頁(yè)巖氣擴(kuò)散特征研究

陳智明 鄒蕙陽(yáng) 孫敬 雷夢(mèng) 許諾 楊寅

(長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

0 引言

頁(yè)巖氣產(chǎn)自富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)集巖系，屬烴源巖系氣藏。低孔隙、低滲透率、富含有機(jī)質(zhì)是頁(yè)巖地層系統(tǒng)的標(biāo)志性特征。中國(guó)頁(yè)巖氣資源分布廣泛，開(kāi)發(fā)利用潛力大。我國(guó)頁(yè)巖氣近年來(lái)發(fā)展迅速，2018 年我國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量達(dá)到1.08×1010m3，僅次于美國(guó)、加拿大。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，我國(guó)在近年來(lái)的頁(yè)巖氣勘探資源開(kāi)發(fā)中進(jìn)一步總結(jié)和探索出了一套經(jīng)濟(jì)效益顯著的開(kāi)發(fā)模式，頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從無(wú)效頁(yè)巖氣資源開(kāi)發(fā)到單井有效開(kāi)發(fā)的重大突破性技術(shù)跨越。頁(yè)巖氣藏的生烴、排烴、運(yùn)移、聚集和保存全部在頁(yè)巖氣進(jìn)入烴源巖內(nèi)部時(shí)直接完成。烴源巖的主要研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，生烴量遠(yuǎn)大于吸烴量是烴源巖內(nèi)部直接排烴的主要關(guān)鍵所在，除此之外，還要克服毛細(xì)管直接對(duì)烴吸附等環(huán)境性影響因素的各種外部環(huán)境變化影響。由于吸烴量一般大于生烴量，因此，烴源巖聚合生成的大量烴類只有部分可以被直接向外排出。

在頁(yè)巖氣藏中，以吸附氣形式存在于頁(yè)巖粘土顆粒的孔隙或表面上的頁(yè)巖氣需要克服毛細(xì)管吸烴等環(huán)境性因素的影響才可以直接被排出。因此，頁(yè)巖氣在賦存與產(chǎn)出機(jī)理上與煤層氣、天然氣具有特征的相似[1]。作為多尺度傳質(zhì)環(huán)節(jié)之一的擴(kuò)散是氣體分子的主要傳輸方式，對(duì)氣體的解吸與產(chǎn)出，尤其是解吸氣的產(chǎn)出很關(guān)鍵，關(guān)系著頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的持續(xù)供氣能力大小[2]。筆者將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上研究頁(yè)巖氣的擴(kuò)散行為，整理歸納分析總結(jié)我國(guó)頁(yè)巖氣擴(kuò)散的基本規(guī)律，以此為我國(guó)頁(yè)巖氣的高效開(kāi)采和綜合利用提供理論指導(dǎo)。

1 頁(yè)巖氣擴(kuò)散機(jī)理

由于頁(yè)巖儲(chǔ)集巖系具有低孔隙度、低滲透性、基質(zhì)緊密、孔隙結(jié)構(gòu)類型豐富等物性結(jié)構(gòu)特征，因此，生產(chǎn)過(guò)程中往往伴隨著吸附、解吸、擴(kuò)散以及多尺度介質(zhì)中的流動(dòng)[3]。從分子運(yùn)動(dòng)的熱力學(xué)基礎(chǔ)理論的多個(gè)角度分析來(lái)看，氣體擴(kuò)散實(shí)質(zhì)上是由于氣體分子在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散在濃度差下開(kāi)始遷移，到單相內(nèi)各部分濃度達(dá)到相等或兩相間的濃度達(dá)到平衡為止。

