超声波作用下页岩气渗流变化规律实验研究

2021-03-01郑云东李翠楠杜肖潇

实验室研究与探索 2021年12期

张杰，王谣，李鑫，郑云东，李翠楠，杜肖潇

（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500；2.中国石油西南油气田分公司勘探开发事业部，成都 610066；3.中国石油西南油气田分公司工程技术研究院，四川广汉 618300）

0 引言

我国已探明的页岩气储量超过31.6 ×1 012 m3，仅次于美国所公布的页岩气储量32.9 ×1 012 m3。虽然中国页岩气的开发起步较晚，但根据中国国家能源局公布的数据显示，截至2017 年底，我国已在重庆涪陵地区建立了首个累积供气量超100 ×108 m3的大型页岩气田，成为了世界第3 个成功实现商业化页岩气开发的国家［1］。

页岩属于沉积岩，其中含有大量的有机物，页岩气就是有机物在埋藏期间由于细菌作用和地球化学作用而生成的［2-3］。页岩气藏是集“生储盖”于一体的储层，基质孔隙多为纳米级，是特低孔、特低渗的致密储层，而这也是造成了页岩气的赋存形式与渗流方式与常规天然气有明显差别的主要原因［4-7］。一般认为，页岩气藏除极少量气体以溶解态赋存于干酪根、沥青质、液态烃类和地层水中，绝大多数气体以游离态和吸附态赋存在储层中［8］。游离态气体主要存在于微裂缝、无机质和有机质的孔隙中，吸附态气体主要被基质颗粒和有机质孔隙表面所吸附。根据北美页岩气开发的实践成果，吸附气含量一般为20%～80%，游离气的含量为25%～30%［9-10］。由于吸附气的性质非常稳定，并且页岩储层的物性较差，导致了基质中的吸附气只能以较为缓慢的速度进行解吸释放。Петросян 等研究发现，在一个大气压的压差条件下，吸附在煤岩表面的气体需要700 个月才能够完全解吸［11］。由于具有特殊的赋存形式和复杂的渗流机理，页岩气藏的开采通常需要辅以相应的增产措施，通过增加气体的解吸及渗流速率来提高产量。

目前，页岩气开采过程中使用较为广泛、技术较为成熟的增产措施为水力压裂技术，该技术虽然增产效果显著，但仍存在诸多问题。首先，我国的页岩气产区多在西南山地，水资源匮乏，使用水力压裂技术不仅需要相当的水量，而且还有潜在的环境风险，如水质的污染、地质结构的破坏等。其次，绝大多数的页岩气产区为山地，不利于大型压裂设备的布置和展开，进行大规模的压裂作业不仅会延长施工周期，而且会增加开发成本。因此，有必要探究一种低环境风险、便于操作的页岩气增产技术。

超声波是一种高频率、高能量的机械波，超声作用能够产生机械振动效应、空化效应和热效应，这三种效应均能作用于微观分子，使之产生扩张、压缩以及振动等变化，基于这一特点，美国和前苏联提出了超声波油藏增产技术。超声波增产技术是一种操作简单、低成本、低风险且零污染的物理增采技术，经过近几十年不断发展，中国在该技术的研究上取得了重大进步［12］。超声增产技术不仅可以应用于提高油藏采收率，也可以应用于天然气开采领域。上世纪90 年代，鲜学福院士［13］提出了使用声震法来提高煤层气采收率的思想，随后一些学者对超声波煤层气增产的原理和技术可行性做了深入研究。孙仁远等［14］利用自行设计的实验装置，研究了不同气体在超声波处理下的解吸效果。研究表明，煤岩对不同气体的吸附量从大到小依次为二氧化碳、甲烷、氮气，使用超声波处理后，气体解吸速率提高了70%，解吸量增加了20%。孙等认为超声波作用促进气体解吸的机理一方面是由于超声波的热效应使系统升温，加剧了气体分子热运动从而使分子动能增大，加速了气体的脱附速率。另一方面是由于超声波传播过程中发生了透射和反射，对气体分子产生斜向的剪切力，促进气体脱附，孙等将此过程形象的称为超声的剥离作用。宋晓［15］通过实验研究发现，超声波作用下煤岩的气体吸附特性能够使用Langmuir 等温吸附方程进行描述，并且方程中的参数与超声波的声强呈线性相关。通过在Langmuir 等温吸附方程中引入声强参数，建立了超声波作用下的煤岩气体吸附模型，但并未对模型的可靠性和适用性做进一步分析。易俊等［16］建立了超声波作用下描述煤层气在基质微孔隙中解吸-扩散的数学模型，并利用MATLAB 软件进行了数值模拟。模拟计算结果表明，超声波作用能够提高系统温度，增加游离气体的百分数、降低吸附气体的百分数。赵丽娟［17］进行了超声波作用下的煤层气吸附-解吸规律实验，实验结果表明随着超声功率的增加，煤岩的吸附能力降低，气体解吸速率加快。此外，在实验过程中还发现施加超声作用后，水浴温度明显升高。

