劉 華,王衛(wèi)紅,陳明君,劉啟國(guó),胡小虎
(1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083; 2.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京 100083; 3.西南石油大學(xué),四川 成都 610500)
我國(guó)頁(yè)巖氣資源十分豐富[1-3]。據(jù)國(guó)土資源部《2012中國(guó)礦產(chǎn)資源報(bào)告》顯示,我國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)資源潛力為134×1012m3,可采資源潛力為25×1012m3。頁(yè)巖氣藏不同于常規(guī)氣藏[2-5]:基質(zhì)賦存方式獨(dú)特,自由氣和吸附氣共存;頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,存在納米孔、微米孔、微裂隙、裂縫等,頁(yè)巖儲(chǔ)層致密,孔喉細(xì)小,基質(zhì)滲透率通常小于0.001×10-3μm2,滲流不符合達(dá)西定律。美國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)已經(jīng)取得了巨大成功,國(guó)內(nèi)中石化涪陵頁(yè)巖氣田已成功商業(yè)開(kāi)發(fā),目前累計(jì)產(chǎn)氣量已超過(guò)100×108m3。
頁(yè)巖氣流動(dòng)機(jī)理復(fù)雜,現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置達(dá)不到真實(shí)模擬涪陵龍馬溪組儲(chǔ)層條件下的吸附/解吸、擴(kuò)散、應(yīng)力敏感等實(shí)驗(yàn)要求,國(guó)內(nèi)外對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層多尺度復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚不完全清楚。針對(duì)上述現(xiàn)狀,通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置,開(kāi)展了涪陵龍馬溪組儲(chǔ)層條件下的吸附-解吸-滲流物理模擬實(shí)驗(yàn),分析了頁(yè)巖儲(chǔ)層的特殊流動(dòng)機(jī)理?;趯?shí)驗(yàn)及理論研究,建立了頁(yè)巖儲(chǔ)層多尺度綜合滲流數(shù)學(xué)模型,為頁(yè)巖氣井滲流規(guī)律研究和動(dòng)態(tài)分析奠定基礎(chǔ)。
頁(yè)巖氣吸附/解吸特征是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)需要考慮的重要因素。目前國(guó)內(nèi)主要開(kāi)展常溫、低壓(小于20 MPa)吸附/解吸等溫實(shí)驗(yàn),高溫高壓吸附/解吸實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究鮮有報(bào)道。針對(duì)涪陵龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層溫度(82 ℃)、壓力(38 MPa)的實(shí)際情況,優(yōu)選帶有高精度磁懸浮天平的重量法,開(kāi)展儲(chǔ)層條件下的吸附/解吸實(shí)驗(yàn),分析吸附/解吸特征及影響因素,為涪陵頁(yè)巖氣井產(chǎn)能評(píng)價(jià)及數(shù)值模擬提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)參數(shù)。
1.1.1 不同溫度下頁(yè)巖樣品的吸附/解吸 結(jié)合涪陵龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層的實(shí)際,選取粒度為60~80目的頁(yè)巖顆粒樣品,開(kāi)展了42℃和82℃下的吸附/解吸實(shí)驗(yàn),獲取了不同溫度下的頁(yè)巖吸附/解吸實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,實(shí)驗(yàn)樣品對(duì)甲烷的吸附量隨壓力增大而逐漸升高,隨溫度增加而減小,解吸與吸附過(guò)程存在一定程度的滯后現(xiàn)象。對(duì)不同溫度下頁(yè)巖的吸附/解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合, 基本符合蘭格繆爾方程。 擬合結(jié)果同時(shí)表明,蘭氏體積隨溫度增加而減小,蘭氏壓力隨溫度增加而增大。
圖1 涪陵龍馬溪組實(shí)驗(yàn)樣品在不同溫度下的吸附/解吸曲線(xiàn)Fig.1 Adsorption/desorption curves of experimental samples from Fuling's Longmaxi formation at different temperatures
