頁巖氣藏多尺度微觀傳質(zhì)機理研究

劉加杰，張霖，黃東杰

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頁巖氣藏多尺度微觀傳質(zhì)機理研究

劉加杰，張霖，黃東杰

（四川鹽業(yè)地質(zhì)鉆井大隊，四川 自貢 643000）

頁巖氣藏微-納米孔隙發(fā)育，天然氣以游離和吸附態(tài)富集，與常規(guī)氣藏比較、天然氣富集特征、氣體傳質(zhì)過程等都更為復(fù)雜。頁巖氣藏經(jīng)壓裂改造后形成人工裂縫-天然裂縫-基質(zhì)多尺度傳質(zhì)路徑，其微觀傳質(zhì)過程涉及多種方式，對頁巖氣藏多尺度微觀傳質(zhì)機理的研究將有助于提高頁巖氣藏開采效率。調(diào)研認(rèn)為，氣體傳質(zhì)過程包括有機孔隙和無機孔隙中氣體的流動，擴散-滲流模型應(yīng)考慮吸附-解吸附、滑脫效應(yīng)、Knudsen擴散以及無機孔隙含水等因素的影響；根據(jù)其成藏特點，建立不同孔隙類型、不同尺度孔隙通道條件下氣體傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，可為頁巖氣藏的開發(fā)設(shè)計提供依據(jù)。

頁巖氣；傳質(zhì)機理；數(shù)字模型；研究

根據(jù)國土資源部2012年資料，我國陸域頁巖氣地質(zhì)資源潛力為134×1012m3，可采資源潛力為25×1012m3（不含青藏區(qū)），頁巖氣已成為我國繼致密砂巖氣和煤層氣之后的第三種非常規(guī)天然氣資源[1-2]。目前，我國處于頁巖氣勘探開發(fā)的起步階段，據(jù)勘探研究成果顯示，我國廣泛發(fā)育古生界海相和中生界陸相兩種類型的頁巖，并具有富集頁巖氣的優(yōu)越地質(zhì)條件[3]，但頁巖氣藏微納米孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，微裂縫發(fā)育，天然氣富集方式特殊,造成頁巖氣的產(chǎn)出機理較常規(guī)儲層不同，涉及多種流動方式。因此，國內(nèi)外學(xué)者致力于頁巖氣傳質(zhì)機理的認(rèn)識，充分調(diào)研相關(guān)資料，分析頁巖氣藏孔隙結(jié)構(gòu)特征以及氣體傳質(zhì)的整個過程，認(rèn)清頁巖氣擴散-滲流機理，以期提高頁巖氣藏開采效率。

1 頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

研究頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征對頁巖氣滲流機理的認(rèn)識和產(chǎn)能評價具有重要的意義。頁巖基質(zhì)作為烴源巖，產(chǎn)出的天然氣又富集在自身孔隙內(nèi)部，屬于典型的“自生、自儲”氣藏，其含氣特殊性與氣體流動機理較常規(guī)氣藏不同。目前，大量學(xué)者致力于頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究，常見室內(nèi)研究方法包括高壓壓汞法、氣體吸附法、掃描電鏡、鑄體薄片、核磁共振等方法[4-5]。

頁巖氣藏具有以下獨特儲層物性：①微納米級孔隙發(fā)育，含微裂縫，天然氣以游離和吸附態(tài)方式富集，具有較強的各向異性和非均質(zhì)性；②眾多學(xué)者研究表明頁巖氣藏孔隙度普遍小于15%，滲透率小于0.001×10-3μm，孔隙系統(tǒng)由無機孔、有機孔、天然裂縫和人工裂縫組成；③孔徑變化范圍為數(shù)納米-數(shù)百納米，但孔徑主要分布在5～20nm，例如Howard發(fā)現(xiàn)的Frio頁巖孔徑主要為5～15nm，Haynesville頁巖孔徑主要幾種在16nm左右，我國川南龍馬溪組頁巖孔徑主要為6nm左右；④頁巖基質(zhì)富含有機質(zhì)顆粒，其有機質(zhì)成熟度直接關(guān)系有機質(zhì)納米孔隙發(fā)育，成熟度越低孔隙越少，天然氣在有機孔內(nèi)富集方式主要為部分吸附在孔隙內(nèi)表面和游離于孔隙空間，其他部分溶解于有機質(zhì)干酪根中；⑤另見基質(zhì)內(nèi)無機孔發(fā)育，常見于黏土礦物顆粒間或顆粒內(nèi)發(fā)育，包括粒間孔、粒內(nèi)空、晶間空和溶蝕孔，由于黏土礦物表現(xiàn)為親水性，因此無機孔內(nèi)常見水膜存在，減小了無機孔有效空間，氣體以游離態(tài)儲集其中；⑥常見黏土礦物層間邊緣微裂縫發(fā)育，但少有與有機孔和無機孔有效溝通，成為富集天然氣的另一儲集空間，經(jīng)壓裂改造溝通孔隙-微裂縫-人工裂縫傳質(zhì)通道，此類邊緣微裂縫將成為天然氣產(chǎn)出的重要通道。

2 微觀傳質(zhì)機理模型

在頁巖氣的勘探開發(fā)過程中，由于其基質(zhì)微-納米孔隙發(fā)育，基質(zhì)中天然氣傳質(zhì)規(guī)律常規(guī)儲層達(dá)西滲流公式表示，其傳質(zhì)過程如圖1所示。因此，非達(dá)西流動機理以及相應(yīng)的氣體平衡數(shù)學(xué)表達(dá)公式的研究對頁巖氣的勘探開發(fā)具有重大的意義[6-9]。

