鄂尔多斯盆地长7段页岩中甲烷解吸与扩散影响因素分析

2022-12-02袁晨雨刘文博吴繁华杨旭鹏琚子辉张凤云

非常规油气 2022年6期

王瑞，袁晨雨，刘文博，吴繁华，杨旭鹏，琚子辉，张凤云

(1.西安石油大学石油工程学院，西安 710065；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学)，成都 610500；3.中国石油青海油田公司采油二厂，青海海西 816499；4.西安石油大学化学化工学院，西安 710065)

0 引言

页岩气是全球非常规油气勘探开发的热点。我国对南方盆地海相页岩气已实现较大规模的商业性开发，对陆相页岩气的勘探开发理论和工艺也取得了一定突破。目前，探明陆相页岩气地质资源量为1.5×1012m3，其中上古生界山西组与本溪组以及中生界延长组是主要目的层系，特别是延长组长7段页岩气储量丰富[1]。

一般认为页岩开采过程中气体传质的起点为页岩基质孔隙内壁上气体的解吸，但F. Javadpour[2]认为，在解吸完成后，这种不平衡状态还会驱动气体分子从基质主体到其表面的扩散。S. Reza Etminan等[3]进行了反向实验，并将页岩存储气体过程分为气体压缩入孔隙、吸附于孔隙内壁和溶解于基质3个阶段。这都说明页岩气产出时的扩散过程值得关注[4-5]，且它和解吸密切相关，一起决定了页岩气井开发中后期的产能状况。表征气体在岩石中扩散过程的主要参数是扩散系数，测定扩散系数的方法有浓度法[6-7]，解吸法与真实气体产出过程更接近。影响岩石中气体扩散系数的因素较多，有压力、温度及样品状态如粒径等。

该研究选用延长组长7段页岩，用解吸法对甲烷在页岩中的扩散系数进行了实验测定，实验温度为20～30 ℃，吸附平衡压力为2～8 MPa，岩样粒径<40目；说明了吸附平衡压力、温度和粒径对气体在页岩中扩散影响的机理，分析了不同样品、不同方法所得实验结果差异的原因。该研究成果对了解页岩中气体的传质机理，提高页岩气资源评价和产能预测水平有指导意义。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料与制备

该文实验所用页岩样品取自YYP-1井，其位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡南部，开发目标层为三叠系上统延长组长7段，垂深1 529.5～1 543.5 m。页岩样品的地球化学和矿物含量参数见表1。

表1 页岩样品的地球化学和矿物含量参数Table 1 Geochemistry and mineral content parameters of shale sample

岩样的处理包括研磨和烘干。将页岩研磨至粒径>40目，再用振动筛分出40～80目、80～160目和>160目的3部分，最后以温度110 ℃、时长12 h进行烘干，取出放入干燥器备用。

1.2 实验装置

该文所用实验装置为HX-Ι型等温吸附解吸扩散综合测试仪，其中的解吸气计量装置由带循环水套量气管、循环水泵、水槽及烧杯等组成。等温吸附和解吸气计量装置结构示意图如图1所示，装置实物如图2所示。

图1 等温吸附和解吸气计量装置结构示意图Fig.1 Structure diagram of isothermal adsorption and inspiratory metering device

图2 等温吸附和解吸气计量装置实物图Fig.2 Physical picture of isothermal adsorption and inspiratory metering device

1.3 实验方法

首先进行试样对甲烷的吸附，然后再进行解吸，最后根据测得的气体解吸量随时间的变化计算出扩散系数。设实验吸附平衡压力psv2为2 MPa，5 MPa和8 MPa，温度T为20 ℃，30 ℃和40 ℃，岩石粒径为40～80目、80～160目和>160目，各3个水平进行实验。

1)样品对甲烷吸附

吸附实验方法与等温吸附实验相似[12]，区别是只做一个吸附平衡点。

2)解吸气量的测定

解吸实验方法根据行业标准[13]，结合装置实际进行了调整。具体步骤为：①量气管吸满水，记录量管和水槽的液位；②打开循环水泵，持续30 min，使量管内温度与样品缸温度一致；③待前吸附完成后，在1 min内排掉样品缸中的游离气，使气罐压力降至大气压；④关闭样品缸排气阀门，打开样品缸和量气管间的阀门,解吸气进入量管,持续记录量气管示数,时间间隔依次为10次1 min、2次5 min、3次10 min、2次30 min和4次60 min,并根据液位高度计算出量气管内的压力pmg；⑤将量得的解吸气量值换算成标况下的气体量(见式(1))，绘出解吸气量随时间的变化关系曲线即为解吸曲线；⑥为量化分析，根据扩散解吸气量随时间的数据点分布形态，对其用式(2)进行拟合。

