基于壓力衰減法的頁巖氣體擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)

康毅力 賴哲涵 陳明君 侯騰飛 游利軍 白佳佳 余中慧

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) 2.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司

0 引言

我國頁巖氣資源量豐富，分布范圍廣[1-2]。與常規(guī)氣藏不同，頁巖中微納孔縫十分發(fā)育，孔縫結(jié)構(gòu)具有明顯的多尺度性，使得頁巖氣的產(chǎn)出屬于跨越多種尺度，歷經(jīng)多種傳質(zhì)的復(fù)雜過程[3-6]。當(dāng)?shù)貙訅毫Πl(fā)生變化，頁巖巖石組分、力學(xué)特征等對壓力變化響應(yīng)十分顯著[7-9]。應(yīng)力敏感性是制約頁巖氣長期高效開發(fā)的重要原因之一[10-13]，因此，明確因地層壓力降低而引發(fā)的氣體輸運(yùn)能力變化，對于準(zhǔn)確評價(jià)儲(chǔ)層滲流能力變化、制定合理的氣井生產(chǎn)制度和預(yù)測氣井產(chǎn)能都具有重要意義。

以往研究通常基于頁巖裂縫滲透率或孔隙度的變化來評價(jià)其應(yīng)力敏感性。張睿等[7,14]研究表明，頁巖普遍存在高于砂巖和碳酸鹽巖的強(qiáng)應(yīng)力敏感性，且不易恢復(fù)；Dong等[15]通過實(shí)驗(yàn)研究了致密砂巖和頁巖基于孔隙度、滲透率的應(yīng)力敏感性，認(rèn)為頁巖的滲透率應(yīng)力敏感性是砂巖的2～3倍；Cui等[16]基于壓力脈沖衰減法的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)頁巖孔隙度隨有效應(yīng)力的增大呈線性減小，滲透率隨有效應(yīng)力增大滿足乘冪式遞減；Kassis等[17]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明頁巖應(yīng)力敏感性受有效應(yīng)力加載方式、裂縫特征和支撐材料等多種因素的共同影響。

在頁巖氣藏開發(fā)中后期，當(dāng)?shù)貙訅毫抵良淄榕R界解吸壓力以下時(shí)，隨有效應(yīng)力增大，頁巖基塊微納孔縫中的吸附氣將成為水力裂縫網(wǎng)絡(luò)的主要供給氣源[18-19]，因此，頁巖基塊應(yīng)力敏感性制約著氣井長期高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。在頁巖基塊應(yīng)力敏感性研究方面，張睿等[20]根據(jù)高壓壓汞測試結(jié)果表明，孔隙半徑在10～50 nm范圍內(nèi)分布頻率較高的頁巖基塊具有更強(qiáng)的應(yīng)力敏感性；Wang等[21]指出頁巖中有機(jī)質(zhì)的存在會(huì)導(dǎo)致基質(zhì)孔隙變形顯著，Chen等[22]指出有效應(yīng)力增加將壓縮基質(zhì)孔隙空間從而降低體相和吸附相氣體輸運(yùn)能力。

綜上所述，國內(nèi)外針對頁巖應(yīng)力敏感性的研究主要集中在微米/毫米級天然裂縫以及水力壓裂后形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)，主要服務(wù)于頁巖氣井產(chǎn)能評價(jià)，頁巖基塊應(yīng)力敏感性研究相對較少，并且缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法和評價(jià)指標(biāo)。頁巖氣產(chǎn)出是跨越多種尺度的復(fù)雜過程，在氣井開發(fā)中后期，基質(zhì)中的吸附氣將成為主要供給氣源，微納孔縫隨有效應(yīng)力增大而產(chǎn)生的變形將對氣體高效產(chǎn)出造成巨大影響，然而，目前鮮有文獻(xiàn)資料定量評價(jià)有效應(yīng)力增大過程中頁巖基塊微納孔縫輸運(yùn)能力的變化。由于頁巖微納孔縫中的氣體傳輸能力通常由擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行評價(jià)[23-25]，筆者通過頁巖基塊擴(kuò)散系數(shù)隨有效應(yīng)力變化來定量評價(jià)其應(yīng)力敏感性，揭示頁巖基塊微納孔縫應(yīng)力敏感機(jī)理，可為制定合理的氣井生產(chǎn)壓差提供實(shí)驗(yàn)及理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品（圖1）取自川南龍馬溪組威榮區(qū)塊頁巖氣井，埋深超過3 000 m，地層壓力系數(shù)為1.90，孔隙度介于3.5%～6.6%，含氣量介于2.56～4.88 m3/t，TOC介于2.25%～4.00%。X射線衍射分析表明，研究區(qū)頁巖礦物以石英和黏土礦物為主，含有少量的長石、方解石和黃鐵礦。通過掃描電鏡觀測表明，研究區(qū)頁巖微納孔縫發(fā)育，部分有機(jī)孔隙孔徑可達(dá)1 μm以上。為對比有效應(yīng)力變化對不同孔縫發(fā)育程度頁巖的影響，分別選取了兩塊滲透率差異較大的頁巖巖心（表1），其中LMX-1頁理、天然微裂縫較為發(fā)育（圖1-a），LMX-2相對致密（圖1-b）。通過開展氮?dú)馕健⒑舜殴舱瘛⒏邏簤汗瘻y試了實(shí)驗(yàn)樣品的孔徑分布，測試結(jié)果表明頁巖基塊具有明顯的多尺度微納級別孔縫分布特征（圖2）。

