裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)

摘 要

摘要：致密砂巖儲(chǔ)層天然氣投產(chǎn)一般需要采取水力壓裂等增產(chǎn)措施。由于天然氣在產(chǎn)出過(guò)程中需要通過(guò)致密基塊-天然裂縫-水力裂縫等多尺度介質(zhì)，故而在滲流中存在多尺度效應(yīng)，需要經(jīng)過(guò)
摘要：致密砂巖儲(chǔ)層天然氣投產(chǎn)一般需要采取水力壓裂等增產(chǎn)措施。由于天然氣在產(chǎn)出過(guò)程中需要通過(guò)致密基塊-天然裂縫-水力裂縫等多尺度介質(zhì)，故而在滲流中存在多尺度效應(yīng)，需要經(jīng)過(guò)一系列串聯(lián)耦合過(guò)程，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)都可能影響天然氣的高效產(chǎn)出。為此，通過(guò)自行設(shè)計(jì)“串、并聯(lián)”氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)方法及裝置，探討了裂縫寬度、裂縫-基塊的配置關(guān)系等對(duì)致密砂巖氣體傳質(zhì)效率的影響。“并聯(lián)”氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)表明，裂縫寬度是影響氣體傳質(zhì)效率的關(guān)鍵參數(shù)，相同數(shù)量級(jí)裂縫寬度的天然裂縫傳質(zhì)效率高于人工裂縫。裂縫-基塊巖樣“串聯(lián)”氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)表明，裂縫-基塊多尺度配置關(guān)系中，裂縫-基塊-裂縫的配置關(guān)系最優(yōu)，氣體傳質(zhì)效率最高。結(jié)論認(rèn)為，合理開(kāi)發(fā)致密砂巖氣藏需貫徹“儲(chǔ)層保護(hù)與改造并舉”的方針，實(shí)現(xiàn)致密基塊-天然裂縫-水力裂縫的合理配置，才能有效開(kāi)發(fā)致密砂巖氣藏。
關(guān)鍵詞：致密砂巖；儲(chǔ)集層；壓裂；裂縫(巖石)；多尺度；傳質(zhì)；配置關(guān)系
    我國(guó)致密砂巖天然氣資源豐富，勘探開(kāi)發(fā)前景廣闊[1]。近年來(lái)，隨著勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，欠平衡鉆井、水平井、大型水力壓裂等技術(shù)的成功運(yùn)用，將致密砂巖天然氣的勘探開(kāi)發(fā)推向一個(gè)新高潮[2]。但是對(duì)致密砂巖天然氣的產(chǎn)出機(jī)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(chǎn)出存在其特殊性，需要通過(guò)致密基塊-天然裂縫-水力裂縫等多尺度介質(zhì)，氣體在致密儲(chǔ)層中流動(dòng)存在多尺度效應(yīng)[3]，很難用唯一的流動(dòng)層次來(lái)描述流動(dòng)特征[4]。
    致密砂巖儲(chǔ)層微裂縫發(fā)育，基塊和裂縫的空間配置關(guān)系是氣體高效產(chǎn)出的關(guān)鍵。致密砂巖氣井一般經(jīng)壓裂改造投產(chǎn)，在儲(chǔ)層中形成高輸運(yùn)能力的水力裂縫。致密砂巖儲(chǔ)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(xiàn)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(guān)系及傳質(zhì)、天然裂縫與水力裂縫的配置關(guān)系及傳質(zhì)，跨尺度之間的傳遞方式將是影響致密天然氣高效產(chǎn)出的決定因素，有必要深入細(xì)致地研究多尺度之間的關(guān)聯(lián)、優(yōu)化配置關(guān)系等對(duì)氣體高效產(chǎn)出的影響。筆者通過(guò)相似原理，選取典型致密砂巖真實(shí)巖樣，設(shè)計(jì)致密基塊與裂縫巖樣的配置關(guān)系、天然裂縫與人工裂縫的配置關(guān)系，實(shí)驗(yàn)研究致密砂巖天然氣在多尺度條件下的產(chǎn)出機(jī)理。
1 致密砂巖儲(chǔ)層多尺度地質(zhì)特征
    致密砂巖儲(chǔ)層中自生黏土礦物發(fā)育，含量比常規(guī)儲(chǔ)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(jù)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(guān)系十分復(fù)雜，其納微結(jié)構(gòu)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(chǔ)層天然微裂縫一定程度發(fā)育，構(gòu)造微裂縫、解理縫、層面縫等，裂縫極大地改善了致密儲(chǔ)層的滲流條件，為致密砂巖氣藏的高效開(kāi)發(fā)提供良好的基礎(chǔ)。致密砂巖儲(chǔ)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(zhǎng)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(chǎn)，通過(guò)人工縫改善天然氣的流動(dòng)條件，因而致密儲(chǔ)層存在致密基塊-天然裂縫-水力裂縫多尺度流動(dòng)空間(圖1)，天然氣產(chǎn)出經(jīng)過(guò)多尺度介質(zhì)一系列串聯(lián)耦合過(guò)程，氣體在其中的產(chǎn)出過(guò)程歷經(jīng)解吸、擴(kuò)散、滲流等方式[5]。
 

