储层原生水对页岩气赋存状态与流动能力的影响

胡志明 端祥刚 何亚彬 吴建发 常 进 刘 莉 吴 康,4 马振勇

1.中国石油勘探开发研究院 2. 中国石油西南油气田公司川中油气矿 3. 中国石油西南油气田公司页岩气研究院4.中国科学院大学渗流流体力学研究所 5.中国石油青海油田公司采油一厂

作为源储一体的非常规天然气，页岩气主要以吸附态和游离态形式赋存于富有机质页岩中[1-2]。原始地层条件下页岩储层都含有原生水。目前北美地区进行商业开发的Barnett、Haynesville、Eagle ford等页岩区块的储层含水饱和度则一般较低，介于15%～35%，甚至低于束缚水饱和度，形成超低含水饱和度现象；而我国南方海相页岩储层含水饱和度则相对较高，一般介于20%～50%[3-5]。研究认为含水会降低页岩的吸附能力和页岩孔隙中气体的流动能力，对页岩气藏的储量评估和产量预测造成困难[6-7]。Ross和Bustin等[8-9]认为水的存在占据了亲水黏土矿物的表面吸附位，极大减少了气体吸附量。Merkel等[10-11]研究Midland Valley油页岩证实储层含水降低了甲烷气的吸附量。李靖、李相方等[12-15]认为，地层水主要赋存在页岩无机质的黏土矿物中，并建立了孔隙含水饱和度分布模型，游声刚等[16]证实了页岩含水饱和度的增加降低了页岩储层的含气量。目前的研究对含水条件下页岩气吸附规律的研究主要以理论研究和模型研究为主[17-18]，缺失相应实验数据的验证与支持，且页岩气的等温吸附测试普遍存在测试压力偏低的问题，在储层原生水对页岩气流动能力的影响方面的实验研究尚属空白。

针对储层原生水对页岩气吸附规律及流动机理的影响机理不清的现状，选用四川盆地长宁—威远地区下志留统龙马溪组页岩样品，基于吸附平衡法制取不同含水饱和度的实验样品，采用高压等温吸附仪进行等温吸附实验，探讨不同含水饱和度下页岩等温吸附作用及机理，然后采用自主研发的稳态流动实验装置，开展不同含水饱和度下页岩气流动能力测试实验（以下简称流动实验），厘清了含水饱和度对页岩气流动能力的影响情况，以期为页岩气储层评价和产量预测提供技术支撑。

1 实验材料与方法

1.1 实验样品

实验样品选自四川盆地长宁—威远地区龙马溪组一段的页岩。采用平行取样，首先将所取样品烘干，钻取2.5 cm柱样做流动实验，将剩余碎样一部分用于有机碳含量、矿物成分等物性测试，另一部分粉碎至60～100目（250～150 µm）的颗粒作为等温吸附实验样品，样品基础参数如表1所示。

1.2 含水饱和度建立

四川盆地长宁—威远区块富有机质页岩储层原始含水饱和度一般介于20%～50%，远远低于束缚水饱和度（65%～85%），容易形成超低含水现象。即便如此，含水也会影响页岩气的吸附和流动能力[19-20]。由于页岩在取心及后期保存过程中无法有效保持地层条件下的原始含水饱和度，实验基本采用干燥岩样，很少考虑到含水的影响。

表1 样品基础参数表

开展不同含水饱和度下的页岩样品实验，首先采用吸附平衡法建立地层条件下的原始含水饱和度，恢复样品中原生水的赋存状态。由于页岩成藏过程中压实排水、生烃消耗和汽化携液排水等作用使得储层中的水主要赋存于无机质孔，尤其是亲水性较强的黏土矿物孔中[13-14]，因此实验时将页岩样品置于水蒸气环境下，采用自发吸附平衡的方式，使水分子优先赋存在亲水物质表面及孔隙中，与页岩储层原生水的赋存状态基本一致。实验步骤如下：①将页岩样品在105 ℃条件下彻底烘干后，在干燥环境中称重；②然后将样品放入水蒸气容器内（图1），放入过程避免样品与手、容器壁面及水直接接触，以免沾上液态水；③将容器升温至105 ℃，形成水蒸气环境，至设定的时间取出称重；④重复步骤②、③，利用重量法结合已知孔隙度建立不同平衡时间与样品含水饱和度的关系曲线（图2），由此获取不同含水饱和度对应的平衡时间，在重复实验时通过控制平衡时间使样品达到不同含水饱和度的状态。

