頁巖氣與煤層氣開發(fā)特征模擬實驗研究

胡志明，端祥剛，常 進，李武廣，沈 瑞

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610066)

0 引 言

非常規(guī)油氣在全球油氣產(chǎn)量中的作用和地位不斷加強，中國非常規(guī)油氣資源豐富，發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｎ磥硖烊粴獾某掷m(xù)上產(chǎn)主要來源于非常規(guī)天然氣[1-2]。作為源儲一體的非常規(guī)天然氣，煤層氣和頁巖氣在地質(zhì)條件、儲層物性及開發(fā)特征等方面既有相似性，又具有很大的差異性[3-5]。煤層氣開發(fā)較早[6]，美國、加拿大、中國以及澳大利亞等國均已形成了工業(yè)規(guī)模。

頁巖儲層和煤巖儲層非常致密，都必須壓裂才會形成工業(yè)產(chǎn)量，儲層中均含有大量的吸附氣，頁巖儲層壓力較高，一般處于超壓狀態(tài)，因此，游離氣含量較多，而煤層氣儲層壓力一般較低，游離氣量較少[7-8]。頁巖和煤巖的儲層物性和賦存狀態(tài)的差異性，導致頁巖氣和煤層氣的氣體產(chǎn)出規(guī)律具有明顯的不同[2，5，9-13]，因此，對應的開發(fā)技術政策和開發(fā)方案也具有較大差異[9，14-15]。目前，關于頁巖氣和煤層氣的產(chǎn)量及產(chǎn)氣特征研究大多基于現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析[16-17]，對二者的產(chǎn)氣規(guī)律和開發(fā)特征的基礎研究并不深入，考慮儲層特征與氣體賦存狀態(tài)的開發(fā)模擬實驗更是少之又少。為了深入探討不同賦存狀態(tài)氣體的動用規(guī)律對頁巖氣和煤層氣開采特征的影響，建立了高精度的多測點衰竭開發(fā)模擬實驗系統(tǒng)，選取具有代表性的沁水盆地的煤巖樣品和四川盆地的頁巖樣品進行了開采模擬實驗，對比分析了不同吸附氣比例的頁巖氣與煤層氣的壓力傳播和氣體產(chǎn)出規(guī)律的差異性，深化了頁巖氣和煤層氣2種氣藏類型的開發(fā)特征認識，從而為2種氣藏的開發(fā)技術對策制訂提供理論依據(jù)。

1 實驗方法

頁巖樣品選取四川盆地志留系龍馬溪組龍一1亞段，煤巖樣品取自沁水盆地煤層，實驗巖樣的具體參數(shù)見表1。為真實反映天然氣在儲層中的滲流特征，以純度為99.99%甲烷氣作為實驗介質(zhì)。等溫吸附曲線測試采用美國CORELAB公司的GAI-100高壓氣體等溫吸附儀，其最大工作壓力為69 MPa，恒溫油浴溫度最高可達177 ℃?？紫抖葴y試采用氦氣膨脹法，實驗裝置為PoroPerm-200型孔滲儀。滲透率測試采用經(jīng)典穩(wěn)態(tài)滲透率測試方法，并考慮滑脫效應，用Klinkenberg原理得出了相應的克氏滲透率。

頁巖儲層和煤巖儲層都需經(jīng)過壓裂后建立流動通道，由于裂縫的導流能力遠遠大于基質(zhì)的導流能力，在氣體的長期生產(chǎn)過程中，氣體流動主要是基質(zhì)向裂縫的供給流動。為模擬縫面附近的基質(zhì)供給區(qū)氣體向裂縫的一維流動，采用多巖心串聯(lián)的方式建立多測點衰竭開發(fā)模擬實驗系統(tǒng)，主要設備包括ISCO泵、高壓體積流量計、高精度壓力傳感器、巖心夾持器、中間容器、環(huán)壓泵及甲烷檢測防爆裝置等。通過設置沿程測壓點可直接獲取壓力在基質(zhì)中的傳播距離，然后根據(jù)產(chǎn)氣規(guī)律和壓力剖面計算距離縫面不同深度的基質(zhì)塊的氣體動用情況。

表1 實驗樣品基本物性參數(shù)

