页岩气藏渗流机理研究进展与展望

2021-07-03杜殿发张耀祖张莉娜徐梦冉

非常规油气 2021年3期

杜殿发，张耀祖，张莉娜，刘欣，徐梦冉

(1.非常规油气开发教育部重点实验室，山东青岛 266580；2.中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东青岛 266580；3.中石化华东油气分公司，南京 210019)

1 研究背景

随着美国页岩油气资源的成功勘探开发，全球能源工业进入新时期，非常规油气的勘探开发或成为当下石油产业的热门。截止至2019年底，我国勘探到的页岩气储量已达到28万亿m3[1]，占全球天然气能源的20%，因此开展页岩气开发对我国缓解能源压力以及保证经济稳定发展有着举重若轻的作用。但由于我国页岩气地层情况相对复杂，页岩气大都储存于陆相页岩中，其脆性矿物含量和TOC较北美地区低，同时，页岩气埋深大都分布在3 000 m左右，因此我国的页岩气藏开发之路异常艰难。

页岩气是孔隙度低、渗透率小并且存在吸附和解吸现象的非常规气藏，其孔渗空间大都为多尺度性的微纳米孔隙。页岩气藏中气-水两相的渗流受分子尺度、微观及宏观尺度等因素影响，页岩孔渗空间的复杂性以及多尺度性加大了页岩气藏开发的难度。同时，在页岩气生产时，需要注入大量压裂液以改善储层流动性[2-5]，而压裂液的进入对页岩气渗流规律的影响尚不清楚，所以研究页岩气藏中气-水两相的多尺度渗流规律对于提高页岩气产量显得尤为重要。

目前，页岩气渗流研究方面的主要问题有:①在微观机理研究方面，由于测试仪器精度较低，精度无法达到微纳米级别要求；现有微观尺度上的研究中对于页岩气水两相运移规律的模拟较少，无法准确描述各类影响因素，同时已有的分子动力学法、直接蒙特卡洛法等无法准确描述页岩气藏中气-水两相流动规律；对于微观尺度的研究难以应用至宏观尺度，尺度衔接性较差。②在宏观机理研究方面，目前大部分研究忽略了压裂液的影响，很少有能够考虑气-水两相之间的相互作用对页岩气渗流规律的影响；现有的气藏模型大都为单一介质模型或是双重介质模型，然而这类模型无法真实描述页岩气藏，更无法做到对于页岩气藏中气-水两相渗流的模拟。基于以上认识，该研究以页岩气藏中气-水两相微观尺度渗流机理、宏观尺度渗流机理两个方向作为切入点，针对现有的页岩气藏渗流机理的研究、存在的主要缺陷以及未来发展趋势进行综合论述。

2 研究进展

2.1 页岩气微观渗流机理的研究现状

2.1.1 页岩孔隙结构特征研究

与常规储层的岩石不同，页岩储层具有孔喉细小(微米-纳米级)、孔隙结构复杂多样、非均质性强等特点，使得孔隙结构对于页岩气的储集性能和流体渗流特征的影响更加凸显[6-10]。微纳米级孔喉是控制页岩气持续性大规模聚集的核心，同时也是理解页岩气成藏机理的关键，因此研究页岩储层孔隙的结构就格外重要。目前研究页岩孔隙结构的实验方法有许多，可以利用高温高压动态岩石测试仪、扫描电子显微镜、氩离子抛光扫描电镜和核磁共振系统等设备多方位、多角度对多块岩样进行扫描，观察岩心图像的孔隙结构特征，获取页岩孔隙如页岩孔容、微孔比表面等的微观特征，达到正确认识页岩储层渗流空间特征的目的。利用孔径分析仪和快速全自动比表面仪对页岩进行超低压低温氮气吸附实验，从而获得低压低温下的氮气吸附脱附曲线，并通过曲线形态反映孔隙结构特征，得到孔隙表面积等参数；利用高压压汞仪得到高压压汞曲线和高压压汞孔径分布图，获得孔隙发育程度以及页岩孔径分布信息，对研究页岩气藏中气-水两相的微观渗流规律起着重要作用。AMBROSE R J等人[11]研究发现，虽然总体上页岩储层孔隙和喉道的半径已达到了纳米级别，但其仍然可以利用压裂法去间接地阐述页岩的孔喉半径分布情况，利用FIB-SEM数字岩心技术定量分析计算孔隙喉道结构空间。HE Y F等人[12]在研究了纳米孔隙中页岩气传输和表观渗透率后，发现各种传输机理对流动的贡献会根据孔隙半径和压力不同而不同。国内学者基于压汞数据刻度核磁共振T2谱的方法，利用纵向插值法和最小二乘法构建T2谱获得孔隙喉道的半径分布曲线，从而定量表征页岩气藏的孔隙结构，最后研究发现岩石学组构是影响储层有效性和孔喉结构差异性的核心因素[13-14]。林承焰等人[14]通过对低渗透页岩储层的岩样进行CT扫描和处理后，得到岩样二维图像(如图1a所示)，通过对二维图像切片顺序更换、角度矫正等手段，得到微观尺度下的数字岩心模型(如图1b所示)，同时提取出页岩储层孔喉网络模型，从而将不同尺度下的孔隙及喉道的形状、大小和分布在三维空间上清晰展示出来，根据对孔隙结构微观特征、页岩储层渗透率等参数的分析计算后，最终建立页岩储层的流体渗流模型，为研究页岩气藏中气-水两相渗流规律提供理论基础。