2 致密砂巖天然氣傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M
    致密砂巖氣在儲(chǔ)層中高效傳質(zhì)離不開(kāi)裂縫快速通道，而致密基塊是裂縫的有效供氣儲(chǔ)備也是制約致密砂巖氣在儲(chǔ)層中能否高效傳質(zhì)的瓶頸。尋求裂縫網(wǎng)絡(luò)與基塊的一種合理配置，讓致密砂巖氣體在儲(chǔ)層中以最優(yōu)的空間配置關(guān)系產(chǎn)出，將極大地提高致密砂巖氣的開(kāi)發(fā)效果。
2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
致密砂巖儲(chǔ)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(chǔ)層中的傳質(zhì)將受制于裂縫與基塊在空間上的配置關(guān)系，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了“串、并聯(lián)”兩類基塊-裂縫配置關(guān)系(圖2)。
 
    選取四川盆地中部某典型致密砂巖氣藏實(shí)取巖心，基塊巖樣滲透率級(jí)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(lián)”氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhì)能力強(qiáng)于天然裂縫，但是隨著驅(qū)替壓差的增加，人工裂縫巖樣相對(duì)于天然裂縫巖樣傳質(zhì)能力下降，最高降低47.56%。相同數(shù)量級(jí)寬度的人工縫與天然縫，人工縫傳質(zhì)能力弱于天然縫，人工縫傳質(zhì)能力是天然縫的82%～89%。
 

2.3 致密基塊-裂縫巖樣“串聯(lián)”氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    致密砂巖氣的高效產(chǎn)出與裂縫的分布、產(chǎn)狀、密度等有著很大的聯(lián)系，開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，致密儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育則其自然產(chǎn)能高，也為后期的壓裂改造提供了良好的基礎(chǔ)。天然裂縫與致密基塊的配置關(guān)系直接影響致密天然氣的高效產(chǎn)出，基塊與裂縫的配置關(guān)系多樣，根據(jù)致密砂巖儲(chǔ)層多尺度地質(zhì)特征，模擬裂縫-基塊配置中氣體傳質(zhì)過(guò)程，設(shè)計(jì)了3種配置關(guān)系：F-F-M、M-F-F、F-M-F(M為基塊巖樣，F(xiàn)為裂縫巖樣)。
基塊物性不變，變換裂縫-基塊配置關(guān)系，對(duì)比各個(gè)配置關(guān)系傳質(zhì)效率，表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：F-F-M配置關(guān)系傳質(zhì)效率最低，以F-M-F配置關(guān)系傳質(zhì)效率最優(yōu)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明：F-M-F配置傳質(zhì)效率是F-F-M配置的10～16倍，M-F-F配置傳質(zhì)效率是F-F-M配置的1～13倍。
 