式中，Kn為Knudsen數(shù)；為平均自由程；KB為Boltzmann常數(shù)，1.3805×10-23J/K；T為溫度，K；為分子碰撞直徑，m。

2003年，Roy等人利用K值將氣體傳質(zhì)過程劃分為不同的流動模型并分別對應(yīng)不同的氣體平衡數(shù)學(xué)表達(dá)式，如表1所示：

頁巖基質(zhì)孔隙類型可分為有機孔隙和無機孔隙，兩種孔隙內(nèi)氣體傳質(zhì)機理是不同的。因此，國內(nèi)外學(xué)者提出針對頁巖孔隙系統(tǒng)，分別研究不同類型以及不同尺度孔隙通道氣體流動方式，提出氣體擴散-滲流流動模型：Knudsen擴散、滑脫流、過渡流、連續(xù)流[10-13]。

表1 不同Kn值下的氣體流動區(qū)域劃分（Roy，2003）

2.1 有機質(zhì)孔隙內(nèi)擴散-滲流模型

據(jù)資料顯示，國內(nèi)外頁巖氣層埋藏深度普遍低于4 000m，基質(zhì)孔徑普遍大于1nm。因此，根據(jù)頁巖氣層內(nèi)溫度梯度和壓力梯度可折算出地層溫度變化小于160℃，壓力變化小于100MPa，利用公式（a）計算可知，K值變化范圍小于10。利用表1氣體流動區(qū)域劃分可知，在頁巖儲層中氣體傳質(zhì)過程包含有連續(xù)流、滑脫流和過渡流。

1）連續(xù)流：此時K值小于10-3，氣體流動規(guī)律滿足達(dá)西滲流定律。滲透率可表示為：

2）滑脫流：此時K值變化范圍為0.001~0.1，氣體流動時要考慮氣體分子碰撞造成的滑脫效應(yīng)。因此可利用Klindenberg滲透率表達(dá)公式：

4）Knudsen擴散：2012年，Sakhaee-Pour and Bryant提出分子自由擴散表征公式，經(jīng)替換變形得：

綜上分析認(rèn)為，氣體整個擴散-滲流傳質(zhì)過程表征可用公式（h）：

2.2 無機質(zhì)孔隙內(nèi)擴散—滲流模型

由于頁巖氣層無機質(zhì)孔隙主要發(fā)育于砂巖和黏土礦物間，孔隙內(nèi)表面表現(xiàn)為潤濕性，在頁巖聚集成藏或后期增產(chǎn)改造過程中，在孔隙內(nèi)表面形成一定厚度水膜，阻礙細(xì)小無機質(zhì)孔隙氣體傳質(zhì)能力。較有機質(zhì)孔隙傳質(zhì)機理簡單，只有連續(xù)流和滑脫流兩種方式存在，公式可根據(jù)上述c）中滑脫流定義公式得到：

3）有機質(zhì)和無機質(zhì)孔隙內(nèi)擴散-滲流模型：

將公式（h）和（j）代入公式（k）即可得：

4）考慮吸附-解吸附頁巖孔隙擴散-滲流模型：

即考慮氣體吸附-解吸附后頁巖基質(zhì)滲流模型公式（l）變?yōu)椋?/p>

因此，公式（p）是在綜合考慮吸附-解吸附、Knudsen擴散、過渡流、滑脫流和連續(xù)流等5個重要因素以及開發(fā)過程中無機孔隙水膜厚度的影響因素，建立的頁巖儲層氣體滲透率模型。

圖2 圓柱形毛管束管柱模型

3 結(jié)論

1）研究頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征對頁巖氣滲流機理的認(rèn)識和產(chǎn)能評價具有重要的意義，常見室內(nèi)研究方法包括高壓壓汞法、氣體吸附法、掃描電鏡、鑄體薄片、核磁共振等方法。

2）考慮頁巖孔隙分類特征，引入值，將頁巖氣層傳質(zhì)機理的研究分為有機孔隙和無機孔隙，并分別提出氣體擴散-滲流流動模型：Knudsen擴散、滑脫流、過渡流、連續(xù)流。

3）結(jié)合無機孔隙含水特征及有機孔隙吸附-解吸附特征，利用Klindenberg定律和Knudsen擴散定律建立頁巖氣層擴散-滲流流動模型，并給出相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程。

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Multi-Scale Microscopic Mechanism of Mass Transfer of Shale Gas Reservoir

LIU Jia-jie ZHANG Lin HUANG Dong-jie

(Sichuan Geological and Drilling Team for Salt Industry, Zigong, Sichuan 643000)

shale gas reservoir is characterized by the development of the micro-nanoscale pore where free and adsorbed natural gas occur. The study indicates that process of gas mass transfer includes gas flow in organic and inorganic pores, and diffusion and seepage model should consider the influence of adsorption- desorption, slippage effect, Knudsen diffusion , water saturation and the other factors. A mathematical model for gas mass transfer in different pore types and different scale pore channel conditions should be established in order to provide basis for exploitation of shale gas.

shale gas reservoir; transfer mechanism; adsorption-desorption; slip effect; Knudsen diffusion

2017-02-28

劉加杰（1979-），男，山東諸城人，碩士，高級工程師，主要從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作

P618.13

A

1006-0995（2017）04-0568-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.04.009