根據(jù)氣體分子傳輸時(shí)的作用方式，傳輸機(jī)理可劃分為以氣體分子與頁(yè)巖孔隙壁面相互碰撞為主的連續(xù)滑脫流動(dòng)、孔隙直徑的減小與氣體分子自由程的增加具有一定可比度時(shí)發(fā)生的滑脫流動(dòng)、氣體壓力增大或孔隙尺度減小時(shí)發(fā)生多層吸附的表面擴(kuò)散及只允許單個(gè)氣體分子通過(guò)孔隙的構(gòu)型擴(kuò)散。此外，依據(jù)克努森數(shù)Kn 的大小，游離頁(yè)巖氣在復(fù)雜儲(chǔ)集孔隙空間結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散模式可劃分為Kn≥10 時(shí)的克努森擴(kuò)散、Kn≤0.1 時(shí)的菲克擴(kuò)散和0.1＜Kn＜10 時(shí)的過(guò)渡擴(kuò)散[4]。

2 頁(yè)巖氣擴(kuò)散行為實(shí)驗(yàn)研究

常規(guī)的實(shí)驗(yàn)方法是在溫壓恒定的密閉環(huán)境中，將一定量的甲烷氣和氮?dú)庾⑷虢?jīng)過(guò)充分抽真空操作后的柱狀頁(yè)巖巖心。由于存在濃度梯度，氣體在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)下逐漸充滿巖心的有機(jī)質(zhì)微裂縫及納米孔隙。通過(guò)測(cè)量記錄相同時(shí)間間隔下氣體壓力的變化值，來(lái)建立完整擴(kuò)散過(guò)程中氣體壓力隨時(shí)間的變化曲線模型，初步獲得頁(yè)巖氣擴(kuò)散行為特征。再結(jié)合分析頁(yè)巖巖心內(nèi)部孔隙的結(jié)構(gòu)特征和甲烷在其中的擴(kuò)散性，便可求出甲烷氣從頁(yè)巖巖心內(nèi)部孔隙進(jìn)行擴(kuò)散壓縮過(guò)程的擴(kuò)散系數(shù)。

氣體擴(kuò)散系數(shù)是衡量擴(kuò)散傳質(zhì)的重要參數(shù)之一，常通過(guò)科學(xué)測(cè)試分析頁(yè)巖氣的擴(kuò)散系數(shù)來(lái)揭示頁(yè)巖氣的擴(kuò)散規(guī)律。目前，烴濃度法和解吸法被廣泛應(yīng)用于測(cè)試巖石中氣體的擴(kuò)散系數(shù)。一種是烴濃度法，通過(guò)檢測(cè)氣體在擴(kuò)散中濃度的變化來(lái)計(jì)算傳質(zhì)通量，從而求取擴(kuò)散系數(shù)的方法稱為烴濃度法。第二種是解吸法，通過(guò)分析氣體在等溫吸附、解吸的過(guò)程中，利用吸附量或解吸量隨時(shí)間的變化來(lái)計(jì)算氣體擴(kuò)散系數(shù)的方法稱為解吸法。頁(yè)巖氣擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算是根據(jù)天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6129—1995：

式中符號(hào)參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6129—1995，通過(guò)取樣分析計(jì)算，繪制致密砂巖心擴(kuò)與頁(yè)巖巖心累積擴(kuò)散時(shí)間與關(guān)系曲線圖，斜率即為值，利用斜率除以E可得擴(kuò)散系數(shù)D。

2.1 擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試方法的不足

(1)實(shí)驗(yàn)方法的不足。有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的甲烷氣體濃度在巖心經(jīng)過(guò)抽真空操作后可近似看作處于真空狀態(tài)，同時(shí)，由于整個(gè)氣相壓力的衰減過(guò)程變化小，游離甲烷氣體的濃度也可視作一個(gè)常數(shù)。因此，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理上仍存在較大的誤差。

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)定上，與高壓頁(yè)巖儲(chǔ)層環(huán)境系統(tǒng)相比，實(shí)驗(yàn)的可靠性較小。除此之外，實(shí)驗(yàn)條件未充分考慮有機(jī)質(zhì)的類型及含量、儲(chǔ)層物性等一系列因素對(duì)頁(yè)巖氣擴(kuò)散行為可能產(chǎn)生的影響，使得目前的實(shí)驗(yàn)所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)論說(shuō)服性不足。

