页岩气扩散特征研究

陈智明 邹蕙阳 孙敬 雷梦 许诺 杨寅

(长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100)

0 引言

页岩气产自富有机质页岩储集岩系，属烃源岩系气藏。低孔隙、低渗透率、富含有机质是页岩地层系统的标志性特征。中国页岩气资源分布广泛，开发利用潜力大。我国页岩气近年来发展迅速，2018 年我国页岩气产量达到1.08×1010m3，仅次于美国、加拿大。通过技术创新，我国在近年来的页岩气勘探资源开发中进一步总结和探索出了一套经济效益显著的开发模式，页岩气勘探开发已经实现了从无效页岩气资源开发到单井有效开发的重大突破性技术跨越。页岩气藏的生烃、排烃、运移、聚集和保存全部在页岩气进入烃源岩内部时直接完成。烃源岩的主要研究实验结果表明，生烃量远大于吸烃量是烃源岩内部直接排烃的主要关键所在，除此之外，还要克服毛细管直接对烃吸附等环境性影响因素的各种外部环境变化影响。由于吸烃量一般大于生烃量，因此，烃源岩聚合生成的大量烃类只有部分可以被直接向外排出。

在页岩气藏中，以吸附气形式存在于页岩粘土颗粒的孔隙或表面上的页岩气需要克服毛细管吸烃等环境性因素的影响才可以直接被排出。因此，页岩气在赋存与产出机理上与煤层气、天然气具有特征的相似[1]。作为多尺度传质环节之一的扩散是气体分子的主要传输方式，对气体的解吸与产出，尤其是解吸气的产出很关键，关系着页岩气储层的持续供气能力大小[2]。笔者将在现有基础上研究页岩气的扩散行为，整理归纳分析总结我国页岩气扩散的基本规律，以此为我国页岩气的高效开采和综合利用提供理论指导。

1 页岩气扩散机理

由于页岩储集岩系具有低孔隙度、低渗透性、基质紧密、孔隙结构类型丰富等物性结构特征，因此，生产过程中往往伴随着吸附、解吸、扩散以及多尺度介质中的流动[3]。从分子运动的热力学基础理论的多个角度分析来看，气体扩散实质上是由于气体分子在不停地做无规则运动。扩散在浓度差下开始迁移，到单相内各部分浓度达到相等或两相间的浓度达到平衡为止。

根据气体分子传输时的作用方式，传输机理可划分为以气体分子与页岩孔隙壁面相互碰撞为主的连续滑脱流动、孔隙直径的减小与气体分子自由程的增加具有一定可比度时发生的滑脱流动、气体压力增大或孔隙尺度减小时发生多层吸附的表面扩散及只允许单个气体分子通过孔隙的构型扩散。此外，依据克努森数Kn 的大小，游离页岩气在复杂储集孔隙空间结构中的扩散模式可划分为Kn≥10 时的克努森扩散、Kn≤0.1 时的菲克扩散和0.1＜Kn＜10 时的过渡扩散[4]。

2 页岩气扩散行为实验研究

常规的实验方法是在温压恒定的密闭环境中，将一定量的甲烷气和氮气注入经过充分抽真空操作后的柱状页岩岩心。由于存在浓度梯度，气体在扩散运动下逐渐充满岩心的有机质微裂缝及纳米孔隙。通过测量记录相同时间间隔下气体压力的变化值，来建立完整扩散过程中气体压力随时间的变化曲线模型，初步获得页岩气扩散行为特征。再结合分析页岩岩心内部孔隙的结构特征和甲烷在其中的扩散性，便可求出甲烷气从页岩岩心内部孔隙进行扩散压缩过程的扩散系数。

气体扩散系数是衡量扩散传质的重要参数之一，常通过科学测试分析页岩气的扩散系数来揭示页岩气的扩散规律。目前，烃浓度法和解吸法被广泛应用于测试岩石中气体的扩散系数。一种是烃浓度法，通过检测气体在扩散中浓度的变化来计算传质通量，从而求取扩散系数的方法称为烃浓度法。第二种是解吸法，通过分析气体在等温吸附、解吸的过程中，利用吸附量或解吸量随时间的变化来计算气体扩散系数的方法称为解吸法。页岩气扩散系数的计算是根据天然气行业标准SY/T 6129—1995：

式中符号参照行业标准SY/T 6129—1995，通过取样分析计算，绘制致密砂岩心扩与页岩岩心累积扩散时间与关系曲线图，斜率即为值，利用斜率除以E可得扩散系数D。

2.1 扩散系数测试方法的不足

(1)实验方法的不足。有机质内部的甲烷气体浓度在岩心经过抽真空操作后可近似看作处于真空状态，同时，由于整个气相压力的衰减过程变化小，游离甲烷气体的浓度也可视作一个常数。因此，在实验数据的处理上仍存在较大的误差。

在实验系统的设定上，与高压页岩储层环境系统相比，实验的可靠性较小。除此之外，实验条件未充分考虑有机质的类型及含量、储层物性等一系列因素对页岩气扩散行为可能产生的影响，使得目前的实验所获得的实验结论说服性不足。

在实际操作中，很难准确把握实验时长以求得可靠的扩散系数，同时，厚薄均匀且几乎没有细小裂缝的岩心薄片不易获得，导致了实验的操作难度较大。

(2)扩散系数计算方法的不足。现有气体扩散系数方法是在对气体扩散实验规律的研究上推导而来，并且实验过程中气体物质的量的损失及系统压力的变化忽略不计。因此，在使用上，计算得出的扩散系数不够精确。

2.2 页岩气扩散系数影响因素

扩散系数大小与连通性的好坏密切相关。大孔隙连通性好，毛管迂曲度低，扩散系数大。柳广弟等[5]的研究表明，大孔隙扩散系数大小在数值上与孔隙渗透率参数具有正相关性。有研究分析认为，当气体扩散以克努森扩散类型为主时，孔隙中气体分子与壁面的碰撞作用加强会导致气体扩散质量以及信息快速传递的时间效率大大降低，使气体分子扩散速率得到大大降低。

当压力增大时，气体分子间的碰撞作用增强，能量损耗增加，扩散系数变小。而小孔隙扩散系数的大小则不受压力变化的影响，原因在于岩石小孔隙中克努森扩散系数的变化大小与岩石压力变化无关，仅与孔隙结构、体系温度和气体性质等因素相关。

由于岩石内部的水分会占据一部分的扩散通道，导致气体只能通过驱动孔隙中的水或改变扩散通道进行扩散，因此，有效扩散系数随着岩样湿度或含水饱和度的增加而降低。李相臣等[6]的研究指出，因为水分含量和湿度增加到一定值时，会在孔隙壁面类似于圈闭保护作用产生的水膜，水膜的自然存在可能会对气体进入扩散通道产生一些附加的阻力。

气体扩散系数随着岩石温度的升高而增大。甲烷等游离气体在岩石中的气体扩散吸附过程是一个活化过程，活化能越高，气体就越难在岩石中扩散，但升高温度可以降低活化能，从而促进气体扩散。等温气体吸附的研究也进一步表明，温度升高，甲烷吸附平衡常数减小，解吸速率增加，因此在岩石中的扩散过程会变得相对容易[2]。

3 结语

页岩气扩散行为实验研究对页岩气的产出具有重要意义。目前对高温高压系统下页岩气在多尺度孔隙中的扩散规律涉及的范围较窄，有机质的类型及含量、储层物性、温度和储层压力等诸多因素对于页岩气扩散行为的发生及其影响的分析和研究还有待进一步深入。