方朝合, 黃志龍 王巧智, 游利軍, 康毅力, 王義鳳

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249; 2. 國(guó)家能源頁(yè)巖氣研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心, 河北 廊坊065007; 3. 中國(guó)石油集團(tuán)非常規(guī)油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 廊坊 065007; 4. 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西南石油大學(xué), 四川 成都 610500)

0 引 言

頁(yè)巖氣具有自生自?xún)?chǔ)、儲(chǔ)量巨大的特點(diǎn), 隨著開(kāi)發(fā)技術(shù)的日益完善, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者日益關(guān)注頁(yè)巖氣的研究。資源評(píng)價(jià)表明, 全世界的頁(yè)巖氣資源量大約等于煤層氣與致密砂巖氣資源量的總和[1–3]。研究發(fā)現(xiàn), 頁(yè)巖儲(chǔ)層較為致密, 其孔隙度普遍小于 5%,束縛水飽和度一般超過(guò) 60%。筆者對(duì)中國(guó)石油頁(yè)巖氣示范區(qū)巖芯(油基泥漿條件下取芯)的測(cè)試發(fā)現(xiàn),富含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層初始含水飽和度皆在 50%以下, 富氣頁(yè)巖儲(chǔ)層歷經(jīng)埋藏和生烴/排烴階段的脫水過(guò)程,形成了超低含水飽和度, 即Swi ＜＜ Swirr(最大束縛水含水飽和度)的現(xiàn)象, 較大厚度的泥頁(yè)巖蓋層和較高壓力天然氣的存在對(duì)超低含水飽和度的保持起到相當(dāng)重要的作用[4–7]。干涸狀態(tài)下的頁(yè)巖孔隙吸水動(dòng)力強(qiáng), 工作液接觸到巖石表面后, 立即在毛管力下自吸進(jìn)入儲(chǔ)層, 致使侵入的工作液滯留裂縫面或近井帶, 導(dǎo)致近井帶或裂縫面附近儲(chǔ)層中水飽和度增加, 頁(yè)巖儲(chǔ)層氣相滲透率降低, 嚴(yán)重影響氣體產(chǎn)出,使氣層表現(xiàn)為低阻, 測(cè)試低產(chǎn)或無(wú)產(chǎn), 影響氣藏及時(shí)發(fā)現(xiàn)或準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。寧201-H1、威201-H1和YSH1-1均不同程度地出現(xiàn)了井壁垮塌現(xiàn)象, 我國(guó)先期開(kāi)發(fā)的威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧、昭通多口頁(yè)巖氣井壓裂規(guī)模較大, 6個(gè)月內(nèi)返排率僅為12%～55%, 筆者認(rèn)為均與該現(xiàn)象的存在有關(guān)。

本研究擬以川渝露頭頁(yè)巖為例, 通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)頁(yè)巖氣藏的生烴充注排液過(guò)程中水的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行初步探索, 結(jié)合地質(zhì)因素對(duì)頁(yè)巖超低含水飽和度的成因加以討論, 揭示頁(yè)巖超低含水飽和度形成的必然性, 探討頁(yè)巖超低含水飽和度對(duì)勘探開(kāi)發(fā)的啟示。

1 氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)?zāi)M

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

氣驅(qū)水室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M采用裝置如圖1。

1.1.1 氣驅(qū)水

模擬生烴充注排水過(guò)程[8], 在常溫及高溫條件下, 開(kāi)展基塊、裂縫巖樣氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn), 分析驅(qū)替過(guò)程對(duì)含水飽和度的影響。選取 4塊川渝露頭頁(yè)巖(CT7-25B、CT5-13、YY2-3-2和 YY2-4-6), 對(duì)比研究實(shí)驗(yàn)前后含水飽和度變化。

實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1) 將選取的巖樣進(jìn)行干燥稱(chēng)重后測(cè)量其直徑、長(zhǎng)度和孔隙度;

(2) 將巖樣抽真空后飽和地層水稱(chēng)重, 計(jì)算出含水飽和度;

(3) 設(shè)定實(shí)驗(yàn)圍壓3 MPa, 在室溫下, 用1 MPa氮?dú)怛?qū)30 h后稱(chēng)重, 累計(jì)驅(qū)至60 h再次稱(chēng)重, 計(jì)算含水飽和度;

(4) 將巖芯加熱到 70 ℃繼續(xù)用 1 MPa的氮?dú)怛?qū)累計(jì)至90 h, 120 h再次稱(chēng)重, 計(jì)算含水飽和度;

