页岩气渗流机理研究进展

页岩气渗流机理研究进展

目前，中国对岩浆岩的勘探已提前解决，但资源潜力、单井产量、气藏规模、投资效率等问题仍在探索中。具体的储量计算和产能预测方法的研究都要以页岩气渗流机理为基础,其中又以(1)气体的吸附与解吸附;(2)纳米级孔隙中气体的渗流;(3)在体积压裂后气体在多尺度储渗空间——从基质到自然裂缝再到人工裂缝网络里的解吸、扩散和渗流耦合传质(目前无专门术语描述解吸、扩散和渗流三种机理耦合过程,此暂以传质特指,国内已有学者这样使用)过程为研究难点。这些问题研究得不充分或相对滞后,势必影响和制约我国今后对页岩气的科学有效开发。上述三个难点中后两项的研究条件目前还相对不成熟。在纳米级孔隙中气体的渗流方面,因气体流量太小,仪器测试精度达不到要求,宏观实验难以实现,以数字岩芯为基础的微观渗流模拟又还未见有成熟的研究成果报道。在裂缝网络中气体的渗流方面,天然裂缝很难表征,体积压裂中裂缝扩展机理也处于探索研究阶段。唯页岩对气体的吸附与解吸附的研究仅通过宏观实验就可进行。另就目前国内对页岩气开发的研究来看,大家主要针对的是钻井[12—15]、储层评价[16—23]和改造[24—32]等与工艺密切相关的领域,对页岩气传质的起点或基础——吸附和解附机理关注还是相对较少,特别是一些最基础的研究依然不足,如各种矿物和有机质的吸附特性数据还不多。现对页岩气吸附与解吸附机理国内外研究现状进就行分析,并提出值得关注的一系列问题。1岩浆岩气的测定和影响因素1.1煤中的固溶态甲烷页岩气具有生储同层的地质特点,研究整个页岩气的吸附与解吸附过程,应首先分析页岩气的赋存形式与含气量,它们决定了解吸气原始含量和相态间转化量的多少。美国页岩气研究领域著名学者JohnB.Curtis在2002年提出,页岩气在本质上就是连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合气,它具隐蔽的聚集机理、多种类型的岩性封闭、相对较短的运移距离以及有普遍的地层饱和含气性,可以在天然裂缝和孔隙中以游离状态存在、在干酪根和黏土颗粒表面上以吸附状态存在,甚至在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。即,页岩气的赋存形式一般认为有游离、吸附和溶解三种形态。目前学术界对游离、吸附气两种形态研究较多,对溶解气则较少关注。溶解气除溶解于页岩残余油中,还有固溶态(solidsolution)甲烷的观点。文献中提到,乌克兰科学院Alexeev等(2004)用核磁共振氢谱和X射线衍射技术,发现室温和低温条件下煤样中存在三种分子流动相的甲烷形态,煤中有机质“微晶”结构在吸附甲烷后发生了显著变化,尤其是在压力大于2MPa的条件下,甲烷能以固态晶体形式存在于煤基质中,而不仅仅是吸附态。基于此认识,可认为固溶态甲烷的存在使煤具有多级解吸动力学的特征,对其忽视可能导致煤层气资源评价的不准确。需要注意的是只能使用核磁共振技术来对固溶态甲烷进行研究。另外,还有学者探讨过煤层中天然气水合物存在的可能性,对于页岩有无可能存在这种结晶态的甲烷以及它与“固溶态”甲烷的异同还未知。页岩储层游离气是常规气藏中天然气的赋存状态,对于吸附气量的多少目前学术界则存有争议,有学者认为它是页岩气的主体赋存形式,也有学者认为,热成因页岩气中游离气量大大高于有机质吸附气量,只有生物成因的页岩气主体才为吸附气。