頁巖氣藏流動機理與產(chǎn)能影響因素分析

摘 要

為研究氣體在頁巖儲層中的流動機理并分析影響頁巖氣藏產(chǎn)能的控制因素,基于廣泛的文獻調(diào)研,描述了頁巖氣在頁巖儲層中流動主要經(jīng)歷的3個過程:解吸附、擴散和滲流,分析了其影響因素和適用條件。

    為研究氣體在頁巖儲層中的流動機理并分析影響頁巖氣藏產(chǎn)能的控制因素,基于廣泛的文獻調(diào)研,描述了頁巖氣在頁巖儲層中流動主要經(jīng)歷的3個過程:解吸附、擴散和滲流,分析了其影響因素和適用條件。在此基礎(chǔ)上,利用數(shù)值模擬方法分析了吸附氣含量、Langmuir體積、Langmuir壓力、擴散系數(shù)、基質(zhì)滲透率、微裂縫滲透率和壓裂誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力等因素對頁巖氣水平井產(chǎn)能的影響情況。結(jié)果表明:天然氣地質(zhì)儲量保持不變時,隨吸附氣含量增高,水平井日產(chǎn)氣量和相同開發(fā)時間累積產(chǎn)氣量逐漸降低,地層平均壓力下降速度加快;相同吸附氣濃度條件下,隨Langmuir體積和Langmuir壓力的增加,水平井日產(chǎn)氣量和相同開發(fā)時間累積產(chǎn)氣量逐漸降低,初期產(chǎn)量遞減速度加快;氣體擴散系數(shù)對產(chǎn)能影響較?。?span lang="EN-US">④基質(zhì)滲透率介于1.0×10-91.0×10-6 mD時,基質(zhì)滲透率是控制水平井產(chǎn)能的主要因素,隨基質(zhì)滲透率增加,日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量迅速增加;基質(zhì)滲透率大于l.0×10-6 mD時,基質(zhì)滲透率和微裂縫滲透率均是控制水平井產(chǎn)能的主要因素,日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量隨基質(zhì)滲透率和微裂縫滲透率的增加而增加;隨壓裂誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力增加,水平井累積產(chǎn)氣量逐漸增加,累積產(chǎn)氣量增幅逐漸減小,壓裂誘導(dǎo)裂縫存在著最優(yōu)導(dǎo)流能力。

關(guān)鍵詞  頁巖氣  流動機理  解吸附  擴散  滲流  數(shù)值模擬  水平井  產(chǎn)能  影響因素

國內(nèi)在頁巖氣成藏機理、資源潛力等方面的研究已經(jīng)取得了一些進步[1-3],而針對氣體在頁巖儲層中的流動機理和產(chǎn)能影響因素分析方面的研究則相對較少。尤其是在頁巖氣藏產(chǎn)能影響因素分析方面,僅限于產(chǎn)能遞減曲線圖版和室內(nèi)物理模擬實驗[4-6]。因此,有必要研究氣體在頁巖中的儲層流動機理并分析影響頁巖氣藏產(chǎn)能的控制因素。

1  氣體在頁巖儲層中的流動機理

氣體在頁巖儲層中的流動主要經(jīng)歷3個過程[7]:吸附在頁巖儲層基質(zhì)表面的天然氣解吸附后形成自由氣存儲在基質(zhì)孔隙中,基質(zhì)孔隙中的自由氣(包括游離態(tài)、溶解態(tài)氣體和解吸附后形成的氣體)向低壓區(qū)(裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))擴散,天然裂縫和壓裂誘導(dǎo)裂縫中的自由氣以滲流的方式流向井底。以下分述之。

