頁巖儲層氣體流動能力實驗研究

端祥剛，胡志明，常 進，李武廣，姬偉強

(1.中國石油勘探開發研究院，河北 廊坊 065007；2. 中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610066；3.中國石油渤海鉆探工程有限公司，河北 任丘 062550)

0 引 言

中國頁巖氣開發潛力巨大，經過近10 a的勘探開發實踐，已進入規模開發階段，2017中國頁巖氣產量達到90×109m3，根據國家“十三五”規劃，預計2020年中國頁巖氣產量將超過300×109m3[1]。作為自生自儲的非常規氣藏，頁巖儲層有機質含量豐富、微納米孔發育等特征導致其流體賦存及動用規律復雜，常規滲流理論與氣藏工程方法不再完全適用[2]。受裂縫導流能力和基質供給能力的影響，頁巖氣井產量呈前期高產遞減快、后期低產穩產時間長的特點[3]。目前大部分研究認為，頁巖基質滲透率極低，基本上沒有滲流能力[4-5]。由于頁巖微納米級孔隙中的氣體流動時，流動空間遠小于常規孔隙的流動空間，流動機理也發生了變化[6]。依據努森數劃分，頁巖氣的流動狀態包含了達西流、滑脫流和過渡流，達西流的流動規律與常規氣藏規律一致，氣體滑脫效應主要受壓力、溫度、巖石孔隙結構及氣體種類等因素的影響，溫度越高，平均壓力越小，滑脫效應越明顯，過渡流的流動需要考慮分子與壁面碰撞導致的努森擴散等[7]。由于跨流態流動的復雜性，頁巖氣流動規律難以描述[8]。目前，頁巖儲層氣體的流動能力與頁巖滲透率的表征方法存在一定局限性，需要進一步深化頁巖氣流動機理的認識。頁巖實驗中流動能力表征仍以達西滲透率為主，測試氣體普遍采用氦氣或氮氣，忽略了甲烷氣吸附對流動能力的影響[9]；測試壓力普遍偏低，測試結果無法有效反應頁巖儲層條件氣體的流動能力，因而會對頁巖氣產量遞減分析和EUR預測產生相當大的影響[10]。選取四川龍馬溪組主力儲層頁巖樣品，運用自主研發的頁巖氣流態和開發模擬實驗裝置，開展了頁巖氣流動能力測試，結合孔徑分布測試、應力敏感測試，明確了氣體流動能力的影響因素，提出了頁巖儲層基質氣體流動能力的表征方法。

1 實驗方法

實驗巖心取自四川盆地長寧地區龍馬溪組龍一段1亞段。測試滲透率的方法一般為穩態法和非穩態法，常用的非穩態測試方法是巖心柱脈沖衰減滲透率法，脈沖法測試滲透率時測試壓力低，測試時間短，測試精度有待提高，而采用穩態法測試滲透率，由于頁巖滲透率低，氣體流動速率小，通過巖樣的微小流量測量難度大，達到穩態流動需要的時間長。為了提高測試頁巖氣穩態滲透率的實驗精度，實驗流程進行了如下改進：為測試不同壓力水平對表觀滲透率的影響，測試壓力設定為0.1～30.0 MPa，由于實驗壓差范圍大，使用不同量程的傳感器和壓力控制方法來實現精準控制；在較低壓力條件下(5.0 MPa以下)，通過精密氣壓閥控制高壓氣瓶壓力實現穩定壓力輸入，在較高壓力條件下，由ISCO泵通過中間容器提供穩定壓力。當流量較大時，采用進口氣體質量流量計計量氣體流量；當流量較小時，采用氣泡法和排水法多次計量。測試滲透率時，待壓力和流量均穩定后，每隔2 h測1次流量，3次結果誤差小于0.5%，即認為達到穩態流動。實驗測試了不同氣體、不同壓力以及不同圍壓下的滲透率數據，測試時考慮了滑脫效應的影響，并用Klinkenberg原理得出了相應的克氏滲透率。

開發模擬實驗與穩態流動裝置基本一致，實驗步驟為：①檢查系統的氣密性，將巖心在105 ℃下烘干48 h，在干燥環境中冷卻至室溫，放入夾持器，加環壓至35.0 MPa；②恢復儲層原始賦存狀態，采用恒壓模式將甲烷注入巖心中，記錄各測點壓力；③巖心各測點壓力達到30.0 MPa后關閉氣源，然后觀察各測點壓力，如72 h內無變化，則認為飽和結束，如有變化，則繼續恒壓飽和，直至各測點壓力不再變化；④打開出口端，開始衰竭式開發模擬實驗，實時記錄各測點壓力和出口端產氣量數據。

