CO2分子置换法开采页岩气实验

张广东，周 文，吉尚策，刘建仪，张 键，杨火海

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（西南石油大学），成都610500；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；3.中国石油 塔里木油田分公司 勘探开发研究院，新疆 库尔勒841000）

页岩气的相关开发技术是中国必须突破的瓶颈［1］。虽然中国具备页岩气开采的关键技术，如水平井钻井技术和大规模水力压裂技术等［2－4］；但由于页岩气属于非常规低品位天然气，降压解吸产量低、周期长，短期内难以有经济效益。

美国开采页岩气中的吸附气都是通过降压解吸开采实现的。降压解吸开采是一种物理解吸作用过程，也是页岩气吸附开采过程中最主要的一种解吸方法［5］。但由于页岩气的强吸附增加了开采的难度，目前单纯的降压解吸开采产量低、周期长，很难达到理想的开采效率，因此如何提高页岩气的开采效率至关重要。2010年A.Kalantari－Dahaghi利用数值模拟技术分析了提高页岩气采收率的方法［6］。2011年王海柱等人提出用超临界CO2开发页岩气技术方法［7］，但未进行相关过程的实验研究；同年，W.Jing等人对提高采收率方法进行了探讨［8］。但总体来讲目前对提高页岩气提高采收率的方法还十分局限，现场主要以降压解封为主。

CO2是主要的温室效应气体，减少CO2的排放是缓解全球气候变暖的主要措施之一。在常规油气藏中，已经有利用CO2置换或者驱油的现场试验，并取得了较好的效果。同时CO2在页岩岩心中具有更好的吸附性能。为此，本文提出利用CO2置换页岩气吸附气的方法，并进行实验评价。通过室内实验探讨注CO2置换解吸页岩CH4吸附气的可行性，为提高页岩气采收率提供依据。

1 分子置换法开采页岩气机理

所谓分子置换法就是注入新的一种物质（本文指CO2气体）去替换已经在页岩上被吸附的CH4气体，主要是CO2气体在页岩上的吸附能力比CH4气体强。这与注气驱替有本质上的差别，注气驱替是把已经吸附或者游离在孔隙中的油气赶走。置换解吸的机理就是在置换解吸的过程中，一方面，未被吸附的其他气体分子，在范德华力作用下，不停地争取被吸附的机会，以力图达到动态平衡状态；另一方面，气体分子的热力学性质决定了这些被吸附的气体分子在不停地争脱范德华力的束缚，变吸附态为游离态，从而达到开采页岩气的目的。该过程也是一个分子置换法解析的过程。

2 实验样品的基本信息

目前文献中的吸附和解吸实验基本都是用粉碎样品做的，粉碎岩心样品在某种程度上不能体现地层条件下的性质；因此在本次页岩对气体的吸附解吸实验中，采用标准岩心进行置换解吸实验，这样会更真实地反映地层条件下的页岩对气体的吸附与解吸。实验采用鄂尔多斯盆地富县区上三叠统延长组的长7段页岩岩心，俗称“张家滩页岩”。首先将岩心钻取成标准岩心柱，并且将两端切平，然后在100℃的高温下干燥，最后取出冷却，称质量。本次实验选用的标准岩心的基础参数见表1。

表1 XF6井实验岩心的基础参数Table 1 The basic data of the experimental core

对表1中的岩心和岩心断面碎片进行了实验分析，页岩岩心的全岩和黏土矿物成分分析结果表明，黏土含量最高，质量分数为54.3%；其次为石英，质量分数为24.4%，长石的质量分数为12.5%，黄铁矿的质量分数为2.6%，方解石的质量分数为2.1%，白云石的质量分数为1.5%；黏土矿物中伊蒙混层为主，质量分数为58.5%；其次为伊利石，质量分数为20.5%；绿泥石的质量分数为15.0%，高岭石为6.0%，伊蒙混层中蒙托石比例为20%。

通过岩心观察发现，富县地区页岩岩石致密，灰黑色、黑色，明暗矿物相间的细纹层发育。通过环境扫描电子显微镜（图1）发现，页岩的孔隙以微孔为主，黏土矿物主要为伊蒙混层。

3 实验

3.1 实验方法及流程

目前在中国页岩气开采方法方面的研究还较少，相关的实验评价更少，绝大部分局限于理论分析和数值模拟研究。从文献资料来看，目前吸附量测试方法主要有体积法、称重法、动态法、色谱法、量热法等。不同吸附测试方法都有各自的优缺点。称重法准确简易，避免了体积法中死体积不易测准和气体状态方程不易校正的弱点，测定速度较快；弱点是对天平或弹簧秤的精度要求很高。

图1 实验页岩样品的环境扫描电镜照片Fig.1 Environmental scanning electron micrographs of the experimental shale samples

因此，为了克服各种方法的缺点，发挥其优点，本次研究综合称重法和色谱分析法，使用高精度电子天平，添加了透明视窗，同时选用高精度的压力传感器，可以准确测量出页岩吸附气和置换出来的气体的量，结合色谱分析法计算CO2和页岩气的吸附量。实验流程如图2所示。实验温度按照所选区块的实际参数，为30℃，地层压力8.259MPa。实验中页岩气为纯度为99.999%的CH4气体。

图2 置换法实验流程Fig.2 Experimental procedure of the replacement method

3.2 实验废弃压力确定

实验选取2号页岩样品，根据初始地层条件，实验温度选择30℃，地层压力为8.259MPa。废弃压力的确定由下式计算

式中：pab为废弃压力；D为井深。

所选2号页岩样品的井深为747.35m，通过上式计算得到废弃压力为1.152MPa。

4 实验结果及分析

4.1 CO2和CH4的吸附量对比

利用上述实验流程测定了CO2和CH4在同一块页岩样品上的吸附量，实验结果见图3。

从图3可以看出，CO2和CH4在同一块页岩样品上的吸附量随着压力的增加而不断增加，CO2在页岩样品上的吸附量远大于CH4的吸附量。说明注CO2置换解吸页岩气（CH4）理论上是可行的。