对于溶解气,一般都认为其量很少,特别是处于过成熟阶段的页岩气藏,具体固溶态甲烷的含量国内外鲜有研究报道。当然,不同地区的页岩气藏,其游离气、吸附气和溶解气的总量以及相对比例也会不同。1.2油气运移的影响因素主要来源于岩影响页岩气赋存的因素有内部和外部两部分。内部因素主要包括页岩的有机地球化学参数、矿物组成以及物性参数。其中,游离气含量内部主控因素是页岩孔隙度和气体饱和度,吸附气含量内部主控因素是有机质数量和有机质成熟度,溶解气含量的内部主控因素是页岩中残留油的数量。外部因素主要包括深度、温度、压力。实际上,温度和压力条件控制着三种赋存状态气体的量和相互间的转化。2储层孔隙内表面积页岩的孔隙性质除影响其游离气含量外,也控制着吸附气量的多少,因为页岩孔隙内表面积越大,可供气体吸附的附着位置也就越多。页岩储层有着特殊的孔隙性和孔隙结构。2.1纳米孔及有机质孔隙生产的页岩气系统由四类多孔介质组成,无机质、有机质、自然裂缝、人工裂缝。页岩基质(无机质和有机质)孔隙从尺寸上又分为两类:微米孔和纳米孔。微米孔在硅质含量高的泥岩中经常见到,纳米孔最早报道于有机质和富含黏土的泥岩中。F.Javadpour(2009)用原子力显微镜(AtomicForceMicroscopy,AFM)观察到的泥页岩中的纳米孔和纳米槽。C.H.Sondergeld观察了高放大倍数下的页岩样品SEM图像,发现孔隙直径达300—800nm。国内,邹才能(2010)利用场发射扫描电镜和Nano-CT在四川盆地志留系页岩气储层中首次发现了纳米孔,孔隙直径范围5—300nm,主体为80—200nm。纳米孔在页岩气储层中的分布量要高于在常规天然气储层,其在页岩气系统中扮演着重要的角色:(1)对于相同的孔隙体积,纳米孔的孔隙内表面积要远大于微米孔的,这为吸附气的附着提供了大量空间;(2)纳米孔中气体流动异于达西流。尺寸之外,从基质类型上看,有机质孔隙是页岩储层独有的孔隙类型,它是伴随油气生成而形成的,且数量随有机质热裂解过程的继续而增加。有机质孔隙既可吸附气体又可存贮气体,其孔隙尺寸范围为5—1000nm。据美国Barnett页岩的数据,有机质中含有非常多的游离气,其孔隙度可五倍于矿物基质,最高可达到25%。同时,有机质润湿性为油湿,利于单相气体的渗流。2.2储层孔隙结构特征对于页岩储层的平均的孔隙度,有学者认为泥页岩的埋深一般大于3000m,孔隙度一般小于10%,超压带泥页岩孔隙度相对较高。对于孔隙度的测定,常规测试方法有氦孔法,D.L.Luffel等有测定建立泥页岩孔隙度的GRI法。但使用气测孔隙度的方法可能会受到页岩渗透性差的影响,造成测试结果偏低。对于页岩储层的孔隙结构特征,F.Javadpour(2007)用超高压压汞法(415MPa)对三块页岩一块砂岩和泥岩样品做了压汞曲线。C.H.Sondergeld(2010)用高压压汞法获得了Barnett页岩的压汞曲线,发现美国Barnett页岩样品的孔隙喉道尺寸最低已达1.8nm,并且其孔隙喉道的分选性差。3损失气的解吸和扩散过程页岩含气量是指每吨岩石中所含天然气折算到标况下的天然气总量,包括主要的游离气量和吸附气量。其实验测试主要有测井、解吸和等温吸附模拟的方法。测井方法主要依据的是岩电关系,通过测井资料解释吸附气、游离气含量以及总的含气量[54—57],但目前国内已有的页岩储层岩电关系图版还极少。解吸法具体有USBM(美国联邦矿物局)直接法、改进的直接法、史密斯-威廉斯法和曲线拟合法等。