致密砂巖儲(chǔ)層天然氣吸附運(yùn)移規(guī)律研究

致密砂巖儲(chǔ)層天然氣吸附運(yùn)移規(guī)律研究

中國(guó)擁有豐富的砂巖天然氣資源。第三輪油氣資源分析表明，中國(guó)的致密砂巖天然氣資源接近2.13億米。致密砂巖天然氣主要賦存于四川、鄂爾多斯、松遼、塔里木、準(zhǔn)噶爾和柴達(dá)木等盆地。目前致密砂巖天然氣年產(chǎn)量占我國(guó)天然氣年總產(chǎn)量的1/5左右,并呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。致密砂巖天然氣已成為我國(guó)天然氣供應(yīng)的一支重要力量,并將繼續(xù)成為儲(chǔ)量和產(chǎn)量增長(zhǎng)的亮點(diǎn)。致密砂巖氣藏普遍存在單井日產(chǎn)量低、低產(chǎn)期長(zhǎng)以及生產(chǎn)壓差大的問(wèn)題,通常需要采取水力壓裂改造儲(chǔ)層,但壓后產(chǎn)量遞減快,增產(chǎn)效果并不明顯,有的還造成減產(chǎn)。已有的研究表明,當(dāng)氣藏處于超低含水飽和度狀態(tài)時(shí),氣體在致密基塊孔喉中存在兩種傳遞方式:濃度場(chǎng)作用下的擴(kuò)散和壓力場(chǎng)作用下的滲流,產(chǎn)出過(guò)程歷經(jīng)解吸、擴(kuò)散、滲流等階段。因此有必要持續(xù)加大致密砂巖氣藏天然氣產(chǎn)出規(guī)律研究,為經(jīng)濟(jì)有效地開(kāi)發(fā)該類(lèi)非常規(guī)天然氣資源開(kāi)拓新思路。1儲(chǔ)層粘土礦物研究區(qū)X儲(chǔ)層平均孔隙度為8.8%(409個(gè)樣品),平均滲透率為0.147×10-3μm2(459個(gè)樣品)。儲(chǔ)層粘土礦物主要為綠泥石,次為伊利石和伊/蒙間層礦物,還有少量綠/蒙間層和高嶺石(樣品數(shù)23),其中綠泥石相對(duì)含量高達(dá)52.38%,伊利石含量為24.65%。粘土礦物的存在增加了儲(chǔ)層的致密性,同時(shí)晶間微孔的發(fā)育也增加了巖石的比表面積。巖石比表面積巨大,為氣體分子大量物理吸附提供了有利條件。1.1致密砂巖巖樣孔隙分布選取致密砂巖柱狀樣品(10個(gè)樣品),樣品直徑2.52cm,長(zhǎng)度3～5cm,用壓汞法測(cè)量巖石比表面積,最大進(jìn)汞壓力200MPa,分析結(jié)果如表1所示。通過(guò)壓汞測(cè)量,單個(gè)致密砂巖巖樣累計(jì)孔隙表面積分布在(13.96～60.12)×104cm2,平均為39.38×104cm2。其中滲透率貢獻(xiàn)值為1%的孔喉所占表面積百分比為92.64%～99.70%,平均百分比為97.78%。選取研究區(qū)致密砂巖巖樣4個(gè),巖樣孔隙度范圍3.74%～12.73%,滲透率范圍(0.001～0.053)×10-3μm2。利用美國(guó)Quantachrome公司生產(chǎn)的NOVE2000e自動(dòng)氮?dú)馕絻x測(cè)量巖樣微孔比表面積,巖樣比表面積分布在1.06～3.25m2/g,平均比表面積為2.13m2/g。1.2儲(chǔ)層巖石化學(xué)特征吸附屬于一種傳質(zhì)過(guò)程,根據(jù)吸附質(zhì)與吸收劑表面分子間結(jié)合力的性質(zhì),可分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附由吸附質(zhì)與吸附劑分子間引力所引起,在吸附過(guò)程中物質(zhì)不改變?cè)瓉?lái)的性質(zhì),結(jié)合力較弱,吸附熱較小,容易脫附。天然氣分子易于在礦物表面發(fā)生物理吸附。氣藏?zé)N類(lèi)氣體的吸附與儲(chǔ)層巖石孔隙結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、氣體的性質(zhì)以及溫度和壓力等因素相關(guān)。