圖1 實(shí)驗(yàn)樣品圖

圖2 頁巖樣品多尺度孔徑分布圖

表1 頁巖樣品基本參數(shù)表

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

隨著頁巖氣開采過程所伴隨的地層壓力衰竭，當(dāng)?shù)貙訅毫ο陆抵良淄榕R界解吸壓力后，頁巖基質(zhì)中即會(huì)發(fā)生吸附氣大量解吸，并在微納孔縫中以擴(kuò)散的形式進(jìn)行傳輸，使得基塊中的吸附氣逐漸成為水力裂縫的主要供給氣源。由于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)難以完全還原并監(jiān)測上述過程，且與頁巖氣產(chǎn)出的逆過程具有相同的擴(kuò)散機(jī)理，本文綜合考慮頁巖應(yīng)力敏感主控因素的影響[26-28]，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M頁巖基塊氣體產(chǎn)出的逆過程，即在恒定儲(chǔ)層溫度和原地有效應(yīng)力條件下，向抽真空后的巖心兩端同時(shí)通入一定量的氮?dú)猓ㄏ啾绕渌橘|(zhì)，氮?dú)獾奈叫阅茌^弱，能有效降低氣體吸附對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，進(jìn)而保證有效應(yīng)力為氣體擴(kuò)散能力變化的唯一變量），監(jiān)測上述實(shí)驗(yàn)過程中的氣體壓力衰減。最后基于不同有效應(yīng)力下的氣體壓力衰減特征，計(jì)算氣體擴(kuò)散量、擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)，從而明確有效應(yīng)力變化對氣體擴(kuò)散能力的影響。

本文使用油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的巖心壓力衰減測試裝置（圖3）開展實(shí)驗(yàn)。

圖3 巖心壓力衰減測試裝置示意圖

具體實(shí)驗(yàn)操作步驟為：①將巖心在60 ℃下烘干24 h；②將巖心放入巖心夾持器中，預(yù)加熱至儲(chǔ)層溫度（100 ℃），對巖心施加6 MPa圍壓（保證后續(xù)壓力衰減測試過程中的巖心有效應(yīng)力為5 MPa）；③對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)抽真空24 h，隨后將一定量的氮?dú)庾⑷霂r心夾持器兩段，關(guān)閉進(jìn)氣閥和氣源；④檢測氣體壓力衰減過程，待測試壓力基本穩(wěn)定后，停止壓力數(shù)據(jù)采集；⑤打開放空閥，將多余氮?dú)馀懦觯淖儙r心圍壓，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。上述實(shí)驗(yàn)圍壓（對應(yīng)不同有效應(yīng)力）依據(jù)氣井實(shí)際生產(chǎn)資料設(shè)置，有效應(yīng)力分別設(shè)置為 5 MPa、10 MPa、17 MPa（原地有效應(yīng)力）、25 MPa、30 MPa、35 MPa（氣井廢棄壓力對應(yīng)的儲(chǔ)層有效應(yīng)力）；⑥待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，打開放空閥，關(guān)閉加熱裝置，卸載圍壓，取出巖心，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同有效應(yīng)力下的頁巖基塊壓力衰減曲線

