萬成祥,郭旭升,申寶劍,常佳琦,薛子鑫,杜 偉

1.頁巖油氣富集機(jī)理與高效開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206;2.中國石化 頁巖油氣勘探開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206;3.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院,北京 102206;4.中國石化集團(tuán) 國際石油勘探開發(fā)有限公司,北京 100029

經(jīng)過十余年的勘探開發(fā),我國頁巖氣已取得突破性的進(jìn)展,尤其是對四川盆地龍馬溪組頁巖氣形成了一系列的成果與認(rèn)識,先后在四川盆地及周緣的涪陵、長寧、威遠(yuǎn)、昭通、丁山、威榮和永川等地區(qū)發(fā)現(xiàn)了多個商業(yè)氣田[1-5],頁巖氣累計(jì)產(chǎn)量超240×108m3[6]。近年來,在丁山、威榮、永川和瀘州等地區(qū)的深層頁巖氣(3 500 m以深)勘探開發(fā)方面也進(jìn)行了積極的探索并取得了很好的效果,成功鉆獲了如丁頁2HF井、威頁1HF井、永頁1HF井和瀘203井等一大批高產(chǎn)井;預(yù)計(jì)可探明頁巖氣地質(zhì)儲量達(dá)10×1012m3,2025年頁巖氣產(chǎn)量預(yù)計(jì)超300×108m3,展示了四川盆地良好的頁巖氣勘探前景[7]。

頁巖氣主要以吸附氣和游離氣的形式賦存在頁巖納米孔隙中[7-10]。頁巖納米孔氣體傳輸機(jī)理表明,游離氣和吸附氣在頁巖中會以不同的方式發(fā)生運(yùn)移,其類型可以根據(jù)克努森數(shù)進(jìn)行劃分,具體受到溫度、壓力和孔徑的影響[9]。一方面,在實(shí)際地層條件下,吸附氣主要在微孔中以表面擴(kuò)散的方式進(jìn)行傳輸,游離氣則是在中孔和宏孔中主要以連續(xù)流的方式發(fā)生運(yùn)移;另一方面,受頁巖氣賦存狀態(tài)及轉(zhuǎn)化機(jī)制的控制,深層頁巖氣含氣結(jié)構(gòu)與中淺層頁巖氣差異明顯,具體表現(xiàn)為以游離氣賦存為主,其占比可高達(dá)90%[2]。因此,對于深層頁巖氣而言,游離氣傳輸特征的研究顯得尤為重要[11]。而目前對于頁巖氣傳輸機(jī)制的研究多局限在低壓條件或油氣井開發(fā)條件下[12-13],缺少從實(shí)際地質(zhì)條件的角度探討頁巖納米孔隙游離氣的傳輸機(jī)制。

本文以川南深層龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖為例,分析深層頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征,基于克努森數(shù)明確深層頁巖游離氣不同傳輸機(jī)制的臨界條件;并在四川盆地龍馬溪組頁巖典型地層溫壓條件的基礎(chǔ)上,建立了全盆地頁巖納米孔游離氣傳輸模板;最后充分考慮頁巖納米孔氣體傳輸微尺度效應(yīng),動態(tài)討論了不同埋深的、地質(zhì)條件下頁巖納米孔隙游離氣傳輸能力的變化情況。本文研究成果從地質(zhì)角度論述了頁巖納米孔游離氣的傳輸機(jī)制,以期為中國南方海相頁巖氣地質(zhì)—工程一體化提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 深層頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征

1.1 樣品信息

選取川南深層X2井龍馬溪組龍一1亞段優(yōu)質(zhì)頁巖樣品進(jìn)行研究(表1),對應(yīng)的埋深約4 000 m。頁巖樣品有機(jī)碳(TOC)含量為3.56%～5.05%,平均為4.26%,整體都大于4%,顯示了其豐富的有機(jī)質(zhì)含量。頁巖樣品硅質(zhì)礦物含量為45.2%～65.3%,平均為53.9%;黏土礦物含量為10.4%～39.1%,平均為23.8%;碳酸鹽礦物含量為8.2%～20.0%,平均為12.5%。根據(jù)頁巖巖相劃分方案[14],本次選取的優(yōu)質(zhì)頁巖樣品以富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖為主?？偟膩碚f,石英礦物含量占比最高,碳酸鹽礦物含量占比最低,頁巖脆性礦物含量介于58.2%～85.3%,平均高達(dá)66.3%,顯示該地區(qū)深層優(yōu)質(zhì)頁巖良好的脆性,這對后期水力壓裂改造十分有利。

