張廣東，周 文，吉尚策，劉建儀，張 鍵，楊火海

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西南石油大學(xué)），成都610500；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都610059；3.中國石油 塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 庫爾勒841000）

頁巖氣的相關(guān)開發(fā)技術(shù)是中國必須突破的瓶頸［1］。雖然中國具備頁巖氣開采的關(guān)鍵技術(shù)，如水平井鉆井技術(shù)和大規(guī)模水力壓裂技術(shù)等［2－4］；但由于頁巖氣屬于非常規(guī)低品位天然氣，降壓解吸產(chǎn)量低、周期長，短期內(nèi)難以有經(jīng)濟(jì)效益。

美國開采頁巖氣中的吸附氣都是通過降壓解吸開采實(shí)現(xiàn)的。降壓解吸開采是一種物理解吸作用過程，也是頁巖氣吸附開采過程中最主要的一種解吸方法［5］。但由于頁巖氣的強(qiáng)吸附增加了開采的難度，目前單純的降壓解吸開采產(chǎn)量低、周期長，很難達(dá)到理想的開采效率，因此如何提高頁巖氣的開采效率至關(guān)重要。2010年A.Kalantari－Dahaghi利用數(shù)值模擬技術(shù)分析了提高頁巖氣采收率的方法［6］。2011年王海柱等人提出用超臨界CO2開發(fā)頁巖氣技術(shù)方法［7］，但未進(jìn)行相關(guān)過程的實(shí)驗(yàn)研究；同年，W.Jing等人對提高采收率方法進(jìn)行了探討［8］。但總體來講目前對提高頁巖氣提高采收率的方法還十分局限，現(xiàn)場主要以降壓解封為主。

CO2是主要的溫室效應(yīng)氣體，減少CO2的排放是緩解全球氣候變暖的主要措施之一。在常規(guī)油氣藏中，已經(jīng)有利用CO2置換或者驅(qū)油的現(xiàn)場試驗(yàn)，并取得了較好的效果。同時(shí)CO2在頁巖巖心中具有更好的吸附性能。為此，本文提出利用CO2置換頁巖氣吸附氣的方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評價(jià)。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)探討注CO2置換解吸頁巖CH4吸附氣的可行性，為提高頁巖氣采收率提供依據(jù)。

1 分子置換法開采頁巖氣機(jī)理

所謂分子置換法就是注入新的一種物質(zhì)（本文指CO2氣體）去替換已經(jīng)在頁巖上被吸附的CH4氣體，主要是CO2氣體在頁巖上的吸附能力比CH4氣體強(qiáng)。這與注氣驅(qū)替有本質(zhì)上的差別，注氣驅(qū)替是把已經(jīng)吸附或者游離在孔隙中的油氣趕走。置換解吸的機(jī)理就是在置換解吸的過程中，一方面，未被吸附的其他氣體分子，在范德華力作用下，不停地爭取被吸附的機(jī)會，以力圖達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)；另一方面，氣體分子的熱力學(xué)性質(zhì)決定了這些被吸附的氣體分子在不停地爭脫范德華力的束縛，變吸附態(tài)為游離態(tài)，從而達(dá)到開采頁巖氣的目的。該過程也是一個(gè)分子置換法解析的過程。

2 實(shí)驗(yàn)樣品的基本信息

目前文獻(xiàn)中的吸附和解吸實(shí)驗(yàn)基本都是用粉碎樣品做的，粉碎巖心樣品在某種程度上不能體現(xiàn)地層條件下的性質(zhì)；因此在本次頁巖對氣體的吸附解吸實(shí)驗(yàn)中，采用標(biāo)準(zhǔn)巖心進(jìn)行置換解吸實(shí)驗(yàn)，這樣會更真實(shí)地反映地層條件下的頁巖對氣體的吸附與解吸。實(shí)驗(yàn)采用鄂爾多斯盆地富縣區(qū)上三疊統(tǒng)延長組的長7段頁巖巖心，俗稱“張家灘頁巖”。首先將巖心鉆取成標(biāo)準(zhǔn)巖心柱，并且將兩端切平，然后在100℃的高溫下干燥，最后取出冷卻，稱質(zhì)量。本次實(shí)驗(yàn)選用的標(biāo)準(zhǔn)巖心的基礎(chǔ)參數(shù)見表1。

表1 XF6井實(shí)驗(yàn)巖心的基礎(chǔ)參數(shù)Table 1 The basic data of the experimental core