實驗步驟主要包括：①先檢查系統(tǒng)的氣密性，再將巖心在105 ℃下烘干48 h，在干燥皿中冷卻至室溫后放入夾持器，加環(huán)壓至35 MPa。②恢復儲層原始賦存狀態(tài)，采用恒壓模式將甲烷氣注入巖心中，記錄各測點壓力。飽和至巖心各測點壓力至30 MPa后關閉氣源，然后觀察各測點壓力，如96 h內(nèi)各測點壓力不再變化，則認為巖心恢復至原始賦存狀態(tài)。由于頁巖儲層的致密性與吸附特性，該過程可長達幾天，甚至幾十天。③打開出口，開始衰竭開發(fā)實驗，實時記錄各測點壓力和出口端產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)。

2 實驗結果與討論

2.1 吸附氣賦存特征

頁巖氣和煤層氣均含有大量的吸附氣。其中，煤層中吸附氣約占80%～90%，游離氣約占10%～20%，只有極少量溶于煤層裂隙地下水中而呈溶解態(tài)[13]；頁巖中吸附氣比例分布差異較大，不同地區(qū)和類型氣藏的吸附氣比例為20%～80%。與煤層不同的是，頁巖儲層一般埋藏較深，屬于超壓氣藏，因此，游離氣的含量較高。目前，商業(yè)開發(fā)的長寧、威遠等氣田的游離氣含量均超過了60%[2，6]。采用高壓等溫吸附儀測試頁巖樣品和煤巖樣品的等溫吸附曲線見圖1。

圖1 頁巖和煤巖的高壓等溫吸附曲線

由圖1可知，隨壓力增加，測試吸附量逐漸增加，達到一定壓力后，吸附逐漸達到飽和，隨后等溫吸附曲線開始下降。這主要是因為采用容積法測試的吸附量為過剩吸附量，即隨壓力增加，吸附氣達到飽和狀態(tài)，吸附層密度增加幅度趨于平緩，而隨壓力持續(xù)增加，游離氣密度持續(xù)增加。因此，采用二者密度差計算的過剩吸附量曲線呈先迅速增加后下降的趨勢，實際上吸附層的絕對吸附量是隨壓力的增加而持續(xù)增加的[6]。

由圖1可知，煤巖樣品的最大過剩吸附量達到了13.50 m3/t，頁巖樣品的最大過剩吸附量僅為1.45 m3/t，說明煤巖的吸附能力遠大于頁巖的吸附能力。主要是由于煤巖中有機顯微組分和碳含量對煤巖的吸附能力影響最大，同等條件下煤巖中碳含量越高，吸附能力越強，而頁巖的有機碳含量是影響頁巖吸附能力的主要因素，頁巖的有機碳含量遠低于煤巖的碳含量，煤巖的吸附氣量是其含氣量的主要來源[13]。研究認為[14]，頁巖樣品和煤巖樣品的吸附和解吸過程是可逆的，根據(jù)等溫吸附曲線特征，過剩吸附量曲線的最大值對應的壓力為臨界壓力，當儲層壓力大于該壓力時，儲層吸附氣處于吸附飽和狀態(tài)，吸附氣基本不動用，氣井基本不會產(chǎn)出吸附氣，只有當壓力小于臨界壓力時，吸附態(tài)氣體才會發(fā)生大量的解吸，變成游離氣被采出。

2.2 壓力傳播規(guī)律

儲層壓力是吸附氣和游離氣動用的關鍵參數(shù)，為了獲取氣井動態(tài)開發(fā)過程中儲層壓力的變化情況，建立了頁巖樣品和煤巖樣品的多測點衰竭式開發(fā)模擬實驗，直接測量了距離縫面不同距離的基質(zhì)壓力傳播剖面及其隨生產(chǎn)時間的變化曲線(圖2)。