它们都是通过岩芯或岩屑解吸,确定损失气(估算)、解吸气(实测)和残留气(岩样磨碎后实测)三部分气量,再求和得到最终的含量。因损失气是岩芯从井下取出到放进地面解吸筒内这段时间损失的气体,其量无法实测,所以目前解吸法问题的关键在于对它的估算,实际在一定程度上,损失气的析出就是一个小范围的气体解吸、扩散、渗流的耦合过程,机理复杂。E.Shtepani等(2008)提出损失气的非线性拟合方法。刘洪林(2010)分析了温度、损失时间以及计算方法等因素对准确求取损失气量的影响,并认为温度对页岩测试的影响显著。唐颖、张金川等(2011)认为运用迭代非线性回归确定损失气量精度较高,此外他们还对解吸实验设备提出了改进意见。另外,可根据该实验所测数据总结出页岩含气量与页岩特性参数间的关系,如聂海宽等(2012)通过对有机碳含量、总烃含量、石英含量、黏土矿物含量、黄铁矿含量和碳酸盐含量、密度、孔隙度(裂缝)与含气量的多元线性回归得出了计算页岩含气量的经验公式。4页岩气的扩散在页岩气含气量分析和渗流机理研究中都涉及页岩气的吸附和解吸附,只不过前者是求静态吸附气量,后者分析的是动态气体解吸过程。页岩气开采中,气体产出过程一般认为要经历三个阶段:(1)在钻井、完井降压的作用下,裂缝系统中的页岩气流向生产井筒,基质系统中的页岩气在基质表面进行解吸;(2)在浓度差的作用下,页岩气由基质系统向裂缝系统进行扩散;(3)在流动势的作用下,页岩气通过裂缝系统流向生产井筒。F.Javadpour(2007)还认为,在气体从干酪根(或黏土)表面的解吸完成后,这种不平衡状态还会驱动气体分子从干酪根主体到干酪根表面的扩散,然后才是气体跨过吸附界面到孔隙网络的扩散,但一般还都认为页岩气产出的起点为孔隙内壁上气体的解吸。页岩气的解吸,也就是页岩气开采后气体由吸附态向游离态的转化。解吸是指吸附质离开界面使吸附量减少的现象,为吸附的逆过程,所以可通过先分析吸附,一定程度上来研究气体解吸过程。4.1聚合物系岩石学实验吸附的定义是两相体系中某个相的物质密度或溶于该相中的溶质浓度在两相界面上发生改变的现象。影响页岩吸附气体能力的因素主要有机碳含量TOC、镜质体反射率Ro、矿物和有机质种类以及温度和压力等。熊伟等(2012)通过实验发现,随着页岩TOC以及Ro的提高,页岩的吸附能力增加;当页岩的TOC相近时,页岩的Ro越高,吸附能力越强;当页岩的Ro相近时,页岩的TOC越高,页岩的吸附能力越强。薛海涛等(2003)发现泥岩的吸附量大于灰岩,干酪根的吸附量远大于泥岩和灰岩。吸附量随温度的升高而降低,随压力的升高而增加,对此李武广等(2012)认为可通过升温来提高页岩解吸速度从而提高页岩气的采收率。在吸附现象研究中,等温吸附线(温度一定时,吸附量与气相压力的关系)是表示吸附性能最常用的方式,其形状能很好的反映吸附剂和吸附质的物理、化学相互作用。它是由等温吸附实验来获取,即将一定粒度的页岩样品置于密封容器中,测定其在相同温度、不同压力条件下达到吸附平衡时所吸附的甲烷气体的体积,再根据相关吸附理论(如Langmuir单分子层吸附理论),计算出吸附常数(如Langmuir体积,Langmuir压力)以及等温吸附曲线。可见吸附和解吸附的研究手段无非解吸和等温吸附两类实验,它们除研究得是互为正逆的两过程(等温吸附实验中吸附过程结束后可接着进行脱附实验,这与解吸实验是类似的)这一不同外,区别主要在于所使用的页岩岩样,一个是从井下刚取出的本身含有天然气的原始岩样,一个是磨成一定粒径的不含气体(需往里注气,是为吸附)的处理过的岩样。