通過開展壓力衰減實(shí)驗(yàn)，獲取了不同有效應(yīng)力下的氣體壓力衰減曲線（圖4）。為對比曲線變化特征，對曲線做歸一化處理（圖5），pt/pmax均隨有效應(yīng)力增加而逐漸降低（pt為t時(shí)刻下的氣體壓力，pmax為氣體最大壓力）。

圖4 不同有效應(yīng)力下的氣體壓力衰減曲線圖

圖5 不同有效應(yīng)力下的氣體壓力衰減歸一化處理曲線圖

2.2 不同有效應(yīng)力下的氣體擴(kuò)散量

在壓力衰減實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)物質(zhì)平衡和氣體狀態(tài)方程，可將實(shí)驗(yàn)測得的氣體壓力隨時(shí)間變化關(guān)系轉(zhuǎn)化為氣體進(jìn)入巖心且在巖心中擴(kuò)散的質(zhì)量隨時(shí)間變化關(guān)系[22]：

式中t表示時(shí)間，s；mst表示t時(shí)刻通過擴(kuò)散方式進(jìn)入巖心的氣體質(zhì)量，g；vgc表示氣體腔室體積，cm3；vp表示巖心孔隙體積，cm3；R表示氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；M表示氣體摩爾質(zhì)量，g/mol；pini、p(t)分別表示初始狀態(tài)及t時(shí)刻下的氣體壓力，MPa；Tini、T(t)分別表示初始狀態(tài)及t時(shí)刻下的溫度，K；Zini、Z(t)分別表示初始狀態(tài)下、t時(shí)刻的壓縮系數(shù)，無量綱。

由兩塊巖心在不同有效應(yīng)力下的氣體壓力衰減實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對應(yīng)的氣體擴(kuò)散量與時(shí)間關(guān)系曲線可知（圖6），巖心在其他有效應(yīng)力條件下的壓力衰減趨勢是一致的。

隨有效應(yīng)力增加，LMX-1、LMX-2巖心的氮?dú)鈹U(kuò)散總量均逐漸降低（圖 6）。在 5 MPa、10 MPa、17 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa 有效應(yīng)力作用下，LMX-1樣品的氣體總擴(kuò)散量分別為0.014 3 g、0.009 4 g、0.005 8 g、0.004 5 g、0.004 4 g、0.004 3 g；LMX-2樣品的氣體總擴(kuò)散量分別為0.018 0 g、0.017 0 g、0.016 9 g、0.005 7 g、0.003 6 g、0.003 4 g。

圖6 不同有效應(yīng)力下氮?dú)鈹U(kuò)散量與時(shí)間關(guān)系圖

2.3 不同有效應(yīng)力下氣體第一階段擴(kuò)散時(shí)間

為更加準(zhǔn)確描述不同尺度孔縫隨有效應(yīng)力的變化特征，基于IUPAC孔徑分類方法[27]，將頁巖納米級孔隙劃分為微孔（D＜2 nm）、介孔（D介于2～50 nm）、宏孔（D＞50 nm）。同時(shí)，根據(jù)努森數(shù)（Kn）對實(shí)驗(yàn)條件下氣體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行劃分（表2），Kn定義為氣體分子平均自由程與氣體流動(dòng)通道平均水力學(xué)半徑之比，即

表2 氣體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)狀態(tài)分類表

式中λ表示氣體分子平均自由程，m；rH表示多孔介質(zhì)平均水力學(xué)半徑，m。

氣體分子平均自由程λ的理論計(jì)算公式可表示為

式中kB表示玻爾茲曼常數(shù)，1.380 5×10－23J/K；T表示絕對溫度，K；p表示氣體壓力，Pa；δ表示氣體分子的碰撞直徑，m。

綜合式（2）、（3）可得努森數(shù)與孔隙尺寸間的關(guān)系：

根據(jù)式（4）可以得到在實(shí)驗(yàn)條件下，孔隙尺寸與Kn間的關(guān)系（圖7）。

圖7 恒定孔壓和溫度條件下孔隙尺寸與Kn間的關(guān)系圖

結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)多孔介質(zhì)氣體壓力衰減研究的大致規(guī)律，根據(jù)本文開展的頁巖基塊氣體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)原理及壓力衰減曲線斜率變化特征，以及孔隙尺寸與Kn間的關(guān)系，以LMX-1巖樣為例，對不同有效應(yīng)力下的氣體壓力衰減曲線進(jìn)行階段劃分（圖8）。