(1)

式中：Vdes-st和Vdes-o分别为标况下和实况下的解吸气体积,(×10-3m3/kg)；Tmg和Ts t分别为量管内的水温和标况温度,K；pmg和ps t分别为量管内气压和标况压力,Pa。

(2)

式中：Vdes为气体解吸气量,(×10-3m3/kg)；V∞为气体最大解吸气量,(×10-3m3/kg)；t为扩散时间,min；t0.5Vdes为气体解吸气量达总解吸气量一半时的时间,min。

3)扩散系数的计算

用解吸气量随时间的变化数据，结合单孔隙扩散模型计算出岩样中气体的扩散系数[14]。单孔隙扩散模型基于Fick第二扩散定律，Fick第二扩散定律在球坐标下的表达式为：

(3)

式中：r为半径，m；c为吸附相浓度，kg/m3；D为扩散系数，m2/s；t为时间，s。对其求解详细过程见文献[15]，最终得到：

(4)

式中:Vt为时间t内气体解吸的体积,(×10-3m3/kg，标态)；V∞为总的解吸气体的体积,(×10-3m3/kg,标态)；rp为颗粒平均半径,m。

当时间间隔t很小时(<10 min)，式(4)可以简化成式(5)[16]：

(5)

这样，得到的有效扩散系数为：

(6)

该文提取解吸开始后10 min的解吸数据，先得到样品解吸气体量与解吸气体总量的比随时间开方的数据点分布，再用直线对其拟合，直线的斜率即为12(D/π)0.5d-1，由此计算出扩散系数。

2 实验结果

2.1 解吸影响因素

实验得到页岩在不同吸附平衡压力、温度和粒径下的解吸气量随时间的变化曲线，如图3所示，解吸特征拟合结果见表2。

图3 样品的解吸气量随时间的变化Fig.3 The desorption gas of the sample as a function of time

表2 不同影响因素下样品的解吸特征Table 2 Diffusion coefficient of samples at different effect factors

所有样品解吸气量随时间的变化拟合相关系数均>0.95，说明解吸规律符合式(2)。

对于吸附平衡压力的影响，1#和2#页岩样品都表现出最大解吸量随吸附平衡压力的增大而增大,解吸量达总解吸量一半的时间随吸附平衡压力的增大也增大,否则相反。如气体最大解吸量和解吸量达到总解吸量一半的时间,2 MPa时为0.048×10-3m3/kg和6.97 min,8 MPa时为0.126×10-3m3/kg和11.33 min；对于温度的影响，与最大解吸气量的关系表现复杂，没有出现温度越高解吸气量越大的现象，而居中的30 ℃时解吸气量最大，为0.125×10-3m3/kg，其解吸量达到总解吸量一半的时间最短，为11.084 min；对于粒径的影响，样品对甲烷的解吸量为80～160目时最大，为0.186×10-3m3/kg，40～80目时最小。粒径越小，解吸量达到总解吸量一半的时间越长，>160目时解析时间为22.942 min。

2.2 扩散影响因素

对不同条件下解吸气体量与解吸气体总量的比(Vt/V∞)随时间开方的分布点，用直线进行拟合(如图4所示)，计算出扩散系数(见表3)。

图4 样品中甲烷解吸率随时间开方的数据点分布Fig.4 Desorption ratio of methane from samples with square of time

表3 不同影响因素下样品的扩散系数Table 3 Diffusion coefficient of samples at different effect factors

可见，不同条件下对所有样品，其解吸率与时间的开方呈明显的线性关系，扩散系数拟合相关系数>0.98，说明单孔扩散模型是适用的。对于吸附平衡压力的影响，扩散系数都随吸附平衡压力的增加而减小，2 MPa时为0.932×10-12m2/s，到8 MPa时减小至0.055×10-12m2/s；对于温度的影响，实验结果表明30 ℃时测得样品的扩散系数最大,为0.547× 10-12m2/s，20 ℃时的最小,为0.423×10-12m2/s；对于粒径的影响，明显展现出样品的粒径越小扩散系数越小，反之越大的规律，>160目样品的扩散系数最小，为0.008×10-12m2/s。

