溫度與有效應(yīng)力對頁巖擴(kuò)散的敏感性研究

郭 肖，朱 爭，辜思曼，孟凡龍，董文強(qiáng)

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；2.中石化勝利油田分公司，山東 東營 257000；3.中油長慶油田分公司，寧夏 銀川 750006)

?

溫度與有效應(yīng)力對頁巖擴(kuò)散的敏感性研究

郭 肖1，朱 爭1，辜思曼1，孟凡龍2，董文強(qiáng)3

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；2.中石化勝利油田分公司，山東 東營 257000；3.中油長慶油田分公司，寧夏 銀川 750006)

依據(jù)頁巖擴(kuò)散原理，采用頁巖擴(kuò)散系數(shù)測定裝置，對龍山筇竹寺組多塊頁巖巖心開展擴(kuò)散系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)，分析溫度與有效應(yīng)力對頁巖擴(kuò)散系數(shù)的影響。研究表明：頁巖擴(kuò)散系數(shù)與溫度呈較好的指數(shù)關(guān)系，擴(kuò)散系數(shù)溫度敏感指數(shù)與溫度同樣具有較好的指數(shù)關(guān)系，通過擴(kuò)散系數(shù)溫度敏感性評價，分析出弱、中等偏強(qiáng)、超強(qiáng)的溫度敏感區(qū)；有效應(yīng)力對頁巖擴(kuò)散系數(shù)有明顯的抑制作用，隨有效應(yīng)力的增加，擴(kuò)散系數(shù)下降，二者呈較好的指數(shù)關(guān)系；通過擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)力敏感評價，分析出弱、中等的應(yīng)力敏感區(qū)。該研究結(jié)果對于準(zhǔn)確估算頁巖氣擴(kuò)散損失量及資源評價具有重要意義。

溫度；有效應(yīng)力；頁巖擴(kuò)散；敏感性；擴(kuò)散系數(shù)

引 言

頁巖的擴(kuò)散能力在頁巖氣藏運(yùn)移和成藏過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-4]。針對頁巖擴(kuò)散機(jī)理研究，王瑞等人[5]為探究頁巖內(nèi)納米級孔隙中氣體擴(kuò)散能力與孔隙空間大小、氣體種類的關(guān)系，先由Kundsen數(shù)劃分流動區(qū)域，求出對應(yīng)擴(kuò)散系數(shù)，然后將其代入氣體在納米孔隙介質(zhì)中的擴(kuò)散方程，分析孔隙半徑大小和氣體種類對擴(kuò)散量的影響。糜利棟等人[6-8]根據(jù)多孔介質(zhì)中氣體分子的擴(kuò)散形式，分析了頁巖儲集空間中頁巖氣的擴(kuò)散機(jī)理，包括有機(jī)干酪根中溶解氣的擴(kuò)散和納米孔隙中游離氣的擴(kuò)散。根據(jù)Fick第二定律，建立相應(yīng)的擴(kuò)散模型，并重點(diǎn)討論了溫度、壓力、孔隙直徑以及氣體壓縮性等對納米孔隙中擴(kuò)散機(jī)理的影響。許多學(xué)者針對頁巖擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)方法做了大量研究，付廣等人[9]在分析天然氣擴(kuò)散系數(shù)測試方法的基礎(chǔ)上，指出天然氣擴(kuò)散系數(shù)測試中存在的問題，并建立了實(shí)測天然氣擴(kuò)散系數(shù)的地層條件校正方法。婁洪等人[10]在分析天然氣擴(kuò)散機(jī)理的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計了可控溫壓的天然氣擴(kuò)散系數(shù)測定儀，測定了天然氣通過人造石英粉砂巖干巖樣的天然氣擴(kuò)散系數(shù)，并進(jìn)行定量分析，得出天然氣擴(kuò)散系數(shù)與其影響因子的綜合定量模型。王曉波等人[11]依據(jù)氣體在巖樣中的擴(kuò)散原理，建立了高溫高壓致密氣藏巖石擴(kuò)散系數(shù)測定方法，對四川盆地須家河組、鄂爾多斯盆地上古生界致密氣藏巖石樣品開展實(shí)驗(yàn)分析，并分析物性、溫度、注氣平衡壓力、圍壓、飽和介質(zhì)等因素對致密氣藏巖石擴(kuò)散系數(shù)的影響。目前中國對頁巖氣的開發(fā)尚處于初期探索階段，在以往的研究中，對常規(guī)低滲儲層及致密儲層的擴(kuò)散研究較多，對頁巖儲層的擴(kuò)散研究頗少，同時頁巖的擴(kuò)散能力對儲層成藏評價及擴(kuò)散損失量至關(guān)重要。因此，選取湖南龍山區(qū)塊筇竹寺組頁巖巖心為研究對象，進(jìn)行頁巖擴(kuò)散系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)，對頁巖擴(kuò)散系數(shù)的溫度與有效應(yīng)力的敏感性進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)測定不同有效應(yīng)力、溫度下頁巖中氣體擴(kuò)散系數(shù)，研究溫度與有效應(yīng)力變化對頁巖擴(kuò)散規(guī)律的影響。巖心夾持器左右兩端分別以甲烷、氮?dú)庾鳛閿U(kuò)散介質(zhì)，保持注氣平衡壓力恒定為4 MPa，圍壓為17 MPa(模擬真實(shí)儲層的上覆巖層壓力)，溫度由25℃依次升至35、45、55、65、75、85℃，測定頁巖擴(kuò)散系數(shù)；保持溫度為40℃，注氣平衡壓力恒定為4 MPa，測定圍壓為15、17、19、21、23 MPa的頁巖擴(kuò)散系數(shù)，測定不同有效應(yīng)力和溫度下頁巖擴(kuò)散系數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與巖樣