1.1.2 不同粒度頁(yè)巖樣品的吸附/解吸 選取涪陵龍馬溪組儲(chǔ)層粒度為60~80目和120~150目的顆粒樣品,采用重量法,開(kāi)展儲(chǔ)層溫度(82℃)下的吸附/解吸實(shí)驗(yàn),獲取了吸附/解吸實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。對(duì)不同粒度頁(yè)巖樣品的吸附/解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,基本符合蘭格繆爾方程。擬合結(jié)果表明,蘭氏體積隨樣品粒度的減小而增大,蘭氏壓力隨樣品粒度的減小而減小。
國(guó)內(nèi)外對(duì)砂巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感研究比較深入,而關(guān)于高壓頁(yè)巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性的報(bào)道較少[6-13]。目前實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展儲(chǔ)層應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)時(shí),通常采用變圍壓的實(shí)驗(yàn)方法,這種實(shí)驗(yàn)方法不能真實(shí)反映氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中流體壓力變化導(dǎo)致巖樣基質(zhì)膨脹對(duì)滲透率的影響。本文頁(yè)巖滲透率應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)采用降內(nèi)壓的方法:實(shí)驗(yàn)中先逐步緩慢提高圍壓和孔隙壓力值,直到流體壓力達(dá)到實(shí)際地層壓力值后保持流體壓力值不變,再將圍壓增至實(shí)際上覆壓力;然后保持圍壓和巖心兩端驅(qū)替壓差不變,逐步降低巖心兩端的流動(dòng)壓力直至廢棄壓力;最后逐步同時(shí)升高巖心兩端流動(dòng)壓力至原始地層壓力,測(cè)試滲透率隨有效應(yīng)力的變化。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中在出口端增加回壓裝置,可以更好地模擬氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中流體壓力從原始地層壓力降到廢棄壓力條件的滲透率應(yīng)力敏感情況。
圖2 不同粒度涪陵龍馬溪組實(shí)驗(yàn)樣品的吸附/解吸曲線(xiàn)Fig.2 Adsorption/desorption curves of experimental samples with different particle size from Fuling's Longmaxi formation
根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,通過(guò)改進(jìn)應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)裝置,設(shè)計(jì)了一套能夠模擬涪陵龍馬溪組原始地層壓力的應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)流程,整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試壓力高、密封性好、計(jì)量精度高,可以滿(mǎn)足涪陵龍馬溪組高壓頁(yè)巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)的需要。根據(jù)此實(shí)驗(yàn)流程,開(kāi)展了模擬涪陵龍馬溪組開(kāi)發(fā)過(guò)程中天然裂縫和鋪砂裂縫的滲透率應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn),評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感程度,建立了儲(chǔ)層滲透率隨應(yīng)力變化的數(shù)學(xué)模型。
1.2.1 天然裂縫頁(yè)巖巖樣應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程,選取8塊涪陵龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層天然裂縫巖心,開(kāi)展模擬儲(chǔ)層壓力條件的應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn),獲得了滲透率隨有效應(yīng)力的變化關(guān)系,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。
圖3 天然裂縫頁(yè)巖巖樣無(wú)因次滲透率隨有效應(yīng)力變化曲線(xiàn)Fig.3 Change curves of dimensionless permeability with effective stress for the shale samples with natural fracture
