深层页岩孔隙结构及游离气传输特征
——以四川盆地龙马溪组页岩为例
2023-02-02万成祥郭旭升申宝剑常佳琦薛子鑫
万成祥,郭旭升,申宝剑,常佳琦,薛子鑫,杜 伟
1.页岩油气富集机理与高效开发全国重点实验室,北京 102206;2.中国石化 页岩油气勘探开发重点实验室,北京 102206;3.中国石化 石油勘探开发研究院,北京 102206;4.中国石化集团 国际石油勘探开发有限公司,北京 100029
经过十余年的勘探开发,我国页岩气已取得突破性的进展,尤其是对四川盆地龙马溪组页岩气形成了一系列的成果与认识,先后在四川盆地及周缘的涪陵、长宁、威远、昭通、丁山、威荣和永川等地区发现了多个商业气田[1-5],页岩气累计产量超240×108m3[6]。近年来,在丁山、威荣、永川和泸州等地区的深层页岩气(3 500 m以深)勘探开发方面也进行了积极的探索并取得了很好的效果,成功钻获了如丁页2HF井、威页1HF井、永页1HF井和泸203井等一大批高产井;预计可探明页岩气地质储量达10×1012m3,2025年页岩气产量预计超300×108m3,展示了四川盆地良好的页岩气勘探前景[7]。
页岩气主要以吸附气和游离气的形式赋存在页岩纳米孔隙中[7-10]。页岩纳米孔气体传输机理表明,游离气和吸附气在页岩中会以不同的方式发生运移,其类型可以根据克努森数进行划分,具体受到温度、压力和孔径的影响[9]。一方面,在实际地层条件下,吸附气主要在微孔中以表面扩散的方式进行传输,游离气则是在中孔和宏孔中主要以连续流的方式发生运移;另一方面,受页岩气赋存状态及转化机制的控制,深层页岩气含气结构与中浅层页岩气差异明显,具体表现为以游离气赋存为主,其占比可高达90%[2]。因此,对于深层页岩气而言,游离气传输特征的研究显得尤为重要[11]。而目前对于页岩气传输机制的研究多局限在低压条件或油气井开发条件下[12-13],缺少从实际地质条件的角度探讨页岩纳米孔隙游离气的传输机制。
本文以川南深层龙马溪组优质页岩为例,分析深层页岩孔隙结构特征,基于克努森数明确深层页岩游离气不同传输机制的临界条件;并在四川盆地龙马溪组页岩典型地层温压条件的基础上,建立了全盆地页岩纳米孔游离气传输模板;最后充分考虑页岩纳米孔气体传输微尺度效应,动态讨论了不同埋深的、地质条件下页岩纳米孔隙游离气传输能力的变化情况。本文研究成果从地质角度论述了页岩纳米孔游离气的传输机制,以期为中国南方海相页岩气地质—工程一体化提供理论指导和技术支持。
1 深层页岩储层孔隙结构特征
1.1 样品信息
选取川南深层X2井龙马溪组龙一1亚段优质页岩样品进行研究(表1),对应的埋深约4 000 m。页岩样品有机碳(TOC)含量为3.56%～5.05%,平均为4.26%,整体都大于4%,显示了其丰富的有机质含量。页岩样品硅质矿物含量为45.2%～65.3%,平均为53.9%;黏土矿物含量为10.4%～39.1%,平均为23.8%;碳酸盐矿物含量为8.2%～20.0%,平均为12.5%。根据页岩岩相划分方案[14],本次选取的优质页岩样品以富有机质硅质页岩为主。总的来说,石英矿物含量占比最高,碳酸盐矿物含量占比最低,页岩脆性矿物含量介于58.2%～85.3%,平均高达66.3%,显示该地区深层优质页岩良好的脆性,这对后期水力压裂改造十分有利。
表1 川南深层龙马溪组龙一1亚段优质页岩样品基本信息
1.2 孔隙类型及形态特征
通过FE-SEM实验,可以直观地对页岩孔隙类型及形态特征进行观察。页岩作为有机—无机复合体,其孔隙类型可划分为有机孔、无机孔和微裂缝。
龙马溪组优质页岩中广泛发育有机质孔隙,其中以蜂窝状气泡孔最为常见(图1a),是连通性最好的一种孔隙类型。有机质—黏土复合体在页岩样品中也能见到,表现为有机质吸附在黏土矿物的狭缝孔隙中,并在层间结构内顺层发育连续的椭圆状孔隙(图1b),与黏土相关的有机质孔隙往往非常发育,这与黏土矿物在生烃过程中的催化作用有关[15]。另外黄铁矿常常与有机质孔隙共生,表现为有机质在多个黄铁矿集合的粒间孔中被包围起来。由于黄铁矿具有良好的支撑性,因此此类有机质孔隙能够很好地保存,多呈圆状(图1c)。