頁巖氣擴(kuò)散系數(shù)測試裝置主要由4部分構(gòu)成：加壓裝置(往復(fù)式增壓泵、圍壓追蹤泵)、多功能巖心夾持器(恒溫加熱裝置、氮?dú)夂图淄閿U(kuò)散氣室、巖心夾持器)、氣體組分分析裝置(多功能色譜儀)、抽真空裝置。實(shí)驗(yàn)采用湖南龍山筇竹寺組頁巖巖心，筇竹寺組頁巖儲層厚度為50～300 m，由一套黑色碳質(zhì)泥頁巖、灰色含粉砂泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、灰?guī)r構(gòu)成，泥頁巖中脆性礦物含量高，其中隱晶質(zhì)石英平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，粒徑小于0.02 mm。筇竹寺組頁巖儲層平均孔隙度為0.81%～1.42% ，滲透率為0.002×10-3～0.008×10-3μm2，測試巖樣基礎(chǔ)參數(shù)見表1。

表1 湖南龍山區(qū)塊筇竹寺組頁巖樣品基本參數(shù)

1.3 擴(kuò)散系數(shù)計算

擴(kuò)散系數(shù)根據(jù)費(fèi)克定律計算：

(1)

由式(1)得到：

(2)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律

在圍壓為17 MPa、注氣平衡壓力為4 MPa的條件下，4塊巖樣的擴(kuò)散系數(shù)與溫度均呈較好的指函數(shù)遞增關(guān)系，圖1為其中2塊巖樣的頁巖擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線。由圖1可知，溫度為25～55℃，擴(kuò)散系數(shù)增加幅度相對較??；溫度為55～85℃，擴(kuò)散系數(shù)出現(xiàn)快速增加。溫度從25℃增至85℃，4塊巖樣擴(kuò)散系數(shù)總體平均提高約8.36倍。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是，從微觀角度分析，分子擴(kuò)散空間不變條件下，隨溫度的升高，分子無規(guī)則熱運(yùn)動加劇，直接導(dǎo)致分子運(yùn)動平均自由程增大，依據(jù)Kundsen數(shù)的定義，Kundsen數(shù)增大，分子擴(kuò)散由Fick擴(kuò)散轉(zhuǎn)變成Kundsen擴(kuò)散，使氣體分子擴(kuò)散能力顯著提升。

