中國南方海相頁巖氣體滑脫效應實驗研究

謝川，郭肖，鄭玲麗，黃婷，高濤

（西南石油大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室，四川成都610500）

中國南方海相頁巖氣體滑脫效應實驗研究

謝川，郭肖，鄭玲麗，黃婷，高濤

（西南石油大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室，四川成都610500）

為了研究滑脫效應的存在條件，以及對頁巖氣在頁巖儲層中的滲流規律，基于頁巖氣的滲流機理和氣體滲流的滑脫機制，通過室內實驗測定了不同孔隙壓力條件下滑脫因子的大小，研究了孔隙壓力對頁巖氣滑脫效應的影響，以及滑脫效應對氣體滲透率的影響情況；對含裂縫和不含裂縫的頁巖開展了不同孔隙壓力下的滲流特征分析。結果表明：頁巖中氣體滑脫效應是客觀存在的；對于不含裂縫的巖心，氣體在頁巖滲流過程中滑脫效應的強弱很大程度上取決于儲層孔隙壓力的大小；當儲層孔隙壓力＜1 MPa的時候，滑脫效應明顯；當儲層孔隙壓力大于1 MPa的時候，滑脫效應不明顯，整個流動過程為先滑脫流后達西流。對于含明顯裂縫的巖心，滲透率隨著平均孔隙壓力的增大而呈現出三段不同的關系，隨著孔隙壓力越來越大，滲透率越來越低，且下降趨勢越來越大，滑脫效應愈發明顯。

海相頁巖；滑脫效應；室內實驗；孔隙壓力

隨著常規油氣資源不斷被開采消耗，頁巖氣作為一種典型的非常規油氣資源已逐步得到全世界的廣泛關注。南方海相頁巖氣儲層分布范圍廣，厚度大（30 m～50 m），總有機碳含量高，含氣豐富，是中國頁巖氣資源的主體，其技術可采儲量為（8～11）×1012m3，資源潛力較大。頁巖孔滲結構復雜，以微納米級孔隙為主的頁巖儲層可認為是特低滲致密的多孔性介質，而對于致密的多孔性介質，滑脫效應尤為顯著，弄清楚滑脫效應在頁巖儲層中的存在條件及對頁巖氣滲流規律的影響則顯得至關重要，對我國南方海相頁巖氣的高效開發具有指導作用。

目前，國內外已經有不少學者對頁巖氣藏的開發特征進行了大量研究，但在頁巖滑脫效應方面的研究較少，尤其是實驗研究。高樹生等［3］在物理模擬實驗研究滑脫效應的基礎上，建立了考慮人工壓裂和滑脫效應影響的氣井產能模型，通過實驗得到頁巖儲層在孔隙壓力較低（小于10 MPa）的情況下氣體滲流存在滑脫效應，而在孔隙壓力較高的情況下氣體滑脫效應不明顯；張磊等［5］考慮基質中氣體的滑脫效應，建立了頁巖氣壓裂水平井產能評價及預測模型。C.R.Clarkson等利用Ertekin等人提出的動態滑脫效應方法確定了表觀氣測滲透率隨壓力的變化關系，同時確立了這些變化對氣井產能預測的影響；Rob Heller等［7］通過實驗研究了圍壓和孔隙壓力對頁巖基質滲透率的影響，并通過數據分析得到，巖石有效滲透率因滑脫效應的存在而在低孔隙壓力（＜500 psi）下顯著提高。本文基于頁巖氣的滲流機理及氣體滲流的滑脫機制，通過實驗研究孔隙壓力對頁巖氣滑脫效應的影響，分析了頁巖儲層中滑脫效應存在的條件，以及滑脫效應對氣體滲透率的影響規律；對含裂縫和不含裂縫的頁巖開展了不同孔隙壓力下的滲流特征分析。

1　氣體滲流的滑脫機制

多孔介質中氣體的滲流與液體的滲流不同，其主要是由于氣體與液體的性質差異造成的。對液體來講，在孔道中心的液體分子比靠近孔道壁表面的分子流速要高；而氣體在巖石孔道壁處不產生吸附薄層，氣體在介質孔道中滲流時，靠近孔道壁表面的氣體分子流速不為零，氣體分子的流速在孔道中心和孔道壁處無明顯差別，這種特性稱為滑脫效應，是由Klinkenberg于1941年提出的，亦稱Klinkenberg效應，其滲透率表達式為：

