頁巖氣擴散特征研究

陳智明 鄒蕙陽 孫敬 雷夢 許諾 楊寅

(長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100)

0 引言

頁巖氣產自富有機質頁巖儲集巖系，屬烴源巖系氣藏。低孔隙、低滲透率、富含有機質是頁巖地層系統的標志性特征。中國頁巖氣資源分布廣泛，開發利用潛力大。我國頁巖氣近年來發展迅速，2018 年我國頁巖氣產量達到1.08×1010m3，僅次于美國、加拿大。通過技術創新，我國在近年來的頁巖氣勘探資源開發中進一步總結和探索出了一套經濟效益顯著的開發模式，頁巖氣勘探開發已經實現了從無效頁巖氣資源開發到單井有效開發的重大突破性技術跨越。頁巖氣藏的生烴、排烴、運移、聚集和保存全部在頁巖氣進入烴源巖內部時直接完成。烴源巖的主要研究實驗結果表明，生烴量遠大于吸烴量是烴源巖內部直接排烴的主要關鍵所在，除此之外，還要克服毛細管直接對烴吸附等環境性影響因素的各種外部環境變化影響。由于吸烴量一般大于生烴量，因此，烴源巖聚合生成的大量烴類只有部分可以被直接向外排出。

在頁巖氣藏中，以吸附氣形式存在于頁巖粘土顆粒的孔隙或表面上的頁巖氣需要克服毛細管吸烴等環境性因素的影響才可以直接被排出。因此，頁巖氣在賦存與產出機理上與煤層氣、天然氣具有特征的相似[1]。作為多尺度傳質環節之一的擴散是氣體分子的主要傳輸方式，對氣體的解吸與產出，尤其是解吸氣的產出很關鍵，關系著頁巖氣儲層的持續供氣能力大小[2]。筆者將在現有基礎上研究頁巖氣的擴散行為，整理歸納分析總結我國頁巖氣擴散的基本規律，以此為我國頁巖氣的高效開采和綜合利用提供理論指導。

1 頁巖氣擴散機理

由于頁巖儲集巖系具有低孔隙度、低滲透性、基質緊密、孔隙結構類型豐富等物性結構特征，因此，生產過程中往往伴隨著吸附、解吸、擴散以及多尺度介質中的流動[3]。從分子運動的熱力學基礎理論的多個角度分析來看，氣體擴散實質上是由于氣體分子在不停地做無規則運動。擴散在濃度差下開始遷移，到單相內各部分濃度達到相等或兩相間的濃度達到平衡為止。

根據氣體分子傳輸時的作用方式，傳輸機理可劃分為以氣體分子與頁巖孔隙壁面相互碰撞為主的連續滑脫流動、孔隙直徑的減小與氣體分子自由程的增加具有一定可比度時發生的滑脫流動、氣體壓力增大或孔隙尺度減小時發生多層吸附的表面擴散及只允許單個氣體分子通過孔隙的構型擴散。此外，依據克努森數Kn 的大小，游離頁巖氣在復雜儲集孔隙空間結構中的擴散模式可劃分為Kn≥10 時的克努森擴散、Kn≤0.1 時的菲克擴散和0.1＜Kn＜10 時的過渡擴散[4]。

2 頁巖氣擴散行為實驗研究

常規的實驗方法是在溫壓恒定的密閉環境中，將一定量的甲烷氣和氮氣注入經過充分抽真空操作后的柱狀頁巖巖心。由于存在濃度梯度，氣體在擴散運動下逐漸充滿巖心的有機質微裂縫及納米孔隙。通過測量記錄相同時間間隔下氣體壓力的變化值，來建立完整擴散過程中氣體壓力隨時間的變化曲線模型，初步獲得頁巖氣擴散行為特征。再結合分析頁巖巖心內部孔隙的結構特征和甲烷在其中的擴散性，便可求出甲烷氣從頁巖巖心內部孔隙進行擴散壓縮過程的擴散系數。

