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，潛江凹陷、濟(jì)陽坳陷、美國鷹灘頁巖油儲(chǔ)層中地層水對(duì)滲流的影響程度很低[21-22]，因此，研究過程中采用單一油相進(jìn)行滲流實(shí)驗(yàn)，不考慮地層水對(duì)滲流的影響。各巖心參數(shù)如表1所示。

表1 巖心參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

采用美國高精度Vindum雙缸驅(qū)替泵(最高壓力為82.7 MPa，最低流速為0.000 1 mL/min，壓力控制精度為1.38×10-2MPa)，其中一個(gè)泵缸連接巖心上游端進(jìn)行驅(qū)替，另一個(gè)泵缸連接巖心下游端，以同樣速度進(jìn)行吸液，整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)閉環(huán)，測試無泄漏后開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中利用跟蹤圍壓泵維持圍壓始終比入口端壓力高10.0 MPa。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。首先對(duì)巖心進(jìn)行預(yù)處理，將巖心用生塑帶捆綁后放入洗油儀洗油14 d，烘干、抽真空、飽和模擬油后放入圖1所示的巖心夾持器中。在進(jìn)行巖心低速滲流實(shí)驗(yàn)前將巖心夾持器兩端連接的管線充滿模擬油，保證整個(gè)流動(dòng)體系內(nèi)無氣體，實(shí)驗(yàn)過程中維持烘箱溫度為50 ℃。開展不同流速的單相流體滲流實(shí)驗(yàn)，最低滲流速度為0.000 1 mL/min，逐步增加，每個(gè)流速下運(yùn)行至少12 h，待巖心兩端壓差穩(wěn)定后，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄實(shí)驗(yàn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括流量、上下游壓力等。每次實(shí)驗(yàn)至少測定8個(gè)以上流速，繪制模擬油流速與巖心兩端驅(qū)替壓力梯度之間的關(guān)系曲線，分析流體在頁巖巖心中的滲流特征。

圖1 頁巖油低速流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 潛江凹陷巖心單相流體低速滲流特征

開展?jié)摻枷蓓搸r油低速滲流特征物理模擬實(shí)驗(yàn)，其壓力梯度與流速關(guān)系曲線如圖2所示。QJ132巖心滲透率相對(duì)較大，為0.012 0 mD，第1個(gè)可測量點(diǎn)的流速為0.000 1 mL/min，壓力梯度為0.77 MPa/m。滲流速度低時(shí)，壓力梯度??；隨著流速的增大，壓力梯度逐漸增大，呈現(xiàn)典型的下凹形非線性特征，原油在頁巖儲(chǔ)層中流動(dòng)時(shí)的流量與壓力梯度呈指數(shù)關(guān)系。QJ121、QJ153巖心滲透率相對(duì)較低，分別為0.002 5、0.005 6 mD。滲流實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，2塊巖心的流速和壓力梯度之間同樣存在非線性關(guān)系。隨著壓力梯度的增大，流速及流速增幅逐漸增大，當(dāng)壓力梯度超過一定值后，流速與壓力梯度呈現(xiàn)線性關(guān)系。流速-壓力梯度曲線整體呈下凹形趨勢，且壓力梯度越小，流速偏離線性關(guān)系段越明顯。綜合潛江凹陷3塊巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：相同壓力梯度下，滲透率較高的巖心原油流動(dòng)速度快，且滲透率越小，達(dá)到線性段所需要的壓力梯度越大。

圖2 潛江凹陷巖心低速滲流特征

頁巖油的流動(dòng)受壁面礦物性質(zhì)、粗糙度、流體黏度和孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度影響，宏觀體現(xiàn)為由于邊界層效應(yīng)和滑移效應(yīng)引起的表觀滲透率的變化。分析認(rèn)為產(chǎn)生下凹形滲流特征主要是由巖心微納米孔隙中液-固界面邊界層效應(yīng)與滑移長度導(dǎo)致，滲透率越小，儲(chǔ)層中液固界面作用力越強(qiáng)，非線性滲流特征越明顯。隨流速增大，受邊界層影響減弱，滑移長度增大，表觀滲透率增大。巖心兩端的壓力差控制在0.50 MPa以內(nèi)，遠(yuǎn)小于圍壓10.0 MPa，因此，可忽略應(yīng)力敏感效應(yīng)。