表1 川南深層龍馬溪組龍一1亞段優(yōu)質(zhì)頁巖樣品基本信息

1.2 孔隙類型及形態(tài)特征

通過FE-SEM實(shí)驗(yàn),可以直觀地對頁巖孔隙類型及形態(tài)特征進(jìn)行觀察。頁巖作為有機(jī)—無機(jī)復(fù)合體,其孔隙類型可劃分為有機(jī)孔、無機(jī)孔和微裂縫。

龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖中廣泛發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙,其中以蜂窩狀氣泡孔最為常見(圖1a),是連通性最好的一種孔隙類型。有機(jī)質(zhì)—黏土復(fù)合體在頁巖樣品中也能見到,表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)吸附在黏土礦物的狹縫孔隙中,并在層間結(jié)構(gòu)內(nèi)順層發(fā)育連續(xù)的橢圓狀孔隙(圖1b),與黏土相關(guān)的有機(jī)質(zhì)孔隙往往非常發(fā)育,這與黏土礦物在生烴過程中的催化作用有關(guān)[15]。另外黃鐵礦常常與有機(jī)質(zhì)孔隙共生,表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)在多個黃鐵礦集合的粒間孔中被包圍起來。由于黃鐵礦具有良好的支撐性,因此此類有機(jī)質(zhì)孔隙能夠很好地保存,多呈圓狀(圖1c)。

圖1 川南深層龍馬溪組龍一1亞段優(yōu)質(zhì)頁巖儲層孔隙不同類型孔隙發(fā)育形態(tài)

無機(jī)孔隙主要包括粒間孔、粒內(nèi)孔和微裂縫等。黏土礦物多為層狀結(jié)構(gòu),在鏡下經(jīng)常見到層間粒內(nèi)孔隙,在層間縫隙之中,有時被有機(jī)質(zhì)充填(圖1d)。可見無機(jī)礦物中的溶蝕孔(圖1e),此類孔隙通常對頁巖氣的儲集和傳輸能力貢獻(xiàn)較小。另外,在一些礦物顆粒之間以及有機(jī)質(zhì)與礦物的接觸界面處,可以觀察到微裂縫的發(fā)育(圖1f),通常是由于礦物顆粒之間未緊密接觸以及有機(jī)質(zhì)生烴收縮后引起的。

1.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

聯(lián)立CO2、N2和高壓壓汞實(shí)驗(yàn)可對頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行全孔徑表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,龍一1亞段深層優(yōu)質(zhì)頁巖樣品的微孔孔徑分布具體表現(xiàn)為三峰的特征,納米孔隙主要發(fā)育在0.5～0.6、0.8～0.9、1.6～1.7 nm 3個孔徑區(qū)間內(nèi)(圖2a),以0.9 nm以下的微孔為主;中孔的孔徑分布具體表現(xiàn)為雙峰的特征,納米孔隙主要發(fā)育在2～20 nm和30～40 nm2個孔徑區(qū)間內(nèi)(圖2b),以20 nm以下的中孔為主;宏孔的孔徑分布具體表現(xiàn)為三峰的特征,納米孔隙主要發(fā)育在50～70、130～150 、200～230 nm3個孔徑區(qū)間內(nèi),以150 nm以下的宏孔為主(圖2c)。其中,微孔孔體積占比介于19.1%～23.5%,平均占比為21.8%;中孔孔體積占比介于62.5%～69.7%,平均占比為66.4%;宏孔孔體積占比介于7.0%～18.4%,平均為11.8%(圖2d)。由此可見,川南深層優(yōu)質(zhì)頁巖樣品的孔體積主要由中孔提供,其次是微孔,宏孔的貢獻(xiàn)占比最少。

圖2 川南深層龍馬溪組龍一1亞段優(yōu)質(zhì)頁巖微孔(a)、中孔(b)和宏孔(c)孔徑分布特征及孔體積占比(d)

