儲層原生水對頁巖氣賦存狀態與流動能力的影響

胡志明 端祥剛 何亞彬 吳建發 常 進 劉 莉 吳 康,4 馬振勇

1.中國石油勘探開發研究院 2. 中國石油西南油氣田公司川中油氣礦 3. 中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院4.中國科學院大學滲流流體力學研究所 5.中國石油青海油田公司采油一廠

作為源儲一體的非常規天然氣，頁巖氣主要以吸附態和游離態形式賦存于富有機質頁巖中[1-2]。原始地層條件下頁巖儲層都含有原生水。目前北美地區進行商業開發的Barnett、Haynesville、Eagle ford等頁巖區塊的儲層含水飽和度則一般較低，介于15%～35%，甚至低于束縛水飽和度，形成超低含水飽和度現象；而我國南方海相頁巖儲層含水飽和度則相對較高，一般介于20%～50%[3-5]。研究認為含水會降低頁巖的吸附能力和頁巖孔隙中氣體的流動能力，對頁巖氣藏的儲量評估和產量預測造成困難[6-7]。Ross和Bustin等[8-9]認為水的存在占據了親水黏土礦物的表面吸附位，極大減少了氣體吸附量。Merkel等[10-11]研究Midland Valley油頁巖證實儲層含水降低了甲烷氣的吸附量。李靖、李相方等[12-15]認為，地層水主要賦存在頁巖無機質的黏土礦物中，并建立了孔隙含水飽和度分布模型，游聲剛等[16]證實了頁巖含水飽和度的增加降低了頁巖儲層的含氣量。目前的研究對含水條件下頁巖氣吸附規律的研究主要以理論研究和模型研究為主[17-18]，缺失相應實驗數據的驗證與支持，且頁巖氣的等溫吸附測試普遍存在測試壓力偏低的問題，在儲層原生水對頁巖氣流動能力的影響方面的實驗研究尚屬空白。

針對儲層原生水對頁巖氣吸附規律及流動機理的影響機理不清的現狀，選用四川盆地長寧—威遠地區下志留統龍馬溪組頁巖樣品，基于吸附平衡法制取不同含水飽和度的實驗樣品，采用高壓等溫吸附儀進行等溫吸附實驗，探討不同含水飽和度下頁巖等溫吸附作用及機理，然后采用自主研發的穩態流動實驗裝置，開展不同含水飽和度下頁巖氣流動能力測試實驗（以下簡稱流動實驗），厘清了含水飽和度對頁巖氣流動能力的影響情況，以期為頁巖氣儲層評價和產量預測提供技術支撐。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗樣品

實驗樣品選自四川盆地長寧—威遠地區龍馬溪組一段的頁巖。采用平行取樣，首先將所取樣品烘干，鉆取2.5 cm柱樣做流動實驗，將剩余碎樣一部分用于有機碳含量、礦物成分等物性測試，另一部分粉碎至60～100目（250～150 μm）的顆粒作為等溫吸附實驗樣品，樣品基礎參數如表1所示。

1.2 含水飽和度建立

四川盆地長寧—威遠區塊富有機質頁巖儲層原始含水飽和度一般介于20%～50%，遠遠低于束縛水飽和度（65%～85%），容易形成超低含水現象。即便如此，含水也會影響頁巖氣的吸附和流動能力[19-20]。由于頁巖在取心及后期保存過程中無法有效保持地層條件下的原始含水飽和度，實驗基本采用干燥巖樣，很少考慮到含水的影響。

表1 樣品基礎參數表

開展不同含水飽和度下的頁巖樣品實驗，首先采用吸附平衡法建立地層條件下的原始含水飽和度，恢復樣品中原生水的賦存狀態。由于頁巖成藏過程中壓實排水、生烴消耗和汽化攜液排水等作用使得儲層中的水主要賦存于無機質孔，尤其是親水性較強的黏土礦物孔中[13-14]，因此實驗時將頁巖樣品置于水蒸氣環境下，采用自發吸附平衡的方式，使水分子優先賦存在親水物質表面及孔隙中，與頁巖儲層原生水的賦存狀態基本一致。實驗步驟如下：①將頁巖樣品在105 ℃條件下徹底烘干后，在干燥環境中稱重；②然后將樣品放入水蒸氣容器內（圖1），放入過程避免樣品與手、容器壁面及水直接接觸，以免沾上液態水；③將容器升溫至105 ℃，形成水蒸氣環境，至設定的時間取出稱重；④重復步驟②、③，利用重量法結合已知孔隙度建立不同平衡時間與樣品含水飽和度的關系曲線（圖2），由此獲取不同含水飽和度對應的平衡時間，在重復實驗時通過控制平衡時間使樣品達到不同含水飽和度的狀態。

