頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征及滲流機(jī)理研究進(jìn)展

柳文欣，路盼盼

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065）

目前從全球能源發(fā)展前景來(lái)看，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)潛力巨大，但頁(yè)巖儲(chǔ)層與常規(guī)儲(chǔ)層有很大的不同，頁(yè)巖儲(chǔ)層較為致密且具有十分復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)特征，其中大多數(shù)孔隙是納米孔隙，賦存的頁(yè)巖氣則主要以游離態(tài)和吸附態(tài)的形式存在，具有低孔、低滲的特點(diǎn)。同時(shí)，儲(chǔ)層中頁(yè)巖氣的流動(dòng)不同于常規(guī)氣體的流動(dòng)，氣體在頁(yè)巖中的流動(dòng)具有多重運(yùn)移機(jī)制，頁(yè)巖孔滲空間的復(fù)雜性以及多重運(yùn)移性加大了頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)難度。

近幾年，眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者在頁(yè)巖氣成藏機(jī)理、資源潛力等方面上的研究成果顯著，但在滲流規(guī)律方面的研究較少[1]。但是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)，滲流規(guī)律是基礎(chǔ)，研究滲流機(jī)理對(duì)于提高頁(yè)巖氣的采收率有著至關(guān)重要的作用。因此，本文將通過(guò)研究頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層特征和賦存機(jī)理，深入研究頁(yè)巖氣滲流機(jī)理，為頁(yè)巖氣開(kāi)采提供一定的理論指導(dǎo)。

1 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征

1.1 頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

頁(yè)巖孔隙遠(yuǎn)小于其他類(lèi)型的儲(chǔ)層孔隙，其孔徑尺度多為納米量級(jí)。這種特殊的納米孔隙與頁(yè)巖儲(chǔ)層中交錯(cuò)相連的微裂縫共同構(gòu)成了氣體賦存和滲流的空間。頁(yè)巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)滲空間是由裂縫系統(tǒng)和基質(zhì)系統(tǒng)兩部分組成，其中基質(zhì)孔隙包括微裂縫、有機(jī)質(zhì)孔、粒間孔和溶蝕孔等，裂縫系統(tǒng)中有通過(guò)多種地質(zhì)作用形成的天然裂縫和利用水力壓裂形成的人工裂縫。這種多尺度孔隙結(jié)構(gòu)不僅影響儲(chǔ)層中頁(yè)巖氣含量，還對(duì)研究氣體在裂縫和基質(zhì)中的滲流機(jī)理起著至關(guān)重要的作用。因此，對(duì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征展開(kāi)研究，分析頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)流體滲流的影響，從而為進(jìn)行儲(chǔ)層特征精準(zhǔn)刻畫(huà)以及多重介質(zhì)滲流模型建立等提供重要依據(jù)（見(jiàn)圖1、表1）。

結(jié)合圖1、表1 可以看出頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙類(lèi)型多樣、形態(tài)各異，進(jìn)一步說(shuō)明微觀孔隙分布的非均質(zhì)性，孔隙結(jié)構(gòu)的不均一性。這種多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的存在一方面有效提高頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度，增大流體賦存空間。同時(shí)，另一方面有利于形成裂縫孔隙網(wǎng)格繼而為氣體運(yùn)移提供滲流通道，進(jìn)一步提高儲(chǔ)層滲透率。

圖1 頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)圖

表1 頁(yè)巖主要孔隙結(jié)構(gòu)特征[2]

1.2 頁(yè)巖儲(chǔ)層物性特征

儲(chǔ)層物性特征決定儲(chǔ)層內(nèi)部頁(yè)巖氣賦存和運(yùn)移機(jī)理，孔隙度和滲透率則是進(jìn)行儲(chǔ)層物性評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，研究表明頁(yè)巖儲(chǔ)層具有低孔、特低滲致密的物性特征[3]。實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)YXZ01 井樂(lè)平組老山段頁(yè)巖進(jìn)行巖心取樣，根據(jù)取心資料對(duì)樣品孔隙度和滲透率進(jìn)行物性分析，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）。