1.4 深淺層頁巖儲層特征對比

前人通過對深層頁巖與中淺層頁巖相比研究發(fā)現(xiàn),深、淺層頁巖的孔隙類型及形態(tài)特征基本一致,但孔隙結(jié)構(gòu)特征有一定的差異[16-18]。在脆性礦物和高壓聯(lián)合作用下,深層頁巖(X2井、LZ1井、D1井、XY1井和DYS2井等)的儲層孔隙保持度仍然較好,有機(jī)質(zhì)孔孔隙形態(tài)圓度較高,多呈圓形或橢圓形,與中淺層頁巖(JY2井、Y201、Y203和J1井等)的儲層孔隙差別不大;頁巖儲層孔隙度與埋深的關(guān)系并不明顯,深、淺層均可發(fā)育高孔優(yōu)質(zhì)頁巖儲層?？紫督Y(jié)構(gòu)方面,深、淺層頁巖的中孔孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)均為最高,明顯大于微孔和大孔,是頁巖儲層孔體積的主要貢獻(xiàn)者,但深層頁巖(LZ1井和D1井)與中淺層頁巖孔隙(Y201井、Y203井和J1井)相比,具有中孔體積更高的特征。

另外,前人研究指出,深、淺層頁巖氣的含氣結(jié)構(gòu)存在明顯差異,深層頁巖氣中游離氣的占比會更高,大致介于60%～90%[2,4,19],使得深層頁巖氣的賦存以游離氣為主。因此,從孔隙結(jié)構(gòu)特征和頁巖氣賦存方式2個方面來說,游離氣傳輸機(jī)制的研究尤為重要。

2 頁巖納米孔氣體傳輸特征

2.1 頁巖游離氣傳輸機(jī)理

頁巖氣通常可以在側(cè)向上發(fā)生短距離的運(yùn)移[20]。下部優(yōu)質(zhì)頁巖有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育,孔隙連通性好,含水飽和度低,在構(gòu)造形態(tài)的控制下,由于溫壓差的作用,頁巖氣可以在側(cè)向上沿著連通有機(jī)質(zhì)孔隙網(wǎng)絡(luò)和層理縫短距離的運(yùn)移或散失,一定程度上影響了頁巖氣的富集[21-22]。

根據(jù)頁巖氣氣體分子與頁巖儲層孔隙界面碰撞作用的強(qiáng)烈程度,可以按甲烷氣體的克努森數(shù)將頁巖氣傳輸方式劃分為達(dá)西流、滑脫流、過渡流、克努森擴(kuò)散等?？伺瓟?shù)的大小由氣體分子的平均自由程和納米孔的特征長度的比值確定,克努森數(shù)的計(jì)算公式為:

(1)

式中:Kn為克努森數(shù),無因次;λ為氣體分子的平均自由程,nm;d為納米孔隙的特征長度,通常取納米孔隙的直徑,nm。

考慮到真實(shí)氣體效應(yīng),真實(shí)氣體的分子平均自由程表示為:

(2)

式中:η為氣體黏度,Pa·s;P為氣體壓力,MPa;Z為氣體壓縮因子,無因次;R為氣體常數(shù),8.314 J/(mol·K);T為地層溫度,K;M為氣體摩爾質(zhì)量,g/mol,本研究取16 g/mol。

根據(jù)克努森數(shù)的劃分標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)Kn小于10-3時,孔隙內(nèi)部的相互作用以氣體分子間的碰撞占絕對主導(dǎo),即孔隙直徑明顯大于氣體的平均分子自由程,流動方式為達(dá)西流;當(dāng)10-310時,氣體分子與孔隙壁面頻繁碰撞,即孔隙直徑小于氣體的平均分子自由程,此時氣體分子主要發(fā)生克努森擴(kuò)散。前兩者為連續(xù)流范疇,通常發(fā)生在中孔及更大空間中,后兩者為非連續(xù)流范疇,通常發(fā)生在微孔等較小的空間中,不滿足連續(xù)性假設(shè),納維—斯托克斯方程無法模擬其流動狀態(tài)。值得注意的是,在過渡流狀態(tài)下,滑移效應(yīng)和氣體分子間碰撞作用同樣重要,既要考慮氣體滑移,也要考慮氣體分子擴(kuò)散[23-25]。