有关超声波增产技术应用于页岩气开采的研究较少，现有可查文献仅吴昌军［18］就超声波作用对页岩气渗透率的影响做了初步探究，但其作用效果和作用机理尚不明确，因此有必要针对性地开展进一步研究。本文通过开展超声波岩样渗透率实验，研究了超声波作用下页岩气渗流特性的变化规律。

1 实验设计

1.1 实验材料

本实验所用的岩样为四川威远龙马溪组的页岩，样品总体呈黑灰色（见表1）。

表1 实验岩样性质

1.2 实验装置

实验装置自行设计组装而成，包括超声波发生器、解吸及渗流装置、围压加载系统、气体供给系统和测试系统几个部分，图1 所示为实验装置的示意图。

图1 超声波作用下气体吸附-解吸、渗流实验装置示意图

超声波发生器频率为24 kHz，功率有两档可调，分别为50 和110 W。气体吸附解吸及渗流测试装置是自行设计的一个压力容器，围压可达20 MPa，气体供给压力可达10 MPa，可使用该装置进行一定压力下页岩气的吸附、解吸、渗流实验。测试系统围压使用手动液压泵进行加载，气体压力为高压甲烷气瓶通过调节减压阀进行供给，测试系统包括测试吸附缸的自由空间、吸附、解吸测试以及渗流测试等。

1.3 实验原理

气体渗透率使用常规稳态法进行计算，即

式中：Q为气体渗流流量，cm3／s；pa为大气压力，0.1 MPa；L为试件长度，cm；p1为进气口端气体压力，MPa；p2为出气口端气体压力，MPa；A为试件横截面积，cm2；μ为气体黏性系数，Pa·s。

1.4 实验步骤

将待测岩样用热收缩套密封后，使用压盘压紧两端，随后装入压力容器中。安装好后，施加一定围压。开启真空泵脱气1 h，关闭回气阀，打开进气阀，通入高压甲烷气体进行吸附。吸附1 h后，开启回气阀，使用排水法进行流量测量，待气泡连续稳定排出后记录排水体积和时间，每种条件下测量3 次取其平均值。当测量超声波作用下气体的渗流时，在无超声波作用下的气体流量稳定后，打开超声波发生器，测量出超声波作用下的排水体积和时间。本实验分别测试了不同超声波功率（0、50、110 W）、有效应力对渗透率的影响。

2 实验结果与分析

2.1 渗透率与有效应力的关系

图2 所示为WX-1、WX-2、WX-3 岩样的渗透率随有效应力的变化规律。由图可见，在孔隙压力一定的情况下，岩样渗透率随着有效应力（围压）的增大逐渐减小，呈“凹”型曲线。

图2 岩样渗透率随有效应力的变化规律及其拟合曲线

实验数据拟合结果表明，幂函数拟合曲线相关性较高，拟合关系式如表2 所示。

表2 岩样渗透率和有效应力的拟合关系式

2.2 超声波对岩样渗透率的影响

实验条件：轴向应力0 MPa，孔隙压力2.0 和3.5 MPa，温度20 ℃，超声波频率24 kHz，功率50 和110 W可调，围压是变化的，在有效应力相同的情况下测定超声波作用下的渗透率。实验测定了WX-1、WX-2和WX-3 岩样在超声波作用下的渗透率变化情况，如图4～6 所示。

从图4～6 可以看出，岩样在超声波作用后渗透率的变化趋势基本一致。以WX-1 岩样为例分析有效应力和超声波功率对岩样的渗透率的影响，可以看出渗透率随着超声功率的增加而增加，随着有效应力的增加而减小。但是，超声波作用后岩样的渗透率仍然大于无超声波作用下的岩样渗透率，说明超声波有助于岩样渗透率的提高。超声波作用下岩样渗透率和有效应力的拟合曲线如图7～9 所示。