圖1 圍壓為17MPa、注氣平衡壓力為4MPa時

2.2 擴(kuò)散系數(shù)隨有效應(yīng)力的變化規(guī)律

有效應(yīng)力主要用于模擬真實(shí)的地層受力環(huán)境。有效應(yīng)力通常定義為上覆巖層壓力與流體壓力之差。溫度為25℃時4塊巖樣的擴(kuò)散系數(shù)與有效應(yīng)力均呈現(xiàn)較好的指函數(shù)遞減關(guān)系，圖2為其中2塊巖樣頁巖擴(kuò)散系數(shù)與有效應(yīng)力的關(guān)系曲線。當(dāng)有效應(yīng)力從11 MPa增至19 MPa時，巖樣LS2-2-4、LS1-1-5、LS1-9-4、LS1-4-3的擴(kuò)散系數(shù)分別下降63%、60%、69%、66%，平均下降64.5%。有效應(yīng)力升至15 MPa前，擴(kuò)散系數(shù)出現(xiàn)快速下降，而當(dāng)有效應(yīng)力從15 MPa升至19 MPa，擴(kuò)散系數(shù)出現(xiàn)緩慢降低。主要原因是隨著有效應(yīng)力的增加，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，巖石顆粒之間的結(jié)合程度更加緊密，納米級孔隙空間不斷縮小，部分孔隙甚至閉合，氣體擴(kuò)散空間大幅度減少；隨著有效應(yīng)力增加，依據(jù)Kundsen數(shù)的定義，分子自由程減小，Kundsen數(shù)不斷減小，分子擴(kuò)散由Kundsen擴(kuò)散轉(zhuǎn)變成Fick擴(kuò)散，使氣體分子擴(kuò)散能力顯著降低。

圖2 溫度為25℃時頁巖擴(kuò)散系數(shù)與有效應(yīng)力的關(guān)系

3 敏感性評價

3.1 擴(kuò)散系數(shù)溫度敏感性評價

依據(jù)儲層滲透率各種敏感性評價方法[12]，同理推出擴(kuò)散系數(shù)溫度敏感性評價公式：

(3)

式中：IT為溫度敏感指數(shù)；Di為不同溫度下的擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；D0為25℃初始溫度下的擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s。

表2為不同溫度的溫度敏感指數(shù)評價結(jié)果。表2中溫度敏感指數(shù)的評價標(biāo)準(zhǔn)：IT>1.00，超強(qiáng)；1.00≥IT≥0.70，強(qiáng)；0.70>IT≥0.50，中等偏強(qiáng)；0.50>IT>0.30，中等偏弱；0.30≥IT>0.05，弱；IT≤0.05，不敏感。圖3為溫度敏感指數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。由圖3擬合得出：

IT=0.03735e0.07459T

(4)

式(4)的擬合相關(guān)系數(shù)為0.990 4。

表2 不同溫度的溫度敏感指數(shù)評價

圖3 溫度敏感指數(shù)隨溫度的變化關(guān)系

由表2、圖3可知，溫度敏感指數(shù)與溫度具有較好的指數(shù)關(guān)系。當(dāng)溫度從25℃升至35℃時，溫度敏感系數(shù)出現(xiàn)緩慢增長，4塊巖樣的溫度敏感強(qiáng)度呈現(xiàn)為無溫度敏感或弱敏感，即溫度為25～35℃是弱溫度敏感區(qū)；隨溫度繼續(xù)升至55℃過程中，巖樣均由弱敏感轉(zhuǎn)變成強(qiáng)敏感，即35～55℃溫度區(qū)間為中等偏強(qiáng)溫度敏感區(qū)，稱35℃為臨界溫度；當(dāng)溫度從55℃升至85℃時，溫度敏感指數(shù)出現(xiàn)快速增加，巖樣均呈現(xiàn)強(qiáng)敏感，即55～85℃溫度區(qū)間為超強(qiáng)溫度敏感區(qū)，在該區(qū)間擴(kuò)散系數(shù)增加幅度大。

3.2 擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)力敏感損害率評價

通過類比石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中滲透率損害率計算公式[13]，推出擴(kuò)散系數(shù)損害率公式：

(5)

式中：Ip為擴(kuò)散系數(shù)損害率；D1為初始有效應(yīng)力下擴(kuò)散系數(shù)， cm2/s；Dmin為達(dá)到最大有效應(yīng)力下的擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s。

基于式(5)，對不同滲透率的4塊巖樣進(jìn)行擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)力評價。研究表明，不同巖樣幾乎呈現(xiàn)相同的規(guī)律，當(dāng)有效應(yīng)力從11 MPa增至13 MPa時，頁巖擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)弱或中等偏弱應(yīng)力敏感，而有效應(yīng)力增至19 MPa時，頁巖擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)中等偏強(qiáng)應(yīng)力敏感。說明有效應(yīng)力變化的不同階段對頁巖儲層擴(kuò)散系數(shù)的應(yīng)力敏感影響不同，有效應(yīng)力11～13 MPa為弱應(yīng)力區(qū)，而有效應(yīng)力13～19 MPa為中等應(yīng)力區(qū)。