2.2 深層頁巖游離氣傳輸特征

頁巖納米孔隙中的甲烷氣體的體相傳輸機(jī)理主要受地層溫壓條件和孔徑的影響,其中氣體分子的平均自由程主要受甲烷氣體壓力的控制。根據(jù)典型頁巖氣藏開發(fā)過程中的納米孔隙范圍(2～1 000 nm)和地層壓力(1～50 MPa),可計(jì)算出對應(yīng)克努森數(shù)的范圍為0.000 2～6,從而將頁巖游離氣在有機(jī)質(zhì)納米孔隙中的主要傳輸機(jī)理劃分為達(dá)西流、滑脫流和過渡流(圖3)[9,26]。

圖3 四川盆地龍馬溪組典型頁巖氣藏開發(fā)條件下的主要傳輸機(jī)理[9]

在開發(fā)條件下的氣體傳輸機(jī)理圖版中,由于氣藏壓降的原因,僅氣體壓力作為變量,影響了氣體在不同尺度孔隙中的傳輸機(jī)理。但是在地質(zhì)條件下,溫壓條件主要受地層埋深和保存條件的影響,因此地質(zhì)條件下的頁巖氣傳輸機(jī)理應(yīng)著重關(guān)注地層原位溫壓條件以及不同傳輸機(jī)理在頁巖中存在的臨界孔徑。以川南永川—丁山深層區(qū)塊為例,分析深層頁巖游離氣傳輸特征。永川—丁山地區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖地層埋深主要為3700～4500m,壓力系數(shù)主要介于1.7～2.2[27-30]。地溫梯度取30 ℃/km,取地層埋深4 000 m,壓力系數(shù)取2.2,則地層溫度為408.15 K,地層壓力為88 MPa。在此地層條件下,計(jì)算了不同孔徑中真實(shí)甲烷氣體的體相傳輸特征(圖4)。該溫壓條件下,頁巖游離氣傳輸特征表現(xiàn)為:4.2 nm以下為過渡流;4.2～420 nm為滑脫流;420 nm以上為達(dá)西流(圖4)。因此,川南深層頁巖游離氣滲流特征主要表現(xiàn)為過渡流、滑脫流和達(dá)西流。

圖4 四川盆地永川地區(qū)頁巖納米孔甲烷游離氣流動方式與孔徑的關(guān)系

2.3 全盆地頁巖游離氣傳輸特征

通過文獻(xiàn)調(diào)研,本文統(tǒng)計(jì)了四川盆地龍馬溪組60口頁巖氣井的埋深及地層壓力系數(shù)[2,22,31-32]?？偟膩碚f,隨著地層埋深的增加,地層壓力系數(shù)呈現(xiàn)隨之增高的趨勢,龍馬溪組地層埋深的統(tǒng)計(jì)范圍為763～5 969 m,地層壓力系數(shù)為0.9～2.3。

頁巖氣藏可以劃分為多種類型,比如根據(jù)埋藏深度可以劃分為4種類型:淺層頁巖氣(<2 000 m)、中層頁巖氣(2 000～3 500 m)、深層頁巖氣(3 500～4 500 m)和超深層頁巖氣(>4 500 m);根據(jù)地層壓力系數(shù)可以進(jìn)一步劃分為低壓頁巖氣(<0.9)、常壓頁巖氣(0.9～1.3)、超壓頁巖氣(1.3～1.8)和超高壓頁巖氣(>1.8)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的頁巖氣井?dāng)?shù)據(jù)來看,目前四川盆地龍馬溪組主要的頁巖氣藏有以下8類:淺層常壓頁巖氣藏、中層常壓頁巖氣藏、淺層超壓頁巖氣藏、中層超壓頁巖氣藏、深層超壓頁巖氣藏、中層超高壓頁巖氣藏、深層超高壓頁巖氣藏和超深層超高壓頁巖氣藏。其中,常壓頁巖氣、超壓頁巖氣、超高壓頁巖氣的平均地層壓力系數(shù)分別為1.0～1.1、1.4～1.5和2.0～2.1。