圖8 LMX-1巖心氮?dú)鈮毫λp曲線階段劃分圖

第一階段中，壓力衰減曲線主要受D＞50 nm孔縫中氣體流動(dòng)的影響，在D＞50 nm的孔縫中，氣體主要以黏性流、滑脫流的方式流動(dòng)；第二階段中，壓力衰減曲線主要受D＜50 nm孔縫中氣體流動(dòng)的影響，在D＜50 nm的孔縫中，氣體主要以過渡流、自由分子擴(kuò)散的方式流動(dòng)。

按照上述劃分方法，LMX-1巖樣在不同有效應(yīng)力作用下，氮?dú)庠诘谝浑A段的擴(kuò)散時(shí)間分別為6.74 h、4.56 h、3.11 h、3.00 h、2.89 h、2.83 h。隨有效應(yīng)力的增加，第一階段的擴(kuò)散時(shí)間逐漸降低，呈現(xiàn)出前期降低快、后期降低慢、直至趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)。

2.4 不同有效應(yīng)力下的擴(kuò)散系數(shù)

頁巖中參與擴(kuò)散的孔隙主要分布于有機(jī)質(zhì)或有機(jī)質(zhì)黏土礦物復(fù)合體中。在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)氣體進(jìn)入頁巖巖心時(shí)，首先以滲流的方式快速占據(jù)較大尺寸的孔縫空間（天然裂縫、較大尺度的無機(jī)孔等），同時(shí)向基質(zhì)中尺寸較小且連通性較差的微納孔隙進(jìn)行擴(kuò)散。由于有機(jī)質(zhì)通常是以顆粒狀分散聚集的形式分布的，且氣體擴(kuò)散大多發(fā)生在有機(jī)質(zhì)或有機(jī)質(zhì)黏土礦物復(fù)合顆粒內(nèi)部，因此可將其簡化為球形顆粒。同時(shí)，由于頁巖在孔縫結(jié)構(gòu)上具有多尺度性，采用單孔模型計(jì)算頁巖孔縫的擴(kuò)散系數(shù)具有一定局限性，因此，筆者采用雙孔模型對擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行計(jì)算[28-29]。雙孔模型計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)的具體表達(dá)式為[30]：

式中Mt表示t時(shí)刻進(jìn)入巖心基質(zhì)的氮?dú)赓|(zhì)量，g；M∞表示總共進(jìn)入巖心基質(zhì)的氣體質(zhì)量，g；α、β表示無因次參數(shù)；Ra、Ri分別表示巖石中的大、小顆粒半徑，cm；Da、Di分別表示大孔、小孔有效擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s。

基于式（5）對LMX-2巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合（圖9）。

圖9 LMX-2巖心不同有效應(yīng)力下雙孔模型擬合結(jié)果圖

根據(jù)雙孔模型，分別計(jì)算了LMX-1，LMX-2巖心在不同有效應(yīng)力下（5 MPa、10 MPa、17 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa）的擴(kuò)散系數(shù)（表 3）。

表3 巖心在不同有效應(yīng)力下的大孔、小孔擴(kuò)散系數(shù)表

根據(jù)頁巖多尺度孔徑分布，結(jié)合頁巖微納孔隙常見分類標(biāo)準(zhǔn)[28]，以10 nm作為雙孔模型的大孔和小孔分界線，對頁巖樣品大孔、小孔數(shù)量占比進(jìn)行計(jì)算。其中，LMX-1巖心的大孔、小孔數(shù)量占比分別為52.02%、47.95%，LMX-2巖心的大孔、小孔數(shù)量占比分別為68.5%、31.5%。按照大小孔數(shù)量占比，可將大孔、小孔擴(kuò)散系數(shù)轉(zhuǎn)化為巖心總擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)而對不同有效應(yīng)力下的頁巖基塊氣體傳輸能力進(jìn)行綜合評價(jià)：

式中D表示樣品總擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；Pa、Pi分別表示大孔、小孔占比，無量綱。

隨有效應(yīng)力增加，LMX-1巖心的總擴(kuò)散系數(shù)先增大、后降低，LMX-2巖心的總擴(kuò)散系數(shù)逐漸降低（表4、圖10）。