對表1中的巖心和巖心斷面碎片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，頁巖巖心的全巖和黏土礦物成分分析結(jié)果表明，黏土含量最高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54.3%；其次為石英，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.4%，長石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%，黃鐵礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.6%，方解石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.1%，白云石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%；黏土礦物中伊蒙混層為主，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58.5%；其次為伊利石，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.5%；綠泥石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.0%，高嶺石為6.0%，伊蒙混層中蒙托石比例為20%。

通過巖心觀察發(fā)現(xiàn)，富縣地區(qū)頁巖巖石致密，灰黑色、黑色，明暗礦物相間的細(xì)紋層發(fā)育。通過環(huán)境掃描電子顯微鏡（圖1）發(fā)現(xiàn)，頁巖的孔隙以微孔為主，黏土礦物主要為伊蒙混層。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法及流程

目前在中國頁巖氣開采方法方面的研究還較少，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)評價(jià)更少，絕大部分局限于理論分析和數(shù)值模擬研究。從文獻(xiàn)資料來看，目前吸附量測試方法主要有體積法、稱重法、動(dòng)態(tài)法、色譜法、量熱法等。不同吸附測試方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。稱重法準(zhǔn)確簡易，避免了體積法中死體積不易測準(zhǔn)和氣體狀態(tài)方程不易校正的弱點(diǎn)，測定速度較快；弱點(diǎn)是對天平或彈簧秤的精度要求很高。

圖1 實(shí)驗(yàn)頁巖樣品的環(huán)境掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 Environmental scanning electron micrographs of the experimental shale samples

因此，為了克服各種方法的缺點(diǎn)，發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，本次研究綜合稱重法和色譜分析法，使用高精度電子天平，添加了透明視窗，同時(shí)選用高精度的壓力傳感器，可以準(zhǔn)確測量出頁巖吸附氣和置換出來的氣體的量，結(jié)合色譜分析法計(jì)算CO2和頁巖氣的吸附量。實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。實(shí)驗(yàn)溫度按照所選區(qū)塊的實(shí)際參數(shù)，為30℃，地層壓力8.259MPa。實(shí)驗(yàn)中頁巖氣為純度為99.999%的CH4氣體。

圖2 置換法實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 Experimental procedure of the replacement method

3.2 實(shí)驗(yàn)廢棄壓力確定

實(shí)驗(yàn)選取2號頁巖樣品，根據(jù)初始地層條件，實(shí)驗(yàn)溫度選擇30℃，地層壓力為8.259MPa。廢棄壓力的確定由下式計(jì)算

式中：pab為廢棄壓力；D為井深。

所選2號頁巖樣品的井深為747.35m，通過上式計(jì)算得到廢棄壓力為1.152MPa。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 CO2和CH4的吸附量對比

利用上述實(shí)驗(yàn)流程測定了CO2和CH4在同一塊頁巖樣品上的吸附量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，CO2和CH4在同一塊頁巖樣品上的吸附量隨著壓力的增加而不斷增加，CO2在頁巖樣品上的吸附量遠(yuǎn)大于CH4的吸附量。說明注CO2置換解吸頁巖氣（CH4）理論上是可行的。

圖3 CO2和CH4在同一頁巖樣品中吸附量對比Fig.3 The comparison of CO2and CH4adsorption in the same shale sample

4.2 置換法開采可行性評價(jià)

為了評價(jià)注CO2置換解吸頁巖氣的可行性，在室內(nèi)采用同一塊巖心進(jìn)行了直接降壓開采和注CO2置換法開采兩組實(shí)驗(yàn)，對比分析注CO2置換效果。

4.2.1 直接降壓開采實(shí)驗(yàn)

在初始地層壓力8.259MPa下，充分飽和CH4，然后緩慢降壓開采至廢棄壓力1.15MPa，測定各級衰竭壓力下巖心中CH4吸附氣和游離氣的采出程度，進(jìn)而獲取總的采收率。直接降壓開采實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 直接降壓開采實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 The experimental data by the direct blow-down recovery

從表2可知，直接衰竭式開采至廢棄壓力1.152MPa時(shí)，頁巖中 CH4的采收率為72.62%，其中吸附氣和游離氣采收率分別25.58%和47.04%。

4.2.2 CO2置換法開采實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證CO2置換法可行性和克服CO2注入量對置換效率的影響，實(shí)驗(yàn)初期注入過量的CO2，保證充分置換。實(shí)驗(yàn)過程如下：在初始地層壓力8.259MPa下，充分飽和CH4氣，再向系統(tǒng)中注入過量的CO2，穩(wěn)定12h待置換充分后，緩慢降壓開采至廢棄壓力1.15MPa。CO2置換法開采實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 注CO2置換解吸數(shù)據(jù)Table 3 The desorption data by injecting CO2 displacement