實驗中5塊巖心串聯(lián)總長度均約為20 cm，生產(chǎn)時間達300.00 d以上。其中，頁巖樣品的基質(zhì)滲流能力較低，平均基質(zhì)滲透率為0.000 25 mD，實驗產(chǎn)氣時間長達315.00 d，目前仍在持續(xù)產(chǎn)氣中，入口壓力從初始的30.0 MPa降至9.7 MPa；煤巖樣品的滲透率均值為0.080 00 mD，初期壓力降低較快，在1.40 d內(nèi)壓力已降至12.0 MPa以下，生產(chǎn)時間為326.00 d時，入口壓力降至3.6 MPa，越到生產(chǎn)后期，壓力變化幅度越小。由圖2可知，在初始開采階段，各測點的壓力剖面與砂巖等常規(guī)氣藏一樣，動邊界內(nèi)呈“上凸型”壓降漏斗，越靠近采出端，壓降越大；隨著生產(chǎn)繼續(xù)，各測點壓力逐漸降低，當壓力降至約為15.0 MPa時，壓力剖面逐漸由“上凸型”轉(zhuǎn)為“下凹型”，且壓力越低，該趨勢越明顯。這主要是因為吸附氣的大量供給，導致靠近出口端的低壓區(qū)壓力降幅變緩，而遠端測壓點吸附氣尚未動用，主要產(chǎn)出游離氣，越到生產(chǎn)后期，吸附氣的供給導致后期壓力剖面更加平緩。

頁巖樣品和煤巖樣品的滲流能力差異很大，頁巖的壓力傳播到邊界(入口)的時間約為6.00 d，而煤樣僅用了0.01 d傳播到邊界。煤巖樣品測試的滲透率不高，由于煤結構的高度復雜性和不均一性，孔徑分布跨度范圍很大，煤巖樣品中大孔及裂隙大量存在，成為氣體流動的主要通道[15]，同時煤巖樣品的氣體主要以吸附氣存在，實驗樣品吸附氣占比約為80%，游離氣量相對較少，因此，前期壓力下降幅度較快。煤巖樣品基質(zhì)中存在大量的吸附氣，壓力降低后吸附氣解吸供給，壓力降幅明顯變緩，吸附氣的供給導致煤層氣處于長期的低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期。生產(chǎn)300.00 d以后，頁巖巖心的壓力普遍較高，有大量吸附氣未動用，動用的氣量仍然以游離氣為主。

2.3 氣體產(chǎn)出規(guī)律

根據(jù)出口端氣體的計量可獲得頁巖樣品和煤巖樣品的產(chǎn)氣速率與采出程度隨生產(chǎn)時間的關系曲線(圖3)。

圖2 頁巖和煤巖的壓力產(chǎn)出剖面

由圖3可知，煤巖樣品和頁巖樣品的產(chǎn)氣速率隨生產(chǎn)時間呈數(shù)量級式遞減，與現(xiàn)場L型產(chǎn)量遞減曲線的規(guī)律基本一致。實驗中初期采出程度較高，隨后產(chǎn)氣速率迅速降低，進入低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期，生產(chǎn)時間長達到300.00 d以上，頁巖和煤巖仍在持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣中，巖心內(nèi)仍保持較高的壓力，煤巖樣品的平均壓力遠低于頁巖樣品的平均壓力，煤巖產(chǎn)氣速率遠大于頁巖產(chǎn)氣速率。壓力越高，巖心中的氣量越大，對應產(chǎn)氣速率越大[18]，煤巖產(chǎn)氣速率高的主要原因是煤中存在大量吸附氣。生產(chǎn)后期壓力越低，解吸的氣量越大，大量的吸附氣是煤層氣后期穩(wěn)產(chǎn)的主要來源。由圖3可知，煤巖采出程度達到了95%以上，而頁巖采出程度僅達到75%。當生產(chǎn)時間超過100.00 d，頁巖游離氣被采出之后，由于吸附氣解吸緩慢，采出程度趨于平緩，而煤巖采出程度是緩慢持續(xù)增加，說明有大量吸附氣的持續(xù)供給，頁巖的采出氣大部分來源于生產(chǎn)前期游離氣的貢獻，在后期雖然吸附氣也供給，但貢獻比例遠小于煤層。