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,滲透率隨有效應(yīng)力的增加而降低。無(wú)因次滲透率以有效應(yīng)力40 MPa(有效應(yīng)力增量約20 MPa)為分界點(diǎn)可以分為兩段:有效應(yīng)力低于40 MPa時(shí)滲透率急劇降低,有效應(yīng)力高于40 MPa之后滲透率降低幅度減小。
對(duì)比8塊巖心的滲透率變化曲線(xiàn)可以看出:滲透率越低應(yīng)力敏感性越強(qiáng),滲透率的整體損失也越大。對(duì)無(wú)因次滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行分段擬合,指數(shù)關(guān)系式擬合效果較好。
頁(yè)巖樣品的擬合方程式如下:
pi-pwf≤20 MPa,k/k0=1.037e-0.053(pi-pwf);
(1)
pi-pwf>20 MPa,k/k1=1.013e-0.035(pi-pwf)。
(2)
涪陵龍馬溪組天然裂縫頁(yè)巖巖樣的滲透率損害率69%~85%,其中6塊巖樣的滲透率損害率高于70%,總體上涪陵龍馬溪組天然裂縫頁(yè)巖巖樣應(yīng)力敏感性強(qiáng)。
對(duì)8塊樣品同時(shí)開(kāi)展了增覆壓和降覆壓兩種情況下的滲透率應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 往復(fù)加壓、 卸壓時(shí), 滲透率僅能恢復(fù)30%~45%。
1.2.2 鋪砂裂縫頁(yè)巖巖樣應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn) 選取7塊涪陵龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層完整巖心,采用劈裂法進(jìn)行人工造縫,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓裂主要用30~50目和40~70目樹(shù)酯覆膜砂的實(shí)際,采用2 kg/m2的鋪砂濃度,開(kāi)展了模擬儲(chǔ)層壓力條件下鋪砂裂縫巖心的應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。
圖4 人工鋪砂裂縫頁(yè)巖巖樣無(wú)因次滲透率隨有效應(yīng)力變化曲線(xiàn)Fig.4 Change curves of dimensionless permeability with effective stress for the shale samples with artificial sanding fracture
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,人工鋪砂裂縫頁(yè)巖巖樣滲透率隨有效應(yīng)力增加而降低,但總體降低幅度不大。當(dāng)有效應(yīng)力增加到53 MPa時(shí),巖心的滲透率保持水平為60%~68%。
涪陵龍馬溪組鋪砂裂縫頁(yè)巖巖樣的滲透率損害率23%~48%,其中5塊巖樣的滲透率損害率小于40%,總體上涪陵龍馬溪組鋪砂裂縫頁(yè)巖巖樣的應(yīng)力敏感程度為中等偏弱。增、降覆壓應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)表明往復(fù)加壓、卸壓時(shí)滲透率可恢復(fù)60%~75%。
采用涪陵龍馬溪組頁(yè)巖巖樣,實(shí)驗(yàn)流體介質(zhì)為99.99%甲烷,開(kāi)展了涪陵龍馬溪組頁(yè)巖樣品在不同溫度、壓力條件下的擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn),通過(guò)理論計(jì)算得到了頁(yè)巖氣層中的擴(kuò)散系數(shù)。
1.3.1 不同壓力下頁(yè)巖樣品的氣體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持溫度82 ℃、圍壓59 MPa,孔隙壓力由38 MPa逐漸降低至4 MPa。根據(jù)Fick第二定律計(jì)算有效擴(kuò)散系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明甲烷在頁(yè)巖中的有效擴(kuò)散系數(shù)主要受孔隙壓力的影響,龍馬溪組儲(chǔ)層條件下甲烷的有效擴(kuò)散系數(shù)介于(6.7~19.7)×10-7cm2·s-1,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。
圖5 頁(yè)巖氣體擴(kuò)散系數(shù)隨孔隙壓力變化曲線(xiàn)Fig.5 Variation curve of shale gas diffusion coefficient with pore pressure