11  解吸附

頁巖氣藏與常規(guī)天然氣藏最主要的區(qū)別是部分天然氣以吸附狀態(tài)存儲于頁巖基質(zhì)中。氣體在頁巖儲層基質(zhì)顆粒表面上的吸附主要受溫度、壓力、吸附物(氣體類型和性質(zhì))、吸附體(儲層類型、比表面積、固體吸附能力)等的影響[8]。對于給定的頁巖氣藏,吸附體和吸附物性質(zhì)保持不變,氣藏內(nèi)溫度變化范圍較小,氣體吸附量是壓力的函數(shù)。在鉆井、完井和開采過程中,孔隙壓力下降,吸附在基質(zhì)顆粒表面的氣體開始解吸附。在平衡狀態(tài)和特定溫度條件下描述巖石表面氣體吸附量的函數(shù)形式主要有3種:Henry線性等溫吸附定律、Freundlich指數(shù)等溫吸附定律和Langmuir等溫吸附定律。

    Henry等溫吸附定律:

    VE=VH p   (1)

(1)給出了Henry線性等溫吸附方程[9],在指定溫度下固體顆粒表面的氣體吸附量是壓力的線性函數(shù),隨壓力增加,氣體吸附量增加。Henry線性等溫吸附函數(shù)的假設(shè)條件是吸附氣體為理想氣體,因此,該方程僅在低壓小范圍條件下適用。

Freundlich等溫吸附定律:

    VE=VFpn      (2)

(2)給出了Freundlich等溫吸附方程,在特定溫度下固體顆粒表面的氣體吸附量和壓力呈指數(shù)關(guān)系[10],當壓力增至某個門限值后,氣體吸附量隨壓力的增長趨勢變緩。因此,Freundlich指數(shù)等溫吸附定律也僅在低壓條件下的小范圍內(nèi)才適用。

 

(3)給出了Langmuir等溫吸附方程[11-l2],其假設(shè)條件:壓降和氣體解吸附過程同步,系統(tǒng)瞬間達到平衡狀態(tài)。低壓條件下,氣體吸附量隨壓力呈近似線性增長關(guān)系;高壓條件下,氣體吸附量無限接近Langmuir體積。頁巖氣大部分為甲烷,頁巖儲層溫度高于甲烷的臨界溫度,甲烷以單分子層形式吸附在頁巖儲層基質(zhì)顆粒表面。因此,Langmuir等溫吸附定律適用于頁巖氣的吸附解吸附特性。目前,主要應(yīng)用Langmuir等溫吸附定律來描述頁巖氣的吸附解吸附過程。推廣到多組分氣體解吸附問題的Langmuir等溫吸附定律在頁巖儲層中也得到了應(yīng)用。式(4)給出了多組分氣體等溫吸附方程,當混合氣體組分中不同氣體對應(yīng)的Langmuir體積常數(shù)差別較大時,多組分Langmuir等溫吸附公式的計算結(jié)果和實際存在一定的偏差。

 

(1)(4)VE表示吸附氣含量,m3tVH表示Henry等溫吸附常數(shù),m3(t·MPa);p表示自由氣平衡壓力,MPa;VF表示Freundlich吸附常數(shù),m3(t·MPan)VL表示Langmuir體積(當固體表面被單層分子氣體全部覆蓋所需要的氣體體積,是吸附氣的最大體積)m3t;pL表示Langmuir壓力(氣體吸附量達到最大吸附量50%時的壓力)MPa;VEi表示指定組分氣體的吸附氣含量,m3t;VLi表示指定氣體組分的Langmuir體積常數(shù),m3t;Bi表示指定氣體組分的Langmuir常數(shù),1MPayi表示指定氣體的摩爾含量,無量綱單位。

3種等溫吸附定律中,HenryFreundlich等溫吸附定律僅在低壓條件下得小范圍內(nèi)適用,但在實際應(yīng)用中受到了一定的限制。Langmuir等溫吸附定律適用范圍廣,并且較好地描述了頁巖氣的吸附解吸附規(guī)律。但在多組分氣體吸附解吸附情況下,Langmuir等溫吸附定律仍存在一定的偏差,需要進一步的研究。