表2 巖心取樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]

由表2 所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，樂(lè)平組老山段頁(yè)巖孔隙度分布較為平均，有效孔隙度在2.70%～5.09%，孔隙度平均值為3.75%。而該實(shí)驗(yàn)井段樣品滲透率在0.000 31～0.005 76 mD，平均滲透率為0.002 mD，滲透率差異較大且數(shù)值普遍偏低。

雖然頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度和滲透率值較低，但在一定研究范圍內(nèi)孔隙度和滲透率具有正相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)圖2），說(shuō)明實(shí)驗(yàn)井段頁(yè)巖儲(chǔ)層物性特征良好，孔隙之間具有較好的連通性，為頁(yè)巖氣賦存和滲流提供一定的物性基礎(chǔ)。同時(shí)，根據(jù)大量研究數(shù)據(jù)表明，頁(yè)巖儲(chǔ)層總孔隙度分布在2%～14%，基質(zhì)滲透率一般小于0.01 mD，四川盆地頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率則更低[5]。盡管如此，頁(yè)巖儲(chǔ)層仍然具備頁(yè)巖氣的賦存條件，并且可以通過(guò)儲(chǔ)層改造等生產(chǎn)措施實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

圖2 樂(lè)平組老山段頁(yè)巖孔隙度與滲透率對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

綜上，根據(jù)頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征和物性特征的相關(guān)研究，儲(chǔ)層特征決定頁(yè)巖氣儲(chǔ)集空間，并深入影響頁(yè)巖氣成藏過(guò)程。因此，通過(guò)對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征的了解，有助于進(jìn)一步研究頁(yè)巖氣形成機(jī)理并分析影響氣體儲(chǔ)集與運(yùn)移的因素，從而尋找有利于氣體生成和富集的頁(yè)巖儲(chǔ)層。

2 頁(yè)巖氣形成機(jī)理

頁(yè)巖氣是存在于多種類(lèi)型頁(yè)巖中且以自生自儲(chǔ)為成藏特征的天然氣聚集。頁(yè)巖氣成因復(fù)雜多樣，目前就有機(jī)成因來(lái)說(shuō)，頁(yè)巖氣形成機(jī)理主要包括三種：熱成因、生物成因和生物與熱成因的混合成因[6]（見(jiàn)表3）。

由表3 可知，頁(yè)巖氣是生物成因和熱成因共同作用而形成的，而頁(yè)巖氣的形成條件則與頁(yè)巖氣賦存方式有著密切的聯(lián)系。因此，通過(guò)對(duì)頁(yè)巖氣形成機(jī)理的相關(guān)了解，有助于進(jìn)一步研究頁(yè)巖氣賦存機(jī)理，促進(jìn)掌握不同賦存形態(tài)頁(yè)巖氣在儲(chǔ)層中的流動(dòng)特征，并對(duì)后續(xù)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。

表3 頁(yè)巖氣形成機(jī)理

3 頁(yè)巖氣賦存機(jī)理

在頁(yè)巖氣藏中，氣體賦存機(jī)理是影響頁(yè)巖氣滲流的主要核心，氣體通常以三種形式賦存于孔隙中：以吸附態(tài)形式吸附在固體顆粒表面和有機(jī)質(zhì)中，以游離態(tài)形式存在于頁(yè)巖納米孔隙和裂縫之中，以溶解態(tài)形式溶解在液態(tài)烴、有機(jī)質(zhì)中[7]。研究發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖氣主要以吸附態(tài)和游離態(tài)形式存在于頁(yè)巖儲(chǔ)層中并且吸附氣占主導(dǎo)地位，而處于溶解態(tài)的氣體則極少。與此同時(shí)，在不同儲(chǔ)層中，通過(guò)改變地質(zhì)條件中的溫度和壓力，可實(shí)現(xiàn)不同賦存形態(tài)氣體之間的相互轉(zhuǎn)化，以此來(lái)達(dá)到頁(yè)巖儲(chǔ)層中氣體儲(chǔ)集的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

3.1 吸附態(tài)

