頁巖氣儲層特征及滲流機理研究進展

柳文欣，路盼盼

（西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065）

目前從全球能源發展前景來看，頁巖氣開發潛力巨大，但頁巖儲層與常規儲層有很大的不同，頁巖儲層較為致密且具有十分復雜的孔隙結構特征，其中大多數孔隙是納米孔隙，賦存的頁巖氣則主要以游離態和吸附態的形式存在，具有低孔、低滲的特點。同時，儲層中頁巖氣的流動不同于常規氣體的流動，氣體在頁巖中的流動具有多重運移機制，頁巖孔滲空間的復雜性以及多重運移性加大了頁巖氣開發難度。

近幾年，眾多國內外學者在頁巖氣成藏機理、資源潛力等方面上的研究成果顯著，但在滲流規律方面的研究較少[1]。但是頁巖氣開發，滲流規律是基礎，研究滲流機理對于提高頁巖氣的采收率有著至關重要的作用。因此，本文將通過研究頁巖氣的儲層特征和賦存機理，深入研究頁巖氣滲流機理，為頁巖氣開采提供一定的理論指導。

1 頁巖氣儲層特征

1.1 頁巖孔隙結構特征

頁巖孔隙遠小于其他類型的儲層孔隙，其孔徑尺度多為納米量級。這種特殊的納米孔隙與頁巖儲層中交錯相連的微裂縫共同構成了氣體賦存和滲流的空間。頁巖儲層的儲滲空間是由裂縫系統和基質系統兩部分組成，其中基質孔隙包括微裂縫、有機質孔、粒間孔和溶蝕孔等，裂縫系統中有通過多種地質作用形成的天然裂縫和利用水力壓裂形成的人工裂縫。這種多尺度孔隙結構不僅影響儲層中頁巖氣含量，還對研究氣體在裂縫和基質中的滲流機理起著至關重要的作用。因此，對頁巖孔隙結構特征展開研究，分析頁巖儲層微觀孔隙結構對流體滲流的影響，從而為進行儲層特征精準刻畫以及多重介質滲流模型建立等提供重要依據（見圖1、表1）。

結合圖1、表1 可以看出頁巖儲層孔隙類型多樣、形態各異，進一步說明微觀孔隙分布的非均質性，孔隙結構的不均一性。這種多尺度孔隙結構的存在一方面有效提高頁巖儲層孔隙度，增大流體賦存空間。同時，另一方面有利于形成裂縫孔隙網格繼而為氣體運移提供滲流通道，進一步提高儲層滲透率。

圖1 頁巖儲層孔隙結構圖

表1 頁巖主要孔隙結構特征[2]

1.2 頁巖儲層物性特征

儲層物性特征決定儲層內部頁巖氣賦存和運移機理，孔隙度和滲透率則是進行儲層物性評價的重要參數，研究表明頁巖儲層具有低孔、特低滲致密的物性特征[3]。實驗通過對YXZ01 井樂平組老山段頁巖進行巖心取樣，根據取心資料對樣品孔隙度和滲透率進行物性分析，得出實驗數據（見表2）。

表2 巖心取樣實驗數據[4]

由表2 所得實驗數據可以看出，樂平組老山段頁巖孔隙度分布較為平均，有效孔隙度在2.70%～5.09%，孔隙度平均值為3.75%。而該實驗井段樣品滲透率在0.000 31～0.005 76 mD，平均滲透率為0.002 mD，滲透率差異較大且數值普遍偏低。

雖然頁巖儲層孔隙度和滲透率值較低，但在一定研究范圍內孔隙度和滲透率具有正相關關系（見圖2），說明實驗井段頁巖儲層物性特征良好，孔隙之間具有較好的連通性，為頁巖氣賦存和滲流提供一定的物性基礎。同時，根據大量研究數據表明，頁巖儲層總孔隙度分布在2%～14%，基質滲透率一般小于0.01 mD，四川盆地頁巖儲層的孔隙度和滲透率則更低[5]。盡管如此，頁巖儲層仍然具備頁巖氣的賦存條件，并且可以通過儲層改造等生產措施實現頁巖氣的增產穩產。

圖2 樂平組老山段頁巖孔隙度與滲透率對應關系圖

綜上，根據頁巖儲層孔隙結構特征和物性特征的相關研究，儲層特征決定頁巖氣儲集空間，并深入影響頁巖氣成藏過程。因此，通過對頁巖氣儲層特征的了解，有助于進一步研究頁巖氣形成機理并分析影響氣體儲集與運移的因素，從而尋找有利于氣體生成和富集的頁巖儲層。

2 頁巖氣形成機理

頁巖氣是存在于多種類型頁巖中且以自生自儲為成藏特征的天然氣聚集。頁巖氣成因復雜多樣，目前就有機成因來說，頁巖氣形成機理主要包括三種：熱成因、生物成因和生物與熱成因的混合成因[6]（見表3）。

