頁巖氣低速滲流模擬實驗系統(tǒng)設(shè)計

李 蕾，王程偉，姚傳進，蘇玉亮，陳德春

（中國石油大學（華東） 石油工程學院，非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室，山東 青島 266580）

國民經(jīng)濟的快速發(fā)展對能源的需求量日益增加，對石油工程專業(yè)人才的培養(yǎng)也提出了更高要求[1-3]。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》中把提高學生的創(chuàng)新精神和實踐能力作為戰(zhàn)略重點之一。創(chuàng)新教育教學方法，強化實踐教學環(huán)節(jié)，是加強石油工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的根本渠道[4-5]。引導學生在工程實踐過程中發(fā)現(xiàn)問題，將理論知識應用于解決具體工程問題，對激發(fā)學生創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外常規(guī)油氣資源儲量及可采量急劇減少，致密油、致密氣、頁巖氣及煤層氣等非常規(guī)油氣資源成為未來能源開發(fā)的主要資源，評價結(jié)果顯示非常規(guī)油氣資源豐富，勘探開發(fā)前景非常大[6-7]。頁巖氣藏作為一種重要的非常規(guī)油氣資源，與常規(guī)砂巖儲層相比，頁巖中有機質(zhì)和粘土礦物含量高，孔隙結(jié)構(gòu)復雜，具有多尺度特征，氣體賦存狀態(tài)多樣，吸附氣與游離氣共存，是典型的自生自儲的成藏模式[8-9]。相比于致密砂巖氣，頁巖氣滲流除了受到孔隙大小、孔喉幾何結(jié)構(gòu)及其分布連通情況影響外，還受到頁巖中有機質(zhì)所導致的氣體擴散及解吸行為的影響[10-11]，因此頁巖氣儲層滲流機理與其他常規(guī)砂巖儲層差別較大，表現(xiàn)出低速非達西滲流現(xiàn)象。目前國內(nèi)外學者所公認的頁巖氣運移規(guī)律包括有機質(zhì)表面擴散、吸附解吸、努森擴散及黏性流等滲流機理[12-13]。研究氣體在頁巖孔隙結(jié)構(gòu)中的滲流特征對于明確頁巖氣產(chǎn)氣機理具有重要意義。

為了準確描述頁巖氣藏微尺度孔隙介質(zhì)內(nèi)氣體流動特征，驗證現(xiàn)有頁巖氣相關(guān)理論的正確性，需要進行頁巖氣低速滲流實驗。現(xiàn)有的實驗研究方法主要基于砂巖巖心進行滲透率測量，很難滿足高溫高壓條件下不同氣體通過頁巖巖心的低速滲流測量條件，而且學生學習到的只是單純的操作流程，與實際地層條件相差甚遠，不利于學生獨立思考意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了培養(yǎng)學生分析實際地層情況和解決現(xiàn)場工程開發(fā)問題的能力，本文設(shè)計了一套頁巖氣低速滲流特征模擬實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了地層溫度壓力下的頁巖氣低速滲流特征研究。

1 傳統(tǒng)的氣體滲流實驗技術(shù)

傳統(tǒng)的氣體滲流實驗主要由氣瓶、巖心夾持器、圍壓泵和皂泡流量計組成，該裝置主要應用于常規(guī)砂巖巖心的滲流實驗。對頁巖儲層巖心中的氣體滲流，存在以下問題：壓力、溫度達不到地層條件，計量裝置無法計量到氣體低速滲流下的流量，壓力控制精度達不到低速滲流的要求，以及對CO2等腐蝕性氣體無法進行測量等。我國頁巖油氣研究起步較晚，研究手段集中于理論計算、分子模擬及數(shù)值模擬，缺乏實驗支撐[14]。對低孔低滲又富含有機質(zhì)的頁巖來說，室內(nèi)實驗難度高、價格貴、耗時長，實驗測量精度低，實驗研究目前較少。

2 頁巖氣低速滲流模擬實驗設(shè)計

為了能夠準確測量地層溫度壓力下的頁巖氣滲流特征，設(shè)計了頁巖氣低速滲流實驗裝置及方法，特制了可加溫的耐CO2腐蝕的巖心夾持器，組建了加壓系統(tǒng)可以快速將氣體加壓至所設(shè)計實驗壓力，并自制了高精度氣體流量計量裝置，實現(xiàn)了高溫高壓條件下的精確計量，從而為開展頁巖氣低速滲流特征研究奠定了基礎(chǔ)。