12  擴散

頁巖儲層中的擴散作用是指在濃度差的作用下,游離相天然氣從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域運動,即天然氣由基質(zhì)向裂縫系統(tǒng)進行擴散,當區(qū)域濃度平衡時,擴散現(xiàn)象停止。依據(jù)擴散過程可以分為擬穩(wěn)態(tài)擴散和非穩(wěn)態(tài)擴散[13]。式(5)給出了擬穩(wěn)態(tài)擴散方程(Fick第一定律),即單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位截面積的擴散物質(zhì)流量(擴散通量)與該面積處的濃度梯度成正比。式(6)給出了非穩(wěn)態(tài)擴散方程(Fick第二定律),即擴散過程中擴散物質(zhì)的濃度隨時間變化。

 

(5)(6)qg表示擴散流量,m3s;D表示擴散系數(shù),m2s;A表示面積,m2;ZSC表示標準狀況下氣體壓縮因子,無量綱單位;R表示通用氣體常數(shù);TSC表示標準溫度,℃;pSC表示標準壓力,MPa;C表示摩爾濃度,kgm3;t表示時間,s。

頁巖氣藏開發(fā)過程中,基質(zhì)內(nèi)的天然氣濃度隨時間變化,非穩(wěn)態(tài)擴散方程能夠更準確地描述頁巖氣的擴散過程。與常規(guī)氣藏不同,天然氣在頁巖儲層中的流動屬于解吸附、擴散和滲流的共同作用。因此,除對滲流和擴散過程進行數(shù)學(xué)描述外,如何劃分兩者的流動區(qū)間并進行耦合還需要進一步的研究。

13滲流

頁巖儲層中的滲流作用是指在流動勢作用下,天然氣通過裂縫系統(tǒng)流向井底的過程。由于頁巖儲層極低的基質(zhì)滲透率,氣體的滲流主要發(fā)生在由天然裂縫和壓裂誘導(dǎo)裂縫構(gòu)成的裂縫網(wǎng)絡(luò)中。頁巖儲層中的氣體滲流存在多種機理,主要包括:滑脫效應(yīng)的廣義達西滲流、高速Forchheimer效應(yīng),詳述如下。

131  達西滲流

天然氣在頁巖儲層天然裂縫中的流動遵循滑脫效應(yīng)的廣義達西定律。Klinkenberg指出[14],同一巖石,同一氣體,在不同的平均壓力下測得的氣體滲透率不同;同一巖石,同一平均壓力,不同氣體測得的滲透率不同;同一巖石,不同氣體測得的滲透率和平均壓力的直線關(guān)系交匯縱軸于一點,該點(即平均壓力無窮大)的氣體滲透率與同一巖石的液體滲透率是等價的,該點的滲透率為等價液體滲透率,亦稱Klinkenberg滲透率;氣體在巖石孔道中滲流時的“滑脫效應(yīng)”是導(dǎo)致氣體滲透率大于液體滲透率的根本原因。Florence還提出了一種理論模型來預(yù)測不同類型氣體的視滲透率[15]。

132  Forchheimer效應(yīng)

Forchheimer1901年指出流體在多孔介質(zhì)中的高速運動偏離達西定律,并在達西方程中添加速度修正項以描述這一現(xiàn)象[16]。天然氣在頁巖儲層壓裂誘導(dǎo)裂縫中的高速流動遵循Forchheimer定律。公式(8)給出了考慮慣性效應(yīng)的Forchheimer方程。預(yù)測Forchheimer系數(shù)的模型可以分為單相流動和兩相流動模型。兩相流動模型中,水的存在影響氣體流動的有效迂曲度、孔隙度和氣相滲透率。水力壓裂措施在頁巖儲層中形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò),由于裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜形狀,因而使得支撐裂縫、次級裂縫和基質(zhì)具備不同的Forchheimer系數(shù)。目前,頁巖氣的數(shù)值模擬中已經(jīng)考試考慮Forchheimer流動規(guī)律。

(7)(8)V表示氣體滲流速度,msK表示Klinkenberg滲透率,mDμ表示氣體黏度,Pa·s;b表示與巖石結(jié)構(gòu)及氣體分子平均自由程相關(guān)的系數(shù),亦稱Klinkenberg系數(shù),MPa;ρ表示密度,kgm3;β表示Forchheimer系數(shù),m-1。

