中國(guó)南方海相頁(yè)巖氣體滑脫效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

謝川，郭肖，鄭玲麗，黃婷，高濤

（西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500）

中國(guó)南方海相頁(yè)巖氣體滑脫效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

謝川，郭肖，鄭玲麗，黃婷，高濤

（西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500）

為了研究滑脫效應(yīng)的存在條件，以及對(duì)頁(yè)巖氣在頁(yè)巖儲(chǔ)層中的滲流規(guī)律，基于頁(yè)巖氣的滲流機(jī)理和氣體滲流的滑脫機(jī)制，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同孔隙壓力條件下滑脫因子的大小，研究了孔隙壓力對(duì)頁(yè)巖氣滑脫效應(yīng)的影響，以及滑脫效應(yīng)對(duì)氣體滲透率的影響情況；對(duì)含裂縫和不含裂縫的頁(yè)巖開(kāi)展了不同孔隙壓力下的滲流特征分析。結(jié)果表明：頁(yè)巖中氣體滑脫效應(yīng)是客觀存在的；對(duì)于不含裂縫的巖心，氣體在頁(yè)巖滲流過(guò)程中滑脫效應(yīng)的強(qiáng)弱很大程度上取決于儲(chǔ)層孔隙壓力的大?。划?dāng)儲(chǔ)層孔隙壓力＜1 MPa的時(shí)候，滑脫效應(yīng)明顯；當(dāng)儲(chǔ)層孔隙壓力大于1 MPa的時(shí)候，滑脫效應(yīng)不明顯，整個(gè)流動(dòng)過(guò)程為先滑脫流后達(dá)西流。對(duì)于含明顯裂縫的巖心，滲透率隨著平均孔隙壓力的增大而呈現(xiàn)出三段不同的關(guān)系，隨著孔隙壓力越來(lái)越大，滲透率越來(lái)越低，且下降趨勢(shì)越來(lái)越大，滑脫效應(yīng)愈發(fā)明顯。

海相頁(yè)巖；滑脫效應(yīng)；室內(nèi)實(shí)驗(yàn)；孔隙壓力

隨著常規(guī)油氣資源不斷被開(kāi)采消耗，頁(yè)巖氣作為一種典型的非常規(guī)油氣資源已逐步得到全世界的廣泛關(guān)注。南方海相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層分布范圍廣，厚度大（30 m～50 m），總有機(jī)碳含量高，含氣豐富，是中國(guó)頁(yè)巖氣資源的主體，其技術(shù)可采儲(chǔ)量為（8～11）×1012m3，資源潛力較大。頁(yè)巖孔滲結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以微納米級(jí)孔隙為主的頁(yè)巖儲(chǔ)層可認(rèn)為是特低滲致密的多孔性介質(zhì)，而對(duì)于致密的多孔性介質(zhì)，滑脫效應(yīng)尤為顯著，弄清楚滑脫效應(yīng)在頁(yè)巖儲(chǔ)層中的存在條件及對(duì)頁(yè)巖氣滲流規(guī)律的影響則顯得至關(guān)重要，對(duì)我國(guó)南方海相頁(yè)巖氣的高效開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)作用。

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少學(xué)者對(duì)頁(yè)巖氣藏的開(kāi)發(fā)特征進(jìn)行了大量研究，但在頁(yè)巖滑脫效應(yīng)方面的研究較少，尤其是實(shí)驗(yàn)研究。高樹(shù)生等［3］在物理模擬實(shí)驗(yàn)研究滑脫效應(yīng)的基礎(chǔ)上，建立了考慮人工壓裂和滑脫效應(yīng)影響的氣井產(chǎn)能模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到頁(yè)巖儲(chǔ)層在孔隙壓力較低（小于10 MPa）的情況下氣體滲流存在滑脫效應(yīng)，而在孔隙壓力較高的情況下氣體滑脫效應(yīng)不明顯；張磊等［5］考慮基質(zhì)中氣體的滑脫效應(yīng)，建立了頁(yè)巖氣壓裂水平井產(chǎn)能評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)模型。C.R.Clarkson等利用Ertekin等人提出的動(dòng)態(tài)滑脫效應(yīng)方法確定了表觀氣測(cè)滲透率隨壓力的變化關(guān)系，同時(shí)確立了這些變化對(duì)氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)的影響；Rob Heller等［7］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了圍壓和孔隙壓力對(duì)頁(yè)巖基質(zhì)滲透率的影響，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到，巖石有效滲透率因滑脫效應(yīng)的存在而在低孔隙壓力（＜500 psi）下顯著提高。本文基于頁(yè)巖氣的滲流機(jī)理及氣體滲流的滑脫機(jī)制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究孔隙壓力對(duì)頁(yè)巖氣滑脫效應(yīng)的影響，分析了頁(yè)巖儲(chǔ)層中滑脫效應(yīng)存在的條件，以及滑脫效應(yīng)對(duì)氣體滲透率的影響規(guī)律；對(duì)含裂縫和不含裂縫的頁(yè)巖開(kāi)展了不同孔隙壓力下的滲流特征分析。