图3 CO2和CH4在同一页岩样品中吸附量对比Fig.3 The comparison of CO2and CH4adsorption in the same shale sample

4.2 置换法开采可行性评价

为了评价注CO2置换解吸页岩气的可行性，在室内采用同一块岩心进行了直接降压开采和注CO2置换法开采两组实验，对比分析注CO2置换效果。

4.2.1 直接降压开采实验

在初始地层压力8.259MPa下，充分饱和CH4，然后缓慢降压开采至废弃压力1.15MPa，测定各级衰竭压力下岩心中CH4吸附气和游离气的采出程度，进而获取总的采收率。直接降压开采实验结果见表2。

表2 直接降压开采实验数据Table 2 The experimental data by the direct blow-down recovery

从表2可知，直接衰竭式开采至废弃压力1.152MPa时，页岩中 CH4的采收率为72.62%，其中吸附气和游离气采收率分别25.58%和47.04%。

4.2.2 CO2置换法开采实验

为了验证CO2置换法可行性和克服CO2注入量对置换效率的影响，实验初期注入过量的CO2，保证充分置换。实验过程如下：在初始地层压力8.259MPa下，充分饱和CH4气，再向系统中注入过量的CO2，稳定12h待置换充分后，缓慢降压开采至废弃压力1.15MPa。CO2置换法开采实验结果见表3。

表3 注CO2置换解吸数据Table 3 The desorption data by injecting CO2 displacement

从表3可知，注入CO2进行置换后，地层压力从8.259MPa逐渐衰竭到废弃压力1.152 MPa，游离气含量和总采收率逐渐增加，在废弃压力下的采收率为80.29%，其中吸附气和游离气分别为33.19%和47.10%。

4.2.3 开采方式对采收率的影响

降压开采和置换法开采对比结果如图4和图5所示。

图4 开采方式对采收率的影响对比Fig.4 The comparison of the impacts by different mining methods on recovery

图5 开采方式对吸附气和游离气采收率影响对比Fig.5 The comparison of the impacts by different mining methods on the adsorbed gas and free gas recovery

从图4和图5可以看出，注CO2置换法开采页岩气比直接降压解吸开采的采收率提高了7.66%，其中游离气的采收率相差仅为0.06%，吸附气的采收率提高了7.6%，这说明CO2具有置换作用，可以有效提高页岩气的采收率。从实验过程来看，加入CO2置换后，实验周期明显缩短，可见CO2置换法不仅能提高页岩的采收率，而且可以缩短开采周期。因此注CO2置换法开采页岩气是可行的，起到了置换解析的作用。

4.3 注入时机的影响

按照上述流程测定了地层压力衰减到6.559 MPa和3.718MPa后再注CO2置换降压开采实验，研究不同注CO2置换时机对采收率的影响。实验结果如表4和表5所示。

表4 注CO2置换解吸数据Table 4 The desorption data by injecting CO2displacement

表5 注CO2置换解吸数据Table 5 The desorption data by injecting CO2displacement

从表4和表5可知，在降压生产到6.559 MPa时注入CO2进行置换，逐渐衰竭到废弃压力，总采收率为80.37%，其中吸附气和游离气的采出率分别为33.24%和47.13%；在降压生产到3.718MPa再注入CO2进行置换，废弃压力下的总采收率为80.16%，其中吸附气和游离气的采出率分别为33.15%和47.01%。

由图6和图7可知，不同地层压力下注入CO2进行置换，页岩气的总采收率和吸附气的采收率在地层压力为6.559MPa时最高，此时注气效果最好，最佳注入时机为地层压力衰竭到6.559MPa时。但从3个时机的最终效果绝对值来看，注入时机对置换效果的影响不十分明显，因此在生产过程可以适时注CO2置换，增加了该技术的灵活性。

图6 注CO2时机对采收率影响Fig.6 The impact of CO2injection time on recovery

图7 注气时机对吸附气和游离气采收率影响Fig.7 The impact of gas injection time on the adsorbed gas and free gas recovery

4.4 注入量的优化

根据注入时机的优化结果，在地层压力衰竭到6.559MPa时注CO2进行置换，测定不同CO2注入量的置换效果，优化最佳的注入量。实验结果如表6和图8所示。

由表6和图8可知，随着CO2注入量的增加，页岩气采收率和吸附气的采收率前期增加较快，而后趋于平缓，最佳的CO2注入量为0.22倍的孔隙体积。

5 结论

a.本文提出了利用CO2置换开采页岩气吸附气的方法，该方法实质就是注入CO2气体去置换已经在页岩上被吸附的CH4气体，从而提高页岩气的开采效率。

表6 不同CO2注入量的置换解吸数据Table 6 The CO2displacement desorption data of different CO2injection volumes

图8 CO2注入量对置换解吸采收率的影响Fig.8 The impact of CO2injection volume on the displacement desorption recovery

b.富县页岩置换开采实验表明，注CO2置换法开采页岩气比直接降压开采的采收率提高7.66%，而吸附气的采收率提高了7.6%，说明置换法提高采收率主要是由于注入的CO2置换了多孔介质中的甲烷吸附气，起到了置换解吸的作用。

c.富县页岩注CO2置换的最佳注入时机为地层压力衰竭到6.559MPa时，最佳的CO2注入量为0.22倍的孔隙体积。

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