在煤层气研究中的等温吸附实验测试技术是比较成熟的,但对页岩,等温吸附实验方法还存有争议,各实验室做出的结果也不尽相同。DanielJ.K.Ross(2007)认为在等温吸附实验中,使用He气测岩石的自由体积可能有误差,特别是对高压或湿气平衡条件下低有机碳含量的的泥页岩。其实验具体为用高分子筛、高岭石、伊利石、蒙脱石和泥页岩样品在湿气平衡条件下进行了等温吸附实验,发现用氦气测得各样品的自由体积随平衡压力的增大并不一定是常数,各样品计算所得的甲烷吸附量随平衡压力的变化也呈现出不同的变化趋势,有的还有负吸附的现象。李武广(2012)等通过室内不同温度下的等温吸附实验,利用Langmuir方程以及温度、压力、TOC值、Ro值与吸附气含量之间的关系,建立考虑地层温度、压力、有机碳含量和成熟度四个因素的页岩吸附气含量计算模型。但因条件限制,对超出实验温度压力范围(60℃、12MPa)的吸附气含量还是通过拟合所测温压范围内数据来进行预测的。薛海涛(2003)等考虑到岩石吸附气量可视为各种矿物及有机质吸附量的叠加,进行了烃源岩的主要岩石类型(泥岩、灰岩)及Ⅰ型干酪根和Ⅱ型干酪根四种样品在25—150℃、1—32MPa温压范围内的甲烷吸附量测定实验,并以此建立了这四种样品的甲烷吸附模型,但对岩石样品类型细分还不够。所以在页岩等温吸附实验中需要考虑实验用气体种类、实验温压范围和实验用样品的成分和种类的差异,具体进行分析。等温吸附实验解释模型使用最广泛的是Langmuir方程,该方程最早用于煤层气,众多学者对其在页岩气方面的应用及修正进行了探讨。如RayJ.Ambrose等(2011)和RobertC.Hartman等(2011)分析了多组分气体对页岩吸附的影响并建立了相应模型[70—72],于荣泽等(2012)认为在多组分气体吸附解吸附中Langmuir等温吸附定律仍旧存在一定问题,郭平等(2012)认为对页岩来说考虑温度变化的bi-Langmuir模型要优于单分子层Langmuir模型,张志英等(2012)认为对黏土含量较大的页岩修正的双朗格缪尔模型(假设有黏土和有机质两种吸附质)比朗格缪尔模型拟合效果要好。虽然有以上改进,Langmuir方程适用于埋藏浅(小于1000m)的煤层,可能在本质上还是不适用于页岩气,因为页岩气藏的深度一般高于3000m,随着地层深度的增加地层温度也在增加,而有机质的吸附量是会随温度增高而降低。已有实验结果显示出,1150m以下页岩气的存在状态有主要以游离气为主的趋势。Hildenbrand等(2006)发表了了煤的吸附量随温度压力变化的模型,国内有学者根据它建立了地质条件温度和压力协同变化下有机质吸附甲烷气模型,并且研究发现温度与压力对气体吸附量的控制存在竞争关系,在埋深约1000m处出现甲烷的最大吸附量,而后开始降低,这与Langmuir方程所获的单调结果是不相符的。同时因为甲烷在真实页岩储层中是超临界状态的,特性异常,Langmuir方程完全没有考虑这一点,崔永君等(2005)就认为因甲烷在储层中是处于超临界状态的,其体积不能简单使用状态方程来求取。4.2页岩解吸与等温吸附实验具体对于页岩气的解吸过程,郭平(2012)等认为页岩气与煤层气的解吸过程存有差异,对比观察煤样和页岩岩样在水中气体的解吸过程发现,煤样中仅仅是单纯的气泡放出,页岩岩样中气体的析出则有由气相转化为气-固两相的趋势,这可能因为岩样是放在水中解吸,页岩矿物成份