由表3 可知，頁巖氣是生物成因和熱成因共同作用而形成的，而頁巖氣的形成條件則與頁巖氣賦存方式有著密切的聯系。因此，通過對頁巖氣形成機理的相關了解，有助于進一步研究頁巖氣賦存機理，促進掌握不同賦存形態頁巖氣在儲層中的流動特征，并對后續頁巖氣勘探開發具有指導意義。

表3 頁巖氣形成機理

3 頁巖氣賦存機理

在頁巖氣藏中，氣體賦存機理是影響頁巖氣滲流的主要核心，氣體通常以三種形式賦存于孔隙中：以吸附態形式吸附在固體顆粒表面和有機質中，以游離態形式存在于頁巖納米孔隙和裂縫之中，以溶解態形式溶解在液態烴、有機質中[7]。研究發現，頁巖氣主要以吸附態和游離態形式存在于頁巖儲層中并且吸附氣占主導地位，而處于溶解態的氣體則極少。與此同時，在不同儲層中，通過改變地質條件中的溫度和壓力，可實現不同賦存形態氣體之間的相互轉化，以此來達到頁巖儲層中氣體儲集的動態平衡狀態。

3.1 吸附態

吸附氣主要是通過物理作用和化學作用吸附在黏土礦物顆粒表面和有機質中。研究發現，吸附氣含量占總氣量的20%～85%，含氣量主要受頁巖氣吸附能力的影響[8]。

目前，主要表征氣體吸附的模型有Langmuir 模型，BET 模型和DA 模型等。其中，使用最廣泛的模型是Langmuir 吸附模型。該模型基于分子動力學理論，假設固體表面均勻且氣體吸附是單分子層的吸附，被吸附的分子層之間不存在相互作用，并能在一定條件下，實現吸附和解吸的動態平衡變化[9]。模型所對應的Langmuir 等溫吸附曲線（見圖3）。

圖3 Langmuir 等溫吸附曲線圖

頁巖基質中的吸附氣量用Langmuir 等溫吸附方程可以表示為：

式中：Q-頁巖氣吸附量，m3/t；VL-Langmuir 體積，m3/t；PL-Langmuir 壓力，是頁巖氣吸附量達到極限吸附量的50%時的儲層壓力，MPa；P-動態平衡時的儲層壓力，MPa。

根據相應曲線圖及公式可知，隨著儲層壓力發生變化，吸附氣量也在不斷變化。研究發現，在中低壓力情況下，頁巖氣藏壓力P 越大，吸附氣含氣量Q 越大，進一步影響頁巖儲層的儲量。

但該模型難以較好地體現頁巖儲層中黏土礦物吸附能力的差異以及孔隙結構的非均質性等，利用Langmuir 等溫吸附方程也不能對吸附實驗結果進行合理解釋。因此，學者們對超臨界狀態下的吸附方程進行修改，如張躍磊等[10]從修正系統壓力的角度出發，提出了新的P-Langmuir 等溫吸附方程，從而更好的符合實際結果，完善氣體吸附機理。

3.2 游離態

以游離態形式存在于孔隙和微裂縫中的頁巖氣，可以自由進行氣體運移和滲流，但由于儲集空間的局限性，氣體分子流動也會受到相應限制。游離氣含量主要受頁巖有效孔隙度和含氣飽和度等地質構造保存條件的影響。

目前，主要通過巖心實驗來確定含油氣飽和度，進而確定游離氣含氣飽和度，然后通過飽和度測井方法確定游離氣含量。此外，也有學者利用油氣系統數值模擬軟件Trinity3D 實現了頁巖氣OGIP 空間分布計算并進一步提出了頁巖儲層中游離氣含量的計算方法等[11]。研究顯示，游離氣含量隨著頁巖有效孔隙度的增加而升高，表明大孔隙和微裂縫越多，越有利于游離氣的賦存。而含氣飽和度也與游離氣含量具有一定的正相關關系。

同時，以游離態和吸附態兩種形式賦存的頁巖氣可在儲層中不同的埋深條件下相互轉換，但埋深差異對兩者相態轉換影響很大。在正常儲層壓力狀態下，埋深較淺時（1 150 m 以上），隨著深度增加，吸附氣含量明顯增大，但在1 150 m 以下深度，吸附氣含量逐漸平穩，而游離氣含量則在不斷增加，可見吸附態和游離態頁巖氣可在不同埋深條件下進行相互轉換以達到氣體穩定狀態[12]。

3.3 溶解態

少部分頁巖氣可以溶解在油和水中，進而形成溶解態頁巖氣賦存于儲層中。頁巖氣溶解方程可以通過亨利定律表示：

式中：Pb-溶解態頁巖氣的平衡分壓，Pa；Kc-亨利平衡常數；Cb-頁巖氣在液態物質中的溶解度，mol/m3。

根據定律可以看出，在給定溫度條件下，頁巖氣溶解度與平衡分壓成正比。研究發現，頁巖溶解氣量主要受壓力、溫度、礦化度和頁巖中殘留油數量等因素的影響。但由于溶解態頁巖氣含量極少，故在數值模擬研究過程中可以忽略此種賦存形態頁巖氣對流體滲流的影響。