图1 川南深层龙马溪组龙一1亚段优质页岩储层孔隙不同类型孔隙发育形态
无机孔隙主要包括粒间孔、粒内孔和微裂缝等。黏土矿物多为层状结构,在镜下经常见到层间粒内孔隙,在层间缝隙之中,有时被有机质充填(图1d)。可见无机矿物中的溶蚀孔(图1e),此类孔隙通常对页岩气的储集和传输能力贡献较小。另外,在一些矿物颗粒之间以及有机质与矿物的接触界面处,可以观察到微裂缝的发育(图1f),通常是由于矿物颗粒之间未紧密接触以及有机质生烃收缩后引起的。
1.3 孔隙结构特征
联立CO2、N2和高压压汞实验可对页岩储层孔隙结构进行全孔径表征。实验结果表明,龙一1亚段深层优质页岩样品的微孔孔径分布具体表现为三峰的特征,纳米孔隙主要发育在0.5～0.6、0.8～0.9、1.6～1.7 nm 3个孔径区间内(图2a),以0.9 nm以下的微孔为主;中孔的孔径分布具体表现为双峰的特征,纳米孔隙主要发育在2～20 nm和30～40 nm2个孔径区间内(图2b),以20 nm以下的中孔为主;宏孔的孔径分布具体表现为三峰的特征,纳米孔隙主要发育在50～70、130～150 、200～230 nm3个孔径区间内,以150 nm以下的宏孔为主(图2c)。其中,微孔孔体积占比介于19.1%～23.5%,平均占比为21.8%;中孔孔体积占比介于62.5%～69.7%,平均占比为66.4%;宏孔孔体积占比介于7.0%～18.4%,平均为11.8%(图2d)。由此可见,川南深层优质页岩样品的孔体积主要由中孔提供,其次是微孔,宏孔的贡献占比最少。
图2 川南深层龙马溪组龙一1亚段优质页岩微孔(a)、中孔(b)和宏孔(c)孔径分布特征及孔体积占比(d)
1.4 深浅层页岩储层特征对比
前人通过对深层页岩与中浅层页岩相比研究发现,深、浅层页岩的孔隙类型及形态特征基本一致,但孔隙结构特征有一定的差异[16-18]。在脆性矿物和高压联合作用下,深层页岩(X2井、LZ1井、D1井、XY1井和DYS2井等)的储层孔隙保持度仍然较好,有机质孔孔隙形态圆度较高,多呈圆形或椭圆形,与中浅层页岩(JY2井、Y201、Y203和J1井等)的储层孔隙差别不大;页岩储层孔隙度与埋深的关系并不明显,深、浅层均可发育高孔优质页岩储层。孔隙结构方面,深、浅层页岩的中孔孔隙结构参数均为最高,明显大于微孔和大孔,是页岩储层孔体积的主要贡献者,但深层页岩(LZ1井和D1井)与中浅层页岩孔隙(Y201井、Y203井和J1井)相比,具有中孔体积更高的特征。
另外,前人研究指出,深、浅层页岩气的含气结构存在明显差异,深层页岩气中游离气的占比会更高,大致介于60%～90%[2,4,19],使得深层页岩气的赋存以游离气为主。因此,从孔隙结构特征和页岩气赋存方式2个方面来说,游离气传输机制的研究尤为重要。
2 页岩纳米孔气体传输特征
2.1 页岩游离气传输机理
页岩气通常可以在侧向上发生短距离的运移[20]。下部优质页岩有机质孔发育,孔隙连通性好,含水饱和度低,在构造形态的控制下,由于温压差的作用,页岩气可以在侧向上沿着连通有机质孔隙网络和层理缝短距离的运移或散失,一定程度上影响了页岩气的富集[21-22]。
根据页岩气气体分子与页岩储层孔隙界面碰撞作用的强烈程度,可以按甲烷气体的克努森数将页岩气传输方式划分为达西流、滑脱流、过渡流、克努森扩散等。克努森数的大小由气体分子的平均自由程和纳米孔的特征长度的比值确定,克努森数的计算公式为:
(1)
式中:Kn为克努森数,无因次;λ为气体分子的平均自由程,nm;d为纳米孔隙的特征长度,通常取纳米孔隙的直径,nm。
考虑到真实气体效应,真实气体的分子平均自由程表示为:
(2)
式中:η为气体黏度,Pa·s;P为气体压力,MPa;Z为气体压缩因子,无因次;R为气体常数,8.314 J/(mol·K);T为地层温度,K;M为气体摩尔质量,g/mol,本研究取16 g/mol。