氣體擴散系數是衡量擴散傳質的重要參數之一，常通過科學測試分析頁巖氣的擴散系數來揭示頁巖氣的擴散規律。目前，烴濃度法和解吸法被廣泛應用于測試巖石中氣體的擴散系數。一種是烴濃度法，通過檢測氣體在擴散中濃度的變化來計算傳質通量，從而求取擴散系數的方法稱為烴濃度法。第二種是解吸法，通過分析氣體在等溫吸附、解吸的過程中，利用吸附量或解吸量隨時間的變化來計算氣體擴散系數的方法稱為解吸法。頁巖氣擴散系數的計算是根據天然氣行業標準SY/T 6129—1995：

式中符號參照行業標準SY/T 6129—1995，通過取樣分析計算，繪制致密砂巖心擴與頁巖巖心累積擴散時間與關系曲線圖，斜率即為值，利用斜率除以E可得擴散系數D。

2.1 擴散系數測試方法的不足

(1)實驗方法的不足。有機質內部的甲烷氣體濃度在巖心經過抽真空操作后可近似看作處于真空狀態，同時，由于整個氣相壓力的衰減過程變化小，游離甲烷氣體的濃度也可視作一個常數。因此，在實驗數據的處理上仍存在較大的誤差。

在實驗系統的設定上，與高壓頁巖儲層環境系統相比，實驗的可靠性較小。除此之外，實驗條件未充分考慮有機質的類型及含量、儲層物性等一系列因素對頁巖氣擴散行為可能產生的影響，使得目前的實驗所獲得的實驗結論說服性不足。

在實際操作中，很難準確把握實驗時長以求得可靠的擴散系數，同時，厚薄均勻且幾乎沒有細小裂縫的巖心薄片不易獲得，導致了實驗的操作難度較大。

(2)擴散系數計算方法的不足。現有氣體擴散系數方法是在對氣體擴散實驗規律的研究上推導而來，并且實驗過程中氣體物質的量的損失及系統壓力的變化忽略不計。因此，在使用上，計算得出的擴散系數不夠精確。

2.2 頁巖氣擴散系數影響因素

擴散系數大小與連通性的好壞密切相關。大孔隙連通性好，毛管迂曲度低，擴散系數大。柳廣弟等[5]的研究表明，大孔隙擴散系數大小在數值上與孔隙滲透率參數具有正相關性。有研究分析認為，當氣體擴散以克努森擴散類型為主時，孔隙中氣體分子與壁面的碰撞作用加強會導致氣體擴散質量以及信息快速傳遞的時間效率大大降低，使氣體分子擴散速率得到大大降低。

當壓力增大時，氣體分子間的碰撞作用增強，能量損耗增加，擴散系數變小。而小孔隙擴散系數的大小則不受壓力變化的影響，原因在于巖石小孔隙中克努森擴散系數的變化大小與巖石壓力變化無關，僅與孔隙結構、體系溫度和氣體性質等因素相關。

由于巖石內部的水分會占據一部分的擴散通道，導致氣體只能通過驅動孔隙中的水或改變擴散通道進行擴散，因此，有效擴散系數隨著巖樣濕度或含水飽和度的增加而降低。李相臣等[6]的研究指出，因為水分含量和濕度增加到一定值時，會在孔隙壁面類似于圈閉保護作用產生的水膜，水膜的自然存在可能會對氣體進入擴散通道產生一些附加的阻力。

氣體擴散系數隨著巖石溫度的升高而增大。甲烷等游離氣體在巖石中的氣體擴散吸附過程是一個活化過程，活化能越高，氣體就越難在巖石中擴散，但升高溫度可以降低活化能，從而促進氣體擴散。等溫氣體吸附的研究也進一步表明，溫度升高，甲烷吸附平衡常數減小，解吸速率增加，因此在巖石中的擴散過程會變得相對容易[2]。

3 結語

頁巖氣擴散行為實驗研究對頁巖氣的產出具有重要意義。目前對高溫高壓系統下頁巖氣在多尺度孔隙中的擴散規律涉及的范圍較窄，有機質的類型及含量、儲層物性、溫度和儲層壓力等諸多因素對于頁巖氣擴散行為的發生及其影響的分析和研究還有待進一步深入。