吸附氣主要是通過(guò)物理作用和化學(xué)作用吸附在黏土礦物顆粒表面和有機(jī)質(zhì)中。研究發(fā)現(xiàn)，吸附氣含量占總氣量的20%～85%，含氣量主要受頁(yè)巖氣吸附能力的影響[8]。

目前，主要表征氣體吸附的模型有Langmuir 模型，BET 模型和DA 模型等。其中，使用最廣泛的模型是Langmuir 吸附模型。該模型基于分子動(dòng)力學(xué)理論，假設(shè)固體表面均勻且氣體吸附是單分子層的吸附，被吸附的分子層之間不存在相互作用，并能在一定條件下，實(shí)現(xiàn)吸附和解吸的動(dòng)態(tài)平衡變化[9]。模型所對(duì)應(yīng)的Langmuir 等溫吸附曲線（見(jiàn)圖3）。

圖3 Langmuir 等溫吸附曲線圖

頁(yè)巖基質(zhì)中的吸附氣量用Langmuir 等溫吸附方程可以表示為：

式中：Q-頁(yè)巖氣吸附量，m3/t；VL-Langmuir 體積，m3/t；PL-Langmuir 壓力，是頁(yè)巖氣吸附量達(dá)到極限吸附量的50%時(shí)的儲(chǔ)層壓力，MPa；P-動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的儲(chǔ)層壓力，MPa。

根據(jù)相應(yīng)曲線圖及公式可知，隨著儲(chǔ)層壓力發(fā)生變化，吸附氣量也在不斷變化。研究發(fā)現(xiàn)，在中低壓力情況下，頁(yè)巖氣藏壓力P 越大，吸附氣含氣量Q 越大，進(jìn)一步影響頁(yè)巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)量。

但該模型難以較好地體現(xiàn)頁(yè)巖儲(chǔ)層中黏土礦物吸附能力的差異以及孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性等，利用Langmuir 等溫吸附方程也不能對(duì)吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理解釋。因此，學(xué)者們對(duì)超臨界狀態(tài)下的吸附方程進(jìn)行修改，如張躍磊等[10]從修正系統(tǒng)壓力的角度出發(fā)，提出了新的P-Langmuir 等溫吸附方程，從而更好的符合實(shí)際結(jié)果，完善氣體吸附機(jī)理。

3.2 游離態(tài)

以游離態(tài)形式存在于孔隙和微裂縫中的頁(yè)巖氣，可以自由進(jìn)行氣體運(yùn)移和滲流，但由于儲(chǔ)集空間的局限性，氣體分子流動(dòng)也會(huì)受到相應(yīng)限制。游離氣含量主要受頁(yè)巖有效孔隙度和含氣飽和度等地質(zhì)構(gòu)造保存條件的影響。

目前，主要通過(guò)巖心實(shí)驗(yàn)來(lái)確定含油氣飽和度，進(jìn)而確定游離氣含氣飽和度，然后通過(guò)飽和度測(cè)井方法確定游離氣含量。此外，也有學(xué)者利用油氣系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件Trinity3D 實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣OGIP 空間分布計(jì)算并進(jìn)一步提出了頁(yè)巖儲(chǔ)層中游離氣含量的計(jì)算方法等[11]。研究顯示，游離氣含量隨著頁(yè)巖有效孔隙度的增加而升高，表明大孔隙和微裂縫越多，越有利于游離氣的賦存。而含氣飽和度也與游離氣含量具有一定的正相關(guān)關(guān)系。

同時(shí)，以游離態(tài)和吸附態(tài)兩種形式賦存的頁(yè)巖氣可在儲(chǔ)層中不同的埋深條件下相互轉(zhuǎn)換，但埋深差異對(duì)兩者相態(tài)轉(zhuǎn)換影響很大。在正常儲(chǔ)層壓力狀態(tài)下，埋深較淺時(shí)（1 150 m 以上），隨著深度增加，吸附氣含量明顯增大，但在1 150 m 以下深度，吸附氣含量逐漸平穩(wěn)，而游離氣含量則在不斷增加，可見(jiàn)吸附態(tài)和游離態(tài)頁(yè)巖氣可在不同埋深條件下進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換以達(dá)到氣體穩(wěn)定狀態(tài)[12]。