分子模擬結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)研究認(rèn)為：滑移長度在有機(jī)和無機(jī)孔隙內(nèi)隨驅(qū)替壓力梯度的增大而增大，且呈現(xiàn)非線性關(guān)系，隨粗糙度的增大而減少；邊界層厚度隨驅(qū)替壓力梯度的增大而減少，流體流動(dòng)空間增大。隨著壓力梯度增加，驅(qū)替壓力增大，越來越多的頁巖油開始脫離粗糙單元的束縛參與流動(dòng)，流量逐漸變大，且兩者呈非線性關(guān)系。當(dāng)壓力梯度足夠大時(shí)，滑移長度和邊界層厚度趨于穩(wěn)定，宏觀上表現(xiàn)為流速與壓力梯度呈線性關(guān)系。

低滲透油藏的擬啟動(dòng)壓力梯度是儲(chǔ)層開發(fā)的一個(gè)重要指標(biāo)，根據(jù)流速-壓力梯度曲線定義，一般為曲線中直線段的延長線與橫坐標(biāo)軸的交點(diǎn)。但從此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，對(duì)于潛江凹陷巖心，驅(qū)替流速為0.000 1 mL/min時(shí)，已經(jīng)存在一定的驅(qū)替壓差。若將流速-壓力梯度曲線的非線性段延長，曲線與橫坐標(biāo)軸的交點(diǎn)接近坐標(biāo)軸的原點(diǎn)，在理想的超低流速下，應(yīng)可測量到更低的壓力梯度。因此，可以認(rèn)為只要壓力梯度存在，微納米孔隙內(nèi)的流體就會(huì)發(fā)生流動(dòng)，只是壓力梯度較小時(shí)流量非常小，無法形成連續(xù)流動(dòng)達(dá)到可測量流速。該結(jié)果與前人研究內(nèi)容相似[13]。此外，原油在頁巖儲(chǔ)層中流動(dòng)時(shí)的流量與壓力梯度呈指數(shù)關(guān)系，不同流速測量區(qū)間所對(duì)應(yīng)的擬啟動(dòng)壓力梯度存在較大不同，流速測量區(qū)間越小，得到的擬啟動(dòng)壓力梯度越小。

2.2 濟(jì)陽坳陷巖心單相流體低速滲流特征

開展?jié)栛晗蓓搸r油滲流特征物理模擬實(shí)驗(yàn)，其壓力梯度與流速關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知，濟(jì)陽坳陷巖心的流速-壓力梯度曲線也呈現(xiàn)非線性特征，但與潛江凹陷不同，濟(jì)陽坳陷JY512、JY632巖心的流速隨壓力梯度的增大先迅速增大，然后增幅降低，呈現(xiàn)上凸形特征。

圖3 濟(jì)陽坳陷巖心低速滲流特征

與潛江凹陷相比，濟(jì)陽坳陷巖心的滲透率更低，但在相同驅(qū)替壓力梯度下，濟(jì)陽坳陷巖心的流體流速高于潛江凹陷巖心。通過觀察巖心可知，濟(jì)陽坳陷巖心裂縫發(fā)育，易形成流動(dòng)通道，裂縫尺寸較大，邊界層影響可忽略，其流動(dòng)通道的表面粗糙度及迂曲度更低，原油流動(dòng)性大。另外，潛江凹陷巖心的泥質(zhì)含量高，巖心比表面積大，原油吸附量多，阻礙原油流動(dòng)，因此，潛江凹陷巖心的流動(dòng)阻力更大。

分析濟(jì)陽坳陷巖心滲流特征可知：低壓力梯度下流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)阻力小，巖心表觀滲透率高，隨壓力梯度增大，流量增大，流動(dòng)阻力變大，巖心表觀滲透率降低。當(dāng)壓力梯度小于2.00 MPa/m時(shí)，流體主要在無機(jī)孔、微裂縫等大孔隙中流動(dòng)，流動(dòng)阻力?。划?dāng)壓力梯度為2.00～4.00 MPa/m時(shí)，流動(dòng)通道由較大的無機(jī)孔隙逐漸擴(kuò)大到小孔及有機(jī)孔，流速在過渡階段波動(dòng)較大，流動(dòng)阻力逐漸增大；當(dāng)壓力梯度大于4.00 MPa/m時(shí)，流動(dòng)呈現(xiàn)穩(wěn)定的線性特征。