图1 三维数字岩心模型构建

2.1.2 页岩气微观运移机理研究

页岩气微观尺度渗流机理的研究是页岩气藏开发的重要理论依据。近些年来，国内外不断有学者对页岩气微观运移机理进行研究，目前对于页岩气藏中气-水两相的微观渗流机理研究的方法主要有分子动力学法(Materials Studio，简称MD)、直接蒙特卡洛方法(Direct Simulation Monte Carlo，简称DSMC)和格子Boltzmann法(Lattice Boltzmann Method，简称LBM)。3类方法各有利弊，如何结合3类方法的优点从而应用于页岩气藏中气-水两相的研究是目前最为关键的问题。

目前很多研究都是在获取页岩的三维孔隙结构后，通过直接蒙特卡洛方法(DSMC)模拟流体在页岩的微观流动规律[15-18]，研究结果见表1，即克努森数Kn和流动形式是决定气体流动特征差异性的关键因素[19]，并且气体流动机理取决于克努森数。由于克努森数和流型是决定气体流动性差异的关键，为洞悉气体分子的流动规律，STUKAN M等人[20]通过建立的分子尺度的孔隙-甲烷模型，利用分子动力学法(MD)模拟了储层中甲烷分子的运移规律，然而该研究仅考虑了气体分子在干酪根中表面吸附和解吸的影响，其对于气-水两相运移规律的影响尚未考虑。2019年，SONG W H等人[21]通过富有机样品的二维页岩SEM图中重建三维图像，建立一个三维页岩双孔型孔隙网络模型(如图2所示)，用来研究纳米尺度约束气和水在双润湿性纳米多孔页岩中的输送行为。通过对三维页岩孔隙模型的研究发现，压裂液首先进入无机孔隙中，因此无机孔隙中的气体传输应当考虑滑移效应，而有机孔隙中气体传输应首先考虑扩散作用再考虑滑移作用，纳米多孔页岩中的气体和水的相对渗透率都受TOC的体积和有机孔隙水接触角的影响，同时孔隙表面润湿性影响着纳米级的天然气和水的运移，而纳米级传输机制对相对渗透率的影响可以忽略，通过用微观的研究方法定量表征压裂液的进入对页岩气渗流规律的影响，并对气-水两相在储渗空间中流动的敏感性因素进行分析，加深对页岩气渗流机理的认知。

表1 多孔介质中克努森数与流动机理划分

图2 三维页岩双孔型孔隙网络模型

2.2 页岩气宏观渗流机理的研究现状

2.2.1 页岩气宏观运移机理研究

针对目前页岩气微观渗流机理研究不足的现状，建立尺度升级方法，将页岩气的微观流动规律以及传输性质升级至宏观层面，从而更好地描述页岩气渗流机理。目前大多数学者基于油藏工程方法，建立各类影响因素下等效连续介质模型或是离散裂缝网络模型，从而模拟实际地层下的页岩气渗流规律。

