頁巖氣藏超低含水飽和度形成模擬及其意義

方朝合, 黃志龍 王巧智, 游利軍, 康毅力, 王義鳳

(1. 中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249; 2. 國家能源頁巖氣研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心, 河北 廊坊065007; 3. 中國石油集團(tuán)非常規(guī)油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 廊坊 065007; 4. 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)

0 引 言

頁巖氣具有自生自儲(chǔ)、儲(chǔ)量巨大的特點(diǎn), 隨著開發(fā)技術(shù)的日益完善, 國內(nèi)外學(xué)者日益關(guān)注頁巖氣的研究。資源評價(jià)表明, 全世界的頁巖氣資源量大約等于煤層氣與致密砂巖氣資源量的總和[1–3]。研究發(fā)現(xiàn), 頁巖儲(chǔ)層較為致密, 其孔隙度普遍小于 5%,束縛水飽和度一般超過 60%。筆者對中國石油頁巖氣示范區(qū)巖芯(油基泥漿條件下取芯)的測試發(fā)現(xiàn),富含氣頁巖儲(chǔ)層初始含水飽和度皆在 50%以下, 富氣頁巖儲(chǔ)層歷經(jīng)埋藏和生烴/排烴階段的脫水過程,形成了超低含水飽和度, 即Swi ＜＜ Swirr(最大束縛水含水飽和度)的現(xiàn)象, 較大厚度的泥頁巖蓋層和較高壓力天然氣的存在對超低含水飽和度的保持起到相當(dāng)重要的作用[4–7]。干涸狀態(tài)下的頁巖孔隙吸水動(dòng)力強(qiáng), 工作液接觸到巖石表面后, 立即在毛管力下自吸進(jìn)入儲(chǔ)層, 致使侵入的工作液滯留裂縫面或近井帶, 導(dǎo)致近井帶或裂縫面附近儲(chǔ)層中水飽和度增加, 頁巖儲(chǔ)層氣相滲透率降低, 嚴(yán)重影響氣體產(chǎn)出,使氣層表現(xiàn)為低阻, 測試低產(chǎn)或無產(chǎn), 影響氣藏及時(shí)發(fā)現(xiàn)或準(zhǔn)確評價(jià)。寧201-H1、威201-H1和YSH1-1均不同程度地出現(xiàn)了井壁垮塌現(xiàn)象, 我國先期開發(fā)的威遠(yuǎn)、長寧、昭通多口頁巖氣井壓裂規(guī)模較大, 6個(gè)月內(nèi)返排率僅為12%～55%, 筆者認(rèn)為均與該現(xiàn)象的存在有關(guān)。

本研究擬以川渝露頭頁巖為例, 通過物理模擬實(shí)驗(yàn)對頁巖氣藏的生烴充注排液過程中水的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行初步探索, 結(jié)合地質(zhì)因素對頁巖超低含水飽和度的成因加以討論, 揭示頁巖超低含水飽和度形成的必然性, 探討頁巖超低含水飽和度對勘探開發(fā)的啟示。

1 氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)?zāi)M

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

氣驅(qū)水室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M采用裝置如圖1。

1.1.1 氣驅(qū)水

模擬生烴充注排水過程[8], 在常溫及高溫條件下, 開展基塊、裂縫巖樣氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn), 分析驅(qū)替過程對含水飽和度的影響。選取 4塊川渝露頭頁巖(CT7-25B、CT5-13、YY2-3-2和 YY2-4-6), 對比研究實(shí)驗(yàn)前后含水飽和度變化。

實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1) 將選取的巖樣進(jìn)行干燥稱重后測量其直徑、長度和孔隙度;

(2) 將巖樣抽真空后飽和地層水稱重, 計(jì)算出含水飽和度;

(3) 設(shè)定實(shí)驗(yàn)圍壓3 MPa, 在室溫下, 用1 MPa氮?dú)怛?qū)30 h后稱重, 累計(jì)驅(qū)至60 h再次稱重, 計(jì)算含水飽和度;

(4) 將巖芯加熱到 70 ℃繼續(xù)用 1 MPa的氮?dú)怛?qū)累計(jì)至90 h, 120 h再次稱重, 計(jì)算含水飽和度;