1　氣體滲流的滑脫機(jī)制

多孔介質(zhì)中氣體的滲流與液體的滲流不同，其主要是由于氣體與液體的性質(zhì)差異造成的。對(duì)液體來(lái)講，在孔道中心的液體分子比靠近孔道壁表面的分子流速要高；而氣體在巖石孔道壁處不產(chǎn)生吸附薄層，氣體在介質(zhì)孔道中滲流時(shí)，靠近孔道壁表面的氣體分子流速不為零，氣體分子的流速在孔道中心和孔道壁處無(wú)明顯差別，這種特性稱(chēng)為滑脫效應(yīng)，是由Klinkenberg于1941年提出的，亦稱(chēng)Klinkenberg效應(yīng)，其滲透率表達(dá)式為：

式中：kg為平均壓力和平均流量下測(cè)得的氣體滲透率，k∞為氣體克氏滲透率，c為比例系數(shù)，λ為氣體分子平均自由程，r為巖石孔隙半徑。

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，氣體分子平均自由程與平均孔隙壓力呈反比，則（1）式可變?yōu)椋?/p>

式中：P為平均孔隙壓力，P=（P1+P2）/2，P1、P2分別是實(shí)驗(yàn)巖樣入口壓力和出口壓力；b為滑脫因子，其定義為。

當(dāng)b=0時(shí)，表示在多孔介質(zhì)中沒(méi)有氣體分子和孔道壁互相作用的滑脫流，即為達(dá)西流，如圖1中的OB段；當(dāng)b≠0時(shí)，多孔介質(zhì)中存在滑脫效應(yīng)，如圖1中的OA段［9］。

圖1　滑脫效應(yīng)物理意義Fig.1 The physical significance of slippage effect

2　滑脫效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程

實(shí)驗(yàn)采用HA-Ⅲ型高溫高壓油氣水相滲測(cè)試儀設(shè)備，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程（見(jiàn)圖2）。為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置的密封性和滲透率測(cè)試結(jié)果的可靠性，首先用鐵巖心進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)圍壓大于5 MPa時(shí)設(shè)備才能達(dá)到較好的密封性；然后對(duì)3塊標(biāo)準(zhǔn)巖心的滲透率進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，3次測(cè)試結(jié)果的相對(duì)誤差（見(jiàn)表1），測(cè)試結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)設(shè)備所測(cè)數(shù)據(jù)可信，在允許的誤差范圍內(nèi)。

圖2　實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.2 Experimental program

表1　標(biāo)準(zhǔn)巖心3次測(cè)試結(jié)果對(duì)比表Table.1 Test results contrast table of three standard cores

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了克服因孔隙壓力變化，進(jìn)而引起有效應(yīng)力改變而產(chǎn)生的應(yīng)力敏感效應(yīng)，圍壓取值較大為20 MPa；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)流體在不同的孔隙壓力下物性會(huì)發(fā)生變化，尤其是氣體黏度，因此在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中對(duì)氣體黏度進(jìn)行了校正。保持出口端為大氣壓，利用逐級(jí)降壓的方式對(duì)氣瓶出口處的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使初始入口壓力為0.2 MPa，然后按照0.2 MPa（帶裂縫的巖心為0.1 MPa）的壓差逐次調(diào)高，實(shí)驗(yàn)控制最大入口壓力為3 MPa，實(shí)驗(yàn)?zāi)M儲(chǔ)層孔隙壓力為入口壓力和出口壓力的平均，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5336-1996的規(guī)定方法計(jì)算不同孔隙壓力下的氣測(cè)滲透率值，繪制出平均孔隙壓力倒數(shù)與滲透率的關(guān)系曲線，對(duì)關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合。

