超聲波作用下頁巖氣滲流變化規(guī)律實驗研究

張 杰，王 謠，李 鑫，鄭云東，李翠楠，杜肖瀟

（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500；2.中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)事業(yè)部，成都 610066；3.中國石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院，四川廣漢 618300）

0 引言

我國已探明的頁巖氣儲量超過31.6 ×1 012 m3，僅次于美國所公布的頁巖氣儲量32.9 ×1 012 m3。雖然中國頁巖氣的開發(fā)起步較晚，但根據(jù)中國國家能源局公布的數(shù)據(jù)顯示，截至2017 年底，我國已在重慶涪陵地區(qū)建立了首個累積供氣量超100 ×108 m3的大型頁巖氣田，成為了世界第3 個成功實現(xiàn)商業(yè)化頁巖氣開發(fā)的國家［1］。

頁巖屬于沉積巖，其中含有大量的有機(jī)物，頁巖氣就是有機(jī)物在埋藏期間由于細(xì)菌作用和地球化學(xué)作用而生成的［2-3］。頁巖氣藏是集“生儲蓋”于一體的儲層，基質(zhì)孔隙多為納米級，是特低孔、特低滲的致密儲層，而這也是造成了頁巖氣的賦存形式與滲流方式與常規(guī)天然氣有明顯差別的主要原因［4-7］。一般認(rèn)為，頁巖氣藏除極少量氣體以溶解態(tài)賦存于干酪根、瀝青質(zhì)、液態(tài)烴類和地層水中，絕大多數(shù)氣體以游離態(tài)和吸附態(tài)賦存在儲層中［8］。游離態(tài)氣體主要存在于微裂縫、無機(jī)質(zhì)和有機(jī)質(zhì)的孔隙中，吸附態(tài)氣體主要被基質(zhì)顆粒和有機(jī)質(zhì)孔隙表面所吸附。根據(jù)北美頁巖氣開發(fā)的實踐成果，吸附氣含量一般為20%～80%，游離氣的含量為25%～30%［9-10］。由于吸附氣的性質(zhì)非常穩(wěn)定，并且頁巖儲層的物性較差，導(dǎo)致了基質(zhì)中的吸附氣只能以較為緩慢的速度進(jìn)行解吸釋放。Петросян 等研究發(fā)現(xiàn)，在一個大氣壓的壓差條件下，吸附在煤巖表面的氣體需要700 個月才能夠完全解吸［11］。由于具有特殊的賦存形式和復(fù)雜的滲流機(jī)理，頁巖氣藏的開采通常需要輔以相應(yīng)的增產(chǎn)措施，通過增加氣體的解吸及滲流速率來提高產(chǎn)量。

目前，頁巖氣開采過程中使用較為廣泛、技術(shù)較為成熟的增產(chǎn)措施為水力壓裂技術(shù)，該技術(shù)雖然增產(chǎn)效果顯著，但仍存在諸多問題。首先，我國的頁巖氣產(chǎn)區(qū)多在西南山地，水資源匱乏，使用水力壓裂技術(shù)不僅需要相當(dāng)?shù)乃浚疫€有潛在的環(huán)境風(fēng)險，如水質(zhì)的污染、地質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞等。其次，絕大多數(shù)的頁巖氣產(chǎn)區(qū)為山地，不利于大型壓裂設(shè)備的布置和展開，進(jìn)行大規(guī)模的壓裂作業(yè)不僅會延長施工周期，而且會增加開發(fā)成本。因此，有必要探究一種低環(huán)境風(fēng)險、便于操作的頁巖氣增產(chǎn)技術(shù)。