式中：kg為平均壓力和平均流量下測得的氣體滲透率，k∞為氣體克氏滲透率，c為比例系數，λ為氣體分子平均自由程，r為巖石孔隙半徑。

在實際實驗過程中，氣體分子平均自由程與平均孔隙壓力呈反比，則（1）式可變為：

式中：P為平均孔隙壓力，P=（P1+P2）/2，P1、P2分別是實驗巖樣入口壓力和出口壓力；b為滑脫因子，其定義為。

當b=0時，表示在多孔介質中沒有氣體分子和孔道壁互相作用的滑脫流，即為達西流，如圖1中的OB段；當b≠0時，多孔介質中存在滑脫效應，如圖1中的OA段［9］。

圖1　滑脫效應物理意義Fig.1 The physical significance of slippage effect

2　滑脫效應實驗研究

2.1實驗設備及流程

實驗采用HA-Ⅲ型高溫高壓油氣水相滲測試儀設備，實驗設備及流程（見圖2）。為檢驗實驗裝置的密封性和滲透率測試結果的可靠性，首先用鐵巖心進行測試，發現當圍壓大于5 MPa時設備才能達到較好的密封性；然后對3塊標準巖心的滲透率進行重復性測試，3次測試結果的相對誤差（見表1），測試結果表明實驗設備所測數據可信，在允許的誤差范圍內。

圖2　實驗流程圖Fig.2 Experimental program

表1　標準巖心3次測試結果對比表Table.1 Test results contrast table of three standard cores

實驗過程中，為了克服因孔隙壓力變化，進而引起有效應力改變而產生的應力敏感效應，圍壓取值較大為20 MPa；同時，實驗流體在不同的孔隙壓力下物性會發生變化，尤其是氣體黏度，因此在數據處理過程中對氣體黏度進行了校正。保持出口端為大氣壓，利用逐級降壓的方式對氣瓶出口處的壓力進行調節，使初始入口壓力為0.2 MPa，然后按照0.2 MPa（帶裂縫的巖心為0.1 MPa）的壓差逐次調高，實驗控制最大入口壓力為3 MPa，實驗模擬儲層孔隙壓力為入口壓力和出口壓力的平均，按照行業標準SY/T 5336-1996的規定方法計算不同孔隙壓力下的氣測滲透率值，繪制出平均孔隙壓力倒數與滲透率的關系曲線，對關系曲線進行線性擬合。

2.2實驗巖心

此次實驗巖心選自南方海相頁巖，實驗巖心總計10塊（其中5塊含有明顯裂縫，5塊不含裂縫），巖心滲透率范圍在0.000 42 mD～1.31 mD，巖心均取自于井深小于1 000 m的儲層，巖心詳細數據（見表2）。實驗前均對巖樣進行了48 h的烘干處理，溫度為60℃。由于壓力變化對裂縫的影響較大，為了使巖心性質趨于穩定，對有裂縫的巖心首先進行了老化處理。

表2　實驗巖心基本數據Table.2 Basic data of lab core

2.3實驗結果及分析

從圖3所示的關系曲線可以看出，隨著平均孔隙壓力的增大，滲透率不斷降低，但降低幅度在不斷減小，到最后趨于平緩，滲透率幾乎不變。與圖1進行對比發現，實驗結果與滑脫效應的物理意義相一致。5塊南方海相頁巖巖樣都呈現出不同程度的滑脫效應，即巖樣氣測滲透率隨孔隙壓倒數的增大而增大，頁巖普遍存在滑脫效應，而滑脫效應有助于改善頁巖儲層的滲透性能，為頁巖氣藏的開發提供了有利條件。

通過對滑脫因子的計算，選擇三塊具有不同級別滑脫因子的巖心實驗數據，繪制出了滑脫滲透率對氣測滲透率的貢獻率k/k∞隨孔隙壓力變化的關系曲線，即反映了不同孔隙壓力下滑脫效應對滲透率的影響情況，（見圖4）。滑脫滲透率k∞是指孔隙壓力倒數趨于0時的滲透率，體現在滲透率擬合曲線上就是指擬合曲線和滲透率軸的截距，也就是擬合公式的常數項。從圖4可以看出，三塊頁巖巖樣的氣測滲透率受滑脫滲透率的影響規律基本一致，隨著孔隙壓力的增大，滑脫效應對滲透率的影響先是快速減弱再是緩慢減弱。

圖3　5塊不含裂縫實驗巖心平均孔隙壓力倒數與滲透率關系曲線Fig.3 The relation curve of inverse mean pore pressure and permeability of five no fracture lab cores

圖4　不同孔隙壓力下滑脫效應對滲透率的影響Fig.4 The influence of slippage of permeability under different pore pressures

由圖3、圖4所示的關系曲線可以得出，氣體滲流過程中滑脫效應的強弱很大程度上取決于儲層孔隙壓力的大小，當儲層孔隙壓力較小（P＜1 MPa）的時候，滑脫對滲透率的影響較大，滑脫效應明顯，；當儲層孔隙壓力大于1 MPa的時候，滑脫效應不明顯，那么在頁巖氣藏開發過程中也就沒有必要考慮滑脫效應對氣井產能的影響。從儲層深度來考慮，也就是較深的頁巖儲層可以不需要考慮滑脫效應的影響，而對于較淺的頁巖儲層來說，滑脫效應對于頁巖氣的滲流規律及頁巖氣藏的開發具有一定影響，不可忽視。