2.3 美國鷹灘儲(chǔ)層巖心單相流體低速滲流特征

開展美國鷹灘頁巖油滲流特征物理模擬實(shí)驗(yàn)，其壓力梯度與流速關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知，鷹灘巖心的流速-壓力梯度曲線非線性特征不明顯。在壓力梯度小于10.00 MPa/m時(shí)，隨著壓力梯度的增大，流速增大，二者關(guān)系接近于線性。其主要原因?yàn)樵搮^(qū)塊的礦物組成對(duì)流體流動(dòng)有較大影響，鷹灘巖心中碳酸鹽巖含量高，為55.0%～70.0%，黏土含量為10.0%～30.0%，石英含量較低，為19.5%～36.5%，TOC為3.5%～5.5%。此外，巖心中無機(jī)質(zhì)孔及有機(jī)質(zhì)孔均較發(fā)育，在壓差較小時(shí)，流體在無機(jī)質(zhì)疏油孔隙中流動(dòng)占主導(dǎo)，受到的流動(dòng)阻力小，主要是親水孔隙壁面的流動(dòng)阻力；當(dāng)壓差增大，流速增加，大孔隙無機(jī)質(zhì)流動(dòng)通道無法滿足滲流需求，流體進(jìn)入微小孔隙及有機(jī)質(zhì)孔隙等親油孔隙，此類孔隙壁面吸附力強(qiáng)，孔隙比表面積大，粗糙度大，孔隙尺度小，單孔內(nèi)的湍流效應(yīng)更大，影響頁巖油在多孔介質(zhì)中的滲流，表現(xiàn)為流動(dòng)阻力增大，表明滲透率下降。

圖4 美國鷹灘頁巖油巖心流體低速滲流特征

鷹灘巖心滲透率對(duì)頁巖油滲流特征的影響較為顯著，隨著滲透率的增大，相同壓力梯度下的流速明顯增大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可將該區(qū)塊巖心滲流特征分為2個(gè)線性階段，第1部分為低流動(dòng)阻力段，第2部分為高流動(dòng)阻力段，分界點(diǎn)在壓力梯度為10.00 MPa/m左右，且滲透率越小，分界點(diǎn)的壓力梯度越大。該現(xiàn)象表明，開采頁巖油過程中應(yīng)合理控制壓差，保持流體的高流動(dòng)能力。

3 開發(fā)實(shí)踐指導(dǎo)意義

通過對(duì)不同區(qū)塊的頁巖低速滲流特征的分析可知，影響頁巖油油藏原油滲流的因素包括儲(chǔ)層巖石的礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、微裂縫發(fā)育情況及流體性質(zhì)，主要表現(xiàn)為液固界面的邊界層效應(yīng)、滑移長度和滲流通道的影響。3個(gè)區(qū)塊巖心均呈現(xiàn)非線性特征。潛江凹陷呈現(xiàn)出下凹形特征，該滲流特征與常規(guī)低滲、致密砂巖儲(chǔ)層的滲流特征相似。造成該低速滲流特征的主要原因是潛江凹陷中微裂縫不發(fā)育，主要流動(dòng)空間為納米孔隙，液-固分子間的作用力強(qiáng)，邊界層效應(yīng)明顯。濟(jì)陽坳陷呈現(xiàn)上凸形特征，該區(qū)塊巖心的滲透率最低，但其巖心內(nèi)微裂縫發(fā)育，原油在巖心中的流動(dòng)能力最強(qiáng)，達(dá)到0.001 0 mL/min的流速所需要的壓力梯度最低，僅為3.00～4.00 MPa/m，而潛江凹陷、鷹灘達(dá)到0.001 0 mL/min的流速所需要的壓力梯度分別為6.00～20.00、25.00～50.00 MPa/m。原油的流動(dòng)性主要取決于流體的流動(dòng)通道，北美鷹灘巖心呈現(xiàn)2段式線性滲流特征，且壓力梯度較大，在開發(fā)過程中，通過運(yùn)用長水平段多段多簇密切割+大液量+高砂量的體積壓裂模式，溝通頁巖內(nèi)的微裂縫，形成了工業(yè)油流，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模工業(yè)開發(fā)。