3 分析討論
    “并聯(lián)”傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)中，裂縫寬度是影響致密砂巖天然氣傳質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)，裂縫寬度越大其傳質(zhì)效率越高。在天然裂縫-人工裂縫并聯(lián)傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)中，裂縫寬度相近的兩類裂縫，人工裂縫傳質(zhì)效率低于天然裂縫。分析認(rèn)為，由于人工裂縫縫面屬于新鮮斷面，有較多的可動(dòng)微粒，隨著驅(qū)替壓差的增加，氣體流速增大，參與運(yùn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程是采取的連續(xù)變驅(qū)替壓力，圍壓不變的方式，在長(zhǎng)時(shí)間的圍壓(3MPa)條件下，由于有效應(yīng)力的時(shí)間效應(yīng)[8]，無(wú)支撐的人工裂縫寬度相應(yīng)降低，而天然裂縫經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化，天然縫縫面間有膠結(jié)物、顆粒支撐，抗應(yīng)力敏感能力強(qiáng)于天然縫，裂縫寬度變化相應(yīng)較小，其滲流能力降低幅度小。
    致密砂巖天然氣產(chǎn)出需要經(jīng)歷基塊孔喉-天然裂縫-水力裂縫一系列串聯(lián)耦合過(guò)程，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)都可能影響致密砂巖天然氣的高效產(chǎn)出，各個(gè)尺度的耦合對(duì)致密砂巖氣的產(chǎn)出起到控制作用。由于致密基塊是天然氣的“儲(chǔ)氣庫(kù)”，為天然氣產(chǎn)出提供物質(zhì)保障；天然縫與“儲(chǔ)氣庫(kù)”連通，致密砂巖氣將及時(shí)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(chǎn)出效率。多尺度介質(zhì)的合理有效配置將是致密砂巖氣高效產(chǎn)出的決定因素。“串聯(lián)”傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)-M-F配置關(guān)系傳質(zhì)效率最高。M-F-F配置關(guān)系中，雖然傳質(zhì)效率也比較高，但是由于致密砂巖氣在裂縫中傳質(zhì)和基塊中傳質(zhì)是數(shù)量級(jí)的差別，基塊中致密砂巖氣主要以擴(kuò)散、滲流的方式首先向裂縫傳質(zhì)，而基塊的供氣速度遠(yuǎn)達(dá)不到裂縫的傳質(zhì)能力，供氣不足造成其傳質(zhì)效率仍然不高。
4 結(jié)論
    1) 裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層存在致密基塊-天然裂縫水力裂縫等多尺度介質(zhì)，天然氣產(chǎn)出需要經(jīng)歷基塊孔喉-天然裂縫-水力裂縫等一系列串聯(lián)耦合過(guò)程，合理有效的基塊-裂縫配置關(guān)系將是致密砂巖氣高效產(chǎn)出的決定因素。
    2) 通過(guò)建立致密砂巖儲(chǔ)層多尺度地質(zhì)模型，根據(jù)相似原理，創(chuàng)建“串、并聯(lián)”基塊-裂縫巖樣的配置關(guān)系模型，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了致密砂巖天然氣的產(chǎn)出過(guò)程，為深入研究致密砂巖天然氣產(chǎn)出機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。
    3) 裂縫巖樣“并聯(lián)”氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)表明，裂縫寬度是影響氣體傳質(zhì)效率的關(guān)鍵參數(shù)，天然裂縫傳質(zhì)效率高于人工裂縫；裂縫-基塊巖樣“串聯(lián)”氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)揭示出，裂縫-基塊多尺度配置關(guān)系中，F(xiàn)-M-F配置關(guān)系最優(yōu)，氣體傳質(zhì)效率最高。
    4) 致密砂巖儲(chǔ)層天然裂縫不同程度地發(fā)育，表現(xiàn)出宏觀-微觀多尺度結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，建議氣藏開(kāi)發(fā)以“儲(chǔ)層保護(hù)與改造并舉”的方針，實(shí)現(xiàn)致密基塊-天然裂縫-水力裂縫合理配置，經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)該類氣藏。
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(本文作者：楊建1，2 康毅力1 王業(yè)眾2 郭華璋3 1.“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)；2.中國(guó)石油西南油氣田公司采氣工程研究院；3.四川大學(xué))