超聲波是一種高頻率、高能量的機(jī)械波，超聲作用能夠產(chǎn)生機(jī)械振動效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)，這三種效應(yīng)均能作用于微觀分子，使之產(chǎn)生擴(kuò)張、壓縮以及振動等變化，基于這一特點，美國和前蘇聯(lián)提出了超聲波油藏增產(chǎn)技術(shù)。超聲波增產(chǎn)技術(shù)是一種操作簡單、低成本、低風(fēng)險且零污染的物理增采技術(shù)，經(jīng)過近幾十年不斷發(fā)展，中國在該技術(shù)的研究上取得了重大進(jìn)步［12］。超聲增產(chǎn)技術(shù)不僅可以應(yīng)用于提高油藏采收率，也可以應(yīng)用于天然氣開采領(lǐng)域。上世紀(jì)90 年代，鮮學(xué)福院士［13］提出了使用聲震法來提高煤層氣采收率的思想，隨后一些學(xué)者對超聲波煤層氣增產(chǎn)的原理和技術(shù)可行性做了深入研究。孫仁遠(yuǎn)等［14］利用自行設(shè)計的實驗裝置，研究了不同氣體在超聲波處理下的解吸效果。研究表明，煤巖對不同氣體的吸附量從大到小依次為二氧化碳、甲烷、氮氣，使用超聲波處理后，氣體解吸速率提高了70%，解吸量增加了20%。孫等認(rèn)為超聲波作用促進(jìn)氣體解吸的機(jī)理一方面是由于超聲波的熱效應(yīng)使系統(tǒng)升溫，加劇了氣體分子熱運(yùn)動從而使分子動能增大，加速了氣體的脫附速率。另一方面是由于超聲波傳播過程中發(fā)生了透射和反射，對氣體分子產(chǎn)生斜向的剪切力，促進(jìn)氣體脫附，孫等將此過程形象的稱為超聲的剝離作用。宋曉［15］通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，超聲波作用下煤巖的氣體吸附特性能夠使用Langmuir 等溫吸附方程進(jìn)行描述，并且方程中的參數(shù)與超聲波的聲強(qiáng)呈線性相關(guān)。通過在Langmuir 等溫吸附方程中引入聲強(qiáng)參數(shù)，建立了超聲波作用下的煤巖氣體吸附模型，但并未對模型的可靠性和適用性做進(jìn)一步分析。易俊等［16］建立了超聲波作用下描述煤層氣在基質(zhì)微孔隙中解吸-擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB 軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬計算結(jié)果表明，超聲波作用能夠提高系統(tǒng)溫度，增加游離氣體的百分?jǐn)?shù)、降低吸附氣體的百分?jǐn)?shù)。趙麗娟［17］進(jìn)行了超聲波作用下的煤層氣吸附-解吸規(guī)律實驗，實驗結(jié)果表明隨著超聲功率的增加，煤巖的吸附能力降低，氣體解吸速率加快。此外，在實驗過程中還發(fā)現(xiàn)施加超聲作用后，水浴溫度明顯升高。

有關(guān)超聲波增產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用于頁巖氣開采的研究較少，現(xiàn)有可查文獻(xiàn)僅吳昌軍［18］就超聲波作用對頁巖氣滲透率的影響做了初步探究，但其作用效果和作用機(jī)理尚不明確，因此有必要針對性地開展進(jìn)一步研究。本文通過開展超聲波巖樣滲透率實驗，研究了超聲波作用下頁巖氣滲流特性的變化規(guī)律。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗材料

本實驗所用的巖樣為四川威遠(yuǎn)龍馬溪組的頁巖，樣品總體呈黑灰色（見表1）。

表1 實驗巖樣性質(zhì)

1.2 實驗裝置

實驗裝置自行設(shè)計組裝而成，包括超聲波發(fā)生器、解吸及滲流裝置、圍壓加載系統(tǒng)、氣體供給系統(tǒng)和測試系統(tǒng)幾個部分，圖1 所示為實驗裝置的示意圖。

圖1 超聲波作用下氣體吸附-解吸、滲流實驗裝置示意圖

超聲波發(fā)生器頻率為24 kHz，功率有兩檔可調(diào)，分別為50 和110 W。氣體吸附解吸及滲流測試裝置是自行設(shè)計的一個壓力容器，圍壓可達(dá)20 MPa，氣體供給壓力可達(dá)10 MPa，可使用該裝置進(jìn)行一定壓力下頁巖氣的吸附、解吸、滲流實驗。測試系統(tǒng)圍壓使用手動液壓泵進(jìn)行加載，氣體壓力為高壓甲烷氣瓶通過調(diào)節(jié)減壓閥進(jìn)行供給，測試系統(tǒng)包括測試吸附缸的自由空間、吸附、解吸測試以及滲流測試等。

1.3 實驗原理

氣體滲透率使用常規(guī)穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行計算，即

式中：Q為氣體滲流流量，cm3／s；pa為大氣壓力，0.1 MPa；L為試件長度，cm；p1為進(jìn)氣口端氣體壓力，MPa；p2為出氣口端氣體壓力，MPa；A為試件橫截面積，cm2；μ為氣體黏性系數(shù)，Pa·s。

1.4 實驗步驟

將待測巖樣用熱收縮套密封后，使用壓盤壓緊兩端，隨后裝入壓力容器中。安裝好后，施加一定圍壓。開啟真空泵脫氣1 h，關(guān)閉回氣閥，打開進(jìn)氣閥，通入高壓甲烷氣體進(jìn)行吸附。吸附1 h后，開啟回氣閥，使用排水法進(jìn)行流量測量，待氣泡連續(xù)穩(wěn)定排出后記錄排水體積和時間，每種條件下測量3 次取其平均值。當(dāng)測量超聲波作用下氣體的滲流時，在無超聲波作用下的氣體流量穩(wěn)定后，打開超聲波發(fā)生器，測量出超聲波作用下的排水體積和時間。本實驗分別測試了不同超聲波功率（0、50、110 W）、有效應(yīng)力對滲透率的影響。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 滲透率與有效應(yīng)力的關(guān)系

圖2 所示為WX-1、WX-2、WX-3 巖樣的滲透率隨有效應(yīng)力的變化規(guī)律。由圖可見，在孔隙壓力一定的情況下，巖樣滲透率隨著有效應(yīng)力（圍壓）的增大逐漸減小，呈“凹”型曲線。