图1 页岩岩心建立含水饱和度装置图

图2 平衡时间与含水饱和度关系曲线图（105 ℃）

1.3 等温吸附实验

采用美国CORELAB公司的高压等温吸附仪GAI-100进行等温吸附测试，该仪器最大工作压力69 MPa，恒温油浴最高温度可达177 ℃，流程图如图3所示。实验步骤如下：①将60～100目页岩颗粒100 g放入样品缸，检查气密性，利用基准缸精确测量实验系统的自由空间体积，连续测量多次，直至误差小于5%；②抽真空后关闭样品缸，向参照缸中充入一定压力的甲烷气体，待压力平稳后打开样品缸阀门，让两缸气体连通，达到压力平衡后，记录平衡压力；③关闭样品缸，继续向参照缸充入气体，循环上述平衡过程，直到完成全部压力点的测试。

吸附量由式（1）计算得出：

式中Vtest表示测试吸附量，m3/t；m0表示样品质量，kg；p0表示平衡前参照缸压力，MPa；VC表示参照缸体积，m3；Z0表示平衡前压缩因子，无因次；R表示通用气体常数，8.314 m3·Pa/（mol·K）；T表示系统温度，K；p1表示平衡后系统压力，MPa；VS表示样品缸自由体积，m3；Z1表示平衡后压缩因子，无因次。

图3 高压气体等温吸附仪GAI-100流程图

1.4 流动能力实验

流动能力实验采用自主研发的稳态流动实验装置（图4），该装置主要包括ISCO泵、中间容器、压力传感器、岩心夹持器、围压泵等。实验步骤如下：①检查系统的气密性后，将样品放入岩心夹持器，加围压至50 MPa；②入口容器压力（以下简称入口压力）稳定在40 MPa后，打开系统入口阀门，流量稳定后每隔2 h测试一次，连续测试三次误差控制在0.1%以内认为流动达到稳态；③改变入口压力至35 MPa，同时为避免应力敏感对流动能力的影响，相应围压降至45 MPa，使围压与入口压力差始终保持在10 MPa，重复步骤②的测试过程，然后依次降低压力，直至入口压力至0.1 MPa，实验结束；④计算页岩渗透率，并采用克式公式修正。

图4 稳态流动实验装置图

2 含水饱和度对页岩气赋存状态的影响

常规等温吸附测试的低压吸附曲线是一条单调递增的曲线，而采用高压气体等温吸附仪测试干燥页岩岩样的等温吸附曲线呈现先上升后下降的趋势（图5）。在压力较低时（一般小于10 MPa），甲烷分子在页岩表面发生单分子层吸附，且未铺满吸附层表面。随压力增加，吸附量增大，等温吸附曲线迅速上升，且呈近线性增长；当压力达到临界值时，吸附量达到饱和；然后吸附量逐渐下降。根据Gibbs的定义，岩样测试的吸附量为过剩吸附量，而不是绝对吸附量，由式（2）可以看出，过剩吸附量受吸附相密度（ρa）和游离相密度（ρg）的差值影响[2]。当吸附进入高压阶段（大于10 MPa）后，吸附层甲烷分子逐渐增加至饱和，表现为吸附相密度趋于稳定，而随压力增加只是游离相密度增加。因此在高压下过剩吸附量随压力增加而下降。等温吸附曲线过剩吸附量极值点对应的压力为临界解吸压力，当系统压力小于临界解吸压力时吸附气才能开始大量解吸[21-22]。

图5 不同含水饱和度下页岩等温吸附曲线图

式中nex表示过剩吸附量，m3/t；ρa表示气体吸附相密度，kg/m3；ρg表示气体游离相密度，kg/m3；Va表示吸附相体积， m3。

如图5所示，随含水饱和度的增加最大过剩吸附量下降明显。干燥岩样的最大过剩吸附量为1.2 m3/t ，而含水饱和度增加到8.5%时最大过剩吸附量下降到0.98 m3/t，当含水饱和度达到46.1%时，最大过剩吸附量下降到0.65 m3/t，降低约50%，可以看出含水饱和度对吸附量影响很大。