(5) 記錄每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的氣測(cè)滲透率。

1.1.2 氣攜液

氣體在運(yùn)移過(guò)程中存在較強(qiáng)的攜液能力, 隨著埋深的增加, 地層溫度逐漸增加, 熱裂解氣汽化攜液作用愈發(fā)強(qiáng)烈[9–10]。頁(yè)巖孔縫中的液體以氣態(tài)水的形式被攜帶出來(lái), 實(shí)驗(yàn)設(shè)定圍壓 3 MPa, 通過(guò)出口端干燥瓶前后的質(zhì)量差分別計(jì)算不同氣驅(qū)壓力下(0.5 MPa、1 MPa、3 MPa、5 MPa)不同溫度(15 ℃、40 ℃、55 ℃、70 ℃)的攜液能力, 分析氣攜液對(duì)含水飽和度的影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram showing experiment process and device

1.2 氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)結(jié)果

氣驅(qū)過(guò)程中頁(yè)巖含水飽和度變化情況見(jiàn)表 1。不同溫度壓力條件下氣體攜水能力見(jiàn)表2。

2 生烴環(huán)境對(duì)超低含水飽和度形成的影響

天然氣大量生成及聚集成藏影響頁(yè)巖氣藏超低含水飽和度的形成, 伴隨烴類(lèi)生成、運(yùn)移及聚集, 烴源巖及儲(chǔ)集巖中地層水不斷地被天然氣所排替。四川盆地志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)碳含量較高, 達(dá)0.5% ～ 2.4%;熱演化程度高,Ro為 2.5% ～ 4.0%; 生烴強(qiáng)度大, 為75×108～ 275×108m3/km2, 具備頁(yè)巖氣大量生成的地質(zhì)條件, 天然氣不斷生成并在氣藏內(nèi)聚集。資源評(píng)價(jià)表明, 四川盆地志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣資源豐度達(dá)2.7×108～ 5.5×108m3/km2, 烴源巖的生烴強(qiáng)度與石油資源豐度之差存在對(duì)數(shù)關(guān)系, 兩者之關(guān)系暗示著排烴量。

石油資源豐度與烴源巖的生烴強(qiáng)度之間的關(guān)系式為:

y為評(píng)價(jià)單元的石油地質(zhì)資源豐度(×104t/km2),x為烴源巖的生烴強(qiáng)度(×104t/km2)。

從關(guān)系式中可以看出, 僅有一小部分烴得以保存, 絕大部分烴被迫進(jìn)行排液。同時(shí), 該區(qū)域龍馬溪組頁(yè)巖的厚度為150 ～ 550 m, 沉積厚度大, 不僅可以作為良好的儲(chǔ)集層, 而且也可以作為有效蓋層,為超低含水飽和度的保存提供了有利條件[11–14]。

2.1 裂縫對(duì)超低含水飽和度影響

油氣藏流體在儲(chǔ)層不同空間尺度中的流動(dòng)具有時(shí)間效應(yīng), 在裂縫中流動(dòng)較快, 在孔隙和喉道中流動(dòng)較慢, 裂縫不僅是連通孔隙與裂縫、裂縫與裂縫及孔隙與孔隙的樞紐, 裂縫或微裂縫還是重要的滲流通道, 水可以沿裂縫通道發(fā)生運(yùn)移[15]。頁(yè)巖基塊孔喉細(xì)小, 毛管壓力高, 束縛或滯留水能力強(qiáng), 表現(xiàn)為基塊致密、微裂縫發(fā)育。斷裂、裂縫的發(fā)育程度和分布特征對(duì)于泥頁(yè)巖中頁(yè)巖氣的聚集成藏和氣水運(yùn)移具有重要地質(zhì)意義。

具有低泊松比、高彈性模量、富含有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖層段在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中屬于非常好的滑脫層, 川東南地區(qū)受燕山運(yùn)動(dòng)后期的應(yīng)力扭轉(zhuǎn)作用, 形成了大量的“S”型或“弧形”斷裂, 易產(chǎn)生構(gòu)造縫和滑脫縫。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)擠壓形成的裂縫不僅可為頁(yè)巖氣提供充足的儲(chǔ)集空間, 而且成為水的滲濾通道, 大幅度提高排液效率。天然裂縫的存在, 顯著提高了生烴排液能力。四川盆地頁(yè)巖裂縫發(fā)育, 宏觀上可見(jiàn)較多由構(gòu)造活動(dòng)引起的高角度裂縫和網(wǎng)狀交叉縫(圖 2a),微觀下可見(jiàn)較多由封存烴類(lèi)流體壓力值突破本身封閉條件產(chǎn)生的層理縫和微裂縫(圖2b, 圖2c)。

