超聲波作用下頁巖氣滲流變化規律實驗研究

張 杰，王 謠，李 鑫，鄭云東，李翠楠，杜肖瀟

（1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610500；2.中國石油西南油氣田分公司勘探開發事業部，成都 610066；3.中國石油西南油氣田分公司工程技術研究院，四川廣漢 618300）

0 引言

我國已探明的頁巖氣儲量超過31.6 ×1 012 m3，僅次于美國所公布的頁巖氣儲量32.9 ×1 012 m3。雖然中國頁巖氣的開發起步較晚，但根據中國國家能源局公布的數據顯示，截至2017 年底，我國已在重慶涪陵地區建立了首個累積供氣量超100 ×108 m3的大型頁巖氣田，成為了世界第3 個成功實現商業化頁巖氣開發的國家［1］。

頁巖屬于沉積巖，其中含有大量的有機物，頁巖氣就是有機物在埋藏期間由于細菌作用和地球化學作用而生成的［2-3］。頁巖氣藏是集“生儲蓋”于一體的儲層，基質孔隙多為納米級，是特低孔、特低滲的致密儲層，而這也是造成了頁巖氣的賦存形式與滲流方式與常規天然氣有明顯差別的主要原因［4-7］。一般認為，頁巖氣藏除極少量氣體以溶解態賦存于干酪根、瀝青質、液態烴類和地層水中，絕大多數氣體以游離態和吸附態賦存在儲層中［8］。游離態氣體主要存在于微裂縫、無機質和有機質的孔隙中，吸附態氣體主要被基質顆粒和有機質孔隙表面所吸附。根據北美頁巖氣開發的實踐成果，吸附氣含量一般為20%～80%，游離氣的含量為25%～30%［9-10］。由于吸附氣的性質非常穩定，并且頁巖儲層的物性較差，導致了基質中的吸附氣只能以較為緩慢的速度進行解吸釋放。Петросян 等研究發現，在一個大氣壓的壓差條件下，吸附在煤巖表面的氣體需要700 個月才能夠完全解吸［11］。由于具有特殊的賦存形式和復雜的滲流機理，頁巖氣藏的開采通常需要輔以相應的增產措施，通過增加氣體的解吸及滲流速率來提高產量。

目前，頁巖氣開采過程中使用較為廣泛、技術較為成熟的增產措施為水力壓裂技術，該技術雖然增產效果顯著，但仍存在諸多問題。首先，我國的頁巖氣產區多在西南山地，水資源匱乏，使用水力壓裂技術不僅需要相當的水量，而且還有潛在的環境風險，如水質的污染、地質結構的破壞等。其次，絕大多數的頁巖氣產區為山地，不利于大型壓裂設備的布置和展開，進行大規模的壓裂作業不僅會延長施工周期，而且會增加開發成本。因此，有必要探究一種低環境風險、便于操作的頁巖氣增產技術。

超聲波是一種高頻率、高能量的機械波，超聲作用能夠產生機械振動效應、空化效應和熱效應，這三種效應均能作用于微觀分子，使之產生擴張、壓縮以及振動等變化，基于這一特點，美國和前蘇聯提出了超聲波油藏增產技術。超聲波增產技術是一種操作簡單、低成本、低風險且零污染的物理增采技術，經過近幾十年不斷發展，中國在該技術的研究上取得了重大進步［12］。超聲增產技術不僅可以應用于提高油藏采收率，也可以應用于天然氣開采領域。上世紀90 年代，鮮學福院士［13］提出了使用聲震法來提高煤層氣采收率的思想，隨后一些學者對超聲波煤層氣增產的原理和技術可行性做了深入研究。孫仁遠等［14］利用自行設計的實驗裝置，研究了不同氣體在超聲波處理下的解吸效果。研究表明，煤巖對不同氣體的吸附量從大到小依次為二氧化碳、甲烷、氮氣，使用超聲波處理后，氣體解吸速率提高了70%，解吸量增加了20%。孫等認為超聲波作用促進氣體解吸的機理一方面是由于超聲波的熱效應使系統升溫，加劇了氣體分子熱運動從而使分子動能增大，加速了氣體的脫附速率。另一方面是由于超聲波傳播過程中發生了透射和反射，對氣體分子產生斜向的剪切力，促進氣體脫附，孫等將此過程形象的稱為超聲的剝離作用。宋曉［15］通過實驗研究發現，超聲波作用下煤巖的氣體吸附特性能夠使用Langmuir 等溫吸附方程進行描述，并且方程中的參數與超聲波的聲強呈線性相關。通過在Langmuir 等溫吸附方程中引入聲強參數，建立了超聲波作用下的煤巖氣體吸附模型，但并未對模型的可靠性和適用性做進一步分析。易俊等［16］建立了超聲波作用下描述煤層氣在基質微孔隙中解吸-擴散的數學模型，并利用MATLAB 軟件進行了數值模擬。模擬計算結果表明，超聲波作用能夠提高系統溫度，增加游離氣體的百分數、降低吸附氣體的百分數。趙麗娟［17］進行了超聲波作用下的煤層氣吸附-解吸規律實驗，實驗結果表明隨著超聲功率的增加，煤巖的吸附能力降低，氣體解吸速率加快。此外，在實驗過程中還發現施加超聲作用后，水浴溫度明顯升高。