2 實驗結果與分析

2.1 不同壓力下的穩態滲透率

為避免應力對滲透率的影響，實驗中始終保持圍壓和入口為10.0 MPa壓差，運用達西公式的微分形式推導出氣體滲透率的計算公式，計算結果見圖1。

由圖1a可知，隨著壓力的降低，滲透率緩慢增加，達到一定壓力后，滲透率迅速上升。由圖1b可知，穩態滲透率值呈三段式特征，在低壓段、高壓段均會出現非線性滲流，只有在中間段，平均壓力倒數與滲透率呈較好的直線關系，符合氣體滑脫規律。當壓力較高時，氣體流動速率大，高速非達西效應導致了非線性滲流特征；而當壓力較低時，氣體流態發生變化，平均分子自由程隨壓力的降低而增加，當降低至一定程度時，氣體流態轉變為過渡流態，努森擴散作用增強，使滲透率迅速增加。

目前大多數的研究認為，頁巖氣微納米孔隙中的流動以滑脫流和過渡流為主[7]。實際上頁巖儲層中微孔(小于2 nm)和介孔(2～50 nm)孔隙占總孔隙的比例達到50%以上，根據氣體的流動特性，宏孔(大于50 nm)的比例和孔容是決定儲層流動能力的重要因素，因為儲層滲透率主要是由大孔的孔道和喉道貢獻[8]。研究表明[7-9]：在平均頁巖孔隙壓力低于1.0 MPa時，孔隙直徑為50 nm以下的孔道中產生了過渡流態；當平均頁巖孔隙壓力為2.0 MPa時，孔隙直徑為10 nm的孔隙流態為過渡流，而孔隙直徑大于10 nm的孔隙流態為滑脫流。在頁巖氣實際生產中，由于井底流壓及井筒含水的存在，儲層平均壓力均大于2.0 MPa，因此，努森擴散在低壓力水平對滲透率提高幅度明顯，頁巖孔隙中流態主要以滑脫流態為主，在考慮流動能力時僅需重點考慮滑脫效應對氣體滲透率的貢獻即可。

圖1 不同平均壓力與平均壓力倒數的克氏滲透率值

滑脫流區域滲透率隨壓力降低近似線性緩慢增加，根據Klinkenberg公式和滑脫流擬合曲線可獲得表觀滲透率和滑脫因子：

(1)

根據實驗結果得到頁巖氣藏的滑脫系數與絕對滲透率的散點圖，并根據滑脫因子和克氏滲透率的雙對數坐標推導出三者關系為：

(2)

式(2)適用的滲透率范圍為0.000 1～1.000 0 mD，與Jones & owens、Letham & Bustin等人[11]研究的致密氣藏滑移因子的經驗表達式一致，但指數各不相同，對于平行毛管束模型，指數一般大約為-0.5，對于頁巖氣藏，滑脫因子與滲透率的斜率為-0.33，即與滲透率的立方根成反比，說明頁巖儲層氣體的流動通道形狀可能是狹縫型，這與頁巖的儲層物性有關。

將式(2)帶入式(1)，可獲得表觀滲透率與克氏滲透率的經驗公式：

(3)

2.2 氮氣、氦氣滲透率與甲烷滲透率

由于頁巖氣組分中97%以上為甲烷，目前大部分滲透率測試采用氮氣或氦氣，很少直接使用甲烷測試頁巖巖樣的流動能力，實驗對比了同一巖樣相同實驗條件下不同氣體的滲透率，結果見表1和圖2。

表1 不同氣體滲透率測試結果對比

圖2 不同氣體滲透率測試結果換算關系

由圖2可知，同一巖心測試的結果具有明顯的差異性，與甲烷氣體滲透率相比，氮氣滲透率和氦氣滲透率是甲烷滲透率的1～3倍，且滲透率越低，差異性越明顯。這主要是因為頁巖儲層對3種氣體分子的吸附能力不同，對于氦氣的吸附能力基本可忽略不計，氮氣吸附能力稍弱，對于甲烷吸附能力最強。吸附作用一方面增加了頁巖的儲量，另一方面由于甲烷分子吸附在孔隙壁面上，形成了致密的吸附層，甲烷分子吸附層的厚度約為0.5 nm，吸附層厚度會降低氣體的流動通道，從而降低孔隙的滲透率，因此，吸附層對流動能力的影響不可以忽略，且頁巖孔隙半徑越小，吸附層對滲透率的影響越大。由于頁巖氣吸附量是壓力的函數，壓力越大，吸附量越大，吸附氣體對孔隙壁面的表面覆蓋率越大，吸附層對于孔隙半徑影響越大。因此，常規測試低壓條件下，甲烷滲透率與氦氣、氮氣滲透率存在1～2倍的區別，在儲層高壓條件下這種差異性會更大。

基于測試結果，建立了氦氣、氮氣和甲烷氣的經驗關系式：

KCH4=0.49KHe+0.0022=0.5359KN2+0.0026

(4)

