裂縫性致密砂巖儲層氣體傳質實驗

摘 要

摘要：致密砂巖儲層天然氣投產一般需要采取水力壓裂等增產措施。由于天然氣在產出過程中需要通過致密基塊-天然裂縫-水力裂縫等多尺度介質，故而在滲流中存在多尺度效應，需要經過
摘要：致密砂巖儲層天然氣投產一般需要采取水力壓裂等增產措施。由于天然氣在產出過程中需要通過致密基塊-天然裂縫-水力裂縫等多尺度介質，故而在滲流中存在多尺度效應，需要經過一系列串聯耦合過程，其中任何一個環節都可能影響天然氣的高效產出。為此，通過自行設計“串、并聯”氣體傳質實驗方法及裝置，探討了裂縫寬度、裂縫-基塊的配置關系等對致密砂巖氣體傳質效率的影響。“并聯”氣體傳質實驗表明，裂縫寬度是影響氣體傳質效率的關鍵參數，相同數量級裂縫寬度的天然裂縫傳質效率高于人工裂縫。裂縫-基塊巖樣“串聯”氣體傳質實驗表明，裂縫-基塊多尺度配置關系中，裂縫-基塊-裂縫的配置關系最優，氣體傳質效率最高。結論認為，合理開發致密砂巖氣藏需貫徹“儲層保護與改造并舉”的方針，實現致密基塊-天然裂縫-水力裂縫的合理配置，才能有效開發致密砂巖氣藏。
關鍵詞：致密砂巖；儲集層；壓裂；裂縫(巖石)；多尺度；傳質；配置關系
    我國致密砂巖天然氣資源豐富，勘探開發前景廣闊[1]。近年來，隨著勘探開發技術的進步，欠平衡鉆井、水平井、大型水力壓裂等技術的成功運用，將致密砂巖天然氣的勘探開發推向一個新高潮[2]。但是對致密砂巖天然氣的產出機理研究目前仍然處在探索階段，已有的研究表明致密砂巖天然氣的產出存在其特殊性，需要通過致密基塊-天然裂縫-水力裂縫等多尺度介質，氣體在致密儲層中流動存在多尺度效應[3]，很難用唯一的流動層次來描述流動特征[4]。
    致密砂巖儲層微裂縫發育，基塊和裂縫的空間配置關系是氣體高效產出的關鍵。致密砂巖氣井一般經壓裂改造投產，在儲層中形成高輸運能力的水力裂縫。致密砂巖儲層滲濾空間由致密基塊孔喉、天然裂縫和水力裂縫組成，表現出多層次性[6]。按尺度分為致密基塊孔隙尺度、天然裂縫尺度、水力縫尺度以及宏觀氣井尺度[7]。致密基塊與天然裂縫配置關系及傳質、天然裂縫與水力裂縫的配置關系及傳質，跨尺度之間的傳遞方式將是影響致密天然氣高效產出的決定因素，有必要深入細致地研究多尺度之間的關聯、優化配置關系等對氣體高效產出的影響。筆者通過相似原理，選取典型致密砂巖真實巖樣，設計致密基塊與裂縫巖樣的配置關系、天然裂縫與人工裂縫的配置關系，實驗研究致密砂巖天然氣在多尺度條件下的產出機理。
1 致密砂巖儲層多尺度地質特征
    致密砂巖儲層中自生黏土礦物發育，含量比常規儲層高，致密砂巖的極低滲透性很大程度上可直接歸因于黏土礦物的作用。種類豐富的各類黏土礦物充填孔隙空間以及占據顆粒表面，形成大量的晶間納微孔隙，晶間微孔本身即是孔隙又是喉道。致密砂巖孔隙和喉道的幾何形狀、大小、分布及其相互連通關系十分復雜，其納微結構多樣，其喉道類型主要以片狀、彎片狀、管束狀喉道為主。致密儲層天然微裂縫一定程度發育，構造微裂縫、解理縫、層面縫等，裂縫極大地改善了致密儲層的滲流條件，為致密砂巖氣藏的高效開發提供良好的基礎。致密砂巖儲層滲濾空間由致密基塊孔喉、天然裂縫組成，孔喉半徑10-8～10-4m，距離10-5～10-1m，天然裂縫縫寬10-6～10-4m，縫長10-2～10m，空間尺度跨度10-8～10m。
致密砂巖氣藏多采取壓裂投產，通過人工縫改善天然氣的流動條件，因而致密儲層存在致密基塊-天然裂縫-水力裂縫多尺度流動空間(圖1)，天然氣產出經過多尺度介質一系列串聯耦合過程，氣體在其中的產出過程歷經解吸、擴散、滲流等方式[5]。
 

2 致密砂巖天然氣傳質實驗模擬
    致密砂巖氣在儲層中高效傳質離不開裂縫快速通道，而致密基塊是裂縫的有效供氣儲備也是制約致密砂巖氣在儲層中能否高效傳質的瓶頸。尋求裂縫網絡與基塊的一種合理配置，讓致密砂巖氣體在儲層中以最優的空間配置關系產出，將極大地提高致密砂巖氣的開發效果。
2.1 實驗設計
致密砂巖儲層中裂縫和基塊的滲流能力相差極大，致密砂巖天然氣在致密儲層中的傳質將受制于裂縫與基塊在空間上的配置關系，實驗設計了“串、并聯”兩類基塊-裂縫配置關系(圖2)。
 