根据克努森数的划分标准,当Kn小于10-3时,孔隙内部的相互作用以气体分子间的碰撞占绝对主导,即孔隙直径明显大于气体的平均分子自由程,流动方式为达西流;当10-3
2.2 深层页岩游离气传输特征
页岩纳米孔隙中的甲烷气体的体相传输机理主要受地层温压条件和孔径的影响,其中气体分子的平均自由程主要受甲烷气体压力的控制。根据典型页岩气藏开发过程中的纳米孔隙范围(2～1 000 nm)和地层压力(1～50 MPa),可计算出对应克努森数的范围为0.000 2～6,从而将页岩游离气在有机质纳米孔隙中的主要传输机理划分为达西流、滑脱流和过渡流(图3)[9,26]。
图3 四川盆地龙马溪组典型页岩气藏开发条件下的主要传输机理[9]
在开发条件下的气体传输机理图版中,由于气藏压降的原因,仅气体压力作为变量,影响了气体在不同尺度孔隙中的传输机理。但是在地质条件下,温压条件主要受地层埋深和保存条件的影响,因此地质条件下的页岩气传输机理应着重关注地层原位温压条件以及不同传输机理在页岩中存在的临界孔径。以川南永川—丁山深层区块为例,分析深层页岩游离气传输特征。永川—丁山地区龙马溪组优质页岩地层埋深主要为3700～4500m,压力系数主要介于1.7～2.2[27-30]。地温梯度取30 ℃/km,取地层埋深4 000 m,压力系数取2.2,则地层温度为408.15 K,地层压力为88 MPa。在此地层条件下,计算了不同孔径中真实甲烷气体的体相传输特征(图4)。该温压条件下,页岩游离气传输特征表现为:4.2 nm以下为过渡流;4.2～420 nm为滑脱流;420 nm以上为达西流(图4)。因此,川南深层页岩游离气渗流特征主要表现为过渡流、滑脱流和达西流。
图4 四川盆地永川地区页岩纳米孔甲烷游离气流动方式与孔径的关系
2.3 全盆地页岩游离气传输特征
通过文献调研,本文统计了四川盆地龙马溪组60口页岩气井的埋深及地层压力系数[2,22,31-32]。总的来说,随着地层埋深的增加,地层压力系数呈现随之增高的趋势,龙马溪组地层埋深的统计范围为763～5 969 m,地层压力系数为0.9～2.3。
页岩气藏可以划分为多种类型,比如根据埋藏深度可以划分为4种类型:浅层页岩气(<2 000 m)、中层页岩气(2 000～3 500 m)、深层页岩气(3 500～4 500 m)和超深层页岩气(>4 500 m);根据地层压力系数可以进一步划分为低压页岩气(<0.9)、常压页岩气(0.9～1.3)、超压页岩气(1.3～1.8)和超高压页岩气(>1.8)。根据统计的页岩气井数据来看,目前四川盆地龙马溪组主要的页岩气藏有以下8类:浅层常压页岩气藏、中层常压页岩气藏、浅层超压页岩气藏、中层超压页岩气藏、深层超压页岩气藏、中层超高压页岩气藏、深层超高压页岩气藏和超深层超高压页岩气藏。其中,常压页岩气、超压页岩气、超高压页岩气的平均地层压力系数分别为1.0～1.1、1.4～1.5和2.0～2.1。
在页岩游离气传输机理与储层孔径分布的基础上,建立了全盆地页岩游离气传输图版(图5)。与开发条件下的页岩游离气传输图版(图3)相比,图3更多的是关注某一具体气藏在开发过程中,由于生产压降的影响,强调了压力的变化对不同孔径纳米孔中游离气传输方式的控制。但是在地质条件下,某一深度页岩气层的温压条件是不变的,只需要关注不同传输方式对应的临界孔径,比如图4给出的具体埋深和温压条件下页岩游离气存在的传输方式及临界孔径。因此,图5集合了从浅层到超深层、从常压到超压全盆地页岩气层的情况,建立了从地质角度动态分析全盆地页岩游离气传输特征的图版。
图5 四川盆地龙马溪组页岩全盆地页岩游离气传输模板
如图5所示:①全盆地页岩游离气的传输方式均为过渡流、滑脱流和达西流这3类;②浅层页岩气可能只存在滑脱流和过渡流,这与浅层页岩气温压较低有关;③随着地层埋深和压力系数的不断升高,3种传输方式对应的临界孔径逐渐下降。
3 页岩气传输能力动态表征
3.1 纳米孔气体传输微尺度效应
纳米孔微尺度效应对页岩气传输具有不可忽略的影响,具体包括真实气体效应、吸附层效应以及应力敏感效应[33]。