(5) 記錄每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的氣測滲透率。

1.1.2 氣攜液

氣體在運(yùn)移過程中存在較強(qiáng)的攜液能力, 隨著埋深的增加, 地層溫度逐漸增加, 熱裂解氣汽化攜液作用愈發(fā)強(qiáng)烈[9–10]。頁巖孔縫中的液體以氣態(tài)水的形式被攜帶出來, 實(shí)驗(yàn)設(shè)定圍壓 3 MPa, 通過出口端干燥瓶前后的質(zhì)量差分別計(jì)算不同氣驅(qū)壓力下(0.5 MPa、1 MPa、3 MPa、5 MPa)不同溫度(15 ℃、40 ℃、55 ℃、70 ℃)的攜液能力, 分析氣攜液對含水飽和度的影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram showing experiment process and device

1.2 氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)結(jié)果

氣驅(qū)過程中頁巖含水飽和度變化情況見表 1。不同溫度壓力條件下氣體攜水能力見表2。

2 生烴環(huán)境對超低含水飽和度形成的影響

天然氣大量生成及聚集成藏影響頁巖氣藏超低含水飽和度的形成, 伴隨烴類生成、運(yùn)移及聚集, 烴源巖及儲(chǔ)集巖中地層水不斷地被天然氣所排替。四川盆地志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖有機(jī)碳含量較高, 達(dá)0.5% ～ 2.4%;熱演化程度高,Ro為 2.5% ～ 4.0%; 生烴強(qiáng)度大, 為75×108～ 275×108m3/km2, 具備頁巖氣大量生成的地質(zhì)條件, 天然氣不斷生成并在氣藏內(nèi)聚集。資源評價(jià)表明, 四川盆地志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣資源豐度達(dá)2.7×108～ 5.5×108m3/km2, 烴源巖的生烴強(qiáng)度與石油資源豐度之差存在對數(shù)關(guān)系, 兩者之關(guān)系暗示著排烴量。

石油資源豐度與烴源巖的生烴強(qiáng)度之間的關(guān)系式為:

y為評價(jià)單元的石油地質(zhì)資源豐度(×104t/km2),x為烴源巖的生烴強(qiáng)度(×104t/km2)。

從關(guān)系式中可以看出, 僅有一小部分烴得以保存, 絕大部分烴被迫進(jìn)行排液。同時(shí), 該區(qū)域龍馬溪組頁巖的厚度為150 ～ 550 m, 沉積厚度大, 不僅可以作為良好的儲(chǔ)集層, 而且也可以作為有效蓋層,為超低含水飽和度的保存提供了有利條件[11–14]。

2.1 裂縫對超低含水飽和度影響

油氣藏流體在儲(chǔ)層不同空間尺度中的流動(dòng)具有時(shí)間效應(yīng), 在裂縫中流動(dòng)較快, 在孔隙和喉道中流動(dòng)較慢, 裂縫不僅是連通孔隙與裂縫、裂縫與裂縫及孔隙與孔隙的樞紐, 裂縫或微裂縫還是重要的滲流通道, 水可以沿裂縫通道發(fā)生運(yùn)移[15]。頁巖基塊孔喉細(xì)小, 毛管壓力高, 束縛或滯留水能力強(qiáng), 表現(xiàn)為基塊致密、微裂縫發(fā)育。斷裂、裂縫的發(fā)育程度和分布特征對于泥頁巖中頁巖氣的聚集成藏和氣水運(yùn)移具有重要地質(zhì)意義。

具有低泊松比、高彈性模量、富含有機(jī)質(zhì)的頁巖層段在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中屬于非常好的滑脫層, 川東南地區(qū)受燕山運(yùn)動(dòng)后期的應(yīng)力扭轉(zhuǎn)作用, 形成了大量的“S”型或“弧形”斷裂, 易產(chǎn)生構(gòu)造縫和滑脫縫。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)擠壓形成的裂縫不僅可為頁巖氣提供充足的儲(chǔ)集空間, 而且成為水的滲濾通道, 大幅度提高排液效率。天然裂縫的存在, 顯著提高了生烴排液能力。四川盆地頁巖裂縫發(fā)育, 宏觀上可見較多由構(gòu)造活動(dòng)引起的高角度裂縫和網(wǎng)狀交叉縫(圖 2a),微觀下可見較多由封存烴類流體壓力值突破本身封閉條件產(chǎn)生的層理縫和微裂縫(圖2b, 圖2c)。