式中：KCH4為甲烷滲透率，mD；KHe為氦氣滲透率，mD；KN2為氮氣滲透率，mD。

式(4)根據已有氦氣或氮氣滲透率值估算對應的甲烷滲透率，滲透率范圍可根據需要調整相應的經驗參數。在評價儲層的滲透率時，必須要換算到甲烷條件下的滲透率，才能對儲層的真實流動能力和產氣規律取得更深入的認識。

2.3 不同應力下滲透率

在頁巖氣開采過程中，由于上覆壓力變化很小，隨著孔隙壓力的降低，有效應力的變化對滲透率影響很大。在穩態滲流時，為了避免不同應力的影響保持了相同的應力差，為進一步明確有效應力對滲透率的影響，開展了巖心在不同圍壓條件下氣體滲透率測試，結果見圖3。由圖3可知，滲透率隨有效應力增大迅速降低，說明巖心的滲透率對有效應力比較敏感，且滲透率越大其降低幅度越大。根據擬合曲線可知，滲透率呈指數式降低，根據David等人的研究[12]，滲透率隨有效應力變化滿足以下指數表達式：

(5)

式中：Ke為不同應力下的滲透率，mD；Ko為初始應力狀態的初始滲透率，mD；pc為上覆壓力或圍壓，MPa；γ為應力敏感系數，MPa-1。

圖3 巖心滲透率與有效應力間的關系

式(5)中，應力敏感系數反映了滲透率隨有效應力的動態變化關系，應力敏感系數越高，滲透率隨有效應力增加而下降得越明顯。龍馬溪組頁巖的應力敏感系數一般為0.05～0.10 MPa-1，由圖3可知，2組滲透率變化曲線均滿足指數關系式，且擬合度約為95%。

在考慮頁巖儲層的流動能力時，綜合式(3)—(5)，建立考慮頁巖氣滑脫、吸附和應力敏感的表觀滲透率表達式：

(6)

通過式(6)可獲取不同壓力下氣體的表觀滲透率，從而表征儲層的真實流動能力。

3 頁巖氣開發實踐指導

由式(6)可知，頁巖滲透率是儲層壓力的函數，說明頁巖氣開發過程中隨壓力的降低，氣體的流動能力是變化的，為了獲取頁巖氣開發過程中壓力和產量的變化曲線，在恢復原始賦存狀態的條件下開展了衰竭式開發模擬實驗(圖4、5)。

由圖4可知，采用衰竭式開發模式，頁巖氣的視壓力和產氣速度均隨時間迅速遞減，產氣速度由40 mL/h迅速降至5 mL/h以下，視壓力也由開始的35.0 MPa降至5.0 MPa以下，隨后進入低產穩產期，生產時間達100 h，呈典型的L形生產曲線遞減特征，與現場頁巖氣的開采曲線特征一致。由圖5可知，隨著氣體的產出，孔隙中氣體的壓力逐漸降低，有效應力增加，表觀滲透率有所降低，當壓力降低至一定程度時，表觀滲透率又開始上升。這是因為低壓條件下滑脫效應逐漸增強，抵消了應力敏感的負效應，使得氣體的流動能力得到增強。表觀滲透率這種先下降后上升的趨勢是應力敏感和滑脫效應共同作用的結果，更符合頁巖氣開發過程中氣體流動的物理特征，而等效滲透率初始曲線特征與表觀滲透率一致，但低壓階段曲線開始變得復雜，無法反映多重效應下的氣體流動規律。因此，對于頁巖氣開發過程，采用常規低壓測試的滲透率不能完全反映儲層條件下的流動能力，采用固定值滲透率值計算和預測頁巖氣的產氣規律，與實際頁巖氣產量相差較大。低壓下滑脫擴散和解吸附作用，導致頁巖儲層的流動能力大幅增加，因此，需要在頁巖氣滲流模型中采用考慮頁巖氣流動機理的表觀滲透率模型，從而準確分析產量遞減規律和進行EUR預測。

圖4 實驗產氣速度和視壓力隨生產時間的變化

圖5 滲透率與壓力的關系

4 結 論

(1) 頁巖開發過程中氣體流動以滑移流為主，穩態實驗結果表明，低壓條件下氣體滲透率迅速上升，根據實驗結果建立了滑脫因子與克氏滲透率關系式，形成了頁巖氣體滑脫滲透率與克氏滲透率的換算關系。

(2) 由于吸附作用，甲烷滲透率遠遠小于氮氣和氦氣滲透率，因此，描述儲層滲透率時必須考慮甲烷吸附條件下的流動能力，根據圖版建立了不同氣體間滲透率值的換算關系。同時應力敏感實驗結果表明，隨著有效應力的增加，頁巖基質滲透率呈指數式遞減。

(3) 建立了考慮頁巖滑脫、吸附和應力敏感的表觀滲透率表達式，可計算頁巖氣開發過程中表觀滲透率的變化，能綜合反映頁巖氣開發過程中的氣體流動規律，因此，可用來預測和評估頁巖氣開發過程中的生產曲線，為頁巖氣流動模型建立提供科學依據。