圖1 頁巖巖心建立含水飽和度裝置圖

圖2 平衡時間與含水飽和度關系曲線圖（105 ℃）

1.3 等溫吸附實驗

采用美國CORELAB公司的高壓等溫吸附儀GAI-100進行等溫吸附測試，該儀器最大工作壓力69 MPa，恒溫油浴最高溫度可達177 ℃，流程圖如圖3所示。實驗步驟如下：①將60～100目頁巖顆粒100 g放入樣品缸，檢查氣密性，利用基準缸精確測量實驗系統的自由空間體積，連續測量多次，直至誤差小于5%；②抽真空后關閉樣品缸，向參照缸中充入一定壓力的甲烷氣體，待壓力平穩后打開樣品缸閥門，讓兩缸氣體連通，達到壓力平衡后，記錄平衡壓力；③關閉樣品缸，繼續向參照缸充入氣體，循環上述平衡過程，直到完成全部壓力點的測試。

吸附量由式（1）計算得出：

式中Vtest表示測試吸附量，m3/t；m0表示樣品質量，kg；p0表示平衡前參照缸壓力，MPa；VC表示參照缸體積，m3；Z0表示平衡前壓縮因子，無因次；R表示通用氣體常數，8.314 m3·Pa/（mol·K）；T表示系統溫度，K；p1表示平衡后系統壓力，MPa；VS表示樣品缸自由體積，m3；Z1表示平衡后壓縮因子，無因次。

圖3 高壓氣體等溫吸附儀GAI-100流程圖

1.4 流動能力實驗

流動能力實驗采用自主研發的穩態流動實驗裝置（圖4），該裝置主要包括ISCO泵、中間容器、壓力傳感器、巖心夾持器、圍壓泵等。實驗步驟如下：①檢查系統的氣密性后，將樣品放入巖心夾持器，加圍壓至50 MPa；②入口容器壓力（以下簡稱入口壓力）穩定在40 MPa后，打開系統入口閥門，流量穩定后每隔2 h測試一次，連續測試三次誤差控制在0.1%以內認為流動達到穩態；③改變入口壓力至35 MPa，同時為避免應力敏感對流動能力的影響，相應圍壓降至45 MPa，使圍壓與入口壓力差始終保持在10 MPa，重復步驟②的測試過程，然后依次降低壓力，直至入口壓力至0.1 MPa，實驗結束；④計算頁巖滲透率，并采用克式公式修正。

圖4 穩態流動實驗裝置圖

2 含水飽和度對頁巖氣賦存狀態的影響

常規等溫吸附測試的低壓吸附曲線是一條單調遞增的曲線，而采用高壓氣體等溫吸附儀測試干燥頁巖巖樣的等溫吸附曲線呈現先上升后下降的趨勢（圖5）。在壓力較低時（一般小于10 MPa），甲烷分子在頁巖表面發生單分子層吸附，且未鋪滿吸附層表面。隨壓力增加，吸附量增大，等溫吸附曲線迅速上升，且呈近線性增長；當壓力達到臨界值時，吸附量達到飽和；然后吸附量逐漸下降。根據Gibbs的定義，巖樣測試的吸附量為過剩吸附量，而不是絕對吸附量，由式（2）可以看出，過剩吸附量受吸附相密度（ρa）和游離相密度（ρg）的差值影響[2]。當吸附進入高壓階段（大于10 MPa）后，吸附層甲烷分子逐漸增加至飽和，表現為吸附相密度趨于穩定，而隨壓力增加只是游離相密度增加。因此在高壓下過剩吸附量隨壓力增加而下降。等溫吸附曲線過剩吸附量極值點對應的壓力為臨界解吸壓力，當系統壓力小于臨界解吸壓力時吸附氣才能開始大量解吸[21-22]。

圖5 不同含水飽和度下頁巖等溫吸附曲線圖

式中nex表示過剩吸附量，m3/t；ρa表示氣體吸附相密度，kg/m3；ρg表示氣體游離相密度，kg/m3；Va表示吸附相體積， m3。

如圖5所示，隨含水飽和度的增加最大過剩吸附量下降明顯。干燥巖樣的最大過剩吸附量為1.2 m3/t ，而含水飽和度增加到8.5%時最大過剩吸附量下降到0.98 m3/t，當含水飽和度達到46.1%時，最大過剩吸附量下降到0.65 m3/t，降低約50%，可以看出含水飽和度對吸附量影響很大。