在頁巖游離氣傳輸機(jī)理與儲層孔徑分布的基礎(chǔ)上,建立了全盆地頁巖游離氣傳輸圖版(圖5)。與開發(fā)條件下的頁巖游離氣傳輸圖版(圖3)相比,圖3更多的是關(guān)注某一具體氣藏在開發(fā)過程中,由于生產(chǎn)壓降的影響,強(qiáng)調(diào)了壓力的變化對不同孔徑納米孔中游離氣傳輸方式的控制。但是在地質(zhì)條件下,某一深度頁巖氣層的溫壓條件是不變的,只需要關(guān)注不同傳輸方式對應(yīng)的臨界孔徑,比如圖4給出的具體埋深和溫壓條件下頁巖游離氣存在的傳輸方式及臨界孔徑。因此,圖5集合了從淺層到超深層、從常壓到超壓全盆地頁巖氣層的情況,建立了從地質(zhì)角度動態(tài)分析全盆地頁巖游離氣傳輸特征的圖版。

圖5 四川盆地龍馬溪組頁巖全盆地頁巖游離氣傳輸模板

如圖5所示:①全盆地頁巖游離氣的傳輸方式均為過渡流、滑脫流和達(dá)西流這3類;②淺層頁巖氣可能只存在滑脫流和過渡流,這與淺層頁巖氣溫壓較低有關(guān);③隨著地層埋深和壓力系數(shù)的不斷升高,3種傳輸方式對應(yīng)的臨界孔徑逐漸下降。

3 頁巖氣傳輸能力動態(tài)表征

3.1 納米孔氣體傳輸微尺度效應(yīng)

納米孔微尺度效應(yīng)對頁巖氣傳輸具有不可忽略的影響,具體包括真實(shí)氣體效應(yīng)、吸附層效應(yīng)以及應(yīng)力敏感效應(yīng)[33]。

其一,高壓條件下,氣體分子間作用力導(dǎo)致理想氣體的行為與真實(shí)氣體的行為有較大差異,需采用氣體壓縮因子對氣體行為進(jìn)行校正,實(shí)際地層溫壓條件下的該參數(shù)可以通過美國氣體物性軟件REFPROP 計(jì)算得到。

其二,甲烷氣體吸附層會占據(jù)游離氣的傳輸空間,從而降低游離氣傳輸?shù)挠行Э讖?在微孔和較小的中孔中該效應(yīng)尤為明顯,則真實(shí)氣體傳輸?shù)募{米孔有效半徑為:

r1=r-dmθ

(3)

式中:r1表示考慮吸附效應(yīng)的納米孔有效半徑,nm;r表示孔隙半徑,nm;dm表示甲烷氣體分子直徑,nm;θ表示真實(shí)氣體覆蓋度,無因次,約等于1。

其三,壓力敏感效應(yīng)導(dǎo)致不同埋深的頁巖孔徑在上覆有效應(yīng)力的作用下被不同程度的壓縮,考慮應(yīng)力敏感效應(yīng)的頁巖有效孔徑的計(jì)算公式為:

(4)

式中:r′表示考慮應(yīng)力敏感效應(yīng)的納米孔有效半徑,nm;pe表示有效應(yīng)力,MPa;p0表示大氣壓,MPa;q表示頁巖孔隙度系數(shù),無因次,取0.04;s表示頁巖滲透率系數(shù),無因次,取0.08。

在考慮微尺度效應(yīng)后,頁巖游離氣不同傳輸方式對應(yīng)的臨界孔徑也有所變化。同樣以川南永川地區(qū)地層溫壓條件為例,頁巖游離氣不同傳輸機(jī)理對應(yīng)的實(shí)際臨界孔徑為4.2 nm和420 nm時,根據(jù)微尺度效應(yīng)反推可以計(jì)算得到,頁巖游離氣體傳輸方式的邊界條件為:孔徑小于1.34 nm時,孔隙全部被吸附氣堵死,為非滲流空間;發(fā)生過渡流的孔徑范圍為1.34～5.79 nm;滑脫流的孔徑范圍為5.79～491 nm;大于491 nm的孔徑為達(dá)西流方式傳輸(圖6)。由此可見,考慮微尺度效應(yīng)之后,頁巖整體的游離氣傳輸空間下降,大部分微孔變成了非滲流空間,只能發(fā)生吸附氣的表面擴(kuò)散[34];不同傳輸方式對應(yīng)的孔徑范圍也發(fā)生了改變,總的來說游離氣的傳輸空間被壓縮了。