表1 氣驅(qū)過程中頁巖含水飽和度變化情況Table 1 Variation of water saturation in shale with the process of gas drive

圖2 四川盆地頁巖裂縫發(fā)育Fig.2 Diagrams showing shale fracture in Sichuan basin

表2 不同溫度壓力條件下氣體攜水能力(×10–7 g/cm3)Table 2 Water-carrying capacity (×10–7 g/cm3) of gas under different temperature and pressure conditions

川南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖巖屑中普見自形晶方解石和石英(1%～7%), 脆性較強(qiáng), 烴源巖在大量生烴期間, 干酪根的體積不斷減小, 之前由干酪根支撐的那部分有效壓應(yīng)力向孔隙流體轉(zhuǎn)移, 倘若不能及時(shí)排出流體就必然將產(chǎn)生異常高壓(龍馬溪組頁巖的壓力系數(shù)可達(dá) 1.4～1.89), 為超高壓含氣區(qū)域, 脆度極高的頁巖地層壓力突破巖石破裂極限強(qiáng)度產(chǎn)生大量復(fù)雜的斷裂、裂縫[16–18](圖3)。后生烴階段, 天然氣不斷生成, 烴類流體由烴源巖向儲(chǔ)集巖中排驅(qū), 烴源巖不斷生烴(圖 3a), 產(chǎn)生異常高壓致使巖石破裂(圖 3b), 高壓地層流體從儲(chǔ)集巖中排驅(qū)(圖3c), 儲(chǔ)層壓力下降, 裂縫閉合(圖3d)。儲(chǔ)層會(huì)因?yàn)闊N源巖的再次生烴產(chǎn)生高壓, 不斷進(jìn)行“幕式排液作用” (a→b→c→d→a…d…a)。從表 1 可知, 常溫下氣驅(qū)后裂縫性頁巖的含水飽和度(75%～78%)小于基質(zhì)性頁巖(81%～87%)。裂縫性頁巖的排液量大于基質(zhì)頁巖, 頁巖成藏過程中產(chǎn)生的裂縫提高頁巖滲透率, 考慮到裂縫這一條件, 所以頁巖成藏過程中在生烴排液作用下氣藏中超低含水飽和度能夠?qū)崿F(xiàn)。

2.2 溫度和排烴壓力對超低含水飽和度影響

在成巖作用后期, 天然氣的生成以熱裂解氣為主, 進(jìn)入熱裂解氣攜帶殘余水階段, 在高溫干燥天然氣排液作用下, 頁巖氣藏超低含水飽和度最終得以形成(圖4)。烴源巖達(dá)到生烴門限的值約為435 ℃,烴源巖生烴伴隨超壓、超高溫。頁巖氣生產(chǎn)核心區(qū)均伴隨不同程度的超壓。生烴增加了頁巖中天然氣的數(shù)量, 消耗一半含 10%干酪根的烴源巖即可產(chǎn)生10 MPa壓力[19–20], 形成高于地層壓力的排氣壓力,導(dǎo)致天然氣攜液沿著巖石的薄弱面產(chǎn)生小規(guī)模裂縫運(yùn)移, 加大了排烴攜液效率。超高溫是烴源巖正在生烴的標(biāo)志, 隨著埋深的增加, 地層溫度增加, 溫度每增加 10 ℃, 干酪根熱降解成烴的反應(yīng)速率增加一倍并與時(shí)間呈線性關(guān)系。

超壓、超高溫加大了熱裂解氣攜液的效率。針對蒸發(fā)與熱裂解氣攜液作用, 國外學(xué)者先后進(jìn)行過研究。Mahadevanet al.對飽和鹽水的巖芯進(jìn)行了氣驅(qū)替實(shí)驗(yàn), 隨著注入氣體積的增加氣相相對滲透率增大[21]; Dodsonet al.利用PVT筒第一次通過實(shí)驗(yàn)研究了在不同壓力和溫度條件下的攜液量, 認(rèn)為氣攜液速度隨著溫度增加而增加[22]; Grahamet al.通過計(jì)算預(yù)測了北海油田的蒸發(fā), 結(jié)果顯示 195 ℃條件下, 蒸發(fā)作用損失了約40%的水[23]; Zuluagaet al.通過實(shí)驗(yàn)證實(shí), 水相蒸發(fā)速度隨氣體排驅(qū)速率增加而增加, 隨液相礦化度增加而降低[24]。Betteet al.研究了注入氣對巖芯中飽和水的攜液作用, 實(shí)驗(yàn)后這些巖芯中的水含量很低, 氣攜液量很高, 有的則完全被攜帶走[25]。

