页岩气低速渗流特征分析及影响因素研究

王程伟，李 蕾，苏玉亮，曾旭智，盛广龙，郝永卯

(中国石油大学(华东)，山东 青岛 266000)

0 引 言

页岩气主要赋存于富含有机质的泥页岩及其他岩性薄夹层中，具有自生自储、无气水界面、大面积连续成藏、纳米级孔隙、烃类以游离或吸附态存在以及岩石微裂缝发育等特点[1-10]。基质页岩岩心致密，孔隙非常小，纳米孔隙直径为5～800 nm，孔喉直径一般为10～20 nm[11-14]。国内外学者通过大量实验研究发现，由于气体在页岩储层中以游离气和吸附气的形式存在，造成不同渗流条件下运移规律复杂[15-28]，因此，在低速及高速渗流阶段气体流动不符合线性流动特征[29-32]。但目前尚未有人通过实验方法研究低速条件下不同气体在不同孔隙压力下的渗流特征。因此，通过自主开发页岩气低速渗流装置，研究页岩气在低速条件下的渗流特征及基质页岩应力敏感性特征。

1 实验方案

采用氦气、甲烷作为气体介质进行单相气体页岩低速渗流实验，分析不同气体在不同孔隙压力下的低速渗流规律与特征。

1.1 实验装置

实验装置包括氮气气瓶，UYT-2型压力调节系统，自制气体增压装置，自制可升温岩心夹持器，真空泵，回压阀，自制六通阀，自制微型气体流量计，围压泵等。

1.2 实验条件

实验温度为油藏温度(80 ℃)，实验过程中保证围压始终高于入口端压力5.00 MPa，实验样品选用干燥的页岩岩心，实验气体选用氦气与甲烷。

1.3 实验步骤

(1)将岩心烘干后冷却至室温，将其置于岩心夹持器中并控制温度于80 ℃。

(2)将测试岩心抽真空，饱和气。

(3)设定不同围压(0.00、1.00、2.00、5.00 MPa等)，调节气体减压阀，保证入口端与出口端依次存在0.10～0.90 MPa压差，每个压差稳定时间至少12 h。

(4)采用气测达西公式计算气体渗透率。其数学表达式为：

(1)

式中：Kg为气测渗透率，mD；Qi为气体流量，cm3/s；p0为大气压，MPa；p1为上游压力，MPa；p2为下游压力，MPa；μ为气体黏度，mPa·s；L为岩心长度，cm；A为岩心横截面积，cm2。

2 实验数据处理及分析

2.1 不同气体的稳态渗透率

单相气体测得的渗透率存在Klinkenberg效应，不能代表页岩的真实渗透率，需要进行克式校正，将不同孔隙压力下的气测渗透率Kg与孔隙压力pm进行线性回归即可得到等效液体渗透率，即克式渗透率。当气体不同时，对应的渗透率变化规律各不相同，故研究氦气与甲烷在80 ℃、0 MPa回压下的渗透率情况，实验结果如图1所示。

图1 甲烷与氦气渗透率测试

由图1可知，在相同压力范围内，氦气所测渗透率是甲烷所测渗透率的1.5～2.0倍。这是由于页岩储层对2种气体的吸附能力不同所致，页岩储层对氦气的吸附能力可以忽略不计，对甲烷的吸附能力最强。因此，甲烷分子吸附在孔隙壁面上，形成了致密的吸附层，吸附层的厚度会降低气体的流动通道，从而降低孔隙的渗透率。

2.2 不同孔隙压力下的稳态渗透率

在实验过程中保持围压与入口端存在5.00 MPa压差，避免应力敏感造成的渗透率变化。待出口端气体流量稳定后测定气体流量，并利用气测达西渗透率计算公式进行数据分析，结果如图2、3所示。

图2 不同孔隙压力下的页岩渗透率(测试气体为甲烷)

由图2可知，随着孔隙压力的增加，利用甲烷测得的基质岩心渗透率呈现出明显的先上升后下降趋势，并在回压为5.00 MPa左右渗透率达到最大值。而相同条件下利用氦气测得的渗透率不存在这种现象，随着孔隙压力的升高，渗透率总体呈现下降趋势(图3)。

图3 不同压力条件下的页岩渗透率(测试气体为氮气)

根据气体在岩心中的渗流规律可知，由于气体在多孔介质中的流动不同于液体，存在滑脱效应，故随着孔隙压力的升高，岩心渗透率随之降低，但是页岩气藏中气体以自由态和吸附态2种形式存在，自由态常存在于裂缝及孔隙内，吸附态常吸附于有机质及其壁面。因此，有机质多孔介质表观渗透率可以看做是自由气渗透率和吸附气渗透率之和，则有机质多孔介质表观渗透率可以表示为[33]：

(2)

式中：Kad为视渗透率，mD；Ka为自由气渗透率，mD；D为表面扩散系数；M为气体分子摩尔质量，g·mol-1；Camax为压力无穷大时吸附相的密度，g/cm3；μ为气体黏度，mPa·s；pL为朗格缪尔压力，MPa；ρ为气体密度，g/cm3；p为孔隙压力，MPa；Φeff为有效孔隙度。

基质页岩渗透率是2种渗透率共同作用的结果，当孔隙压力维持不变时，不同气体在页岩有机质中的吸附作用是造成渗透率发生变化的最主要因素。

对比甲烷与氦气渗流特征可以发现：随着孔隙压力的增加，甲烷气体在有机质中的吸附能力增强，吸附层厚度增加，吸附层渗透率占主导地位，有机质多孔介质渗透率呈现上升趋势；但随着孔隙压力的升高，有机质对甲烷的吸附能力存在一个饱和值，当达到饱和值之后，吸附层厚度便不再随着孔隙压力的升高而变化，表观渗透率中自由气渗透率占主导地位。渗透率变化符合气体滑脱渗流规律，随着孔隙压力的升高，渗透率不断降低。相比于甲烷气体，页岩有机质对氦气的吸附作用非常小，可以忽略不计，通过对比实验可以发现：随着孔隙压力的升高，吸附层渗透率影响非常微弱，自由气渗透率影响占主导地位，渗流满足气体滑脱效应，随着孔隙压力的升高渗透率逐渐下降。