含水使页岩气吸附量大幅降低，另一个原因是页岩的吸附位有限，且页岩中吸附介质尤其是黏土矿物对水分子的氢键力和色散力更大，水分子比甲烷分子更易吸附于页岩表面[23]。当岩石润湿后，甲烷分子和水分子共享相同吸附位，水分子优先吸附在页岩表面，使得固—气吸附变成固—液—气吸附（图6）。由于气—液作用力远低于气—固作用力，因此即使部分甲烷分子吸附在页岩表面的水膜上，总体上也表现出页岩对甲烷气的吸附能力降低。

由于水预先吸附在页岩孔隙中，因此在等温吸附实验中甲烷分子只能吸附在未被水分子占据的页岩吸附位和水膜表面，导致初始含水饱和度越高，最大过剩吸附量越低[15]。如图7所示，含水饱和度较低（低于30%）时，最大过剩吸附量下降幅度较大；当含水饱和度介于30%～50%时，最大过剩吸附量的下降幅度变缓，说明水分子吸附已趋于饱和，含水饱和度增加对吸附量的影响逐渐变小。

图6 固—液—气吸附示意图

图7 页岩含水饱和度与最大过剩吸附量关系曲线图

在地层原始状态下原生水和甲烷吸附气是共存的，且由于原生水处于欠饱和的状态，即原生水只是占据了一部分页岩壁面，当外界压裂液进入页岩孔隙中时，由于固体对水分子具有更强的吸附作用，进入的压裂液会抢占吸附气的吸附位，使得一部分吸附气置换出来变成游离气，更利于气体的采出，这也是部分页岩气井压裂液返排率低而产气量高的微观原因之一[24]。

原生水占据页岩的比表面使吸附气量降低，导致页岩气储量也大大降低。目前页岩气储量计算中，游离气量考虑了含水饱和度的影响，但采用等温吸附曲线计算吸附气量时通常采用干燥岩样的结果，导致储量计算结果偏高。以某区块为例，该区块平均吸附气量（不考虑含水）为2.68 m3/t，平均游离气量（含水饱和度40%时）为3.96 m3/t，总含气量为6.64 m3/t，吸附气占比约为40%。参考图7中含水饱和度与最大过剩吸附量关系曲线的变化趋势，模拟计算了不同含水饱和度下的吸附气量与总含气量，如表2所示。与不含水相比，含水饱和度10%时，吸附气量减小23.88%，总含气量减小14.01%；当含水饱和度为40%时，吸附气量减小44.59%，总含气量减小41.33%。含水饱和度较低时，占据的主要为高密度吸附空间，吸附气与总气量损失较大，随含水饱和度增加，占据游离气空间比例不断增大，含水饱和度增量对吸附气和总气量影响不断变小。模拟计算结果显示，含水饱和度为40%，吸附气、游离气总含气量为5.45 m3/t，比常规认识下总含气量为6.64 m3/t（其中吸附气量为2.68 m3/t、游离气量为3.96 m3/t）降低了18%，可见含水饱和度对页岩气储量计算影响大，需要重点关注。

表2 不同含水饱和度下吸附气量和总含气量计算结果表

3 含水饱和度对页岩气流动能力的影响

储层含水饱和度不仅会影响页岩气储层含气性，还会影响页岩气流动能力。根据流动实验测得的流量数据，计算干燥岩样在不同平均压力下的视渗透率。如图8所示，随平均压力降低，岩样视渗透率逐渐升高，平均压力高于5 MPa时递增较平缓，低于5 MPa递增趋势变陡；在平均压力20 MPa下视渗透率为0.1×10－3mD，降至0.2 MPa时视渗透率为0.8×10－3mD，视渗透率变化了近一个数量级。根据崔亚星、高树生等[25-26]的研究成果，在实验压力范围内页岩气的流态为滑脱流和过渡流，当压力较高时，由于努森数较小，气体流态主要为滑脱流，满足Klinkenberg公式，视渗透率随着压力的降低缓慢增加。当平均压力低于5 MPa后，视渗透率与压力的关系曲线偏离压力较高时两者的线性关系，上升趋势变陡，这是由于在此压力区间范围内气体流态主要为过渡流，页岩的微米—纳米级孔隙发育，扩散作用在低压段影响显著，对视渗透率的贡献可达50%以上[26]。对于页岩来说，视渗透率是压力的函数，在不同压力范围内页岩气的流态不同，从而影响页岩气的流动能力。