圖10 巖心在不同有效應(yīng)力下的總擴(kuò)散系數(shù)圖

表4 巖心在不同有效應(yīng)力條件下的總擴(kuò)散系數(shù)表

2.5 頁巖基塊孔喉的應(yīng)力敏感指數(shù)（ISSGD）

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，參考以往應(yīng)力敏感性評價(jià)方法，并考慮各評價(jià)指標(biāo)對應(yīng)權(quán)重[31-34]，設(shè)定了頁巖基塊應(yīng)力敏感程度評價(jià)指標(biāo)劃分界限（表5），基于氣體擴(kuò)散系數(shù)的頁巖應(yīng)力敏感指數(shù)（ISSGD）如式（7）所示。該方法主要用于表征滲透率小于0.010 mD的頁巖基塊應(yīng)力敏感性。

表5 基于氣體擴(kuò)散系數(shù)的頁巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感指數(shù)評價(jià)指標(biāo)表

式中DPe、Dap分別表示原始地層壓力、廢棄壓力下的基塊擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s。

為對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別計(jì)算了LMX-1、LMX-2巖心的應(yīng)力敏感指數(shù)（ISSGD）。頁理、天然微裂縫較發(fā)育的LMX-1巖心（滲透率為0.150 mD）在應(yīng)力加載過程中，較大孔縫逐漸被壓縮，為氣體擴(kuò)散提供了更多的通道，但巖心整體上應(yīng)力敏感顯著。滲透率較大的頁巖基塊并不適用于該評價(jià)方法。相對致密的LMX-2巖心（滲透率為0.004 mD）應(yīng)力敏感指數(shù)為25.68%，應(yīng)力敏感程度為中等偏弱。

3 討論與分析

頁巖儲(chǔ)層在孔隙結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出更為明顯的多尺度性，使得氣體產(chǎn)出屬于跨越多種尺度、歷經(jīng)多種傳質(zhì)的復(fù)雜過程。在氣井生產(chǎn)中后期，頁巖基塊微納孔縫中的氣體通過擴(kuò)散的方式進(jìn)入水力裂縫網(wǎng)絡(luò)變得愈發(fā)重要。通過測量氣體擴(kuò)散量、擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)隨有效應(yīng)力增大而發(fā)生的變化，對于明確頁巖基塊應(yīng)力敏感機(jī)理，制定合理的氣井生產(chǎn)制度，都具有十分重要的意義。

3.1 有效應(yīng)力對壓力衰減曲線和氣體擴(kuò)散量的影響

隨有效應(yīng)力增大，壓力衰減曲線的終止壓力與初始壓力的比值逐漸升高，壓力衰減后期曲線越趨于平緩，且不同有效應(yīng)力間的壓力衰減曲線變化程度也逐漸減弱。當(dāng)氣體擴(kuò)散量隨有效應(yīng)力增加而開始發(fā)生明顯變化時(shí)，氣體在巖樣內(nèi)部的擴(kuò)散量隨有效應(yīng)力增大而逐漸減少，且在前期變化快，后期變化慢。產(chǎn)生上述變化特征的原因主要是有效應(yīng)力增大導(dǎo)致頁巖孔縫壓縮變形，巖樣孔隙度、滲透率逐漸降低。基于樣品多尺度孔徑分布測試結(jié)果（圖2）可知，LMX-1巖心的微米級裂縫和孔隙占比較大，這些尺寸較大孔縫的形態(tài)對較小有效應(yīng)力依然響應(yīng)顯著，而LMX-2巖心相對致密，納米級孔縫占比高，微米級孔縫發(fā)育較少，樣品的平均孔徑相對較小，孔隙發(fā)生明顯變形則需要更大的有效應(yīng)力。當(dāng)巖樣中的孔縫被壓縮至一定程度時(shí)，孔縫形態(tài)對有效應(yīng)力的響應(yīng)將不再顯著。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，LMX-1巖心在不同有效應(yīng)力下的總擴(kuò)散量均小于LMX-2巖心。這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)初期向巖心兩端充氣過程中，大量氣體通過裂縫快速進(jìn)入到LMX-1巖心內(nèi)部，而實(shí)際參與到壓力衰減過程中的孔縫較少，總擴(kuò)散量相對較低。而LMX-2巖心相對致密，氣體進(jìn)入到巖心內(nèi)部的通道較少，難以在充氣過程中快速進(jìn)入到巖心內(nèi)部，總體上有更多的孔縫參與到了壓力衰減過程中。