含水使頁巖氣吸附量大幅降低，另一個原因是頁巖的吸附位有限，且頁巖中吸附介質尤其是黏土礦物對水分子的氫鍵力和色散力更大，水分子比甲烷分子更易吸附于頁巖表面[23]。當巖石潤濕后，甲烷分子和水分子共享相同吸附位，水分子優先吸附在頁巖表面，使得固—氣吸附變成固—液—氣吸附（圖6）。由于氣—液作用力遠低于氣—固作用力，因此即使部分甲烷分子吸附在頁巖表面的水膜上，總體上也表現出頁巖對甲烷氣的吸附能力降低。

由于水預先吸附在頁巖孔隙中，因此在等溫吸附實驗中甲烷分子只能吸附在未被水分子占據的頁巖吸附位和水膜表面，導致初始含水飽和度越高，最大過剩吸附量越低[15]。如圖7所示，含水飽和度較低（低于30%）時，最大過剩吸附量下降幅度較大；當含水飽和度介于30%～50%時，最大過剩吸附量的下降幅度變緩，說明水分子吸附已趨于飽和，含水飽和度增加對吸附量的影響逐漸變小。

圖6 固—液—氣吸附示意圖

圖7 頁巖含水飽和度與最大過剩吸附量關系曲線圖

在地層原始狀態下原生水和甲烷吸附氣是共存的，且由于原生水處于欠飽和的狀態，即原生水只是占據了一部分頁巖壁面，當外界壓裂液進入頁巖孔隙中時，由于固體對水分子具有更強的吸附作用，進入的壓裂液會搶占吸附氣的吸附位，使得一部分吸附氣置換出來變成游離氣，更利于氣體的采出，這也是部分頁巖氣井壓裂液返排率低而產氣量高的微觀原因之一[24]。

原生水占據頁巖的比表面使吸附氣量降低，導致頁巖氣儲量也大大降低。目前頁巖氣儲量計算中，游離氣量考慮了含水飽和度的影響，但采用等溫吸附曲線計算吸附氣量時通常采用干燥巖樣的結果，導致儲量計算結果偏高。以某區塊為例，該區塊平均吸附氣量（不考慮含水）為2.68 m3/t，平均游離氣量（含水飽和度40%時）為3.96 m3/t，總含氣量為6.64 m3/t，吸附氣占比約為40%。參考圖7中含水飽和度與最大過剩吸附量關系曲線的變化趨勢，模擬計算了不同含水飽和度下的吸附氣量與總含氣量，如表2所示。與不含水相比，含水飽和度10%時，吸附氣量減小23.88%，總含氣量減小14.01%；當含水飽和度為40%時，吸附氣量減小44.59%，總含氣量減小41.33%。含水飽和度較低時，占據的主要為高密度吸附空間，吸附氣與總氣量損失較大，隨含水飽和度增加，占據游離氣空間比例不斷增大，含水飽和度增量對吸附氣和總氣量影響不斷變小。模擬計算結果顯示，含水飽和度為40%，吸附氣、游離氣總含氣量為5.45 m3/t，比常規認識下總含氣量為6.64 m3/t（其中吸附氣量為2.68 m3/t、游離氣量為3.96 m3/t）降低了18%，可見含水飽和度對頁巖氣儲量計算影響大，需要重點關注。

表2 不同含水飽和度下吸附氣量和總含氣量計算結果表

3 含水飽和度對頁巖氣流動能力的影響

儲層含水飽和度不僅會影響頁巖氣儲層含氣性，還會影響頁巖氣流動能力。根據流動實驗測得的流量數據，計算干燥巖樣在不同平均壓力下的視滲透率。如圖8所示，隨平均壓力降低，巖樣視滲透率逐漸升高，平均壓力高于5 MPa時遞增較平緩，低于5 MPa遞增趨勢變陡；在平均壓力20 MPa下視滲透率為0.1×10－3mD，降至0.2 MPa時視滲透率為0.8×10－3mD，視滲透率變化了近一個數量級。根據崔亞星、高樹生等[25-26]的研究成果，在實驗壓力范圍內頁巖氣的流態為滑脫流和過渡流，當壓力較高時，由于努森數較小，氣體流態主要為滑脫流，滿足Klinkenberg公式，視滲透率隨著壓力的降低緩慢增加。當平均壓力低于5 MPa后，視滲透率與壓力的關系曲線偏離壓力較高時兩者的線性關系，上升趨勢變陡，這是由于在此壓力區間范圍內氣體流態主要為過渡流，頁巖的微米—納米級孔隙發育，擴散作用在低壓段影響顯著，對視滲透率的貢獻可達50%以上[26]。對于頁巖來說，視滲透率是壓力的函數，在不同壓力范圍內頁巖氣的流態不同，從而影響頁巖氣的流動能力。