图8 页岩视渗透率与平均压力的关系曲线图（干燥岩样）

考虑含水饱和度对页岩气流动能力的影响，如图9所示，随含水饱和度增加，相同压力下页岩气的流动能力明显下降。当页岩孔隙中含水时，无论是吸附在孔隙壁面上的水还是孔隙中的自由水，都降低了气体在孔隙中的流动能力，因此测试的视渗透率会大幅降低。压力越低时，含水饱和度对流动能力的影响越大，这与低压下气体流态主要为过渡流有关。平均压力为5 MPa，当含水饱和度达到50%时，视渗透率由0.25×10－3mD降低至0.08×10－3mD，下降了约70%。

图9 不同含水饱和度下平均压力与视渗透率的关系曲线图

图10 不同含水饱和度下平均压力倒数与视渗透率变化曲线图

从两组岩心不同含水饱和度下平均压力倒数与视渗透率曲线（图10）可以看出，随含水饱和度增加，视渗透率的下降趋势明显。1号岩心和2号岩心在含水饱和度为30%以下时，视渗透率下降幅度较少，但是当含水饱和度超过30%后，视渗透率下降幅度明显变大。对于不同渗透率级别的岩心，都呈现出相同的规律，这是因为采用吸附平衡法恢复原生水的赋存状态时，由于黏土矿物的吸水特性及水分子较强的吸附力，水分子优先吸附在页岩表面，成为不可流动的束缚水，同时由于毛细管凝聚现象，原生水优先存在于小孔隙中，这部分小孔隙对页岩气流动能力的影响较小。研究认为发生毛细管凝聚现象的孔隙临界孔径为6 nm左右[27]，小于该孔径的孔隙空间往往被水占据，大于该孔径的孔隙空间，水以水膜形式存在。当含水饱和度持续增加到某临界值（此时的含水饱和度称为临界含水饱和度）时，水逐渐占据主要流动通道，导致页岩气流动能力大幅降低，对于不同渗透率级别的岩心，对应的临界含水饱和度不同，一般在20%～30%。

采用高压压汞—气体吸附联测法[28]获取1号岩心的全尺度孔径分布曲线（图11），可以看出，页岩孔径的分布范围（从0.5 nm到几十微米）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。孔隙越小，孔隙壁面的吸附势能越大，对气体分子和水分子的吸附能力越强。因此，对于微米—纳米级孔隙来说，吸附气和吸附水主要赋存在微孔和介孔之中[14]，而页岩气的流动能力主要由宏孔贡献。因此，当含水饱和度低于临界含水饱和度（一般在20%～30%）时，水主要以不可动水赋存在微孔和介孔中，对页岩气流动能力影响较小；当含水饱和度大于临界含水饱和度时，小孔隙逐渐被水占满，相对大的孔隙壁面上形成水膜，流动通道半径降低，甚至有部分成为可动水，使页岩气流动能力大幅降低。

图11 全尺度孔径分布曲线图（1号岩心）

目前已开发的页岩气藏原始含水饱和度虽低于束缚水饱和度，但多介于40%～50%，基本上超过临界含水饱和度。因此，含水饱和度对页岩气流动能力的影响不能忽略，在建立渗流模型及进行页岩气井产能评价时都必须考虑含水饱和度的影响。

在压裂施工过程中压裂液的入侵会导致页岩储层含水饱和度上升，从而降低页岩气流动能力。但是，压裂液入侵的吸附置换使得一部分吸附气变成游离气，利于气体采出，同时压裂液的注入使得页岩发生水化破裂，形成新的裂缝渗流通道[29]，改善了页岩储层的渗透性。因此压裂液入侵对于页岩气开发具有多重影响，需要综合加以考虑。

4 结论

1）原生水的存在降低了页岩的吸附能力。与不含水相比，含水饱和度为10%时，吸附气量减小23.88%、总含气量减小14.01%。含水饱和度为40%时，模拟计算总含气量比常规认识下的计算结果降低了18%，储量评估需要充分考虑储层原生水的影响。

2）低压下努森扩散作用使得页岩视渗透率随压力降低而明显上升，当平均压力为5 MPa、含水饱和度达到50%时，与不含水相比视渗透率下降约70%。

3）当含水饱和度低于临界含水饱和度（一般在20%～30%）时，水主要以不可动水赋存在微孔和介孔中，对页岩气流动能力影响较小；而大于临界含水饱和度时，水的赋存位置发生改变，导致页岩气流动能力大幅降低。