圖2 巖樣滲透率隨有效應(yīng)力的變化規(guī)律及其擬合曲線

實驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明，冪函數(shù)擬合曲線相關(guān)性較高，擬合關(guān)系式如表2 所示。

表2 巖樣滲透率和有效應(yīng)力的擬合關(guān)系式

2.2 超聲波對巖樣滲透率的影響

實驗條件：軸向應(yīng)力0 MPa，孔隙壓力2.0 和3.5 MPa，溫度20 ℃，超聲波頻率24 kHz，功率50 和110 W可調(diào)，圍壓是變化的，在有效應(yīng)力相同的情況下測定超聲波作用下的滲透率。實驗測定了WX-1、WX-2和WX-3 巖樣在超聲波作用下的滲透率變化情況，如圖4～6 所示。

從圖4～6 可以看出，巖樣在超聲波作用后滲透率的變化趨勢基本一致。以WX-1 巖樣為例分析有效應(yīng)力和超聲波功率對巖樣的滲透率的影響，可以看出滲透率隨著超聲功率的增加而增加，隨著有效應(yīng)力的增加而減小。但是，超聲波作用后巖樣的滲透率仍然大于無超聲波作用下的巖樣滲透率，說明超聲波有助于巖樣滲透率的提高。超聲波作用下巖樣滲透率和有效應(yīng)力的擬合曲線如圖7～9 所示。

圖4 不同功率超聲波作用下WX-1巖樣滲透率隨有效應(yīng)力的變化規(guī)律

圖5 不同功率超聲波作用下WX-2巖樣滲透率隨有效應(yīng)力的變化規(guī)律

圖6 不同功率超聲波作用下WX-3巖樣滲透率隨有效應(yīng)力的變化規(guī)律

圖7 不同功率超聲波作用下WX-1巖樣滲透率與有效應(yīng)力的擬合曲線

從圖7～9 可以看出，超聲波作用下巖樣滲透率和有效應(yīng)力滿足冪函數(shù)關(guān)系，3 塊巖樣滲透率與有效應(yīng)力的擬合公式和相關(guān)系數(shù)如表3 所示。對比分析表3中的擬合參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在相同的有效應(yīng)力條件下，超聲波作用下的擬合參數(shù)ks大于無超聲波作用下的擬合參數(shù)ks，且隨超聲波功率的增加，擬合參數(shù)ks的增加幅度變大。

圖8 不同功率超聲波作用下WX-2巖樣滲透率與有效應(yīng)力的擬合曲線

圖9 不同功率超聲波作用下WX-3巖樣滲透率與有效應(yīng)力的擬合曲線

表3 超聲波作用下巖樣滲透率和有效應(yīng)力的擬合關(guān)系式

2.3 聲強(qiáng)與滲透率的關(guān)系

前文通過實驗分析了超聲波作用能夠提高巖樣滲透率，那么超聲波的聲強(qiáng)J與滲透率k之間是否存在一定的數(shù)量關(guān)系？為明確兩者之間的關(guān)系，將實驗結(jié)果中的聲強(qiáng)和滲透率、聲強(qiáng)和滲透率之比分別做出對應(yīng)的曲線關(guān)系，如圖10、11 所示。

圖10 超氣波聲強(qiáng)與滲透率的關(guān)系

從圖10 可以看出，對WX-1 和WX-2 巖樣，滲透率隨著聲強(qiáng)的增加而增加；從圖11 可以看出，超聲波的聲強(qiáng)與巖樣滲透率比的擬合曲線呈線性關(guān)系，且相關(guān)性系數(shù)較高，因此可用下式描述聲強(qiáng)與滲透率的關(guān)系：

圖11 超氣波聲強(qiáng)與滲透率比的關(guān)系

式中：kJ為超聲波作用下巖樣滲透率，mD；k為無超聲波作用的巖樣滲透率，mD；J為聲強(qiáng)，W／cm2；β 為實驗系數(shù)。

基于公式k＝ksσ-Be可以得到滲透率與聲強(qiáng)、應(yīng)力的關(guān)系式：

式中，ks、β、B為實驗系數(shù)。

3 結(jié)論

通過自行設(shè)計組裝的頁巖氣滲流裝置進(jìn)行了超聲波作用下的頁巖氣滲流特性實驗，得出如下結(jié)論：

（1）實驗結(jié)果表明，超聲波作用下巖樣滲透率增大，并且其增加幅度與超聲波功率成正比；

（2）實驗數(shù)據(jù)擬合表明有效應(yīng)力與滲透率呈冪函數(shù)關(guān)系k＝ksσ-Be，超聲作用下頁巖的滲透率和有效應(yīng)力依舊滿足此函數(shù)，且隨超聲波功率的增加，擬合參數(shù)ks的增加幅度變大；

（3）實驗得到超聲波聲強(qiáng)與滲透率比呈線性關(guān)系：kJ／k＝1 ＋βJ，并且得到了應(yīng)力場和聲場作用下的巖石滲透率的經(jīng)驗公式：k（σ，J）＝ks（1 ＋βJ）σ-Be