2.2實(shí)驗(yàn)巖心

此次實(shí)驗(yàn)巖心選自南方海相頁(yè)巖，實(shí)驗(yàn)巖心總計(jì)10塊（其中5塊含有明顯裂縫，5塊不含裂縫），巖心滲透率范圍在0.000 42 mD～1.31 mD，巖心均取自于井深小于1 000 m的儲(chǔ)層，巖心詳細(xì)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）。實(shí)驗(yàn)前均對(duì)巖樣進(jìn)行了48 h的烘干處理，溫度為60℃。由于壓力變化對(duì)裂縫的影響較大，為了使巖心性質(zhì)趨于穩(wěn)定，對(duì)有裂縫的巖心首先進(jìn)行了老化處理。

表2　實(shí)驗(yàn)巖心基本數(shù)據(jù)Table.2 Basic data of lab core

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

從圖3所示的關(guān)系曲線可以看出，隨著平均孔隙壓力的增大，滲透率不斷降低，但降低幅度在不斷減小，到最后趨于平緩，滲透率幾乎不變。與圖1進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與滑脫效應(yīng)的物理意義相一致。5塊南方海相頁(yè)巖巖樣都呈現(xiàn)出不同程度的滑脫效應(yīng)，即巖樣氣測(cè)滲透率隨孔隙壓倒數(shù)的增大而增大，頁(yè)巖普遍存在滑脫效應(yīng)，而滑脫效應(yīng)有助于改善頁(yè)巖儲(chǔ)層的滲透性能，為頁(yè)巖氣藏的開(kāi)發(fā)提供了有利條件。

通過(guò)對(duì)滑脫因子的計(jì)算，選擇三塊具有不同級(jí)別滑脫因子的巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出了滑脫滲透率對(duì)氣測(cè)滲透率的貢獻(xiàn)率k/k∞隨孔隙壓力變化的關(guān)系曲線，即反映了不同孔隙壓力下滑脫效應(yīng)對(duì)滲透率的影響情況，（見(jiàn)圖4）?；摑B透率k∞是指孔隙壓力倒數(shù)趨于0時(shí)的滲透率，體現(xiàn)在滲透率擬合曲線上就是指擬合曲線和滲透率軸的截距，也就是擬合公式的常數(shù)項(xiàng)。從圖4可以看出，三塊頁(yè)巖巖樣的氣測(cè)滲透率受滑脫滲透率的影響規(guī)律基本一致，隨著孔隙壓力的增大，滑脫效應(yīng)對(duì)滲透率的影響先是快速減弱再是緩慢減弱。

圖3　5塊不含裂縫實(shí)驗(yàn)巖心平均孔隙壓力倒數(shù)與滲透率關(guān)系曲線Fig.3 The relation curve of inverse mean pore pressure and permeability of five no fracture lab cores

圖4　不同孔隙壓力下滑脫效應(yīng)對(duì)滲透率的影響Fig.4 The influence of slippage of permeability under different pore pressures

由圖3、圖4所示的關(guān)系曲線可以得出，氣體滲流過(guò)程中滑脫效應(yīng)的強(qiáng)弱很大程度上取決于儲(chǔ)層孔隙壓力的大小，當(dāng)儲(chǔ)層孔隙壓力較?。≒＜1 MPa）的時(shí)候，滑脫對(duì)滲透率的影響較大，滑脫效應(yīng)明顯，；當(dāng)儲(chǔ)層孔隙壓力大于1 MPa的時(shí)候，滑脫效應(yīng)不明顯，那么在頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中也就沒(méi)有必要考慮滑脫效應(yīng)對(duì)氣井產(chǎn)能的影響。從儲(chǔ)層深度來(lái)考慮，也就是較深的頁(yè)巖儲(chǔ)層可以不需要考慮滑脫效應(yīng)的影響，而對(duì)于較淺的頁(yè)巖儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，滑脫效應(yīng)對(duì)于頁(yè)巖氣的滲流規(guī)律及頁(yè)巖氣藏的開(kāi)發(fā)具有一定影響，不可忽視。

