页岩气藏多尺度微观传质机理研究

刘加杰，张霖，黄东杰



页岩气藏多尺度微观传质机理研究

刘加杰，张霖，黄东杰

（四川盐业地质钻井大队，四川 自贡 643000）

页岩气藏微-纳米孔隙发育，天然气以游离和吸附态富集，与常规气藏比较、天然气富集特征、气体传质过程等都更为复杂。页岩气藏经压裂改造后形成人工裂缝-天然裂缝-基质多尺度传质路径，其微观传质过程涉及多种方式，对页岩气藏多尺度微观传质机理的研究将有助于提高页岩气藏开采效率。调研认为，气体传质过程包括有机孔隙和无机孔隙中气体的流动，扩散-渗流模型应考虑吸附-解吸附、滑脱效应、Knudsen扩散以及无机孔隙含水等因素的影响；根据其成藏特点，建立不同孔隙类型、不同尺度孔隙通道条件下气体传质数学模型，可为页岩气藏的开发设计提供依据。

页岩气；传质机理；数字模型；研究

根据国土资源部2012年资料，我国陆域页岩气地质资源潜力为134×1012m3，可采资源潜力为25×1012m3（不含青藏区），页岩气已成为我国继致密砂岩气和煤层气之后的第三种非常规天然气资源[1-2]。目前，我国处于页岩气勘探开发的起步阶段，据勘探研究成果显示，我国广泛发育古生界海相和中生界陆相两种类型的页岩，并具有富集页岩气的优越地质条件[3]，但页岩气藏微纳米孔隙结构复杂，微裂缝发育，天然气富集方式特殊,造成页岩气的产出机理较常规储层不同，涉及多种流动方式。因此，国内外学者致力于页岩气传质机理的认识，充分调研相关资料，分析页岩气藏孔隙结构特征以及气体传质的整个过程，认清页岩气扩散-渗流机理，以期提高页岩气藏开采效率。

1 页岩孔隙结构特征

研究页岩孔隙结构特征对页岩气渗流机理的认识和产能评价具有重要的意义。页岩基质作为烃源岩，产出的天然气又富集在自身孔隙内部，属于典型的“自生、自储”气藏，其含气特殊性与气体流动机理较常规气藏不同。目前，大量学者致力于页岩孔隙结构特征的研究，常见室内研究方法包括高压压汞法、气体吸附法、扫描电镜、铸体薄片、核磁共振等方法[4-5]。

页岩气藏具有以下独特储层物性：①微纳米级孔隙发育，含微裂缝，天然气以游离和吸附态方式富集，具有较强的各向异性和非均质性；②众多学者研究表明页岩气藏孔隙度普遍小于15%，渗透率小于0.001×10-3μm，孔隙系统由无机孔、有机孔、天然裂缝和人工裂缝组成；③孔径变化范围为数纳米-数百纳米，但孔径主要分布在5～20nm，例如Howard发现的Frio页岩孔径主要为5～15nm，Haynesville页岩孔径主要几种在16nm左右，我国川南龙马溪组页岩孔径主要为6nm左右；④页岩基质富含有机质颗粒，其有机质成熟度直接关系有机质纳米孔隙发育，成熟度越低孔隙越少，天然气在有机孔内富集方式主要为部分吸附在孔隙内表面和游离于孔隙空间，其他部分溶解于有机质干酪根中；⑤另见基质内无机孔发育，常见于黏土矿物颗粒间或颗粒内发育，包括粒间孔、粒内空、晶间空和溶蚀孔，由于黏土矿物表现为亲水性，因此无机孔内常见水膜存在，减小了无机孔有效空间，气体以游离态储集其中；⑥常见黏土矿物层间边缘微裂缝发育，但少有与有机孔和无机孔有效沟通，成为富集天然气的另一储集空间，经压裂改造沟通孔隙-微裂缝-人工裂缝传质通道，此类边缘微裂缝将成为天然气产出的重要通道。

2 微观传质机理模型

在页岩气的勘探开发过程中，由于其基质微-纳米孔隙发育，基质中天然气传质规律常规储层达西渗流公式表示，其传质过程如图1所示。因此，非达西流动机理以及相应的气体平衡数学表达公式的研究对页岩气的勘探开发具有重大的意义[6-9]。