其一,高压条件下,气体分子间作用力导致理想气体的行为与真实气体的行为有较大差异,需采用气体压缩因子对气体行为进行校正,实际地层温压条件下的该参数可以通过美国气体物性软件REFPROP 计算得到。
其二,甲烷气体吸附层会占据游离气的传输空间,从而降低游离气传输的有效孔径,在微孔和较小的中孔中该效应尤为明显,则真实气体传输的纳米孔有效半径为:
r1=r-dmθ
(3)
式中:r1表示考虑吸附效应的纳米孔有效半径,nm;r表示孔隙半径,nm;dm表示甲烷气体分子直径,nm;θ表示真实气体覆盖度,无因次,约等于1。
其三,压力敏感效应导致不同埋深的页岩孔径在上覆有效应力的作用下被不同程度的压缩,考虑应力敏感效应的页岩有效孔径的计算公式为:
(4)
式中:r′表示考虑应力敏感效应的纳米孔有效半径,nm;pe表示有效应力,MPa;p0表示大气压,MPa;q表示页岩孔隙度系数,无因次,取0.04;s表示页岩渗透率系数,无因次,取0.08。
在考虑微尺度效应后,页岩游离气不同传输方式对应的临界孔径也有所变化。同样以川南永川地区地层温压条件为例,页岩游离气不同传输机理对应的实际临界孔径为4.2 nm和420 nm时,根据微尺度效应反推可以计算得到,页岩游离气体传输方式的边界条件为:孔径小于1.34 nm时,孔隙全部被吸附气堵死,为非渗流空间;发生过渡流的孔径范围为1.34～5.79 nm;滑脱流的孔径范围为5.79～491 nm;大于491 nm的孔径为达西流方式传输(图6)。由此可见,考虑微尺度效应之后,页岩整体的游离气传输空间下降,大部分微孔变成了非渗流空间,只能发生吸附气的表面扩散[34];不同传输方式对应的孔径范围也发生了改变,总的来说游离气的传输空间被压缩了。
图6 考虑微尺度效应后的四川盆地页岩游离气不同传输方式对应的孔径范围
3.2 页岩气传输方式动态演化
随着埋深的增加,地层温压条件不断增大,页岩游离气不同传输方式对应的临界孔径也随之发生变化。在前文统计的井数据基础上,首先建立了不同埋深条件下不同游离气传输方式对应临界孔径的动态演化图(图7)。如图7所示,随着地层埋深增加,不同传输方式对应的临界孔径随之降低,具体表现为3个阶段:0～1 000 m,该阶段临界孔径迅速降低;1 000～3 500 m,该阶段临界孔径缓慢降低;3 500 m以深阶段,临界孔径平缓不变。此外还可以注意到,在接近地表条件下,页岩纳米孔隙中以滑脱流和过渡流为主,几乎没有达西流发生。另外,超压情况下不同传输方式的临界孔径会进一步下降。
图7 四川盆地不同埋深条件下页岩地层纳米孔隙游离气不同传输方式对应的临界孔径
在临界孔径随埋深动态变化的基础上,本文进一步计算了页岩游离气不同传输方式占比随埋深变化的动态演化情况(图8)。如图8所示,在1 500 m以浅的地层条件下,页岩纳米孔隙中游离气传输以过渡流为主,最高占比可达63.0%,其次是滑脱流,几乎无达西流;中深层(埋深大于2 000 m)游离气传输则是以滑脱流为主,最高占比可达67.3%,其次为过渡流,达西流占比不超过2%。虽然孔隙结构和临界孔径的计算结果表明有一部分百纳米级的孔隙可以发生达西流,但该区间孔隙体积占比非常少,且深层页岩的孔隙体积主要由中孔和微孔提供,因此在页岩纳米孔隙中很难发生达西流。3.3 页岩气传输能力动态演化
图8 四川盆地不同埋深页岩纳米孔游离气不同传输方式占比
由前文分析可知,深层页岩气传输方式中连续流占比明显增加,一定程度上增加了页岩游离气的传输能力,而同时由于微尺度效应,深层页岩气的传输能力又可能会受到抑制。本小节参考页岩气纳米孔游离气传输模型[12],结合页岩样品孔隙结构数据,计算并探讨了不同埋深条件下页岩游离气传输能力的动态演化规律。为方便对比,单孔游离气连续流、扩散流、过渡流传输量均简化为无因次量,最后根据孔隙结构数据进行加权求和得到总的无因次传输量,具体计算过程参考文献[12]。