表1 氣驅(qū)過(guò)程中頁(yè)巖含水飽和度變化情況Table 1 Variation of water saturation in shale with the process of gas drive

圖2 四川盆地頁(yè)巖裂縫發(fā)育Fig.2 Diagrams showing shale fracture in Sichuan basin

表2 不同溫度壓力條件下氣體攜水能力(×10–7 g/cm3)Table 2 Water-carrying capacity (×10–7 g/cm3) of gas under different temperature and pressure conditions

川南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖巖屑中普見(jiàn)自形晶方解石和石英(1%～7%), 脆性較強(qiáng), 烴源巖在大量生烴期間, 干酪根的體積不斷減小, 之前由干酪根支撐的那部分有效壓應(yīng)力向孔隙流體轉(zhuǎn)移, 倘若不能及時(shí)排出流體就必然將產(chǎn)生異常高壓(龍馬溪組頁(yè)巖的壓力系數(shù)可達(dá) 1.4～1.89), 為超高壓含氣區(qū)域, 脆度極高的頁(yè)巖地層壓力突破巖石破裂極限強(qiáng)度產(chǎn)生大量復(fù)雜的斷裂、裂縫[16–18](圖3)。后生烴階段, 天然氣不斷生成, 烴類(lèi)流體由烴源巖向儲(chǔ)集巖中排驅(qū), 烴源巖不斷生烴(圖 3a), 產(chǎn)生異常高壓致使巖石破裂(圖 3b), 高壓地層流體從儲(chǔ)集巖中排驅(qū)(圖3c), 儲(chǔ)層壓力下降, 裂縫閉合(圖3d)。儲(chǔ)層會(huì)因?yàn)闊N源巖的再次生烴產(chǎn)生高壓, 不斷進(jìn)行“幕式排液作用” (a→b→c→d→a…d…a)。從表 1 可知, 常溫下氣驅(qū)后裂縫性頁(yè)巖的含水飽和度(75%～78%)小于基質(zhì)性頁(yè)巖(81%～87%)。裂縫性頁(yè)巖的排液量大于基質(zhì)頁(yè)巖, 頁(yè)巖成藏過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫提高頁(yè)巖滲透率, 考慮到裂縫這一條件, 所以頁(yè)巖成藏過(guò)程中在生烴排液作用下氣藏中超低含水飽和度能夠?qū)崿F(xiàn)。

2.2 溫度和排烴壓力對(duì)超低含水飽和度影響

在成巖作用后期, 天然氣的生成以熱裂解氣為主, 進(jìn)入熱裂解氣攜帶殘余水階段, 在高溫干燥天然氣排液作用下, 頁(yè)巖氣藏超低含水飽和度最終得以形成(圖4)。烴源巖達(dá)到生烴門(mén)限的值約為435 ℃,烴源巖生烴伴隨超壓、超高溫。頁(yè)巖氣生產(chǎn)核心區(qū)均伴隨不同程度的超壓。生烴增加了頁(yè)巖中天然氣的數(shù)量, 消耗一半含 10%干酪根的烴源巖即可產(chǎn)生10 MPa壓力[19–20], 形成高于地層壓力的排氣壓力,導(dǎo)致天然氣攜液沿著巖石的薄弱面產(chǎn)生小規(guī)模裂縫運(yùn)移, 加大了排烴攜液效率。超高溫是烴源巖正在生烴的標(biāo)志, 隨著埋深的增加, 地層溫度增加, 溫度每增加 10 ℃, 干酪根熱降解成烴的反應(yīng)速率增加一倍并與時(shí)間呈線性關(guān)系。

超壓、超高溫加大了熱裂解氣攜液的效率。針對(duì)蒸發(fā)與熱裂解氣攜液作用, 國(guó)外學(xué)者先后進(jìn)行過(guò)研究。Mahadevanet al.對(duì)飽和鹽水的巖芯進(jìn)行了氣驅(qū)替實(shí)驗(yàn), 隨著注入氣體積的增加氣相相對(duì)滲透率增大[21]; Dodsonet al.利用PVT筒第一次通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了在不同壓力和溫度條件下的攜液量, 認(rèn)為氣攜液速度隨著溫度增加而增加[22]; Grahamet al.通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)了北海油田的蒸發(fā), 結(jié)果顯示 195 ℃條件下, 蒸發(fā)作用損失了約40%的水[23]; Zuluagaet al.通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí), 水相蒸發(fā)速度隨氣體排驅(qū)速率增加而增加, 隨液相礦化度增加而降低[24]。Betteet al.研究了注入氣對(duì)巖芯中飽和水的攜液作用, 實(shí)驗(yàn)后這些巖芯中的水含量很低, 氣攜液量很高, 有的則完全被攜帶走[25]。