式中，Kn为Knudsen数；为平均自由程；KB为Boltzmann常数，1.3805×10-23J/K；T为温度，K；为分子碰撞直径，m。

2003年，Roy等人利用K值将气体传质过程划分为不同的流动模型并分别对应不同的气体平衡数学表达式，如表1所示：

页岩基质孔隙类型可分为有机孔隙和无机孔隙，两种孔隙内气体传质机理是不同的。因此，国内外学者提出针对页岩孔隙系统，分别研究不同类型以及不同尺度孔隙通道气体流动方式，提出气体扩散-渗流流动模型：Knudsen扩散、滑脱流、过渡流、连续流[10-13]。

表1 不同Kn值下的气体流动区域划分（Roy，2003）

2.1 有机质孔隙内扩散-渗流模型

据资料显示，国内外页岩气层埋藏深度普遍低于4 000m，基质孔径普遍大于1nm。因此，根据页岩气层内温度梯度和压力梯度可折算出地层温度变化小于160℃，压力变化小于100MPa，利用公式（a）计算可知，K值变化范围小于10。利用表1气体流动区域划分可知，在页岩储层中气体传质过程包含有连续流、滑脱流和过渡流。

1）连续流：此时K值小于10-3，气体流动规律满足达西渗流定律。渗透率可表示为：

2）滑脱流：此时K值变化范围为0.001~0.1，气体流动时要考虑气体分子碰撞造成的滑脱效应。因此可利用Klindenberg渗透率表达公式：

4）Knudsen扩散：2012年，Sakhaee-Pour and Bryant提出分子自由扩散表征公式，经替换变形得：

综上分析认为，气体整个扩散-渗流传质过程表征可用公式（h）：

2.2 无机质孔隙内扩散—渗流模型

由于页岩气层无机质孔隙主要发育于砂岩和黏土矿物间，孔隙内表面表现为润湿性，在页岩聚集成藏或后期增产改造过程中，在孔隙内表面形成一定厚度水膜，阻碍细小无机质孔隙气体传质能力。较有机质孔隙传质机理简单，只有连续流和滑脱流两种方式存在，公式可根据上述c）中滑脱流定义公式得到：

3）有机质和无机质孔隙内扩散-渗流模型：

将公式（h）和（j）代入公式（k）即可得：

4）考虑吸附-解吸附页岩孔隙扩散-渗流模型：

即考虑气体吸附-解吸附后页岩基质渗流模型公式（l）变为：

因此，公式（p）是在综合考虑吸附-解吸附、Knudsen扩散、过渡流、滑脱流和连续流等5个重要因素以及开发过程中无机孔隙水膜厚度的影响因素，建立的页岩储层气体渗透率模型。

图2 圆柱形毛管束管柱模型

3 结论

1）研究页岩孔隙结构特征对页岩气渗流机理的认识和产能评价具有重要的意义，常见室内研究方法包括高压压汞法、气体吸附法、扫描电镜、铸体薄片、核磁共振等方法。

2）考虑页岩孔隙分类特征，引入值，将页岩气层传质机理的研究分为有机孔隙和无机孔隙，并分别提出气体扩散-渗流流动模型：Knudsen扩散、滑脱流、过渡流、连续流。

3）结合无机孔隙含水特征及有机孔隙吸附-解吸附特征，利用Klindenberg定律和Knudsen扩散定律建立页岩气层扩散-渗流流动模型，并给出相应的数学方程。

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Multi-Scale Microscopic Mechanism of Mass Transfer of Shale Gas Reservoir

LIU Jia-jie ZHANG Lin HUANG Dong-jie

(Sichuan Geological and Drilling Team for Salt Industry, Zigong, Sichuan 643000)

shale gas reservoir is characterized by the development of the micro-nanoscale pore where free and adsorbed natural gas occur. The study indicates that process of gas mass transfer includes gas flow in organic and inorganic pores, and diffusion and seepage model should consider the influence of adsorption- desorption, slippage effect, Knudsen diffusion , water saturation and the other factors. A mathematical model for gas mass transfer in different pore types and different scale pore channel conditions should be established in order to provide basis for exploitation of shale gas.

shale gas reservoir; transfer mechanism; adsorption-desorption; slip effect; Knudsen diffusion

2017-02-28

刘加杰（1979-），男，山东诸城人，硕士，高级工程师，主要从事生产技术管理工作

P618.13

A

1006-0995（2017）04-0568-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.04.009