5條關(guān)系曲線為帶明顯裂縫巖心所測(cè)結(jié)果（見(jiàn)圖5），從關(guān)系曲線可以看到其整體變化的規(guī)律，隨著平均孔隙壓力的增大，滲透率不斷降低，然而下降趨勢(shì)越來(lái)越明顯；當(dāng)孔隙壓力P＜0.3 MPa時(shí)，此時(shí)由于壓力波在致密介質(zhì)中傳遞速度較慢，氣體在巖樣中的滲流過(guò)程主要以在裂縫內(nèi)的達(dá)西流動(dòng)為主，滲透率與平均孔隙壓力倒數(shù)呈現(xiàn)直線關(guān)系，滑脫效應(yīng)較弱；隨著孔隙壓力的增大，裂縫的開(kāi)啟度會(huì)受到一定的影響，甚至?xí)霈F(xiàn)閉合的現(xiàn)象，裂縫滲透率降低，關(guān)系曲線將出現(xiàn)向下的直線偏離，出現(xiàn)一小段曲線。在較高孔隙壓力條件下，壓力波在巖樣中的波及范圍越來(lái)越廣，裂縫的閉合程度越來(lái)越大，裂縫滲透率也越來(lái)越低；同時(shí)壓力波及范圍的不斷擴(kuò)大，也使得頁(yè)巖巖樣中的微裂縫開(kāi)始出現(xiàn)氣體的流動(dòng)，不再是低壓條件下單純的裂縫中的氣體流動(dòng)，二者綜合表現(xiàn)為滲透率的快速下降，滑脫效應(yīng)明顯。

圖5　5塊含裂縫實(shí)驗(yàn)巖心平均孔隙壓力倒數(shù)與滲透率關(guān)系曲線Fig.5 The relation curve of inverse mean pore pressure and permeability of five lab cores with fracture

3　結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)南方海相頁(yè)巖中不同巖樣的滑脫效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了頁(yè)巖普遍存在不同程度的氣體滑脫效應(yīng)，而滑脫效應(yīng)有助于改善頁(yè)巖儲(chǔ)層的滲透性能，為頁(yè)巖氣工業(yè)開(kāi)采提供了有利條件。

（2）氣體在頁(yè)巖滲流過(guò)程中滑脫效應(yīng)的強(qiáng)弱很大程度上取決于儲(chǔ)層孔隙壓力的大小，當(dāng)儲(chǔ)層孔隙壓力小于1 MPa的時(shí)候，滑脫對(duì)滲透率的影響較大，滑脫效應(yīng)明顯；當(dāng)儲(chǔ)層孔隙壓力大于1 MPa的時(shí)候，滑脫效應(yīng)不明顯；滑脫效應(yīng)對(duì)滲透率的影響程度隨著孔隙壓力的增大先是快速減弱再是緩慢減弱。

（3）對(duì)于不帶裂縫的巖心，滲透率隨平均孔隙壓力的變化表現(xiàn)為線性變化。氣體在頁(yè)巖儲(chǔ)層中的滲流可以分為兩個(gè)階段：孔隙壓力較低時(shí)，表現(xiàn)為滑脫效應(yīng)主導(dǎo)的滑脫流；孔隙壓力升高后，滑脫效應(yīng)減弱，表現(xiàn)為達(dá)西流。

（4）對(duì)于含有明顯裂縫的巖心，由于壓力波在致密介質(zhì)中的傳播速度較慢，以及孔隙壓力的增大使得裂縫開(kāi)啟度受到影響甚至閉合，使得巖心的滲透率隨孔隙壓力的變化關(guān)系不再是一條直線，而是三段不同下降趨勢(shì)的直線，隨著孔隙壓力越來(lái)越大，滲透率越來(lái)越低，且下降趨勢(shì)越來(lái)越大，滑脫效應(yīng)愈發(fā)明顯。

［1］張金川，徐波，聶海寬，等.中國(guó)頁(yè)巖氣資源勘探潛力［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（6）∶136-140.

［2］魏明強(qiáng)，段永剛，等.頁(yè)巖氣藏孔滲結(jié)構(gòu)特征和滲流機(jī)理研究現(xiàn)狀［J］.油氣藏評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)，2011，1（4）∶73-77.