除氣體的解吸、擴散和滲流之外,頁巖儲層的流動機理還包括氣體流動過程中儲層的壓敏效應(yīng),與含水飽和度相關(guān)的兩相流動,溫度變化引起的熱效應(yīng)等。頁巖儲層壓敏效應(yīng)是指儲層滲透率、孔隙度、總應(yīng)力、有效應(yīng)力、巖石屬性(孔隙壓縮性、基質(zhì)壓縮性、楊氏模量等)隨應(yīng)力變化而變化。頁巖儲層的壓敏效應(yīng)主要考慮儲層滲透率、孔隙度隨壓力的變化。兩相流動是指含水儲層氣水相對滲透率、毛細管力作用、相變、黏土膨脹等作用。其中黏土膨脹作用可以在氣水相對滲透率和毛細管力中應(yīng)用不同的數(shù)學(xué)方程進行描述。溫度變化引起的熱效應(yīng)可以通過Peng—Robinson狀態(tài)方程來進行考慮。

2頁巖氣藏產(chǎn)能分析

以頁巖氣藏流動機理為基礎(chǔ),借鑒國外頁巖儲層典型參數(shù)[17]頁巖氣水平井地質(zhì)模型,利用數(shù)值模擬方法研究吸附氣含量,氣體解吸附、擴散、滲流過程中主控參數(shù)對水平井產(chǎn)能的影響。研究分別給出了吸附氣含量、解吸附過程氣體Langmuir壓力和Langmuir體積、擴散過程中氣體的擴散系數(shù)、滲流過程中頁巖儲層基質(zhì)滲透率、微裂縫滲透率和壓裂誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力對頁巖氣水平井產(chǎn)能的影響。

21地質(zhì)模型

頁巖儲層基質(zhì)滲透率極低且發(fā)育不同程度的微裂縫,整體表現(xiàn)為雙孔特征。因此,通常應(yīng)用雙孔模型對頁巖儲層進行數(shù)值模擬研究。通過借鑒國外頁巖儲層典型參數(shù)建立了頁巖氣藏水平井雙孔地質(zhì)模型,頁巖儲層深度2 000 m,有效厚度30 m,孔隙度0.05,基質(zhì)滲透率0.001 mD,原始含氣飽和度為0.70,原始地層壓力20 MPa,Langmuir壓力3 MPa,Langmuir體積13 m3m3,天然氣總地質(zhì)儲量5.4276×108 m3。頁巖氣藏水平井地質(zhì)模型長l 210 m,寬810 m,縱向上劃分為3層,采用均勻網(wǎng)格劃分將模型劃分為l21×81×3的三維網(wǎng)格模型,總結(jié)點數(shù)為29 403。圖l給出了頁巖氣藏水平井地質(zhì)模型的三維網(wǎng)格圖。地質(zhì)模型中問設(shè)置一口頁巖氣水平井,水平段長710 m。模擬過程中考慮體積壓裂措施,人工壓裂為6段,主裂縫半縫長75 m,主裂縫間距為130 m。增產(chǎn)體積(SRV)810 m,寬310 m,微裂縫滲透率為0.01 mD。雙孔模型中基質(zhì)一裂縫竄流系數(shù)為0.12。頁巖氣水平井以井底壓力恒定方式(4 MPa)生產(chǎn),模擬過程中忽略溫度變化和高速Forchheimer效應(yīng)。

 

 

22產(chǎn)能影響因素分析

221吸附氣含量

天然氣通常以游離態(tài)和溶解態(tài)賦存于常規(guī)儲層中,而對于頁巖儲層,吸附氣的存在不僅增加了氣體的賦存方式,也對頁巖氣藏產(chǎn)能產(chǎn)生了一定的影響。為了研究不同吸附氣含量對頁巖氣藏產(chǎn)能的影響,設(shè)計了6套方案進行模擬計算。在保持地質(zhì)儲量和開發(fā)條件不變的條件下,方案l到方案6的吸附氣含量分別為0、20%、40%、60%、80%、l00%。最后,將不同方案的日產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量和地層壓力進行對比分析。