在等效连续介质模型中，研究通常会假设模型中裂缝之间相互连通并且裂缝形状随机分布[22-24]，以渗透系数张量为基础，采用连续介质的方法描述储层渗流的数学解析模型。该类模型可以准确地描述较为简单的裂缝网络下的页岩气渗流规律，具有高效、简单、精确等特点[25-29]。OZKAN E和RAGHAVAN R S等人[30]建立一个全新的页岩双重介质模型，该模型在宏观基质渗流中考虑了Fick扩散和达西渗流作用的双重影响因素，同时在裂缝部分中考虑了渗透率应力敏感的影响。而WU Y S等人[31]在OZKAN E建立的双重介质模型基础上将基质细分为微裂缝、有机质和无机质三部分，在精细化研究后发现气体吸附现象仅仅发生在有机质中，同时有机质与无机质网格间遵循扩散和达西流动机理，微裂缝网格间只遵循达西流动机理，该研究精确描述了页岩储层各类介质之间的关系，同时也为后续的页岩气渗流机理提供理论基础。依据前人的研究，根据裂缝和基质的非均质性重新分类，得到多重介质模型概念，WU[32]提出了一个包括基质、小裂缝和大裂缝的三介质模型(如图3所示)，该模型将页岩气流动空间理想化，把具有不同特征的3类连续介质组合起来，同时假设这3种介质系统相互独立且又相互影响，最大程度模拟实际页岩气藏中基质系统相互关系。该研究为了提高计算速度，还对基质的压力分布进行了细化处理，从而达到在保持原有计算精度的情况下减少计算量，该模型为页岩气渗透规律研究提供了新思路，为提高模型计算速度提供新方法。张烈辉等人[33]通过研究页岩基质孔隙中气体低速流动时启动压力梯度对试井的影响，提出一种新的圆柱状三重孔隙页岩基质模型，同时与五线性渗流模型相结合，建立表征在压裂水平井过程中气体流动过程的多级压裂水平井线性耦合渗流模型，并利用Stehfest数值反演法最终得出基质渗透率越小，则基质向裂缝系统窜流就越困难，边界控制流动阶段发生时间越晚，同时当启动压力过大时，页岩气-水两相的渗流阻力也会随之增加，不利于页岩气藏压裂开发。

图3 三重介质概念模型

由于等效连续介质模型难以描述实际复杂裂缝网络的渗流特征，因此离散裂缝模型近两年逐渐成为研究页岩气宏观渗流的常用方法。离散裂缝网络模型可分为离散裂缝模型和嵌入式离散裂缝模型，相较于等效连续介质模型，该类模型保留了裂缝和基质之间的各自节点和物理特性，考虑了页岩气储渗空间的相互关联性[34-36]，可以更准确地描述页岩储层特点以及页岩气的渗流特征，因此该类模型也是近几年解决天然裂缝型油气藏中常用的模型。MONIFAR[37]将嵌入式离散裂缝模型(Embedded Discrete Fracture Model，简称EDFM)和裂缝动态特征相结合，并提出考虑流动力和应力耦合的解析模型，该模型把不同裂缝的渗透率和裂缝开度理解为裂缝上正应力的函数，同时把页岩气在不同裂缝中的运移行为引入裂缝传导率的概念。该研究阐述了裂缝的开度与渗透率对页岩气流动规律的变化，精细化前人的研究，帮助更好地理解页岩气在裂缝基质中动态变化。为了模拟复杂裂缝形态下的页岩气渗流动态，XU Y[38]根据前人研究建立EDFM模型，并针对天然裂缝基质中页岩气渗流规律进行敏感性分析，从而确定页岩气在裂缝中流动的影响因素。韦世明[39]建立了多尺度流动介质(包含有机质、基质孔隙、天然裂缝和离散人工裂缝)与多重压力系统的流固耦合数学模型，分析生产过程中岩石变形程度、人工裂缝形成、天然裂缝扩张等因素对气体流动规律的影响，考虑实际压裂生产过程中出现的人工裂缝对页岩气渗流的影响。LIU[40]等人考虑了多尺度多孔介质和复杂缝网中的多场耦合渗流机理，提出了五线性流分区离散网络模型。2020年，CHENG S X等人[41]基于物理实验得到的页岩模型，采用MINC-EDFM耦合方法对页岩气-水两相压裂生产过程的综合敏感性因素进行分析，其中包括纳米孔隙半径、非理想气体效应、吸附作用等，研究表明在实际压裂生产过程中，增加压裂缝长的半径比增加缝长间距更有益于页岩气藏中气-水两相移动，孔隙度的影响要大于纳米孔隙半径。该研究结果有助于优化页岩气储层的生产设计，更好地帮助理解压裂生产中页岩气藏中气-水两相的渗流规律，从而达到提高采收率的目的。