计算结果如图9所示,页岩游离气传输能力随埋深的增加先迅速降低,之后保持平缓不变。具体表现为中深层(埋深大于2 000 m)页岩游离气的传输方式以滑脱流为主,但传输能力相对更低;浅层页岩游离气(埋深小于2 000 m)的传输方式以过渡流为主,更加接近于气体扩散,但传输能力相对更高,这可能主要是上覆有效应力的变化造成的。大量的页岩覆压渗透率实验[35-37]正好与本文计算的动态演化规律相吻合,也证实了这一点。
图9 四川盆地不同埋深条件下页岩游离气传输能力动态演化规律
4 讨论
深层页岩气和常压页岩气具有巨大的资源潜力,是页岩气勘探开发未来的攻关方向。本文分析了川南深层页岩的孔隙结构,明确了深层页岩的中孔更加发育,展现出良好的孔隙结构特征和储气能力;同时也揭示了深层页岩游离气的传输特征及从深层到浅层过渡的动态演化规律,对深层页岩气乃至浅层常压页岩气的勘探和开发工作均具有一定的启示作用。
从勘探的角度来说,深层页岩发育良好的游离气储集空间,含气结构好,游离气占比高,同时页岩游离气传输能力较弱,与浅层相比,深层游离气散失速度更慢。川东南綦江丁山区块DY2、DY4、DY3、DY1井埋深逐渐变浅,页岩气传输速率依次增强,游离气散失量越来越大,导致页岩含气性越来越差[38]。总的来说,深层页岩气资源丰度更高,理论上具备更好的勘探前景。与深层页岩气相比,浅层页岩游离气传输能力更强,散失速度更快,这也是导致浅层页岩气游离气占比低以及页岩气藏多发育常压或弱超压的原因之一。川东南盆缘常压页岩气藏经历多期复杂构造运动,保存条件是影响页岩含气性差异的关键因素,目前已形成的常压页岩气富集模式均是在有利于页岩气保存的构造样式上建立的[39],因此浅层页岩气的勘探要更加注重保存条件的评价。
从开发的角度来讲,深层页岩气传输方式以滑脱流为主,渗流特征更加明显,是压裂后形成高产的原因之一,但由于埋藏深,上覆岩石压力大,生产压降快,因此工程施工难度更高,需要合理控制地层压力,防止早期大压差生产对后期带来的不利影响。浅层页岩游离气虽然传输能力较强,但传输方式以更接近扩散的过渡流为主,同时以吸附气为主,因此从该方面很难提升开发效果,建议针对吸附气的吸附/解吸机理,从动用更多吸附气的角度设计浅层页岩气开发方案。
5 结论
(1)深层页岩储层类型及形态特征与浅层页岩区别不大,但深层页岩储层的中孔相对更加发育,孔体积占比为62.5%～69.7%。
(2)深层页岩游离气传输方式为过渡流、滑脱流和达西流,永川地区页岩游离气传输对应的临界孔径为4.2 nm和420 nm,即孔径在4.2 nm以下的孔隙发生过渡流,孔径为4.2～420 nm的孔隙发生滑脱流,孔径大于420 nm的孔隙发生达西流。对四川盆地页岩气井进行了数据统计,建立了地质条件下的全盆地页岩游离气传输图版。
(3)随埋深增加,页岩游离气传输方式发生转变,即浅层页岩游离气传输以过渡流为主,最高占比达63.0%,中深层页岩游离气传输以滑脱流为主,最高占比达67.3%;随埋深增加,页岩游离气传输能力也随之降低,即浅层页岩游离气传输能力更强,过渡到中浅层传输能力迅速下降,随后基本保持稳定。
利益冲突声明/Conflict of Interests
所有作者声明不存在利益冲突。
All authors disclose no relevant conflict of interests.
作者贡献/Authors’Contributions
万成祥、薛子鑫、杜伟、常佳琦参与论文的总体构思;万成祥、郭旭升、申宝剑参与论文写作和修改。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。
The study was designed by WAN Chengxiang,XUE Zixin,DU Wei and CHANG Jiaqi. The manuscript was drafted and revised by WAN Chengxiang, GUO Xusheng and SHEN Baojian. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.