2給出了不同吸附氣含量條件下頁巖氣水平井的日產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量和地層平均壓力曲線。由圖2可知:吸附氣含量直接影響氣井的初始產(chǎn)量和遞減速度。吸附氣含量由0100%時,對應(yīng)的初始產(chǎn)氣量分別為6.97×104 m3d、6.72×104 m3d6.42×104 m3d、6.02×104 m3d、5.42×104 m3d、4.13×104 m3d。隨吸附氣含量增加,氣井初始產(chǎn)氣量降低,產(chǎn)量遞減速度減緩。不同吸附氣含量條件下的累積產(chǎn)氣量表明:隨吸附氣含量增加,頁巖氣藏采氣速度和相同開發(fā)時間對應(yīng)的累積產(chǎn)氣量逐漸降低。天然氣地質(zhì)儲量保持不變時,隨吸附氣含量增加,地層平均壓力下降速度加快。

 

222解吸附規(guī)律

頁巖氣藏中吸附氣占據(jù)較大的比例,吸附氣的解吸附規(guī)律直接影響產(chǎn)能。吸附氣的解吸附過程主要受解吸附規(guī)律和地層壓力的控制。氣藏中吸附氣含量一定時,Langmuir壓力和Langmuir體積直接控制吸附氣開始解吸附時的壓力。為了研究相同吸附氣濃度條件下解吸附規(guī)律對頁巖氣藏產(chǎn)能的影響,利用Langmuir等溫吸附方程描述吸附氣的解吸附規(guī)律,設(shè)計了5套方案進行模擬計算。針對每套方案,給定初始吸附氣含量為10 m3m3,吸附氣儲量占天然氣總地質(zhì)儲量的50%,將不同Langmuir體積和Langmuir壓力下水平井的日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量進行對比分析。

3給出了相同吸附氣濃度和開發(fā)條件下,不同Langmuir體積(VL)Langmuir壓力(pL)對應(yīng)的日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量。吸附氣濃度相同時,隨Langmuir體積和Langmuir壓力增加,頁巖氣水平井初始產(chǎn)氣量和相同開發(fā)時間累積產(chǎn)氣量逐漸降低,產(chǎn)量遞減速度加快。吸附氣濃度相同時,Langmuir壓力和Langmuir體積直接影響吸附氣開始解吸附的條件。

 

223擴散系數(shù)

頁巖儲層呈現(xiàn)明顯的雙孔特征,微裂縫為天然氣提供主要的流動通道,基質(zhì)塊為天然氣提供主要的存儲空間。存儲在基質(zhì)塊中的天然氣(包含自由氣和解吸附氣體)通過擴散作用運移至微裂縫中。氣體擴散規(guī)律直接影響基質(zhì)塊向微裂縫系統(tǒng)供氣的速度。為了研究擴散過程對頁巖氣藏產(chǎn)能的影響,設(shè)計了4套方案計算不同擴散系數(shù)(Dg)下水平井日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量。

4給出了不同級別擴散系數(shù)條件下頁巖氣水平井的日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量曲線,由圖4可知:氣體擴散系數(shù)由0.001 m2d變化至1.0 m2d時,相同時間水平井日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量略有增高。不同級別擴散系數(shù)對應(yīng)的日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量差別較小,故認為氣體擴散系數(shù)對頁巖氣藏水平井產(chǎn)能影響較小。

 

224儲層滲透率

頁巖儲層基質(zhì)滲透率、微裂縫滲透率和壓裂誘導(dǎo)主裂縫的滲透率是影響氣體滲流過程的主要因素,也是影響頁巖氣水平井產(chǎn)能的主要因素之一。為了研究儲層滲透率對頁巖氣藏水平井產(chǎn)能的影響,設(shè)計了53套方案進行模擬計算,將不同基質(zhì)滲透率、微裂縫滲透率和壓裂誘導(dǎo)主裂縫導(dǎo)流能力條件下氣井的累積產(chǎn)氣量進行對比分析。