2.3 不同渗透率岩心的渗流特征

由于气体滑脱效应受到页岩岩心孔隙结构、孔径分布、孔径的影响较大。因此，不同渗透率岩心，甲烷气体表现出不同的低速渗流规律。利用渗透率等级不同的2块页岩岩心进行实验，结果如图4所示，并对实验结果进行拟合，得到两块岩样的渗透率数据，如表1所示。

图4 不同渗透率岩心渗流曲线

表1 不同渗透率页岩低速渗流实验数据

由表1可知，岩心的渗透率、孔隙度越大，滑脱因子越小，并且随着孔隙压力的增大，甲烷在基质页岩中的滑脱效应逐渐减弱，体现为气测渗透率逐渐降低。将klinkenberg气测渗透率计算公式变形，可推导出气体滑脱效应对渗透率贡献的数学表达式。

(3)

式中：η为滑脱贡献率，%；Kg为气测渗透率，mD；K∞为Klinkenberg渗透率，mD；b滑为滑脱因子；pm为孔隙压力，MPa。

通过式(3)计算不同岩心在不同压力下的滑脱贡献率，结果如表2所示。

表2 滑脱贡献率分布数据

由表2可知，对于同一块页岩岩样，驱替压力降低，气测渗透率增大，滑脱效应增强，对气体的渗透率贡献也越大。说明增大驱替压力能够有效地降低滑脱效应对渗透率的贡献率，从而减弱气体非线性渗流特征。

2.4 应力敏感性分析

根据页岩特征及矿场实际情况，通过应力敏感实验研究基质页岩的应力敏感程度。实验中将岩心围压稳定在30.00 MPa，依次改变岩心入口与出口端压力，并维持出入口压差为1.50 MPa。分别测试不同孔隙压力下的气测渗透率，其中，每个压力点均稳定1 h以上，结果如图5所示。

图5 基质岩心应力敏感性测试

有效应力为围压与孔隙压力的差值，也可称作净围压。由图5可知，随有效应力的减小，页岩渗透率呈现指数上升的趋势。当有效应力为20.00～25.00 MPa时，随着有效应力的增加，岩心渗透率保持平稳并略有增加，原因是在高应力范围内，岩心孔隙直径进一步缩小，气体滑脱效应增强，气体滑脱效应对渗透率的影响高于应力敏感效应。当有效应力达到15.00 MPa左右时，基质页岩中的微裂缝逐渐张开，导致岩心渗透率迅速升高。对比降压过程与升压过程可以发现，升压过程中的渗透率普遍高于降压过程中的渗透率，是因为当岩心有效应力升高时，岩心某些孔径发生塑性变形，岩心裂缝完全闭合；当有效应力下降时，某些裂缝不能完全恢复正常状态，进而导致在降压过程中的渗透率低于升压过程中的渗透率。

3 开发实践指导意义

(1)在页岩气开采初期，储层有效应力较小，页岩气储层具有较高的渗流能力，产量较高。伴随着页岩气的不断开采，储层孔隙压力逐渐减小，由于应力敏感作用使得储层渗透率呈指数式下降，页岩气产量也急剧下降，根据实验结果，产量预计在储层有效应力为20.00 MPa左右达到稳定，储层进入稳产阶段。随着有效应力进一步增加，由于页岩滑脱导致渗透率在稳定的基础上略有增加，页岩储层的应力敏感性可较大幅度地影响气井的产气量与稳产期，上述研究成果为页岩气井工作制度和开发技术政策的优化提供了理论依据。

(2)在页岩气生产开发末期，随着生产的进行，地层压力降低，生产压差减小，页岩储层无法维持高压差下的高速渗流阶段，逐渐呈现出低速渗流特征。根据研究结果可以发现，由于甲烷气体滑脱、吸附及应力敏感等因素的共同作用，在低速渗流阶段存在一段渗流能力较高的区域，因此，在页岩气储层生产末期应控制井底流压以保证气井具有较高产气量。

综上所述，页岩气渗流能力是由滑脱、吸附、扩散、应力敏感等多种因素所共同决定的，在页岩气生产的不同阶段，各影响因素的作用程度也各不相同，故在页岩气实际生产开发过程中应根据不同生产阶段制订出最佳的气井生产制度，保证页岩气储层具有较高的渗流能力，效益最大化地实现页岩气的开采。

4 结 论

(1)由于页岩的微观结构以及气体赋存状态造成不同种类气体在页岩中的渗流规律各不相同。相同孔隙压力下，由于吸附作用，氦气测得的渗透率是甲烷测得的渗透率的1.5～2.0倍左右。相同有效应力条件下，甲烷测得的渗透率曲线呈现出先上升后下降趋势，氦气测得的渗透率曲线呈现下降趋势。

(2)页岩在低速渗流阶段，气体流动主要受滑脱效应影响，随着孔隙压力的升高，气体滑脱贡献率降低，滑脱效应减弱，同时，气体滑脱效应随着岩心孔隙尺寸的升高而降低。

(3)页岩开发过程中，应力敏感性与滑脱效应共同影响气体的渗流能力。低速条件下的应力敏感实验结果表明，随着有效应力的增加，渗透率初期下降很快，当有效应力达到20.00 MPa左右，由于滑脱效应影响增强，导致渗透率缓慢升高。