圖3 頁巖氣藏生烴排水模式Fig.3 Model showing hydrocarbon generation and drainage in shale gas reservoirs

圖4 生烴充注氣驅(qū)攜液概念模型及水的賦存狀態(tài)Fig.4 Conceptual model showing hydrocarbon generation, charging and water expulsion as well as water occurrence in gas reservoir

熱裂解氣攜液其實(shí)質(zhì)是一個(gè)氣-液相互作用過程, 高溫高壓條件下水在烴類的溶解加大, 溶解與協(xié)同作用加大了氣攜液的速率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 70 ℃、5 MPa氣壓下的攜液能力是15 ℃、0.5 MPa氣壓下攜液能力的10.2倍(表2)。熱裂解氣汽化攜液作用增大了地層水被攜帶到上覆地層的可能性, 超高壓、高溫使頁巖氣藏超低含水飽和度的形成更為容易。

3 超低含水飽和度對頁巖氣藏勘探開發(fā)的啟示

頁巖氣藏存在超低含水飽和度現(xiàn)象, 頁巖氣藏的初始含水飽和度小于束縛水飽和度, 延伸可動(dòng)孔喉范圍, 提高氣相滲流能力。但是, 如果開采時(shí)溝通了水體或者外來流體侵入, 外來水會(huì)在毛管力的作用下迅速吸入頁巖儲(chǔ)層增加頁巖氣藏含水飽和度, 影響開發(fā)效果。寧 201-H1、威 201-H1和YSH1-1均不同程度地出現(xiàn)了井壁垮塌現(xiàn)象; 威遠(yuǎn)、長寧、昭通多口頁巖氣井壓裂規(guī)模越大, 返排難度非常大, 在鉆井液和增產(chǎn)措施作業(yè)水的冷卻作用下, 儲(chǔ)層接觸面附近會(huì)聚集更多的束縛水, 影響氣體產(chǎn)出。超低含水飽和度的地質(zhì)意義與工程意義見表3。

頁巖氣藏的超低含水飽和度現(xiàn)象影響頁巖氣的傳輸行為。頁巖氣藏與常規(guī)氣藏的孔隙分布有很大區(qū)別。非常規(guī)頁巖納米級孔隙發(fā)育, 孔隙直徑在幾納米到幾微米之間。特殊的孔隙結(jié)構(gòu)決定了具有特殊的滲流方式, 甲烷主要以吸附狀態(tài)賦存于頁巖基塊的微納孔隙中, 在一定壓力下處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài), 其產(chǎn)出機(jī)理遵循解吸-擴(kuò)散-滲流的過程, 即：從頁巖基塊孔隙表面解吸, 通過基塊和微孔隙擴(kuò)散到裂隙中, 以達(dá)西流方式經(jīng)裂隙流向井筒三個(gè)過程。超低含水飽和度對頁巖氣體傳輸能力的影響見表4。

表3 超低含水飽和度的地質(zhì)意義與工程意義Table 3 Summary of the geological and engineering significance ofutlra-low water saturation

表4 超低含水飽和度對頁巖氣體傳輸能力的影響Table 4 The ultra-low water saturation effects on shale gas transfer ability

4 結(jié) 論

(1) 氣驅(qū)物理模擬實(shí)驗(yàn)是研究超低含水飽和度成因的一種可行方法, 室內(nèi)開展基塊、裂縫巖樣氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn), 成功地模擬生烴充注排水和熱裂解氣攜液過程, 證實(shí)了超低含水飽和度的存在。

(2) 裂縫與高溫環(huán)境加速了生烴充注排水與熱裂解攜液進(jìn)程。

(3) 超低含水飽和度可作為頁巖氣藏有利區(qū)評價(jià)的指南針, 促使中國頁巖氣“甜點(diǎn)區(qū)”的勘探向“超低含水飽和度區(qū)”轉(zhuǎn)移。

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