3.3 溶解態(tài)

少部分頁(yè)巖氣可以溶解在油和水中，進(jìn)而形成溶解態(tài)頁(yè)巖氣賦存于儲(chǔ)層中。頁(yè)巖氣溶解方程可以通過(guò)亨利定律表示：

式中：Pb-溶解態(tài)頁(yè)巖氣的平衡分壓，Pa；Kc-亨利平衡常數(shù)；Cb-頁(yè)巖氣在液態(tài)物質(zhì)中的溶解度，mol/m3。

根據(jù)定律可以看出，在給定溫度條件下，頁(yè)巖氣溶解度與平衡分壓成正比。研究發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖溶解氣量主要受壓力、溫度、礦化度和頁(yè)巖中殘留油數(shù)量等因素的影響。但由于溶解態(tài)頁(yè)巖氣含量極少，故在數(shù)值模擬研究過(guò)程中可以忽略此種賦存形態(tài)頁(yè)巖氣對(duì)流體滲流的影響。

4 頁(yè)巖氣滲流機(jī)理

頁(yè)巖氣在儲(chǔ)層中的流動(dòng)主要經(jīng)歷三個(gè)過(guò)程：吸附在基質(zhì)表面的氣體解吸附形成自由氣的過(guò)程，孔隙中的自由氣體向低壓區(qū)（裂縫系統(tǒng)）擴(kuò)散的過(guò)程，以及裂縫網(wǎng)格和孔隙中的頁(yè)巖氣以滲流形式運(yùn)移的過(guò)程[13]。因此主要研究在微觀和宏觀的多尺度流動(dòng)條件下，氣體從孔隙裂縫系統(tǒng)流向井筒的運(yùn)移過(guò)程。

4.1 達(dá)西滲流

一般情況下，頁(yè)巖氣在儲(chǔ)層天然裂縫中的流動(dòng)遵循廣義達(dá)西定律，因此可以建立基于達(dá)西定律的滲流模型來(lái)模擬天然裂縫中頁(yè)巖氣的滲流過(guò)程。達(dá)西定律如下：

式中：K-為滲透率，主要與孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與流體性質(zhì)無(wú)關(guān)。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，達(dá)西流僅適用于層流狀態(tài)，當(dāng)儲(chǔ)層孔隙尺寸發(fā)生變化時(shí)流動(dòng)形式也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。

4.2 滑脫效應(yīng)

氣體在頁(yè)巖孔隙介質(zhì)中的滲流特性較為特殊，孔道中心與孔道壁處的氣體流速差別很小，同時(shí)在頁(yè)巖孔道壁上不會(huì)產(chǎn)生吸附薄層。在一定壓力條件下，頁(yè)巖氣擴(kuò)散可以不受限制，進(jìn)而導(dǎo)致氣體滲透率增加。

頁(yè)巖儲(chǔ)層由于其特殊的物性特征且產(chǎn)能較小，使得在研究氣體滲流過(guò)程中不得不考慮滑脫效應(yīng)的影響。滲流實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，孔隙壓力越低、地層越淺，滑脫效應(yīng)對(duì)氣體滲流的影響越明顯。同時(shí)，在頁(yè)巖滲透率較低的情況下，滑脫效應(yīng)的影響也會(huì)增大[14]。

4.3 克努森流動(dòng)

頁(yè)巖氣體滲流機(jī)理復(fù)雜多樣，利用常規(guī)方法并不能準(zhǔn)確完整的描述滲流過(guò)程。同時(shí)考慮到不同孔隙尺度，氣體流動(dòng)形式也有所不同。目前，主要利用Knudsen數(shù)來(lái)對(duì)流體流動(dòng)機(jī)制進(jìn)行劃分，Knudsen 數(shù)的表達(dá)式如下：