3.2 有效應(yīng)力對第一階段擴(kuò)散時(shí)間的影響

隨有效應(yīng)力的增大，氣體在第一階段擴(kuò)散時(shí)間逐漸減少，且在前期減少明顯，后期基本保持不變。這主要是因?yàn)閹r心中D＞50 nm相比于D＜50 nm的孔隙結(jié)構(gòu)對有效應(yīng)力的響應(yīng)更加顯著。隨有效應(yīng)力的增加，D＞50 nm的孔縫中力學(xué)強(qiáng)度較弱的那部分優(yōu)先被壓縮，導(dǎo)致參與第一階段氣體擴(kuò)散的總孔縫數(shù)量和體積減少，第一階段擴(kuò)散時(shí)間也相應(yīng)降低。當(dāng)有效應(yīng)力增大至一定程度時(shí)，孔縫形態(tài)趨于穩(wěn)定，有效應(yīng)力對孔縫形態(tài)的影響不再顯著。而在第二階段擴(kuò)散過程中，實(shí)驗(yàn)時(shí)間越長，壓力衰減曲線越趨于平穩(wěn)，因此，不考慮有效應(yīng)力對第二階段擴(kuò)散時(shí)間的影響。

3.3 有效應(yīng)力對擴(kuò)散系數(shù)和ISSGD影響

LMX-1巖心在不同有效應(yīng)力下的擴(kuò)散系數(shù)均大于LMX-2巖心。LMX-1巖心擴(kuò)散系數(shù)隨有效應(yīng)力的增加先增大，后減小，最后趨于穩(wěn)定，而LMX-2巖心擴(kuò)散系數(shù)則隨有效應(yīng)力的增加而持續(xù)降低。按照階段劃分方法，LMX-1巖樣在第一階段擴(kuò)散系數(shù)隨有效應(yīng)力的增加而逐漸降低，第二階段擴(kuò)散系數(shù)先增大，后減小。LMX-2巖樣在第一、第二階段擴(kuò)散系數(shù)均隨有效應(yīng)力的增加而持續(xù)降低。這是因?yàn)長MX-1巖樣中，D＞50 nm孔縫占比大、數(shù)量多，基塊內(nèi)存在大量微米級孔縫，氣體在這部分孔縫中主要以滑脫流、過渡流的方式流動(dòng)，隨有效應(yīng)力增大，孔縫逐漸被壓縮，氣體在這部分孔縫中的流動(dòng)方式逐漸轉(zhuǎn)化為以擴(kuò)散為主，這一部分孔縫為擴(kuò)散系數(shù)增大做出了貢獻(xiàn)，使得更多孔縫參與到第二階段的擴(kuò)散中。但氣體產(chǎn)出的主要滲流通道在這一過程中被進(jìn)一步壓縮甚至關(guān)閉，頁巖基塊整體上表現(xiàn)出更強(qiáng)的應(yīng)力敏感性。隨著有效應(yīng)力的繼續(xù)增大，各尺度下的孔縫均被壓縮，巖樣擴(kuò)散系數(shù)逐漸降低。而在LMX-2巖心中，D＞50 nm孔縫占比小、數(shù)量少，平均孔徑小，這部分孔縫對擴(kuò)散系數(shù)的影響并不明顯，隨有效應(yīng)力的增加，巖樣中的孔縫逐漸被壓實(shí)，擴(kuò)散系數(shù)逐漸降低。通過實(shí)驗(yàn)樣品的掃描電鏡圖片（圖11）可觀測到樣品內(nèi)微納孔隙形態(tài)以圓孔狀為主，同時(shí)發(fā)育著狹長的天然裂縫。

圖11 LMX-1巖心掃描電鏡觀測圖

在不考慮孔縫形態(tài)的復(fù)雜性和孔縫周圍巖石強(qiáng)度等因素影響下，為了形象說明有效應(yīng)力增大條件下不同微裂縫發(fā)育程度的頁巖基塊應(yīng)力敏感性，分別對LMX-1、LMX-2巖心隨有效應(yīng)力增大的孔縫變化機(jī)理進(jìn)行了表征（圖12、13）。