有關超聲波增產技術應用于頁巖氣開采的研究較少，現有可查文獻僅吳昌軍［18］就超聲波作用對頁巖氣滲透率的影響做了初步探究，但其作用效果和作用機理尚不明確，因此有必要針對性地開展進一步研究。本文通過開展超聲波巖樣滲透率實驗，研究了超聲波作用下頁巖氣滲流特性的變化規律。

1 實驗設計

1.1 實驗材料

本實驗所用的巖樣為四川威遠龍馬溪組的頁巖，樣品總體呈黑灰色（見表1）。

表1 實驗巖樣性質

1.2 實驗裝置

實驗裝置自行設計組裝而成，包括超聲波發生器、解吸及滲流裝置、圍壓加載系統、氣體供給系統和測試系統幾個部分，圖1 所示為實驗裝置的示意圖。

圖1 超聲波作用下氣體吸附-解吸、滲流實驗裝置示意圖

超聲波發生器頻率為24 kHz，功率有兩檔可調，分別為50 和110 W。氣體吸附解吸及滲流測試裝置是自行設計的一個壓力容器，圍壓可達20 MPa，氣體供給壓力可達10 MPa，可使用該裝置進行一定壓力下頁巖氣的吸附、解吸、滲流實驗。測試系統圍壓使用手動液壓泵進行加載，氣體壓力為高壓甲烷氣瓶通過調節減壓閥進行供給，測試系統包括測試吸附缸的自由空間、吸附、解吸測試以及滲流測試等。

1.3 實驗原理

氣體滲透率使用常規穩態法進行計算，即

式中：Q為氣體滲流流量，cm3／s；pa為大氣壓力，0.1 MPa；L為試件長度，cm；p1為進氣口端氣體壓力，MPa；p2為出氣口端氣體壓力，MPa；A為試件橫截面積，cm2；μ為氣體黏性系數，Pa·s。

1.4 實驗步驟

將待測巖樣用熱收縮套密封后，使用壓盤壓緊兩端，隨后裝入壓力容器中。安裝好后，施加一定圍壓。開啟真空泵脫氣1 h，關閉回氣閥，打開進氣閥，通入高壓甲烷氣體進行吸附。吸附1 h后，開啟回氣閥，使用排水法進行流量測量，待氣泡連續穩定排出后記錄排水體積和時間，每種條件下測量3 次取其平均值。當測量超聲波作用下氣體的滲流時，在無超聲波作用下的氣體流量穩定后，打開超聲波發生器，測量出超聲波作用下的排水體積和時間。本實驗分別測試了不同超聲波功率（0、50、110 W）、有效應力對滲透率的影響。

2 實驗結果與分析

2.1 滲透率與有效應力的關系

圖2 所示為WX-1、WX-2、WX-3 巖樣的滲透率隨有效應力的變化規律。由圖可見，在孔隙壓力一定的情況下，巖樣滲透率隨著有效應力（圍壓）的增大逐漸減小，呈“凹”型曲線。