2.1 頁巖氣低速滲流模擬實驗裝置設(shè)計

一種測量儲層條件頁巖氣低速滲流的實驗裝置如圖1所示。該裝置由氣體增壓系統(tǒng)、高溫高壓中間容器、高精度注入泵、真空泵、巖心夾持器、氣體壓力調(diào)節(jié)器、溫度控制箱、回壓泵、圍壓泵、高精度氣體流量計量系統(tǒng)、壓力傳感器及管線組成。氣體增壓系統(tǒng)可以將氣瓶中的氣體轉(zhuǎn)入中間容器后進行快速增壓到實驗所需壓力。高溫高壓中間容器用來盛放實驗壓力下的氣體，高精度注入泵連接高溫高壓中間容器維持注入壓力。特制的巖心夾持器外包加熱層可以控制其內(nèi)部測試巖心溫度，通過三通閥分別與真空泵、氣體壓力調(diào)節(jié)器及回壓泵相連。回壓泵用于控制測試壓力在 0～40 MPa。高精度氣體流量計量系統(tǒng)由多通閥連接三組計量器組成，入口端與回壓閥相連，出口端3個閥口分別與自制的高精度流量計、皂泡流量計和濕式流量計相連，用于進行不同滲透率巖心中氣體流量的測量。氣體壓力調(diào)節(jié)器精度在0.01 MPa，實驗溫度為0～150 ℃，實驗壓力為0～40 MPa。實驗所用氣體可以為甲烷、二氧化碳、氮氣或者氦氣。實驗要求學生在每個壓差下測量時間足夠長，以保證巖心中氣體流動達到穩(wěn)態(tài)，并根據(jù)巖心滲流率及測量壓差的大小合理估算和選擇氣體流量計量裝置。在此基礎(chǔ)上開展頁巖氣低速滲流實驗，有助于學生掌握氣體滲流理論和低速滲流實驗的基本原理。

圖1 頁巖氣低速滲流特征模擬實驗裝置示意圖

2.2 頁巖氣低速滲流模擬實驗方法設(shè)計

利用上述裝置進行頁巖氣低速滲流模擬實驗方法設(shè)計如下：①對測試頁巖巖心進行烘干處理后將待測巖心置于巖心夾持器中，并利用溫度控制箱將巖心夾持器溫度控制在預設(shè)溫度；②關(guān)閉氣體加壓器、氣體壓力調(diào)節(jié)閥和回壓閥，開啟真空泵，對待測巖心進行抽真空處理；③關(guān)閉真空泵，開啟氣源、氣體加壓閥和圍壓泵，對待測巖心進行飽和氣和施加圍壓；④增加回壓至巖心夾持器相同壓力，保證處理完的巖心夾持器的入口端與出口端之間沒有壓差；⑤控制氣體壓力調(diào)節(jié)閥，設(shè)定巖心夾持器的入口端與出口端的壓差，待氣體流量穩(wěn)定后再進行流量測量與記錄；⑥根據(jù)巖心夾持器進出口壓力、氣體流量測量值進行巖心滲透率計算，繪制頁巖氣低速滲流特征曲線。

3 頁巖氣低速滲流模擬實驗

頁巖氣低速滲流特征受多因素的影響，包括頁巖巖心的滲流率、孔隙壓力、圍壓等，以及需要分析不同氣體通過頁巖巖心的滲流特征是否相同。因此實驗要求學生進行多影響因素下的頁巖氣低速滲流實驗，同時考察巖心的滲透率、地層壓力、溫度、有效應力等因素對頁巖氣滲流特征的影響。通過多因素實驗設(shè)計，有利于學生掌握科學的研究方法，提高學生的多因素分析能力和發(fā)現(xiàn)問題解決問題的科研思維，同時培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力。

3.1 實驗方法

利用本文的頁巖氣低速滲流特征模擬實驗裝置及方法可以進行高溫高壓條件下的氣體低速滲流實驗。通過測量實驗巖心的參數(shù)得到巖心直徑為2.50 cm，巖心長度為5.02 cm，脈沖法測得巖心的滲透率為0.023×10-3μm2。具體實驗步驟為：①將待測巖心放在溫度設(shè)定為100 ℃的烘箱中烘干48 h等其自然冷卻后放入巖心夾持器中；②對基質(zhì)巖心抽真空飽和氣（使用N2、CH4、CO2中的一種），巖心夾持器溫度控制為80 ℃；③待溫度穩(wěn)定后設(shè)定圍壓比入口端壓力高5 MPa，分別采用不同回壓（0、10、25 MPa）控制孔隙壓力；④基質(zhì)巖心低速滲流測試：通過減壓閥控制入口端壓力從0.1、0.2、0.3、0.4 MPa……逐步增高，每個壓差的設(shè)定時長至少12 h，待出口端流量穩(wěn)定后測定該壓差下的流速（根據(jù)出口端流量的大小選擇不同流量計進行計量）；⑤更換基質(zhì)巖心，重復步驟①～②進行測試；⑥繪制頁巖氣低速滲流特征曲線。采用達西公式計算氣體滲透率，其數(shù)學表達式為