中國多為湖相暗色泥頁巖，儲(chǔ)層物性較差，泥砂互層頻繁，非牛頓特性更強(qiáng)。因此，中國頁巖油的非線性滲流特征更為明顯，流動(dòng)機(jī)理也更為復(fù)雜。2018年在潛江鹽間頁巖油應(yīng)用CO2+酸性+水基復(fù)合壓裂液進(jìn)行壓裂，壓裂后日產(chǎn)油為4.5 t/d；在復(fù)興地區(qū)應(yīng)用密切割+多尺度裂縫強(qiáng)加砂壓裂工藝，壓裂后日產(chǎn)油達(dá)到17.6 t/d；濟(jì)陽坳陷頁巖油埋藏深、成熟度低、原油密度高、裂縫發(fā)育，在濟(jì)陽坳陷紋層型鈣質(zhì)頁巖油油藏部署了2口井進(jìn)行壓裂開發(fā)，壓裂后日產(chǎn)油分別為93.0 t/d和117.0 t/d[23]；此外，樊頁平1井同樣取得了峰值日產(chǎn)油171.0 t/d，遠(yuǎn)超同級(jí)別的常規(guī)儲(chǔ)層油井產(chǎn)能，展現(xiàn)了頁巖油極大的開發(fā)潛力。目前，中國頁巖油的開發(fā)取得新突破，大慶古龍頁巖油古頁油平1井2020年2月開始見油，試油期間最高日產(chǎn)油為30.5 t/d，日產(chǎn)氣為1.3×104m3/d，累計(jì)產(chǎn)油超過6 000 t。因此，在頁巖油開發(fā)過程中，以不同區(qū)塊的頁巖油低速滲流特征為指導(dǎo)，根據(jù)儲(chǔ)層特點(diǎn)制訂相適應(yīng)的壓裂模式及配套工藝，結(jié)合低速滲流規(guī)律，充分利用壓裂技術(shù)溝通頁巖基質(zhì)中的紋理縫，降低流動(dòng)阻力，提高原油的流動(dòng)性，為頁巖油滲流提供通道，從而提升頁巖油開發(fā)效果。

4 結(jié) 論

(1) 潛江凹陷巖心低速滲流曲線呈現(xiàn)下凹形特征，液-固邊界層效應(yīng)和滑移長度為主要影響因素。壓力梯度越小，實(shí)際流量曲線偏離線性段越多。隨著驅(qū)替壓力的增大，受邊界層影響減弱，流動(dòng)阻力降低。

(2) 濟(jì)陽坳陷巖心低速滲流曲線呈現(xiàn)上凸形特征，受層間裂縫發(fā)育影響較大。流動(dòng)可分為3個(gè)階段：壓力梯度低于2.00 MPa/m時(shí)，無機(jī)孔、微裂縫等大孔隙中流動(dòng)占主導(dǎo)，流動(dòng)阻力??；壓力梯度為2.00～4.00 MPa/m時(shí)，流動(dòng)通道由較大的無機(jī)孔隙逐漸擴(kuò)大到小孔及有機(jī)孔，流動(dòng)阻力逐漸增大；當(dāng)壓力梯度大于4.00 MPa/m時(shí)，呈現(xiàn)穩(wěn)定的線性流動(dòng)特征。

(3) 美國鷹灘巖心低速滲流曲線由2段斜率不同的線性段組成。在壓差較小時(shí)，流動(dòng)多集中于無機(jī)質(zhì)等疏油孔隙中。當(dāng)壓差增大，流速增加，親水孔隙的流動(dòng)空間有限，親油孔隙成為流動(dòng)通道的一部分，其孔隙比表面積大，粗糙度大，孔隙尺度小，對(duì)流動(dòng)的阻力大，表觀滲透率低。

(4) 分析不同區(qū)塊的低速滲流特征可知，影響頁巖油油藏滲流的因素包括孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、微裂縫發(fā)育情況及流體性質(zhì)，主要表現(xiàn)為液固界面的邊界層效應(yīng)、滑移長度和滲流通道的影響。