從圖5可以看出:甲烷有效擴(kuò)散系數(shù)隨孔隙壓力的增加而明顯降低。該實(shí)驗(yàn)樣品在38 MPa時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)僅為4 MPa時(shí)的1/4。分析認(rèn)為有以下兩方面的原因:一是孔隙壓力增加,氣體的分子自由程降低。根據(jù)經(jīng)典擴(kuò)散理論,擴(kuò)散系數(shù)的大小與氣相壓力呈反比。另一方面,孔隙壓力增加,甲烷在孔隙壁面上的吸附量顯著增加,導(dǎo)致孔隙通道的有效直徑減小,最終使氣體擴(kuò)散速率變慢。
從圖5還可以看出:當(dāng)孔隙壓力小于10 MPa后,擴(kuò)散系數(shù)對(duì)孔隙壓力的變化更為敏感,主要原因是當(dāng)壓力小于10 MPa時(shí),甲烷吸附量隨壓力的變化更為顯著,甲烷氣體的活性受壓力的影響也更大。
1.3.2 不同溫度下頁(yè)巖樣品的氣體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)巖樣為涪陵龍馬溪組頁(yè)巖,分別在42 ℃、62 ℃、82 ℃的恒溫條件下開(kāi)展擴(kuò)散實(shí)驗(yàn),孔隙壓力由12 MPa逐漸降低至4 MPa,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。
圖6 不同溫度下頁(yè)巖氣體擴(kuò)散系數(shù)隨空隙壓力的變化Fig.6 Variation curves of shale gas diffusion coefficient with pore pressure at different temperatures
可以看出:同一溫度下有效擴(kuò)散系數(shù)隨孔隙壓力的降低而增大;有效擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高而明顯增大。分析認(rèn)為一是溫度升高氣體的活性增強(qiáng),加快了擴(kuò)散過(guò)程;二是溫度升高有利于吸附氣的解吸,擴(kuò)散通道的有效直徑變大。
在上述頁(yè)巖儲(chǔ)層多尺度滲流實(shí)驗(yàn)及機(jī)理分析基礎(chǔ)上,認(rèn)為高溫高壓頁(yè)巖儲(chǔ)層的吸附/解吸符合Langmuir方程;頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率對(duì)應(yīng)力敏感,滲透率與有效應(yīng)力符合指數(shù)關(guān)系式;由于濃度差引起的擴(kuò)散用Fick定律描述。結(jié)合國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)均采用大型壓裂改造而形成大量人工裂縫的實(shí)際,認(rèn)為頁(yè)巖多尺度儲(chǔ)層主要由基質(zhì)系統(tǒng)和裂縫系統(tǒng)組成,頁(yè)巖氣在基質(zhì)中的流動(dòng)包括由壓力差所引起的滲流、濃度差引起的擴(kuò)散以及由于壓力降低而引起的頁(yè)巖氣解吸,在裂縫中的流動(dòng)主要是由壓力差引起的滲流。建立了基質(zhì)中同時(shí)存在滲流、擴(kuò)散和吸附氣解吸、裂縫中為達(dá)西滲流的頁(yè)巖氣藏綜合滲流數(shù)學(xué)模型。
(1)頁(yè)巖儲(chǔ)層由基質(zhì)系統(tǒng)和裂縫系統(tǒng)組成,其中裂縫系統(tǒng)水平方向和垂直方向具有各向異性,即kfh≠kfv。
(2)忽略頁(yè)巖儲(chǔ)層的壓縮性。
(3)裂縫系統(tǒng)中氣體為游離氣,其流動(dòng)遵循Darcy定律。
(4)基質(zhì)塊形狀為球形,基質(zhì)中頁(yè)巖氣以吸附態(tài)和游離態(tài)兩種狀態(tài)存在。
(5)頁(yè)巖氣在基質(zhì)中的流動(dòng)是壓力差和濃度差共同作用的結(jié)果,即同時(shí)存在Darcy滲流和氣體擴(kuò)散,擴(kuò)散符合Fick定律?;|(zhì)中頁(yè)巖氣在壓力差的作用下以非穩(wěn)態(tài)方式向裂縫系統(tǒng)竄流,且同時(shí)在濃度差作用下以非穩(wěn)態(tài)方式向裂縫系統(tǒng)擴(kuò)散。
(6)基于高溫高壓頁(yè)巖儲(chǔ)層吸附/解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果,基質(zhì)中吸附氣的解吸規(guī)律用Langmuir等溫吸附定律描述。
(7)整個(gè)氣藏在開(kāi)采前處于平衡狀態(tài),吸附態(tài)和游離態(tài)氣體處于動(dòng)態(tài)平衡。
(8)氣井以定產(chǎn)量生產(chǎn),標(biāo)況下氣井產(chǎn)量為qsc。
(9)單相氣體等溫滲流,忽略重力影響。
模型中假設(shè)基質(zhì)系統(tǒng)與裂縫系統(tǒng)之間的氣體交換為壓力差所引起的非穩(wěn)態(tài)滲流和濃度差所引起的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散,基質(zhì)系統(tǒng)有其獨(dú)立的流動(dòng)微分方程和定解條件。