3 讨论

3.1 压力对扩散的影响

压力在真实页岩气井中对应储层压力，在解吸法中对应吸附平衡压力，它对扩散系数的影响，相关研究还有争议，存在3种观点：①杨其銮等[8]认为无影响；②李相臣等[17]认为呈负相关；③聂百胜等[18]认为呈正相关；④阶段性差异，即需细分不同尺寸孔隙中的扩散，如Andreas Busch等[9]测甲烷在煤中的扩散时发现，扩散系数随吸附平衡压力的增大而减小现象只在缓慢吸附段和高压时出现。YUAN Weina等[10]发现吸附平衡压力对不同类型扩散的影响有异。

该文实验中吸附平衡压力对应地层压力，它与扩散系数的关系与李相臣等[17]、Andreas Busch等[9]和YUAN Weina等[10]的结果类似，即两者成负相关。李相臣等的实验最高压力为6 MPa(与该研究压力值接近)，且认为压力是岩样孔隙结构和吸附特性对解吸扩散的宏观表现，非决定作用[17]。Andreas Busch等[9]和YUAN Weina等[10]也都有此发现，只是对此现象出现的压力范围和孔隙尺寸进行了限定。即在缓慢吸附段或高压时[9]以及介孔时扩散系数会随吸附压力的升高而减小[10]。此类现象对应的机理为：因为气体吸附时岩样基质会膨胀[19]，所以吸附平衡压力越大，岩样基质膨胀越大，孔隙尺寸减小，据理论模型(托克斯-爱因斯坦方程)，Knudsen扩散系数就会减小。此外，吸附或解吸时的气压会影响气体分子自由程，进而与岩样孔径一起决定了气体的扩散类型和扩散系数。例如，若温度取26.85 ℃(300 K),76.85 ℃(350 K),126.85 ℃(400 K)和176.85 ℃(450 K)，压力取0.1～100.0 MPa,不同温度下的甲烷分子自由程随环境压力的变化如图5所示。可见甲烷气体分子自由程随环境压力的升高而减小,在压力<1 MPa内减小幅度大,压力>1 MPa后幅度变小。以温度为76.85 ℃(350 K)时的曲线为例,压力为0.1 MPa,1.0 MPa和10.0 MPa分别对应64×10-9m,8×10-9m和1×10-9m。甲烷分子自由程随温度的升高而增大,压力为0.1 MPa时的增率约为2.7×10-11m/℃(7.5×10-9m/K)。

图5 甲烷的分子自由程在不同温度下随环境压力的变化Fig.5 The molecular free path of methane varies with ambient pressure at different temperatures

3.2 温度对扩散的影响

关于温度对解吸及扩散和影响，一般认为岩样中气体的扩散系数随温度的升高而增大，如李相臣、聂百胜等对甲烷在煤样中的扩散研究。Andreas Busch等也发现低温导致扩散系数降低，使解吸平衡时间增长[9]。

该文实验中温度对应地层温度，实验中没有出现温度越高解吸气量越大的现象，推测这是因为实验中气体解吸温度和吸附温度是一致的(实验无法实现相同的温度吸附后再在不同温度下解吸)，温度越高，吸附气量越小。温度对扩散系数的影响机理与压力的影响类似，一方面吸附温度越高，吸附量越少，基质膨胀越小，孔径越大，扩散系数越大；另一方面解吸温度越高，分子运动越剧烈，扩散系数越大。实验与页岩储层产气的过程不同。真实储层含气量一定，随着开采的进行，气藏温度小幅度降低，温度越低，扩散系数越小，所以不利于气体的扩散产出。

3.3 粒径对扩散的影响

岩样粒径对气体在其中解吸及扩散的影响研究，最早出于煤矿中分析采落煤中的瓦斯涌出问题。杨其銮发现，甲烷饱和解吸量与煤样粒径无关，且超过一极限粒径后气体解吸速度与粒径无关，之前随粒度的增大而减小，扩散系数随粒度的增加而增加。同样，Andreas Busch等发现煤中气体的吸附率随其粒径增加而减小[9]，聂百胜等发现煤样粒径越大扩散系数越大[18]。但是对于页岩，YUAN Weina等却发现样品粒径对甲烷在页岩中的扩散系数影响较小[10]，S. Reza Etminan等测得了甲烷在柱塞状页岩岩样中的扩散系数，发现其值非常低，在10-20m2/s数量级[3]。

该文实验中粒径对应裂缝规模，在工程实际中与压裂后页岩储层的破碎程度相关，即压裂规模越大，相对应的颗粒越小。页岩样品粒径越小，甲烷从中解吸时间越长，但实验中发现气体在页岩中的扩散系数随粒径的减小而减小，且在实验所用不同粒径的页岩成分稍有差异(粒径越小黏土含量越多)的情况下依然观察到这一明显规律，说明粒径对扩散系数的影响十分大，需要重点关注。