隨著氣體與巖石固體表面接觸面積的增加,吸附作用也隨之增強(qiáng),因而對(duì)于高度分散、比表面積很大的儲(chǔ)層巖石中發(fā)生的吸附不可忽視。僅就測(cè)試所得的相對(duì)吸附量數(shù)據(jù)來(lái)看,如果忽略其他因素,可以初步估計(jì),不考慮吸附的砂巖儲(chǔ)層氣藏的計(jì)算儲(chǔ)量將比考慮吸附少5%以上。2儲(chǔ)層流體流動(dòng)中的地質(zhì)特征物理學(xué)中對(duì)流體的描述分3個(gè)層次:(1)分子層次,立足分子動(dòng)力學(xué),研究分子碰撞微觀機(jī)理;(2)動(dòng)力學(xué)層次(介觀層次),這是用非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理的方法來(lái)研究流體,經(jīng)典的動(dòng)力方程是玻耳茲曼方程(BoltzmannEquation);(3)流體力學(xué)層次,這是宏觀層次,所用的基本方程是連續(xù)方程、Euler方程和Navier-Stokes方程,有時(shí)還用能量方程。目前儲(chǔ)層流體流動(dòng)描述一般采用第3個(gè)層次,然而致密砂巖由于其非常規(guī)地質(zhì)特征,既存在納微孔喉,也存在天然微裂縫、水力縫等多尺度的流動(dòng)介質(zhì),很難用唯一的流動(dòng)層次來(lái)描述流動(dòng)特征。FCivan(2002)研究指出氣體在微孔介質(zhì)中的流動(dòng)狀態(tài)取決于介質(zhì)本身的巖石物理性質(zhì)和氣體分子平均自由程,并歸納總結(jié)Liepmann,Stahl,Kaviany等人研究成果,提出利用克努森數(shù)劃分氣體流動(dòng)區(qū)域,把致密砂巖中氣體流動(dòng)分為3個(gè)區(qū)域:(1)流動(dòng)區(qū)域;(2)過(guò)渡流區(qū)域;(3)粘滯流區(qū)域。1934年Knudsen定義無(wú)量綱數(shù)Kn,其表達(dá)式為式中,λˉλˉ—?dú)怏w分子平均自由程,m;D—孔喉直徑,m。綜合FCivan、朱光亞等人研究成果,利用Kn數(shù)劃分致密砂巖儲(chǔ)層中氣體流動(dòng)狀態(tài)及其數(shù)學(xué)描述方程歸結(jié)見(jiàn)表2。3氣擴(kuò)散量參數(shù)的測(cè)定天然氣通過(guò)巖石的擴(kuò)散主要有兩種途徑,一是通過(guò)巖石礦物骨架的擴(kuò)散;二是通過(guò)巖石孔隙的擴(kuò)散。前蘇聯(lián)學(xué)者認(rèn)為,天然氣通過(guò)巖石礦物骨架的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其通過(guò)巖石孔隙的擴(kuò)散速度,對(duì)通過(guò)巖石礦物骨架的擴(kuò)散可忽略不計(jì)。天然氣擴(kuò)散系數(shù)是天然氣擴(kuò)散量研究不可缺少的參數(shù)。某類(lèi)巖石的擴(kuò)散系數(shù)代表天然氣在這類(lèi)巖石中的擴(kuò)散能力,是巖石固有的物理量,擴(kuò)散系數(shù)越大擴(kuò)散速度越快,反之則越慢。因此,準(zhǔn)確測(cè)定巖石擴(kuò)散系數(shù),對(duì)于研究天然氣在地層中的擴(kuò)散能力是至關(guān)重要的。根據(jù)Fick第一定律,在每單位濃度降的情況下,單位時(shí)間內(nèi)組分A在組分B中沿?cái)U(kuò)散方向通過(guò)單位面積的擴(kuò)散系數(shù)為式中,DAB—擴(kuò)散系數(shù),m2/s;JA—組分A擴(kuò)散通量,m3·m-2/s;dCA/dx—組分A濃度梯度,m3·m-3/m。氣體分子的擴(kuò)散效應(yīng)與溫度、壓力以及氣體的性質(zhì)有關(guān)。對(duì)特定的油氣藏,其擴(kuò)散系數(shù)必須經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。