圖8 頁巖視滲透率與平均壓力的關系曲線圖（干燥巖樣）

考慮含水飽和度對頁巖氣流動能力的影響，如圖9所示，隨含水飽和度增加，相同壓力下頁巖氣的流動能力明顯下降。當頁巖孔隙中含水時，無論是吸附在孔隙壁面上的水還是孔隙中的自由水，都降低了氣體在孔隙中的流動能力，因此測試的視滲透率會大幅降低。壓力越低時，含水飽和度對流動能力的影響越大，這與低壓下氣體流態主要為過渡流有關。平均壓力為5 MPa，當含水飽和度達到50%時，視滲透率由0.25×10－3mD降低至0.08×10－3mD，下降了約70%。

圖9 不同含水飽和度下平均壓力與視滲透率的關系曲線圖

圖10 不同含水飽和度下平均壓力倒數與視滲透率變化曲線圖

從兩組巖心不同含水飽和度下平均壓力倒數與視滲透率曲線（圖10）可以看出，隨含水飽和度增加，視滲透率的下降趨勢明顯。1號巖心和2號巖心在含水飽和度為30%以下時，視滲透率下降幅度較少，但是當含水飽和度超過30%后，視滲透率下降幅度明顯變大。對于不同滲透率級別的巖心，都呈現出相同的規律，這是因為采用吸附平衡法恢復原生水的賦存狀態時，由于黏土礦物的吸水特性及水分子較強的吸附力，水分子優先吸附在頁巖表面，成為不可流動的束縛水，同時由于毛細管凝聚現象，原生水優先存在于小孔隙中，這部分小孔隙對頁巖氣流動能力的影響較小。研究認為發生毛細管凝聚現象的孔隙臨界孔徑為6 nm左右[27]，小于該孔徑的孔隙空間往往被水占據，大于該孔徑的孔隙空間，水以水膜形式存在。當含水飽和度持續增加到某臨界值（此時的含水飽和度稱為臨界含水飽和度）時，水逐漸占據主要流動通道，導致頁巖氣流動能力大幅降低，對于不同滲透率級別的巖心，對應的臨界含水飽和度不同，一般在20%～30%。

采用高壓壓汞—氣體吸附聯測法[28]獲取1號巖心的全尺度孔徑分布曲線（圖11），可以看出，頁巖孔徑的分布范圍（從0.5 nm到幾十微米）非常大，其中微孔（小于2 nm）和介孔（2～50 nm）的比例可占50%以上?？紫对叫?，孔隙壁面的吸附勢能越大，對氣體分子和水分子的吸附能力越強。因此，對于微米—納米級孔隙來說，吸附氣和吸附水主要賦存在微孔和介孔之中[14]，而頁巖氣的流動能力主要由宏孔貢獻。因此，當含水飽和度低于臨界含水飽和度（一般在20%～30%）時，水主要以不可動水賦存在微孔和介孔中，對頁巖氣流動能力影響較??；當含水飽和度大于臨界含水飽和度時，小孔隙逐漸被水占滿，相對大的孔隙壁面上形成水膜，流動通道半徑降低，甚至有部分成為可動水，使頁巖氣流動能力大幅降低。

圖11 全尺度孔徑分布曲線圖（1號巖心）

目前已開發的頁巖氣藏原始含水飽和度雖低于束縛水飽和度，但多介于40%～50%，基本上超過臨界含水飽和度。因此，含水飽和度對頁巖氣流動能力的影響不能忽略，在建立滲流模型及進行頁巖氣井產能評價時都必須考慮含水飽和度的影響。

在壓裂施工過程中壓裂液的入侵會導致頁巖儲層含水飽和度上升，從而降低頁巖氣流動能力。但是，壓裂液入侵的吸附置換使得一部分吸附氣變成游離氣，利于氣體采出，同時壓裂液的注入使得頁巖發生水化破裂，形成新的裂縫滲流通道[29]，改善了頁巖儲層的滲透性。因此壓裂液入侵對于頁巖氣開發具有多重影響，需要綜合加以考慮。

4 結論

1）原生水的存在降低了頁巖的吸附能力。與不含水相比，含水飽和度為10%時，吸附氣量減小23.88%、總含氣量減小14.01%。含水飽和度為40%時，模擬計算總含氣量比常規認識下的計算結果降低了18%，儲量評估需要充分考慮儲層原生水的影響。

2）低壓下努森擴散作用使得頁巖視滲透率隨壓力降低而明顯上升，當平均壓力為5 MPa、含水飽和度達到50%時，與不含水相比視滲透率下降約70%。

3）當含水飽和度低于臨界含水飽和度（一般在20%～30%）時，水主要以不可動水賦存在微孔和介孔中，對頁巖氣流動能力影響較??；而大于臨界含水飽和度時，水的賦存位置發生改變，導致頁巖氣流動能力大幅降低。