式中：Kn-Knudsen 數(shù)，無(wú)量綱；λ-氣體分子自由程，m；d-孔隙大小，m；Kb-玻爾茲曼常數(shù)；T-環(huán)境溫度，K；δ-氣體分子碰撞直徑，m；P-氣體壓力，Pa。

隨著孔隙尺度的變化，頁(yè)巖氣流動(dòng)形式也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化（見(jiàn)表4）。

表4 流體流動(dòng)機(jī)制分類(lèi)

當(dāng)Kn小于0.01 時(shí)，一般可以認(rèn)為氣體是連續(xù)介質(zhì)，主要以黏性流動(dòng)為主，因此Darcy 定律仍然適用于描述基質(zhì)孔隙中的氣體流動(dòng)；

當(dāng)Kn在0.01～0.1 時(shí)，流體流動(dòng)滿足滑移流，同時(shí)存在Fick 擴(kuò)散現(xiàn)象；

當(dāng)Kn在0.1～10 時(shí)，流體的流動(dòng)稱為過(guò)渡流，并同時(shí)存在滑移流和Knudsen 擴(kuò)散現(xiàn)象；

當(dāng)Kn大于10 時(shí)，流體滿足自由分子流條件，且存在Knudsen 分子擴(kuò)散，頁(yè)巖氣可以在基質(zhì)孔隙中自由流動(dòng)。

綜上，由于頁(yè)巖孔隙尺寸在納米級(jí)別，故頁(yè)巖氣滲流主要存在滑移流和過(guò)渡流兩種流動(dòng)機(jī)制，且需要考慮氣體吸附解吸、滑脫和擴(kuò)散的影響[15]。而在井筒附近的氣體流動(dòng)為達(dá)西滲流，頁(yè)巖氣可以連續(xù)流動(dòng)。因此，通過(guò)對(duì)氣體滲流機(jī)理的深入研究，為后續(xù)建立滲流模型提供理論基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

（1）頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙分布的非均質(zhì)性、不均一性有效提高頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度，增大流體賦存空間。同時(shí)，有利于形成裂縫孔隙網(wǎng)格繼而為氣體運(yùn)移提供滲流通道，進(jìn)一步提高儲(chǔ)層滲透率。分析頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)流體滲流的影響，從而為進(jìn)行儲(chǔ)層特征精準(zhǔn)刻畫(huà)以及多重介質(zhì)滲流模型建立等提供重要依據(jù)。

（2）儲(chǔ)層特征決定頁(yè)巖氣儲(chǔ)集空間，深入影響頁(yè)巖氣的成藏過(guò)程。研究頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征，有助于進(jìn)一步研究頁(yè)巖氣形成機(jī)理并分析影響氣體儲(chǔ)集與運(yùn)移的因素，從而尋找有利于氣體生成和富集的頁(yè)巖儲(chǔ)層。

（3）頁(yè)巖氣是生物成因和熱成因共同作用形成的，而頁(yè)巖氣的形成條件則與頁(yè)巖氣賦存方式有著密切的聯(lián)系。通過(guò)研究頁(yè)巖氣形成機(jī)理，有助于進(jìn)一步研究頁(yè)巖氣賦存機(jī)理，促進(jìn)掌握不同賦存形態(tài)頁(yè)巖氣在儲(chǔ)層中的流動(dòng)特征，并對(duì)后續(xù)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。

（4）頁(yè)巖氣主要以吸附態(tài)和游離態(tài)形式存在于頁(yè)巖儲(chǔ)層中并且吸附氣占主導(dǎo)地位，而處于溶解態(tài)的氣體則極少。與此同時(shí)，在不同儲(chǔ)層中，通過(guò)改變地質(zhì)條件中的溫度和壓力，可實(shí)現(xiàn)不同賦存形態(tài)氣體之間的相互轉(zhuǎn)化，以此來(lái)達(dá)到頁(yè)巖儲(chǔ)層中氣體儲(chǔ)集的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

（5）通過(guò)對(duì)達(dá)西滲流、滑脫效應(yīng)、克努森流動(dòng)等影響因素的研究，為后續(xù)建立滲流模型提供理論基礎(chǔ)。