圖6 考慮微尺度效應(yīng)后的四川盆地頁巖游離氣不同傳輸方式對應(yīng)的孔徑范圍

3.2 頁巖氣傳輸方式動態(tài)演化

隨著埋深的增加,地層溫壓條件不斷增大,頁巖游離氣不同傳輸方式對應(yīng)的臨界孔徑也隨之發(fā)生變化。在前文統(tǒng)計(jì)的井?dāng)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上,首先建立了不同埋深條件下不同游離氣傳輸方式對應(yīng)臨界孔徑的動態(tài)演化圖(圖7)。如圖7所示,隨著地層埋深增加,不同傳輸方式對應(yīng)的臨界孔徑隨之降低,具體表現(xiàn)為3個階段:0～1 000 m,該階段臨界孔徑迅速降低;1 000～3 500 m,該階段臨界孔徑緩慢降低;3 500 m以深階段,臨界孔徑平緩不變。此外還可以注意到,在接近地表?xiàng)l件下,頁巖納米孔隙中以滑脫流和過渡流為主,幾乎沒有達(dá)西流發(fā)生。另外,超壓情況下不同傳輸方式的臨界孔徑會進(jìn)一步下降。

圖7 四川盆地不同埋深條件下頁巖地層納米孔隙游離氣不同傳輸方式對應(yīng)的臨界孔徑

在臨界孔徑隨埋深動態(tài)變化的基礎(chǔ)上,本文進(jìn)一步計(jì)算了頁巖游離氣不同傳輸方式占比隨埋深變化的動態(tài)演化情況(圖8)。如圖8所示,在1 500 m以淺的地層條件下,頁巖納米孔隙中游離氣傳輸以過渡流為主,最高占比可達(dá)63.0%,其次是滑脫流,幾乎無達(dá)西流;中深層(埋深大于2 000 m)游離氣傳輸則是以滑脫流為主,最高占比可達(dá)67.3%,其次為過渡流,達(dá)西流占比不超過2%。雖然孔隙結(jié)構(gòu)和臨界孔徑的計(jì)算結(jié)果表明有一部分百納米級的孔隙可以發(fā)生達(dá)西流,但該區(qū)間孔隙體積占比非常少,且深層頁巖的孔隙體積主要由中孔和微孔提供,因此在頁巖納米孔隙中很難發(fā)生達(dá)西流。3.3 頁巖氣傳輸能力動態(tài)演化

圖8 四川盆地不同埋深頁巖納米孔游離氣不同傳輸方式占比

由前文分析可知,深層頁巖氣傳輸方式中連續(xù)流占比明顯增加,一定程度上增加了頁巖游離氣的傳輸能力,而同時由于微尺度效應(yīng),深層頁巖氣的傳輸能力又可能會受到抑制。本小節(jié)參考頁巖氣納米孔游離氣傳輸模型[12],結(jié)合頁巖樣品孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),計(jì)算并探討了不同埋深條件下頁巖游離氣傳輸能力的動態(tài)演化規(guī)律。為方便對比,單孔游離氣連續(xù)流、擴(kuò)散流、過渡流傳輸量均簡化為無因次量,最后根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和得到總的無因次傳輸量,具體計(jì)算過程參考文獻(xiàn)[12]。

計(jì)算結(jié)果如圖9所示,頁巖游離氣傳輸能力隨埋深的增加先迅速降低,之后保持平緩不變。具體表現(xiàn)為中深層(埋深大于2 000 m)頁巖游離氣的傳輸方式以滑脫流為主,但傳輸能力相對更低;淺層頁巖游離氣(埋深小于2 000 m)的傳輸方式以過渡流為主,更加接近于氣體擴(kuò)散,但傳輸能力相對更高,這可能主要是上覆有效應(yīng)力的變化造成的。大量的頁巖覆壓滲透率實(shí)驗(yàn)[35-37]正好與本文計(jì)算的動態(tài)演化規(guī)律相吻合,也證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖9 四川盆地不同埋深條件下頁巖游離氣傳輸能力動態(tài)演化規(guī)律