［3］高樹(shù)生，于興河，劉華勛.滑脫效應(yīng)對(duì)頁(yè)巖氣井產(chǎn)能影響的分析［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（4）∶55-58.

［4］任飛，王新海，謝玉銀，等.考慮滑脫效應(yīng)的頁(yè)巖氣井底壓力特征［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)（江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)），2013，35（3）∶124-126.

［5］張磊，李相方，徐兵祥，等.考慮滑脫效應(yīng)的頁(yè)巖氣壓裂水平井產(chǎn)能評(píng)價(jià)理論模型［J］.大慶石油與地質(zhì)，2013，32（3）∶157-163.

［6］Javadpour，et al.Nano-scale Gas Flow in Shale Gas Sediments［J］.Journal of Canadian Petroleum Technology，2007.

［7］Rob Heller，Mark Zoback.Laboratory Measurements of Matrix Permeability and Slippage Enhanced Permeability in Gas Shales［J］.SPE 168856/URTeC 1582659，2013.

［8］鐘太賢.中國(guó)南方海相頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（9）∶1-4.

［9］肖曉春，潘一山.滑脫效應(yīng)影響的低滲煤層氣運(yùn)移實(shí)驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31（10）∶1554-1558.

［10］羅瑞蘭，陳林松，朱華銀，等.研究低滲氣藏氣體滑脫效應(yīng)需注意的問(wèn)題［J］.天然氣工業(yè)，2007，27（4）∶92-94.

［11］姚約東，李相方，葛家理，等.低滲氣層中氣體滲流克林貝爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.天然氣工業(yè)，2004，24（11）∶100-102.

［12］Tang，G.H.，Tao，W.Q.，He，Y.L.∶Gas slippage effect on microscale porous flow using the lattice Boltzmann method. Phys.Rev.E 72，056301-8，2005.

［13］李治平，李智鋒.頁(yè)巖氣納米級(jí)孔隙滲流動(dòng)態(tài)特征［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（4）∶50-53.

［14］肖曉春，潘一山.低滲煤儲(chǔ)層氣體滑脫效應(yīng)試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（2）∶3509-3515.

［15］Ebrahim Fathi，Ali Tinni，and I.Yucel Akkutlu.Shale Gas Correction to Klinkenberg Slip Theory［J］.SPE 154977，2012.

［16］J.A.Rushing，K.E.Newsham，J.C.Cox，et al.Klinkenberg-Corrected Permeability Measurements in Tight Gas Sands∶Steady-State Versus Unsteady-State Techniques［J］.SPE 89867，2004.

Experiment on slippage effect of marine shale in southern China

XIE Chuan，GUO Xiao，ZHENG Lingli，HUANG Ting，GAO Tao
（State Key Lab for Reservoir Geology and Development Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China）

To study the existence conditions of slippage effect，and the seepage law of shale gas in shale reservoirs，based on the percolation mechanism and slippage mechanism in shale gas reservoir，experimental tests were conducted to measure the slippage coefficient of different pore pressure，the effect of pore pressure on slippage and slippage on permeability were studied.The effect of slippage on gas permeability was also analyzed.We also analyzed the percolation characteristics under different pore pressures in shale with fractures，as well as in shale without fractures.The results show that slippage exists in shale.For the cores without fractures，the strength of slippage effect largely depends on pore pressure.When pore pressure is less than 1 MPa，slippage effect is obvious with a significant effect on permeability.When pore pressure is larger than 1 MPa，slippage effect is not obvious and the entire flow regime is slippage flow followed by Darcy flow.For cores with fractures，flow regime changes as porepressure increases.With the pore pressure increase gradually，the permeability is more and more low，and the downward trend is more and more big，the slippage effect is more obvious.

marine shale；slippage effect；laboratory experiment；pore pressure

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.05.004

TE311

A

1673-5285（2015）05-0019-06

2015－03-18

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)“頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)機(jī)理及技術(shù)政策研究”，項(xiàng)目編號(hào)：2011ZX05018－005；中國(guó)南方海相頁(yè)巖氣高效開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)研究，項(xiàng)目編號(hào)：2013CB228000。

謝川，男（1988-），在讀碩士研究生，主要研究油氣藏?cái)?shù)值模擬及非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)，郵箱：swpuxc21@sina.com。