從表3可知，注入CO2進(jìn)行置換后，地層壓力從8.259MPa逐漸衰竭到廢棄壓力1.152 MPa，游離氣含量和總采收率逐漸增加，在廢棄壓力下的采收率為80.29%，其中吸附氣和游離氣分別為33.19%和47.10%。

4.2.3 開采方式對采收率的影響

降壓開采和置換法開采對比結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 開采方式對采收率的影響對比Fig.4 The comparison of the impacts by different mining methods on recovery

圖5 開采方式對吸附氣和游離氣采收率影響對比Fig.5 The comparison of the impacts by different mining methods on the adsorbed gas and free gas recovery

從圖4和圖5可以看出，注CO2置換法開采頁巖氣比直接降壓解吸開采的采收率提高了7.66%，其中游離氣的采收率相差僅為0.06%，吸附氣的采收率提高了7.6%，這說明CO2具有置換作用，可以有效提高頁巖氣的采收率。從實(shí)驗(yàn)過程來看，加入CO2置換后，實(shí)驗(yàn)周期明顯縮短，可見CO2置換法不僅能提高頁巖的采收率，而且可以縮短開采周期。因此注CO2置換法開采頁巖氣是可行的，起到了置換解析的作用。

4.3 注入時(shí)機(jī)的影響

按照上述流程測定了地層壓力衰減到6.559 MPa和3.718MPa后再注CO2置換降壓開采實(shí)驗(yàn)，研究不同注CO2置換時(shí)機(jī)對采收率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4和表5所示。

表4 注CO2置換解吸數(shù)據(jù)Table 4 The desorption data by injecting CO2displacement

表5 注CO2置換解吸數(shù)據(jù)Table 5 The desorption data by injecting CO2displacement

從表4和表5可知，在降壓生產(chǎn)到6.559 MPa時(shí)注入CO2進(jìn)行置換，逐漸衰竭到廢棄壓力，總采收率為80.37%，其中吸附氣和游離氣的采出率分別為33.24%和47.13%；在降壓生產(chǎn)到3.718MPa再注入CO2進(jìn)行置換，廢棄壓力下的總采收率為80.16%，其中吸附氣和游離氣的采出率分別為33.15%和47.01%。

由圖6和圖7可知，不同地層壓力下注入CO2進(jìn)行置換，頁巖氣的總采收率和吸附氣的采收率在地層壓力為6.559MPa時(shí)最高，此時(shí)注氣效果最好，最佳注入時(shí)機(jī)為地層壓力衰竭到6.559MPa時(shí)。但從3個(gè)時(shí)機(jī)的最終效果絕對值來看，注入時(shí)機(jī)對置換效果的影響不十分明顯，因此在生產(chǎn)過程可以適時(shí)注CO2置換，增加了該技術(shù)的靈活性。

圖6 注CO2時(shí)機(jī)對采收率影響Fig.6 The impact of CO2injection time on recovery

圖7 注氣時(shí)機(jī)對吸附氣和游離氣采收率影響Fig.7 The impact of gas injection time on the adsorbed gas and free gas recovery

4.4 注入量的優(yōu)化

根據(jù)注入時(shí)機(jī)的優(yōu)化結(jié)果，在地層壓力衰竭到6.559MPa時(shí)注CO2進(jìn)行置換，測定不同CO2注入量的置換效果，優(yōu)化最佳的注入量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6和圖8所示。

由表6和圖8可知，隨著CO2注入量的增加，頁巖氣采收率和吸附氣的采收率前期增加較快，而后趨于平緩，最佳的CO2注入量為0.22倍的孔隙體積。

5 結(jié)論

a.本文提出了利用CO2置換開采頁巖氣吸附氣的方法，該方法實(shí)質(zhì)就是注入CO2氣體去置換已經(jīng)在頁巖上被吸附的CH4氣體，從而提高頁巖氣的開采效率。

表6 不同CO2注入量的置換解吸數(shù)據(jù)Table 6 The CO2displacement desorption data of different CO2injection volumes

圖8 CO2注入量對置換解吸采收率的影響Fig.8 The impact of CO2injection volume on the displacement desorption recovery

b.富縣頁巖置換開采實(shí)驗(yàn)表明，注CO2置換法開采頁巖氣比直接降壓開采的采收率提高7.66%，而吸附氣的采收率提高了7.6%，說明置換法提高采收率主要是由于注入的CO2置換了多孔介質(zhì)中的甲烷吸附氣，起到了置換解吸的作用。

c.富縣頁巖注CO2置換的最佳注入時(shí)機(jī)為地層壓力衰竭到6.559MPa時(shí)，最佳的CO2注入量為0.22倍的孔隙體積。

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