5給出了模擬時間為l0 a時不同基質(zhì)滲透率和微裂縫滲透率對應(yīng)的累積產(chǎn)氣量曲線。由圖5可知:Km<1.0×10-9mD時,由于極低的基質(zhì)滲透率導(dǎo)致水平井產(chǎn)量難以達到工業(yè)氣流。Km介于1.0×10-91.0×10-6mD時,隨微裂縫滲透率增大,累積產(chǎn)氣量變化較??;隨基質(zhì)滲透率增加,累積產(chǎn)氣量增幅明顯,基質(zhì)滲透率是控制水平井產(chǎn)能的主要因素。Km >1.0×10-6 mD時,隨基質(zhì)滲透率和微裂縫滲透率增加,累積產(chǎn)氣量明顯增加,基質(zhì)滲透率和微裂縫滲透率均是控制水平井產(chǎn)能的主要因素?;|(zhì)滲透率相同時,累積產(chǎn)氣量隨微裂縫滲透率增加而增加,累積產(chǎn)氣量增幅逐漸變小。圖6給出了不同壓裂誘導(dǎo)主裂縫導(dǎo)流能力(FCD)條件下水平井累積產(chǎn)氣量曲線。由圖6可知:相同開發(fā)時間累積產(chǎn)氣量隨壓裂誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力增加而增加,累積產(chǎn)氣量增幅逐漸變緩。因此,對于頁巖氣藏水平井,壓裂誘導(dǎo)裂縫存在著最優(yōu)導(dǎo)流能力。

 

26qg表示日產(chǎn)氣量,l04 m3d;NA表示吸附氣地質(zhì)儲量,l08 m3;N表示天然氣地質(zhì)儲量,l08m3;Qg表示累積產(chǎn)氣量,108 m3;pf表示地層平均壓力,MPaDg表示擴散系數(shù),m2d;Km表示基質(zhì)滲透率,mD;Kf表示微裂縫滲透率,mD;FCD表示壓裂誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力,mD·m。

3結(jié)論

1)天然氣在頁巖儲層中的流動主要劃分為解吸附、擴散和滲流3個過程。Langmuir等溫吸附定律很好地描述了頁巖氣的吸附解吸附規(guī)律,但在描述多組分氣體吸附解吸附時仍存在一定的問題,需要進一步的研究。Fick第二定律能夠準確地描述頁巖氣的擴散過程,但如何劃分滲流和擴散的流動區(qū)間并進行耦合還需要進一步的研究。氣體在天然裂縫網(wǎng)絡(luò)中的流動遵循滑脫效應(yīng)的廣義達西定律且存在高速Forchheimer效應(yīng)。天然氣在頁巖儲層的流動存在壓敏、氣水兩相流動、溫度變化引起的熱效應(yīng),相變等多種流動機理,需要進一步的研究。

2)頁巖氣藏開發(fā)過程中,天然氣地質(zhì)儲量保持不變時,隨吸附氣含量增高,水平井日產(chǎn)氣量和相同開發(fā)時間累積產(chǎn)氣量逐漸降低,產(chǎn)量遞減速度變慢,地層平均壓力下降速度加快。相同吸附氣濃度條件下,隨Langmuir體積和Langmuir壓力增加,水平井日產(chǎn)氣量和相同開發(fā)時間累積產(chǎn)氣量逐漸降低,產(chǎn)量遞減速度加快。氣體擴散系數(shù)對產(chǎn)能影響較小?;|(zhì)滲透率介于l.0×10-91.0×10-6 mD時,基質(zhì)滲透率是控制水平井產(chǎn)能的主要因素,隨基質(zhì)滲透率增加,日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量迅速增加?;|(zhì)滲透率大于1.0×10-6mD時,基質(zhì)滲透率和微裂縫滲透率均是控制水平井產(chǎn)能的主要因素,日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量隨基質(zhì)滲透率和微裂縫滲透率增加而增加。隨壓裂誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力增加,水平井累積產(chǎn)氣量逐漸增加,累積產(chǎn)氣量增幅逐漸減小,壓裂誘導(dǎo)裂縫存在著最優(yōu)導(dǎo)流能力。

 

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本文作者:于榮澤  張曉偉  卞亞南  李陽  郝明祥

作者單位:中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院  國家能源頁巖氣研發(fā)(實驗)中心