2.2.2 页岩气藏中气-水两相运移机理研究

现有的大部分研究中，往往忽视了底水与边水对页岩气渗流规律的影响。由于原始地层水的存在往往导致页岩气在开发过程中的运输通道堵塞致使储层流动性变差，但现场通常会采用注入大量压裂液的方法来改善储层流动性，然而压裂液滞留和被吸收会改变页岩储层的含水饱和度，进而影响页岩气在孔渗空间的流动[42-47]。由此可见水对页岩储层的伤害作用格外明显，想要提高页岩气产量，急需对页岩气藏中气-水两相的渗流规律进行全面剖析。

多位学者针对裂缝内页岩气藏中气-水两相的流动，提出多尺度多相模拟模型，模拟裂缝和基质内气-水两相运移规律，发现水的性质(例如毛细管压力和相对渗透率)会显著影响页岩气的产量，裂缝在封闭期间的渗吸机制会降低初始的含水饱和度，当水相饱和度随水回流而降低时，气相的相对渗透率会增加[48-49]。基于现有的SEM图像构建的3D有机孔隙网络模型，在考虑全方位的气体传输机制以及气体吸附层对水流影响后，发现气相相对渗透率随孔径的减小而增加，水相相对渗透率随孔径的减小而减小，这可以归因于以下事实:气体吸附层减小了水相的有效流动面积，并且在小孔径下提高了吸附气体的表面扩散能力。在低压下，页岩气藏中气-水两相在纳米孔隙中存在滑移和扩散现象，这导致页岩表观渗透率与绝对渗透率出现巨大差异。朱维耀[50]研究发现黏土矿物含量以及缝网发育程度决定了页岩储层渗流能力；黏土矿物含量越多，储层渗流能力下降越大；主裂缝的开度及缝网形态控制着水在裂缝系统中的作用范围，天然裂缝压力系统是引起页岩生产的敏感的主要因素，固体变形对基质表观渗透率的负面影响小于努森扩散对其的正面影响，随着压裂的进行页岩气藏中气-水两相应力敏感效应不断增加。该研究通过对流动能力的分析更好地帮助理解页岩气藏中气-水两相在储渗空间的渗流规律。SHEN Z H等人[51]通过对页岩天然裂缝和人工裂缝内的非线性气流和应力相关的渗透性的研究，得出了裂缝在应力作用下的渗透敏感性较强，此时页岩气藏中气-水两相的非线性流动性行为出现较早，当压降逐渐增加时，页岩裂缝中的气-水两相主要为过渡流，很少发生层流。

通过建立分析性气体表观渗透率模型，用来评估可移动的高黏度水层和散装水层对狭缝纳米孔和圆形纳米孔中的气体流动行为和气体表观渗透率的贡献，依据分析物理分子力以确定水层的性质和界面行为[52-53]。LI R等人[54]提出了水分子在固液界面处的真实滑动和在气液界面处的气体滑动，可以解释不同相之间的分子相互作用，原理如图4所示。在施加的各种压力、湿度和孔尺寸下进一步进行分析，结果表明，随着压力的增加，可移动水层有利于气体流动，然而随着水相饱和度的增加，气体的运输能力随之下降，这是因为水层的厚度引起的负面影响不能被较高的气体滑移速度的正面影响所抵消。页岩气藏中气-水两相流体包含多重微尺度效应，有气相滑移、水相滑移及边界层黏度变化、气驱条件下存在沿壁面流动的水膜等，可采用侵入逾渗判断两相分布，从而了解真实页岩气藏中气-水相对渗透率。发现在微裂缝开度小于临界开度时，气-水两相微尺度效应不可忽略；当微裂缝开度小于0.65 μm后，需要考虑微裂缝壁面可流动水膜对页岩气流动造成的影响；在页岩气藏降压开采的过程，气藏压力通过影响气体努森数使得气相表观渗透率升高。该研究精细化影响页岩气藏中气-水两相流动规律的因素，有助于更好的理解页岩气藏渗流机理，为预测产量以及指导现场开发提供帮助。