圖3 頁巖樣品和煤巖樣品的采出程度與產(chǎn)氣速率隨生產(chǎn)時間的變化

為進一步對比吸附氣對產(chǎn)氣量的貢獻，采用單位壓降產(chǎn)氣量表征巖心系統(tǒng)中壓力平均每降低1 MPa的產(chǎn)氣量(圖4)。

圖4 頁巖和煤巖樣品單位壓降產(chǎn)氣量與平均壓力的關系

由圖4可知，在生產(chǎn)初期壓力較高時，頁巖氣和煤層氣的產(chǎn)氣速率維持在相對穩(wěn)定的水平，隨壓力降至一定水平，頁巖儲層和煤層的單位壓降產(chǎn)氣量明顯上升。主要原因是吸附氣開始解吸，吸附氣解吸變成游離態(tài)并被采出，且吸附氣量越大，該上升的幅度越明顯。截至生產(chǎn)后期，由于煤巖中氣體的流動能力較強，巖心內(nèi)平均壓力遠低于頁巖，巖心內(nèi)的壓力均低于臨界解吸壓力，吸附氣的大量解吸導致煤巖的單位壓降產(chǎn)氣量迅速增加。在實驗中，為保持實驗結果的對比性，煤巖樣品和頁巖樣品的實驗壓力均為30.0 MPa，而實際煤層的儲層壓力很低，且處于欠壓狀態(tài)，因此，對應的游離氣量更少。煤層中的吸附氣量越多，對后期累計產(chǎn)氣量的貢獻越大，因此，煤層氣產(chǎn)量來源主要依靠壓力降低的吸附氣解吸供給。

3 頁巖氣與煤層氣開發(fā)實踐指導

對于頁巖氣和煤層氣，儲層物性和氣體賦存狀態(tài)的差異性導致了其產(chǎn)氣規(guī)律的不同：頁巖氣生產(chǎn)前期采出程度迅速上升，主要來源于游離氣的貢獻，后期吸附氣緩慢供給；煤層的產(chǎn)出氣主要依靠吸附氣，采出程度一直處于緩慢上升的階段。因此，對于頁巖，高效動用游離氣是快速建產(chǎn)的主要途徑，而對于煤層氣，高效動用吸附氣則是其形成高產(chǎn)的主控因素。實際生產(chǎn)中，煤層氣的生產(chǎn)特征與頁巖氣的下降曲線有所不同，由于煤層普遍含水，煤層氣的生產(chǎn)曲線為負下降曲線，即產(chǎn)氣量先上升，達到高峰后再緩慢下降，可持續(xù)很長的開采期(20～30 a)[17]，而頁巖氣一般在前3 a能采出約70%的氣量[19]，因此，需要針對不同儲層和賦存狀態(tài)氣體的動用規(guī)律建立相應的開發(fā)技術政策。

由等溫吸附曲線和開采特征曲線可知[12]，隨壓力降至臨界解吸壓力，吸附氣開始大量解吸，單位壓降產(chǎn)氣量呈指數(shù)遞增，儲量快速增加，同時壓力降低，擴散作用增強，氣體的流動能力也相對增強。因此，在頁巖氣藏的開采過程中，應泄壓生產(chǎn)，盡快降低井底壓力，達到臨界解吸壓力以下，使得游離氣和吸附氣有效動用；對于煤層，通過排水降壓降低儲層壓力，使煤層氣解吸產(chǎn)出，可采用加密井網(wǎng)部署，通過群井排水降壓，實現(xiàn)煤層的整體面積降壓，促使煤層氣大量解吸并產(chǎn)出。

4 結論及建議

(1) 頁巖和煤巖的地化特征和微觀結構決定了其滲流能力與吸附能力的差異，煤巖樣品的吸附能力約為頁巖樣品的吸附能力的9倍，煤巖儲層中吸附氣(占比79%)占主導地位，頁巖儲層中游離氣占主導地位。

(2) 頁巖與煤巖壓力傳播速度均較慢，煤層動用能力高于頁巖儲層，衰竭開發(fā)近1 a，頁巖儲層距縫面20 cm處壓力仍高于10.0 MPa，采出程度僅為75%，煤巖儲層均距縫面30 cm處壓力高于5.0 MPa，采出程度達到95%。開發(fā)中后期，隨壓力降低吸附氣逐步解吸并參與供給，頁巖和煤巖壓力下降速度均明顯變緩，單位壓降產(chǎn)氣量增加，煤巖樣品的單位壓降產(chǎn)氣量增加程度遠高于頁巖。

(3) 頁巖氣開發(fā)技術政策應以高效動用游離氣為主，應泄壓生產(chǎn)，盡快降低井底壓力，達到臨界解吸壓力以下，從而實現(xiàn)有效控制、高效采出。而煤層氣開發(fā)技術政策應以有效動用吸附氣為主，應采用積極排水等方式主動降壓，盡早動用吸附氣。研究成果豐富了非常規(guī)天然氣開發(fā)理論，為頁巖氣和煤層氣的開發(fā)技術政策優(yōu)化提供了科學依據(jù)。