圖3 頁(yè)巖氣藏生烴排水模式Fig.3 Model showing hydrocarbon generation and drainage in shale gas reservoirs

圖4 生烴充注氣驅(qū)攜液概念模型及水的賦存狀態(tài)Fig.4 Conceptual model showing hydrocarbon generation, charging and water expulsion as well as water occurrence in gas reservoir

熱裂解氣攜液其實(shí)質(zhì)是一個(gè)氣-液相互作用過(guò)程, 高溫高壓條件下水在烴類(lèi)的溶解加大, 溶解與協(xié)同作用加大了氣攜液的速率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 70 ℃、5 MPa氣壓下的攜液能力是15 ℃、0.5 MPa氣壓下攜液能力的10.2倍(表2)。熱裂解氣汽化攜液作用增大了地層水被攜帶到上覆地層的可能性, 超高壓、高溫使頁(yè)巖氣藏超低含水飽和度的形成更為容易。

3 超低含水飽和度對(duì)頁(yè)巖氣藏勘探開(kāi)發(fā)的啟示

頁(yè)巖氣藏存在超低含水飽和度現(xiàn)象, 頁(yè)巖氣藏的初始含水飽和度小于束縛水飽和度, 延伸可動(dòng)孔喉范圍, 提高氣相滲流能力。但是, 如果開(kāi)采時(shí)溝通了水體或者外來(lái)流體侵入, 外來(lái)水會(huì)在毛管力的作用下迅速吸入頁(yè)巖儲(chǔ)層增加頁(yè)巖氣藏含水飽和度, 影響開(kāi)發(fā)效果。寧 201-H1、威 201-H1和YSH1-1均不同程度地出現(xiàn)了井壁垮塌現(xiàn)象; 威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧、昭通多口頁(yè)巖氣井壓裂規(guī)模越大, 返排難度非常大, 在鉆井液和增產(chǎn)措施作業(yè)水的冷卻作用下, 儲(chǔ)層接觸面附近會(huì)聚集更多的束縛水, 影響氣體產(chǎn)出。超低含水飽和度的地質(zhì)意義與工程意義見(jiàn)表3。

頁(yè)巖氣藏的超低含水飽和度現(xiàn)象影響頁(yè)巖氣的傳輸行為。頁(yè)巖氣藏與常規(guī)氣藏的孔隙分布有很大區(qū)別。非常規(guī)頁(yè)巖納米級(jí)孔隙發(fā)育, 孔隙直徑在幾納米到幾微米之間。特殊的孔隙結(jié)構(gòu)決定了具有特殊的滲流方式, 甲烷主要以吸附狀態(tài)賦存于頁(yè)巖基塊的微納孔隙中, 在一定壓力下處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài), 其產(chǎn)出機(jī)理遵循解吸-擴(kuò)散-滲流的過(guò)程, 即：從頁(yè)巖基塊孔隙表面解吸, 通過(guò)基塊和微孔隙擴(kuò)散到裂隙中, 以達(dá)西流方式經(jīng)裂隙流向井筒三個(gè)過(guò)程。超低含水飽和度對(duì)頁(yè)巖氣體傳輸能力的影響見(jiàn)表4。

表3 超低含水飽和度的地質(zhì)意義與工程意義Table 3 Summary of the geological and engineering significance ofutlra-low water saturation

表4 超低含水飽和度對(duì)頁(yè)巖氣體傳輸能力的影響Table 4 The ultra-low water saturation effects on shale gas transfer ability

4 結(jié) 論

(1) 氣驅(qū)物理模擬實(shí)驗(yàn)是研究超低含水飽和度成因的一種可行方法, 室內(nèi)開(kāi)展基塊、裂縫巖樣氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn), 成功地模擬生烴充注排水和熱裂解氣攜液過(guò)程, 證實(shí)了超低含水飽和度的存在。

(2) 裂縫與高溫環(huán)境加速了生烴充注排水與熱裂解攜液進(jìn)程。

(3) 超低含水飽和度可作為頁(yè)巖氣藏有利區(qū)評(píng)價(jià)的指南針, 促使中國(guó)頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)區(qū)”的勘探向“超低含水飽和度區(qū)”轉(zhuǎn)移。

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