沒(méi)有實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)時(shí),可用經(jīng)驗(yàn)公式確定氣體的擴(kuò)散系數(shù)D=0.339K0.67/M0.5(3)式中,K—滲透率,×10-3μm2;M—?dú)怏w分子量。3.1巖樣擴(kuò)散系數(shù)d選取研究區(qū)6塊致密巖樣,如表3所示?？紫抖确植荚?.32%～11.19%,滲透率分布在(0.011～0.136)×10-3μm2。在常溫下測(cè)得干巖樣擴(kuò)散系數(shù)D分布在(1.64～14.13)×10-5m2/s,平均為6.86×10-5m2/s。擴(kuò)散系數(shù)理論計(jì)算值比實(shí)際測(cè)量值大1.38～2.80倍。分析認(rèn)為巖石屬于多孔介質(zhì),其孔隙空間的大小、形態(tài)和連通性控制著天然氣通過(guò)巖石的擴(kuò)散速度(或擴(kuò)散系數(shù)),即巖石的孔隙空間越大,連通性越好,天然氣越容易通過(guò)巖石擴(kuò)散遷移,天然氣擴(kuò)散系數(shù)越大,反之則越小。有學(xué)者通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬表明,孔徑對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響要遠(yuǎn)大于溫度和密度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響。3.2儲(chǔ)層均質(zhì)地層模型天然氣擴(kuò)散屬于一種分子擴(kuò)散,氣體擴(kuò)散動(dòng)力來(lái)自于濃度梯度,在濃度梯度下天然氣通過(guò)多孔介質(zhì)的擴(kuò)散量可以用菲克定律描述,如式(4)式中,Q—擴(kuò)散量,m3;D—擴(kuò)散系數(shù),m2/s;A—擴(kuò)散徑流面積,m2;t—擴(kuò)散時(shí)間,s;dCdzdCdz—天然氣濃度梯度,m3·m-3/m。建立致密砂巖儲(chǔ)層均質(zhì)地層模型,模型網(wǎng)格劃分為100×100×10,其中每個(gè)網(wǎng)格塊3m×3m×1m。建立的地層模型基本輸入?yún)?shù)見(jiàn)表4。其中滲透率取0.01×10-3μm2與0.10×10-3μm2兩種情況。模擬結(jié)果表明,致密砂巖氣藏生產(chǎn)過(guò)程中,隨著天然氣的不斷產(chǎn)出,網(wǎng)格中氣體儲(chǔ)量不斷減少,且相鄰網(wǎng)格間氣體濃度不等,即存在濃度梯度(圖1,圖2)。隨著氣井生產(chǎn)時(shí)間的增加,井周?chē)烊粴鉂舛忍荻仍黾?井底附近出現(xiàn)濃度梯度最大值;氣井生產(chǎn)1a與生產(chǎn)5a相比較,隨生產(chǎn)時(shí)間的增加,離井筒相同距離的地層天然氣濃度梯度值增加。取致密砂巖儲(chǔ)層擴(kuò)散系數(shù)1×10-5m2/s,分別計(jì)算不同條件下天然氣擴(kuò)散量(表5)。模擬結(jié)果表明,儲(chǔ)層越致密,網(wǎng)格之間天然氣擴(kuò)散量越大。對(duì)于致密砂巖氣藏,在氣井生產(chǎn)周期內(nèi)天然氣擴(kuò)散量不容忽視,擴(kuò)散將是致密砂巖天然氣重要的傳質(zhì)方式之一。4致密巖儲(chǔ)層天然氣分子賦存狀態(tài)(1)通過(guò)壓汞測(cè)量,單個(gè)致密巖樣累計(jì)孔隙表面積平均為39.38×104cm2,其中滲透率貢獻(xiàn)值為1%的孔喉所占表面積平均百分比為97.78%。利用氮?dú)馕絻x測(cè)量巖樣微孔比表面積,結(jié)果表明巖樣平均比表面積為2.13m2/g。(2)在致密砂巖儲(chǔ)層發(fā)育的納微尺度空間內(nèi),由于致密巖樣巨大的比表面積,天然氣分子在其中的賦存狀態(tài)以物理吸附為主,一旦多孔介質(zhì)中天然氣濃度發(fā)生變化,克努森數(shù)大于10時(shí),吸附氣將解吸、擴(kuò)散、運(yùn)移。(3)