图4 流体在微裂缝内物性、流动区域示意图

3 发展趋势

3.1 现阶段存在的问题

结合以上研究现状不难发现，目前在页岩气藏中气-水两相的多尺度渗流机理上的研究尚不成熟。从微观渗流机理来说，目前对于页岩储层孔隙结构研究较为完善，在已有的实验精度下都有较为准确可靠的实验数据，但对于微观层面的影响因素研究较少，无论是格子Boltzmann法还是分子动力学法都还在理论完善阶段，虽能够解决一部分影响因素，但对于气-水两相流动模拟还不能够很好的描述，尤其是在压裂过后，压裂液能否进入有机孔隙以及大量压裂液的进入对页岩气藏中气-水两相微观运移规律的影响尚不明确，这直接导致现场施工的不准确性，对后续的宏观渗流机理的研究阻碍极大。

对于页岩气藏的宏观机理研究，虽然现存多种不同的模型来描述页岩气的宏观渗流，但这些模型考虑的因素不够全面，模型中难以全部描述达西渗流、克努森扩散或是Fick扩散等影响因素；由于气-水两相和壁面之间存在较强的相互作用，导致气-水两相不仅在壁面存在滑移，黏度和密度等其他物理性质也会随空间变化，而现有的模型很难准确地描述页岩储层微裂缝和基质孔隙中气-水两相之间的相互作用，这就导致无法准确地描述页岩气藏中气-水两相的运移规律；现在虽然有大量的学者研究压裂作用对页岩气藏开发的影响，但大都基于双重介质模型或是离散缝网模型，这类模型局限性强，无法模拟尺度范围大、研究程度不高的区域，同时模型在计算时需要耗费大量时间，计算速度偏低[55-58]。

3.2 未来研究方向

对于页岩气藏中气-水微观渗流机理的研究而言，目前急需研制可以精确描述微纳米级别的页岩扫描仪器以及页岩气多尺度多介质流动机理实验评价装置，改善现有的实验测量精度与测试条件，在保证实验仪器精度的条件下，在设计实验时应基于开发过程中气体吸附程度不断变化的情况，考虑页岩气藏中气-水两相之间相互作用；再者，针对MD法、MDSC法和LBM法3种方法的各自优缺点，根据实际情况综合运用，未来还应将三者运用在气-水两相流动模拟上，并且考虑气-液之间的相互作用以及地层水对页岩气运移规律的影响等多重因素，将页岩的微观流动规律以及传输特性进行尺度升级，为页岩气藏中气-水两相宏观渗流机理的研究提供理论基础。

在页岩气宏观渗流研究方面，虽然现在有大量关于达西渗流、克努森扩散或是Fick扩散等影响因素的研究，但随着对页岩气藏的不断认识以及各类开发模式对储层耦合流动的改变，如何将各类影响因素考虑到模型中且符合实际页岩气藏中的流动规律是未来值得研究的方向；同时由于生产过程中压裂液的进入，气-水两相和壁面之间发生强的相互作用，导致气-水两相不仅在壁面存在滑移，黏度和密度等其他物理性质也会随空间变化，如何准确描述压裂液对页岩气渗流规律的影响以及页岩气藏中气-水两相的运移规律是个关键性的问题；无论是多重介质模型还是离散裂缝网络模型，都存在适用范围小且局限性高等问题，即使是两者的混合模型也会存在这类问题，因此将页岩气藏模型进行优化并应用到勘探程度低且裂缝发育的目标油藏是格外重要的。

随着页岩气需求量不断攀升，为实现页岩气产业快速发展，未来页岩气的研究应该着重精细刻画储层裂缝和基质，将分子模拟应用于页岩气藏中气-水两相中，考虑压裂液进入对页岩气渗流规律的影响，并且建立尺度升级方法，优化尺度衔接；建立能够准确描述裂缝和基质、适用性强、准确性高的数学网络模型，精确描述页岩气藏中气-水两相在储层中的流动，全面反映储层流体的渗流机理和运移规律。