5條關系曲線為帶明顯裂縫巖心所測結果（見圖5），從關系曲線可以看到其整體變化的規律，隨著平均孔隙壓力的增大，滲透率不斷降低，然而下降趨勢越來越明顯；當孔隙壓力P＜0.3 MPa時，此時由于壓力波在致密介質中傳遞速度較慢，氣體在巖樣中的滲流過程主要以在裂縫內的達西流動為主，滲透率與平均孔隙壓力倒數呈現直線關系，滑脫效應較弱；隨著孔隙壓力的增大，裂縫的開啟度會受到一定的影響，甚至會出現閉合的現象，裂縫滲透率降低，關系曲線將出現向下的直線偏離，出現一小段曲線。在較高孔隙壓力條件下，壓力波在巖樣中的波及范圍越來越廣，裂縫的閉合程度越來越大，裂縫滲透率也越來越低；同時壓力波及范圍的不斷擴大，也使得頁巖巖樣中的微裂縫開始出現氣體的流動，不再是低壓條件下單純的裂縫中的氣體流動，二者綜合表現為滲透率的快速下降，滑脫效應明顯。

圖5　5塊含裂縫實驗巖心平均孔隙壓力倒數與滲透率關系曲線Fig.5 The relation curve of inverse mean pore pressure and permeability of five lab cores with fracture

3　結論

（1）通過對南方海相頁巖中不同巖樣的滑脫效應實驗，驗證了頁巖普遍存在不同程度的氣體滑脫效應，而滑脫效應有助于改善頁巖儲層的滲透性能，為頁巖氣工業開采提供了有利條件。

（2）氣體在頁巖滲流過程中滑脫效應的強弱很大程度上取決于儲層孔隙壓力的大小，當儲層孔隙壓力小于1 MPa的時候，滑脫對滲透率的影響較大，滑脫效應明顯；當儲層孔隙壓力大于1 MPa的時候，滑脫效應不明顯；滑脫效應對滲透率的影響程度隨著孔隙壓力的增大先是快速減弱再是緩慢減弱。

（3）對于不帶裂縫的巖心，滲透率隨平均孔隙壓力的變化表現為線性變化。氣體在頁巖儲層中的滲流可以分為兩個階段：孔隙壓力較低時，表現為滑脫效應主導的滑脫流；孔隙壓力升高后，滑脫效應減弱，表現為達西流。

（4）對于含有明顯裂縫的巖心，由于壓力波在致密介質中的傳播速度較慢，以及孔隙壓力的增大使得裂縫開啟度受到影響甚至閉合，使得巖心的滲透率隨孔隙壓力的變化關系不再是一條直線，而是三段不同下降趨勢的直線，隨著孔隙壓力越來越大，滲透率越來越低，且下降趨勢越來越大，滑脫效應愈發明顯。

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Experiment on slippage effect of marine shale in southern China

XIE Chuan，GUO Xiao，ZHENG Lingli，HUANG Ting，GAO Tao
（State Key Lab for Reservoir Geology and Development Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China）

To study the existence conditions of slippage effect，and the seepage law of shale gas in shale reservoirs，based on the percolation mechanism and slippage mechanism in shale gas reservoir，experimental tests were conducted to measure the slippage coefficient of different pore pressure，the effect of pore pressure on slippage and slippage on permeability were studied.The effect of slippage on gas permeability was also analyzed.We also analyzed the percolation characteristics under different pore pressures in shale with fractures，as well as in shale without fractures.The results show that slippage exists in shale.For the cores without fractures，the strength of slippage effect largely depends on pore pressure.When pore pressure is less than 1 MPa，slippage effect is obvious with a significant effect on permeability.When pore pressure is larger than 1 MPa，slippage effect is not obvious and the entire flow regime is slippage flow followed by Darcy flow.For cores with fractures，flow regime changes as porepressure increases.With the pore pressure increase gradually，the permeability is more and more low，and the downward trend is more and more big，the slippage effect is more obvious.

marine shale；slippage effect；laboratory experiment；pore pressure

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.05.004

TE311

A

1673-5285（2015）05-0019-06

2015－03-18

國家重大科技專項“頁巖氣開發機理及技術政策研究”，項目編號：2011ZX05018－005；中國南方海相頁巖氣高效開發的基礎研究，項目編號：2013CB228000。

謝川，男（1988-），在讀碩士研究生，主要研究油氣藏數值模擬及非常規油氣開發，郵箱：swpuxc21@sina.com。