4 結(jié) 論

(1) 頁巖擴(kuò)散系數(shù)與溫度呈現(xiàn)較好的指數(shù)遞增關(guān)系。隨溫度從25℃增至85℃，擴(kuò)散系數(shù)出現(xiàn)快速增加，總體平均提高約8.36倍，溫度對擴(kuò)散系數(shù)影響較大。擴(kuò)散系數(shù)溫度敏感性評價結(jié)果表明，溫度敏感指數(shù)與溫度同樣具有較好的指數(shù)關(guān)系，25～35℃為弱溫度敏感區(qū)，擴(kuò)散系數(shù)對溫度敏感程度為弱；35～55℃溫度區(qū)間為中等偏強(qiáng)溫度敏感區(qū)，擴(kuò)散系數(shù)對溫度敏感程度由中等變強(qiáng)；55～85℃為超強(qiáng)溫度敏感區(qū)，在該區(qū)間擴(kuò)散系數(shù)增加幅度大，擴(kuò)散系數(shù)對溫度敏感程度為超強(qiáng)。

(2) 有效應(yīng)力對頁巖擴(kuò)撒系數(shù)有明顯的抑制作用，二者呈現(xiàn)較好的指函數(shù)遞減關(guān)系。隨有效應(yīng)力從11 MPa增至19 MPa時，擴(kuò)散系數(shù)下降64.5%。通過擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)力敏感評價，有效應(yīng)力變化的不同階段，頁巖擴(kuò)散系數(shù)對其敏感程度不一樣，即有效應(yīng)力為11～13 MPa為弱應(yīng)力區(qū)，擴(kuò)散系數(shù)降低較?。欢行?yīng)力13～19 MPa為中等應(yīng)力區(qū)，擴(kuò)散系數(shù)下降較大。

[1] 姚軍，孫海，樊冬艷，等.頁巖氣藏運(yùn)移機(jī)制及數(shù)值模擬[J].中國石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，37(1)：91-98.

[2] 張金川，金之鈞，袁明生.頁巖氣成藏機(jī)理和分布[J].天然氣工業(yè)，2004，24(7)：15-18.

[3] 李明誠.石油與天然氣運(yùn)移[M].3版.北京：石油工業(yè)出版社，1999：139-142.

[4] 姜瑞忠，汪洋，劉海成，等.頁巖氣生產(chǎn)機(jī)理及影響因素分析[J].特種油氣藏，2014，21(1)：84-87，155.

[5] 王瑞，張寧生，劉曉娟，等.頁巖氣擴(kuò)散系數(shù)和視滲透率的計算與分析[J].西北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，43(1)：75-80，88.

[6] 糜利棟，姜漢橋，李俊鍵，等.頁巖儲層氣體擴(kuò)散機(jī)理[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2014，33(1)：154-159.

[7] 葛忠偉，樊莉.頁巖氣研究中應(yīng)注意的問題[J].油氣地質(zhì)與采收率，2013，20(6)：19-22.

[8] 張磊，石軍太，楊先倫，等.頁巖裂縫和孔隙中氣體運(yùn)移方式評價及確定[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2014，33 (4)：166-169.

[9] 付廣，李椿，孟慶芬.天然氣擴(kuò)散系數(shù)的系統(tǒng)研究[J].斷塊油氣田，2003，10(5)：13-16.

[10] 婁洪，羅鵬，薛盼，等.天然氣擴(kuò)散系數(shù)影響因素的定量模擬研究[J].內(nèi)蒙古石油化工，2012，22(14)：5-6.

[11] 王曉波，陳踐發(fā)，李劍，等.高溫高壓致密氣藏巖石擴(kuò)散系數(shù)測定及影響因素[J].中國石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，38(3)：25-31.

[12] 何更生，唐海.油層物理[M].2版.北京：石油工業(yè)出版社，2011：95-99.

[13] 蘭林，康毅力，陳一健，等.儲層應(yīng)力敏感性評價實(shí)驗(yàn)方法與評價指標(biāo)探討[J].鉆井液與完井液，2005，22(3)：1-4.

編輯 王 昱

20141012；改回日期：20150212

國家“973”項(xiàng)目“頁巖氣多場耦合非線性滲流理論研究”(2013CB228002)

郭肖(1972-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，1994年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)，1999年畢業(yè)于該校油氣田開發(fā)工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事油氣田開發(fā)工程的教學(xué)和科研工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.02.018

TE135

A

1006-6535(2015)02-0074-04