    選取四川盆地中部某典型致密砂巖氣藏實取巖心，基塊巖樣滲透率級別分別為0.001、0.01、0.1mD，選用致密巖樣人工造縫，裂縫寬度控制在5～30μm。
2.2 天然裂縫-人工裂縫巖樣“并聯”氣體傳質實驗
實驗結果如表1所示，天然裂縫巖樣裂縫寬度7.55μm，大于天然裂縫寬度的巖樣傳質能力強于天然裂縫，但是隨著驅替壓差的增加，人工裂縫巖樣相對于天然裂縫巖樣傳質能力下降，最高降低47.56%。相同數量級寬度的人工縫與天然縫，人工縫傳質能力弱于天然縫，人工縫傳質能力是天然縫的82%～89%。
 

2.3 致密基塊-裂縫巖樣“串聯”氣體傳質實驗結果
    致密砂巖氣的高效產出與裂縫的分布、產狀、密度等有著很大的聯系，開發實踐表明，致密儲層天然裂縫發育則其自然產能高，也為后期的壓裂改造提供了良好的基礎。天然裂縫與致密基塊的配置關系直接影響致密天然氣的高效產出，基塊與裂縫的配置關系多樣，根據致密砂巖儲層多尺度地質特征，模擬裂縫-基塊配置中氣體傳質過程，設計了3種配置關系：F-F-M、M-F-F、F-M-F(M為基塊巖樣，F為裂縫巖樣)。
基塊物性不變，變換裂縫-基塊配置關系，對比各個配置關系傳質效率，表2實驗結果表明：F-F-M配置關系傳質效率最低，以F-M-F配置關系傳質效率最優。實驗數據統計表明：F-M-F配置傳質效率是F-F-M配置的10～16倍，M-F-F配置傳質效率是F-F-M配置的1～13倍。
 

3 分析討論
    “并聯”傳質實驗中，裂縫寬度是影響致密砂巖天然氣傳質的關鍵參數，裂縫寬度越大其傳質效率越高。在天然裂縫-人工裂縫并聯傳質實驗中，裂縫寬度相近的兩類裂縫，人工裂縫傳質效率低于天然裂縫。分析認為，由于人工裂縫縫面屬于新鮮斷面，有較多的可動微粒，隨著驅替壓差的增加，氣體流速增大，參與運移的微粒增多，部分微粒在縫面狹窄處沉積、堵塞，使得裂縫滲流能力大幅降低；另外實驗過程是采取的連續變驅替壓力，圍壓不變的方式，在長時間的圍壓(3MPa)條件下，由于有效應力的時間效應[8]，無支撐的人工裂縫寬度相應降低，而天然裂縫經過漫長的地質演化，天然縫縫面間有膠結物、顆粒支撐，抗應力敏感能力強于天然縫，裂縫寬度變化相應較小，其滲流能力降低幅度小。
    致密砂巖天然氣產出需要經歷基塊孔喉-天然裂縫-水力裂縫一系列串聯耦合過程，其中任何一個環節都可能影響致密砂巖天然氣的高效產出，各個尺度的耦合對致密砂巖氣的產出起到控制作用。由于致密基塊是天然氣的“儲氣庫”，為天然氣產出提供物質保障；天然縫與“儲氣庫”連通，致密砂巖氣將及時有效的傳輸至人工縫；人工縫與井筒的有效勾通，又極大地提高了致密砂巖氣產出效率。多尺度介質的合理有效配置將是致密砂巖氣高效產出的決定因素。“串聯”傳質實驗中，F-M-F配置關系傳質效率最高。M-F-F配置關系中，雖然傳質效率也比較高，但是由于致密砂巖氣在裂縫中傳質和基塊中傳質是數量級的差別，基塊中致密砂巖氣主要以擴散、滲流的方式首先向裂縫傳質，而基塊的供氣速度遠達不到裂縫的傳質能力，供氣不足造成其傳質效率仍然不高。
4 結論
    1) 裂縫性致密砂巖儲層存在致密基塊-天然裂縫水力裂縫等多尺度介質，天然氣產出需要經歷基塊孔喉-天然裂縫-水力裂縫等一系列串聯耦合過程，合理有效的基塊-裂縫配置關系將是致密砂巖氣高效產出的決定因素。
    2) 通過建立致密砂巖儲層多尺度地質模型，根據相似原理，創建“串、并聯”基塊-裂縫巖樣的配置關系模型，實驗模擬了致密砂巖天然氣的產出過程，為深入研究致密砂巖天然氣產出機理提供理論基礎。
    3) 裂縫巖樣“并聯”氣體傳質實驗表明，裂縫寬度是影響氣體傳質效率的關鍵參數，天然裂縫傳質效率高于人工裂縫；裂縫-基塊巖樣“串聯”氣體傳質實驗揭示出，裂縫-基塊多尺度配置關系中，F-M-F配置關系最優，氣體傳質效率最高。
    4) 致密砂巖儲層天然裂縫不同程度地發育，表現出宏觀-微觀多尺度結構復雜性，建議氣藏開發以“儲層保護與改造并舉”的方針，實現致密基塊-天然裂縫-水力裂縫合理配置，經濟有效開發該類氣藏。
參考文獻
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[7] 李前貴，康毅力，羅平亞.致密砂巖氣藏的時間尺度和空間尺度分析[C]∥程林松，單文文.資源、環境與滲流力學——第八屆滲流力學學術討論會論文集.北京：中國科學技術出版社，2005：186-192.
[8] 康毅力，李前貴.多尺度科學及其在油氣田開發中的應用研究[J].西南石油大學學報，2007，29(5)：177-180.
 
(本文作者：楊建1，2 康毅力1 王業眾2 郭華璋3 1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學；2.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院；3.四川大學)