4 討論

深層頁巖氣和常壓頁巖氣具有巨大的資源潛力,是頁巖氣勘探開發(fā)未來的攻關(guān)方向。本文分析了川南深層頁巖的孔隙結(jié)構(gòu),明確了深層頁巖的中孔更加發(fā)育,展現(xiàn)出良好的孔隙結(jié)構(gòu)特征和儲氣能力;同時也揭示了深層頁巖游離氣的傳輸特征及從深層到淺層過渡的動態(tài)演化規(guī)律,對深層頁巖氣乃至淺層常壓頁巖氣的勘探和開發(fā)工作均具有一定的啟示作用。

從勘探的角度來說,深層頁巖發(fā)育良好的游離氣儲集空間,含氣結(jié)構(gòu)好,游離氣占比高,同時頁巖游離氣傳輸能力較弱,與淺層相比,深層游離氣散失速度更慢。川東南綦江丁山區(qū)塊DY2、DY4、DY3、DY1井埋深逐漸變淺,頁巖氣傳輸速率依次增強(qiáng),游離氣散失量越來越大,導(dǎo)致頁巖含氣性越來越差[38]。總的來說,深層頁巖氣資源豐度更高,理論上具備更好的勘探前景。與深層頁巖氣相比,淺層頁巖游離氣傳輸能力更強(qiáng),散失速度更快,這也是導(dǎo)致淺層頁巖氣游離氣占比低以及頁巖氣藏多發(fā)育常壓或弱超壓的原因之一。川東南盆緣常壓頁巖氣藏經(jīng)歷多期復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動,保存條件是影響頁巖含氣性差異的關(guān)鍵因素,目前已形成的常壓頁巖氣富集模式均是在有利于頁巖氣保存的構(gòu)造樣式上建立的[39],因此淺層頁巖氣的勘探要更加注重保存條件的評價(jià)。

從開發(fā)的角度來講,深層頁巖氣傳輸方式以滑脫流為主,滲流特征更加明顯,是壓裂后形成高產(chǎn)的原因之一,但由于埋藏深,上覆巖石壓力大,生產(chǎn)壓降快,因此工程施工難度更高,需要合理控制地層壓力,防止早期大壓差生產(chǎn)對后期帶來的不利影響。淺層頁巖游離氣雖然傳輸能力較強(qiáng),但傳輸方式以更接近擴(kuò)散的過渡流為主,同時以吸附氣為主,因此從該方面很難提升開發(fā)效果,建議針對吸附氣的吸附/解吸機(jī)理,從動用更多吸附氣的角度設(shè)計(jì)淺層頁巖氣開發(fā)方案。

5 結(jié)論

(1)深層頁巖儲層類型及形態(tài)特征與淺層頁巖區(qū)別不大,但深層頁巖儲層的中孔相對更加發(fā)育,孔體積占比為62.5%～69.7%。

(2)深層頁巖游離氣傳輸方式為過渡流、滑脫流和達(dá)西流,永川地區(qū)頁巖游離氣傳輸對應(yīng)的臨界孔徑為4.2 nm和420 nm,即孔徑在4.2 nm以下的孔隙發(fā)生過渡流,孔徑為4.2～420 nm的孔隙發(fā)生滑脫流,孔徑大于420 nm的孔隙發(fā)生達(dá)西流。對四川盆地頁巖氣井進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),建立了地質(zhì)條件下的全盆地頁巖游離氣傳輸圖版。

(3)隨埋深增加,頁巖游離氣傳輸方式發(fā)生轉(zhuǎn)變,即淺層頁巖游離氣傳輸以過渡流為主,最高占比達(dá)63.0%,中深層頁巖游離氣傳輸以滑脫流為主,最高占比達(dá)67.3%;隨埋深增加,頁巖游離氣傳輸能力也隨之降低,即淺層頁巖游離氣傳輸能力更強(qiáng),過渡到中淺層傳輸能力迅速下降,隨后基本保持穩(wěn)定。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)/Authors’Contributions

萬成祥、薛子鑫、杜偉、常佳琦參與論文的總體構(gòu)思;萬成祥、郭旭升、申寶劍參與論文寫作和修改。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was designed by WAN Chengxiang,XUE Zixin,DU Wei and CHANG Jiaqi. The manuscript was drafted and revised by WAN Chengxiang, GUO Xusheng and SHEN Baojian. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.