在實(shí)際操作中，很難準(zhǔn)確把握實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)以求得可靠的擴(kuò)散系數(shù)，同時(shí)，厚薄均勻且?guī)缀鯖](méi)有細(xì)小裂縫的巖心薄片不易獲得，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)的操作難度較大。

(2)擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算方法的不足?，F(xiàn)有氣體擴(kuò)散系數(shù)方法是在對(duì)氣體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)規(guī)律的研究上推導(dǎo)而來(lái)，并且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣體物質(zhì)的量的損失及系統(tǒng)壓力的變化忽略不計(jì)。因此，在使用上，計(jì)算得出的擴(kuò)散系數(shù)不夠精確。

2.2 頁(yè)巖氣擴(kuò)散系數(shù)影響因素

擴(kuò)散系數(shù)大小與連通性的好壞密切相關(guān)。大孔隙連通性好，毛管迂曲度低，擴(kuò)散系數(shù)大。柳廣弟等[5]的研究表明，大孔隙擴(kuò)散系數(shù)大小在數(shù)值上與孔隙滲透率參數(shù)具有正相關(guān)性。有研究分析認(rèn)為，當(dāng)氣體擴(kuò)散以克努森擴(kuò)散類型為主時(shí)，孔隙中氣體分子與壁面的碰撞作用加強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致氣體擴(kuò)散質(zhì)量以及信息快速傳遞的時(shí)間效率大大降低，使氣體分子擴(kuò)散速率得到大大降低。

當(dāng)壓力增大時(shí)，氣體分子間的碰撞作用增強(qiáng)，能量損耗增加，擴(kuò)散系數(shù)變小。而小孔隙擴(kuò)散系數(shù)的大小則不受壓力變化的影響，原因在于巖石小孔隙中克努森擴(kuò)散系數(shù)的變化大小與巖石壓力變化無(wú)關(guān)，僅與孔隙結(jié)構(gòu)、體系溫度和氣體性質(zhì)等因素相關(guān)。

由于巖石內(nèi)部的水分會(huì)占據(jù)一部分的擴(kuò)散通道，導(dǎo)致氣體只能通過(guò)驅(qū)動(dòng)孔隙中的水或改變擴(kuò)散通道進(jìn)行擴(kuò)散，因此，有效擴(kuò)散系數(shù)隨著巖樣濕度或含水飽和度的增加而降低。李相臣等[6]的研究指出，因?yàn)樗趾亢蜐穸仍黾拥揭欢ㄖ禃r(shí)，會(huì)在孔隙壁面類似于圈閉保護(hù)作用產(chǎn)生的水膜，水膜的自然存在可能會(huì)對(duì)氣體進(jìn)入擴(kuò)散通道產(chǎn)生一些附加的阻力。

氣體擴(kuò)散系數(shù)隨著巖石溫度的升高而增大。甲烷等游離氣體在巖石中的氣體擴(kuò)散吸附過(guò)程是一個(gè)活化過(guò)程，活化能越高，氣體就越難在巖石中擴(kuò)散，但升高溫度可以降低活化能，從而促進(jìn)氣體擴(kuò)散。等溫氣體吸附的研究也進(jìn)一步表明，溫度升高，甲烷吸附平衡常數(shù)減小，解吸速率增加，因此在巖石中的擴(kuò)散過(guò)程會(huì)變得相對(duì)容易[2]。

3 結(jié)語(yǔ)

頁(yè)巖氣擴(kuò)散行為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)頁(yè)巖氣的產(chǎn)出具有重要意義。目前對(duì)高溫高壓系統(tǒng)下頁(yè)巖氣在多尺度孔隙中的擴(kuò)散規(guī)律涉及的范圍較窄，有機(jī)質(zhì)的類型及含量、儲(chǔ)層物性、溫度和儲(chǔ)層壓力等諸多因素對(duì)于頁(yè)巖氣擴(kuò)散行為的發(fā)生及其影響的分析和研究還有待進(jìn)一步深入。