圖2 巖樣滲透率隨有效應力的變化規律及其擬合曲線

實驗數據擬合結果表明，冪函數擬合曲線相關性較高，擬合關系式如表2 所示。

表2 巖樣滲透率和有效應力的擬合關系式

2.2 超聲波對巖樣滲透率的影響

實驗條件：軸向應力0 MPa，孔隙壓力2.0 和3.5 MPa，溫度20 ℃，超聲波頻率24 kHz，功率50 和110 W可調，圍壓是變化的，在有效應力相同的情況下測定超聲波作用下的滲透率。實驗測定了WX-1、WX-2和WX-3 巖樣在超聲波作用下的滲透率變化情況，如圖4～6 所示。

從圖4～6 可以看出，巖樣在超聲波作用后滲透率的變化趨勢基本一致。以WX-1 巖樣為例分析有效應力和超聲波功率對巖樣的滲透率的影響，可以看出滲透率隨著超聲功率的增加而增加，隨著有效應力的增加而減小。但是，超聲波作用后巖樣的滲透率仍然大于無超聲波作用下的巖樣滲透率，說明超聲波有助于巖樣滲透率的提高。超聲波作用下巖樣滲透率和有效應力的擬合曲線如圖7～9 所示。

圖4 不同功率超聲波作用下WX-1巖樣滲透率隨有效應力的變化規律

圖5 不同功率超聲波作用下WX-2巖樣滲透率隨有效應力的變化規律

圖6 不同功率超聲波作用下WX-3巖樣滲透率隨有效應力的變化規律

圖7 不同功率超聲波作用下WX-1巖樣滲透率與有效應力的擬合曲線

從圖7～9 可以看出，超聲波作用下巖樣滲透率和有效應力滿足冪函數關系，3 塊巖樣滲透率與有效應力的擬合公式和相關系數如表3 所示。對比分析表3中的擬合參數可以發現，在相同的有效應力條件下，超聲波作用下的擬合參數ks大于無超聲波作用下的擬合參數ks，且隨超聲波功率的增加，擬合參數ks的增加幅度變大。

圖8 不同功率超聲波作用下WX-2巖樣滲透率與有效應力的擬合曲線

圖9 不同功率超聲波作用下WX-3巖樣滲透率與有效應力的擬合曲線

表3 超聲波作用下巖樣滲透率和有效應力的擬合關系式

2.3 聲強與滲透率的關系

前文通過實驗分析了超聲波作用能夠提高巖樣滲透率，那么超聲波的聲強J與滲透率k之間是否存在一定的數量關系？為明確兩者之間的關系，將實驗結果中的聲強和滲透率、聲強和滲透率之比分別做出對應的曲線關系，如圖10、11 所示。

圖10 超氣波聲強與滲透率的關系

從圖10 可以看出，對WX-1 和WX-2 巖樣，滲透率隨著聲強的增加而增加；從圖11 可以看出，超聲波的聲強與巖樣滲透率比的擬合曲線呈線性關系，且相關性系數較高，因此可用下式描述聲強與滲透率的關系：

圖11 超氣波聲強與滲透率比的關系

式中：kJ為超聲波作用下巖樣滲透率，mD；k為無超聲波作用的巖樣滲透率，mD；J為聲強，W／cm2；β 為實驗系數。

基于公式k＝ksσ-Be可以得到滲透率與聲強、應力的關系式：

式中，ks、β、B為實驗系數。

3 結論

通過自行設計組裝的頁巖氣滲流裝置進行了超聲波作用下的頁巖氣滲流特性實驗，得出如下結論：

（1）實驗結果表明，超聲波作用下巖樣滲透率增大，并且其增加幅度與超聲波功率成正比；

（2）實驗數據擬合表明有效應力與滲透率呈冪函數關系k＝ksσ-Be，超聲作用下頁巖的滲透率和有效應力依舊滿足此函數，且隨超聲波功率的增加，擬合參數ks的增加幅度變大；

（3）實驗得到超聲波聲強與滲透率比呈線性關系：kJ／k＝1 ＋βJ，并且得到了應力場和聲場作用下的巖石滲透率的經驗公式：k（σ，J）＝ks（1 ＋βJ）σ-Be