其中，Kg為氣測滲透率（10-3μm2）；Qi為氣體流量（cm3/s）；P0為大氣壓（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）；P1為巖心上游壓力（MPa）；P2為巖心下游壓力（MPa）。

3.2 實驗結(jié)果分析

在常壓、溫度為80 ℃條件下，進行3種不同氣體通過頁巖巖心的低速滲流實驗，結(jié)果如圖2所示。利用本裝置可以測量同一巖心在相同的實驗條件下，不同氣體在頁巖中的低速滲流特征。在實驗過程中不取出巖心，在通入每種氣體前對實驗系統(tǒng)抽真空48 h，然后重復實驗步驟。實驗測量了 N2、CH4、CO23種氣體在低壓差、低流速下的滲流特征。由圖2可知，3種氣體在低速滲流情況下都存在滑移情況，表現(xiàn)出非達西滲流特征。另外，在同一平均壓力下不同氣體測得的滲透率不同，呈現(xiàn)出N2測得的滲透率最大，CH4次之，CO2最小的特征。主要原因為CO2與CH4均會吸附在頁巖孔隙表面，吸附層厚度占據(jù)了孔喉直徑的空間，從而造成了氣體流動通道變窄。相比于CH4，CO2的吸附能力更強大，在孔隙表面的吸附量較多，導致孔喉直徑更小。另外，CO2分子量大，氣體滑移長度相對較小，因此利用CO2氣體測得的滲透率更小。

圖2 不同氣體通過頁巖巖心低速滲流特征曲線

利用此裝置測量了在孔隙壓力為10和25 MPa下的N2滲流特征，保持圍壓比注入壓力高5 MPa，將其結(jié)果與常壓下滲流特征進行對比。結(jié)果如圖3和4所示。實驗結(jié)果表明增大驅(qū)替壓力能有效降低氣體的滑脫效應，減弱了滑脫效應對氣體滲透率的貢獻率，從而氣體的非達西滲流特征變?nèi)酢８邏簵l件下氣體滲流特征接近于線性，不存在明顯的非線性段。隨著孔隙壓力增加，滲透率顯著降低，滑脫效應減弱。

圖3 不同孔隙壓力下氣體流量與壓力梯度關(guān)系曲線

圖4 不同孔隙壓力下氣體低速滲流特征曲線

3.3 實驗拓展及預期效果

基于對頁巖氣低速滲流實驗基本原理的理解，學生可以自主設(shè)計高溫高壓條件下的滲流實驗進行頁巖氣滲流特征研究，并探討不同因素對頁巖氣滲流的影響機制。此外，學生還可以在教師的指導下，自己查閱文獻，進一步將高溫高壓氣體滲流實驗裝置應用到帶有裂縫的頁巖巖心的滲流特征研究，也可擴展到煤層氣、致密氣的滲流特征的研究以及頁巖油、致密油滲流特征的研究。在此基礎(chǔ)上，學生可以圍繞非常規(guī)儲層滲流特征實驗申報國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃、參加全國大學生創(chuàng)新設(shè)計大賽。通過對實驗的設(shè)計和不同因素的研究，可以將所研究結(jié)論發(fā)表高水平科技論文或申請發(fā)明專利。這一實驗設(shè)計過程有利于激發(fā)學生實驗的積極主動性，發(fā)揮自主學習意識，啟發(fā)學生創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學生將理論學習與工程實踐相結(jié)合解決實際工程問題的能力。

4 結(jié)語

（1）針對非常規(guī)氣藏開發(fā)，設(shè)計了地層壓力溫度下頁巖氣低速滲流模擬實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了高溫高壓條件下不同氣體通過頁巖儲層巖心的滲流特征研究，可以作為低滲透氣藏、致密砂巖氣藏及煤層氣滲流特征研究的重要輔助手段。

（2）高溫高壓條件的實現(xiàn)為頁巖氣滲流特征研究提供了可靠的實驗手段，豐富了頁巖氣滲流的研究方法，可以用來驗證現(xiàn)有頁巖氣相關(guān)理論的正確性，對非常規(guī)頁巖氣資源的規(guī)模化開發(fā)具有指導意義。

（3）該實驗方法擴展方便，可以激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，啟發(fā)學生進行不同因素下的實驗設(shè)計，有助于培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力，將理論知識應用于解決具體工程實踐問題。