圖12 LMX-1巖心隨有效應(yīng)力增大的孔縫變化機(jī)理圖

圖13 LMX-2巖心隨有效應(yīng)力增大的孔縫變化機(jī)理圖

3.4 礦場啟示

以往研究表明，通過控制頁巖氣井生產(chǎn)速率，可在一定程度上提高累計(jì)產(chǎn)量，且在較高地層壓力條件下，壓力降低將導(dǎo)致基質(zhì)納米孔隙發(fā)生不可逆變形，使得大量氣體滯留在納米孔隙中難以產(chǎn)出[35]。氣井生產(chǎn)快慢控制著地層壓力下降速率，而地層壓力的變化將直接導(dǎo)致頁巖基塊孔縫變形。

馬塞勒斯頁巖的高壓小角度中子散射結(jié)果表明，當(dāng)產(chǎn)出的氣體主要來自于頁巖基質(zhì)，且有效應(yīng)力控制在20～40 MPa時(shí)，將最大程度提高氣藏EUR（估計(jì)最高可采量）[36]。以本文選用的川南某區(qū)塊龍馬溪組頁巖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例，結(jié)合頁巖氣實(shí)際生產(chǎn)過程，在氣井開發(fā)中后期，通過控制氣井生產(chǎn)速率，將有效應(yīng)力維持在17～30 MPa，可有助于頁巖氣高效開采。隨著頁巖氣不斷采出，雖然頁巖基塊孔縫整體上受到不可逆壓縮，但在該有效應(yīng)力范圍內(nèi)，滲透性相對較高的實(shí)驗(yàn)樣品（LMX-1）的氣體擴(kuò)散系數(shù)增大明顯，被壓縮的裂縫將為氣體擴(kuò)散提供更多的通道，這也表明在頁巖氣開發(fā)中后期，基塊中的氣體通過擴(kuò)散的方式流入水力裂縫將變得尤為重要；而相對較為致密的實(shí)驗(yàn)樣品（LMX-2）在該有效應(yīng)力范圍內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)變化不明顯，其納米孔隙變化較小，能有效保持頁巖基塊內(nèi)部氣體擴(kuò)散通道，保障氣體擴(kuò)散能力不發(fā)生顯著下降。

4 結(jié)論

1）隨有效應(yīng)力增大，微裂縫發(fā)育和欠發(fā)育頁巖基塊相較于初始有效應(yīng)力條件下的氣體擴(kuò)散量分別下降了69.93%、81.11%，且對應(yīng)不同孔縫發(fā)育程度的巖樣，其擴(kuò)散量發(fā)生明顯變化所需的有效應(yīng)力也不同，通常來講，基塊越致密，擴(kuò)散量發(fā)生明顯變化所需有效應(yīng)力越大。

2）隨有效應(yīng)力增加，氣體在微裂縫發(fā)育頁巖基塊D＞50 nm的孔縫中的擴(kuò)散時(shí)間由6.74 h縮短至2.83 h，反映出D＞50 nm孔縫相比與D＜50 nm孔縫對有效應(yīng)力變化響應(yīng)更加顯著，相同有效應(yīng)力下，孔縫變化更加明顯。

3）隨有效應(yīng)力增加，微裂縫欠發(fā)育頁巖基塊 的 氣 體 擴(kuò) 散 系 數(shù) 從 8.80×10－6cm2/s下 降 至6.54×10－6cm2/s，而在滲透率較大、發(fā)育有肉眼可見微裂縫的基塊巖樣中，隨著有效應(yīng)力的增加，擴(kuò)散系數(shù)從 1.78×10－5cm2/s逐漸增大至 7.84×10－5cm2/s后逐漸降低至3.76×10－5cm2/s。這是因?yàn)樵?jīng)為氣體以黏性流、滑脫流通過的那部分通道逐漸被壓縮，氣體在這部分流動(dòng)通道內(nèi)的輸運(yùn)逐漸變?yōu)橐詳U(kuò)散為主。

4）在頁巖氣開發(fā)過程中，通過控制生產(chǎn)制度，將儲(chǔ)層有效應(yīng)力維持在17～30 MPa范圍內(nèi)，有助于保持微納孔縫形態(tài)、維持氣體輸運(yùn)通道、保障氣體持續(xù)產(chǎn)出。