4 頁巖氣滲流機理

頁巖氣在儲層中的流動主要經歷三個過程：吸附在基質表面的氣體解吸附形成自由氣的過程，孔隙中的自由氣體向低壓區（裂縫系統）擴散的過程，以及裂縫網格和孔隙中的頁巖氣以滲流形式運移的過程[13]。因此主要研究在微觀和宏觀的多尺度流動條件下，氣體從孔隙裂縫系統流向井筒的運移過程。

4.1 達西滲流

一般情況下，頁巖氣在儲層天然裂縫中的流動遵循廣義達西定律，因此可以建立基于達西定律的滲流模型來模擬天然裂縫中頁巖氣的滲流過程。達西定律如下：

式中：K-為滲透率，主要與孔隙結構有關，而與流體性質無關。

實驗發現，達西流僅適用于層流狀態，當儲層孔隙尺寸發生變化時流動形式也會發生相應變化。

4.2 滑脫效應

氣體在頁巖孔隙介質中的滲流特性較為特殊，孔道中心與孔道壁處的氣體流速差別很小，同時在頁巖孔道壁上不會產生吸附薄層。在一定壓力條件下，頁巖氣擴散可以不受限制，進而導致氣體滲透率增加。

頁巖儲層由于其特殊的物性特征且產能較小，使得在研究氣體滲流過程中不得不考慮滑脫效應的影響。滲流實驗發現，孔隙壓力越低、地層越淺，滑脫效應對氣體滲流的影響越明顯。同時，在頁巖滲透率較低的情況下，滑脫效應的影響也會增大[14]。

4.3 克努森流動

頁巖氣體滲流機理復雜多樣，利用常規方法并不能準確完整的描述滲流過程。同時考慮到不同孔隙尺度，氣體流動形式也有所不同。目前，主要利用Knudsen數來對流體流動機制進行劃分，Knudsen 數的表達式如下：

式中：Kn-Knudsen 數，無量綱；λ-氣體分子自由程，m；d-孔隙大小，m；Kb-玻爾茲曼常數；T-環境溫度，K；δ-氣體分子碰撞直徑，m；P-氣體壓力，Pa。

隨著孔隙尺度的變化，頁巖氣流動形式也會發生相應變化（見表4）。

表4 流體流動機制分類

當Kn小于0.01 時，一般可以認為氣體是連續介質，主要以黏性流動為主，因此Darcy 定律仍然適用于描述基質孔隙中的氣體流動；

當Kn在0.01～0.1 時，流體流動滿足滑移流，同時存在Fick 擴散現象；

當Kn在0.1～10 時，流體的流動稱為過渡流，并同時存在滑移流和Knudsen 擴散現象；

當Kn大于10 時，流體滿足自由分子流條件，且存在Knudsen 分子擴散，頁巖氣可以在基質孔隙中自由流動。

綜上，由于頁巖孔隙尺寸在納米級別，故頁巖氣滲流主要存在滑移流和過渡流兩種流動機制，且需要考慮氣體吸附解吸、滑脫和擴散的影響[15]。而在井筒附近的氣體流動為達西滲流，頁巖氣可以連續流動。因此，通過對氣體滲流機理的深入研究，為后續建立滲流模型提供理論基礎。

5 結論

（1）頁巖儲層微觀孔隙分布的非均質性、不均一性有效提高頁巖儲層孔隙度，增大流體賦存空間。同時，有利于形成裂縫孔隙網格繼而為氣體運移提供滲流通道，進一步提高儲層滲透率。分析頁巖儲層微觀孔隙結構對流體滲流的影響，從而為進行儲層特征精準刻畫以及多重介質滲流模型建立等提供重要依據。

（2）儲層特征決定頁巖氣儲集空間，深入影響頁巖氣的成藏過程。研究頁巖氣儲層特征，有助于進一步研究頁巖氣形成機理并分析影響氣體儲集與運移的因素，從而尋找有利于氣體生成和富集的頁巖儲層。

（3）頁巖氣是生物成因和熱成因共同作用形成的，而頁巖氣的形成條件則與頁巖氣賦存方式有著密切的聯系。通過研究頁巖氣形成機理，有助于進一步研究頁巖氣賦存機理，促進掌握不同賦存形態頁巖氣在儲層中的流動特征，并對后續頁巖氣勘探開發具有指導意義。

（4）頁巖氣主要以吸附態和游離態形式存在于頁巖儲層中并且吸附氣占主導地位，而處于溶解態的氣體則極少。與此同時，在不同儲層中，通過改變地質條件中的溫度和壓力，可實現不同賦存形態氣體之間的相互轉化，以此來達到頁巖儲層中氣體儲集的動態平衡狀態。

（5）通過對達西滲流、滑脫效應、克努森流動等影響因素的研究，為后續建立滲流模型提供理論基礎。