2.2.1 基質(zhì)系統(tǒng)滲流微分方程 假設(shè)基質(zhì)塊為球形,基質(zhì)中頁(yè)巖氣的流動(dòng)為壓力差和濃度差所引起的非穩(wěn)態(tài)滲流和非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散,并考慮基質(zhì)中吸附氣解吸的影響,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果頁(yè)巖氣解吸選用Langmuir模型描述,可得到基質(zhì)系統(tǒng)的滲流微分方程:
(3)
式中:ρsc為標(biāo)況下氣體密度,kg/m3;ρm為基質(zhì)中氣體密度,kg/m3;φm為基質(zhì)系統(tǒng)孔隙度,小數(shù);pm為基質(zhì)系統(tǒng)壓力,Pa。等號(hào)右端第二項(xiàng)代表當(dāng)壓力降低時(shí)基質(zhì)中吸附氣解吸的影響。
式(3)中氣體流動(dòng)速度vm為壓力差和濃度差共同作用下的氣體總速度,可寫(xiě)成:
(4)
將氣體狀態(tài)方程代入連續(xù)性方程式,可得:
(5)
式中:cgm為基質(zhì)系統(tǒng)中氣體壓縮系數(shù),Pa-1。
引入擬時(shí)間和擬壓力可得到綜合考慮解吸、非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散和非穩(wěn)態(tài)滲流多重機(jī)制作用的基質(zhì)系統(tǒng)微分方程:
(6)
對(duì)上述基質(zhì)系統(tǒng)滲流微分方程組無(wú)因次化,可得數(shù)學(xué)模型:
(7)
2.2.2 裂縫系統(tǒng)滲流微分方程 假設(shè)頁(yè)巖氣在裂縫中的流動(dòng)為Darcy滲流,基質(zhì)中頁(yè)巖氣向裂縫同時(shí)進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)竄流和非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散,再結(jié)合質(zhì)量守恒定律,可得到裂縫系統(tǒng)的滲流微分方程:
(8)
利用擬壓力定義,取μ和cgf為氣藏初始狀態(tài)下的值對(duì)式(8)進(jìn)行線(xiàn)性化處理,可得:
(9)
式(9)左端第4項(xiàng)代表基質(zhì)中頁(yè)巖氣向裂縫系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)竄流和非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的影響。結(jié)合滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果,頁(yè)巖儲(chǔ)層具有強(qiáng)應(yīng)力敏感,滲透率與有效應(yīng)力符合指數(shù)關(guān)系式。擬壓力的無(wú)因次定義如下:
對(duì)式(9)進(jìn)行無(wú)因次化,可得:
(10)
2.2.3 系統(tǒng)綜合滲流微分方程 對(duì)裂縫系統(tǒng)無(wú)因次滲流微分方程進(jìn)行基于tD的Laplace變換,并利用基質(zhì)系統(tǒng)壓力和裂縫系統(tǒng)壓力的關(guān)系,對(duì)裂縫系統(tǒng)滲流微分方程進(jìn)行化簡(jiǎn),可以得到頁(yè)巖氣藏最終的綜合滲流微分方程:
(11)
式(11)中
(12)
式(11)即為反映頁(yè)巖氣藏解吸、應(yīng)力敏感、非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的三維無(wú)限大雙重介質(zhì)綜合滲流微分方程。
(1)吸附/解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,頁(yè)巖吸附量隨溫度升高而減少;隨溫度升高,蘭氏體積降低,蘭氏壓力增加;儲(chǔ)層條件下的解吸曲線(xiàn)相比吸附曲線(xiàn)略有滯后;Langmuir模型可描述涪陵龍馬溪組儲(chǔ)層條件下的等溫吸附/解吸過(guò)程。
(2)滲透率應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,天然裂縫頁(yè)巖巖心滲透率隨有效應(yīng)力的增加而降低,并以有效應(yīng)力40 MPa為分界點(diǎn),有效應(yīng)力低于40 MPa時(shí)滲透率急劇降低,高于40 MPa之后滲透率降低幅度減小。無(wú)因次滲透率與有效應(yīng)力符合指數(shù)關(guān)系式;涪陵龍馬溪組天然裂縫頁(yè)巖巖樣具有強(qiáng)應(yīng)力敏感性,鋪砂裂縫頁(yè)巖巖樣的應(yīng)力敏感程度為中等偏弱。
(3)擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,甲烷擴(kuò)散系數(shù)隨溫度升高及孔隙壓力降低而增大,擴(kuò)散符合Fick定律。
(4)基于實(shí)驗(yàn)及理論分析所建立的考慮解吸、應(yīng)力敏感、非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的頁(yè)巖多尺度儲(chǔ)層綜合滲流數(shù)學(xué)模型,為頁(yè)巖氣井滲流規(guī)律研究和動(dòng)態(tài)分析奠定了基礎(chǔ)。