济阳坳陷纹层状页岩油流动能力影响因素实验

马炳杰 范 菲 孙志刚 陈 挺，3

（1.中国石化胜利油田公司勘探开发研究院，山东 东营 257015；2.山东省非常规油气勘探开发重点实验室（筹），山东 东营 257015；3.中国石化胜利油田博士后科研工作站，山东 东营 257002）

0 引言

页岩油是指赋存于富有机质页岩层系中的石油，大多数情况下无自然产能或低于工业石油产量下限，需采用特殊工艺技术措施才能在页岩中获得工业石油产量。

济阳坳陷的牛庄、博兴、渤南等多个洼陷内发育多套优质烃源岩，根据热解法计算济阳坳陷页岩油资源量为40多亿吨［1-6］。

自2008年起，胜利油田对济阳坳陷多口页岩油井进行了密闭取心，基于岩心资料开展了系统研究，取得了大量成果。根据沉积特征将济阳坳陷页岩岩相分为纹层状、层状、块状3大类；从试油效果来看，夹薄层砂岩或碳酸盐岩的泥页岩、纹层状泥质灰岩和灰质泥岩是目前获得工业油流最多的页岩岩相［7-9］。前人［10-15］对不同区域纹层状页岩的储层沉积特征、岩性特征、孔隙结构、赋存特征等方面进行了研究并取得了大量认识，但在页岩油流动能力方面研究相对较少，特别是基于流动实验的研究更少。

目前，对于页岩油渗流能力的实验研究［16-20］，主要是以气测渗透率参数为主，测试方法主要分为2大类：直接法和间接法。直接法主要是通过实验手段使气体通过页岩岩心测试得到页岩渗透率；间接法主要是通过经验公式、孔隙结构等参数间接获得页岩渗透率。

本文通过建立页岩油流动实验流程，针对不同流体介质、流体黏度、孔隙压力、有效应力、含水饱和度对页岩油流动能力的影响，分析影响页岩油渗流能力的关键因素，为页岩油流动机理的认识和高效开发提供技术支持。

1 实验方案设计

本文以纹层状页岩为研究对象。纹层是指沉积物或沉积岩中可分辨的最小或最薄原始沉积层［10］，纹层状页岩层理大量发育，纹层厚度小于1 mm，且层理缝高度发育，层理缝处于未充填或半充填状态，相对而言，具有较高的渗流能力。

1.1 实验岩心和流体

实验岩心来自于济阳坳陷页岩油取心井N1井和N2井，圆柱形样品的长度和直径均为2.5 cm左右，参数见表1。实验流体主要为气体和液体，气体为空气，液体为黏度分别为1.27、3.02、9.94、11.86、20.00 mPa·s的模拟油。

表1 济阳坳陷纹层状页岩实验样品参数Table 1 Parameters of laminar shale experiment samples of Jiyang Depression

1.2 实验设备及流程

实验设备包括高精度柱塞泵、压力表、六通阀、岩心夹持器、水平阀、围压跟踪泵、计量装置。

实验流程见图1，高精度柱塞泵为纹层状页岩流动实验提供动力，岩心放置在夹持器中，围压跟踪泵提供围压保证流体只从岩心中通过，用计量装置计量流体速度。装置中最关键的是高精度柱塞泵，要能够保证有足够小的流速，本实验中所采用的高精度柱塞泵最小流量为0.1 μL/min。

图1 纹层状页岩流动能力实验设备及流程示意Fig.1 Schematic diagram of flow capacity experiment equipment and process of laminar shale

页岩油相对于致密油渗透率更低，测试难度更大，要想获得相对精确的实验数据，测试时间相对更长。

本文建立的页岩油测试流程，改进了致密油测试设备的计量装置，使其处于密封状态，防止长时间测试导致流体挥发带来的测量误差。

1.3 实验方案及步骤

在纹层状页岩油流动能力影响因素实验中，主要考虑不同流体介质、流体黏度、驱替压力梯度、有效应力、含水饱和度对页岩油流动能力的影响。测试样品油藏深度为3 500 m，地层压力系数为1.4，原始油藏压力为62.8 MPa，地下原油黏度为2.03 mPa·s。

1.3.1 不同流体介质渗流实验

主要是分析气体和液体2种介质对纹层状页岩渗流能力的影响。

实验步骤为：（1）测量洗完油后的岩心长度和直径，保持有效围压为2.5 MPa，测量气测渗透率；（2）将测完气测渗透率的岩心抽空，饱和黏度为1.27 mPa·s的模拟油；（3）保持有效围压为2.5 MPa，测量油测渗透率。

1.3.2 不同流体黏度渗流实验

主要是分析不同流体黏度对纹层状页岩渗流能力的影响。

实验步骤为：（1）将测完气测渗透率的岩心抽空，饱和黏度为1.27 mPa·s的模拟油；（2）保持有效围压为2.5 MPa，测量油测渗透率；（3）以黏度为3.02 mPa·s的模拟油驱替，至少注入3 PV，待驱替压力稳定后测量该黏度下的油测渗透率；（4）分别用黏度为9.94、11.86、20.00 mPa·s的模拟油重复步骤（3），测量不同流体黏度下的油测渗透率。

1.3.3 不同驱替压力渗流实验

主要是分析不同驱替压力梯度对纹层状页岩流动能力的影响。

1.3.4 不同有效应力渗流实验

主要分析不同有效应力对纹层状页岩渗流能力的影响。

实验步骤为：（1）将测完气测渗透率的岩心抽空，饱和黏度为1.27 mPa·s的模拟油；（2）设置驱替压力为5.0 MPa，有效围压为2.5 MPa，测量油测渗透率；（3）保持驱替压力为5.0 MPa，逐步增大有效围压，测量不同有效围压下的油测渗透率。

1.3.5 不同含水饱和度下渗流实验

主要分析不同含水饱和度下纹层状页岩的渗流能力。

实验步骤为：（1）测量洗完油的页岩样品长度和直径，利用氦孔仪测量孔隙度，获得页岩孔隙体积；（2）将页岩岩心一端浸入质量分数为3%的KCl溶液中进行自吸，自吸一段时间后对页岩样品称质量，计算含水饱和度；（3）分别设置有效围压为2.5、5.0、10.0 MPa，测量空气渗透率；（4）重复步骤（2）—（3），测量不同含水饱和度下页岩的气测渗透率。

2 实验结果及分析

2.1 流体介质

相同的驱替压力梯度和有效应力下，对8块纹层状页岩样品分别用空气和模拟油测量渗透率，并对比分析其对页岩油渗流能力的影响，实验结果见表2。

表2 济阳坳陷纹层状页岩气测渗透率和油测渗透率对比Table 2 Comparison of gas and oil permeability measurements of laminar shale in Jiyang Depression

通过表2可以看出，在相同的压力条件下，纹层状页岩的油测渗透率远远小于气体渗透率，仅为气测渗透率的1%。页岩气测和油测渗透率差异大有3个原因：（1）页岩发育大量纳米级孔隙，液体分子直径大，在页岩中只有较大的孔喉或者层理缝参与流动，导致油测渗透率较小；（2）页岩固液作用明显，页岩中有机质和无机质对液体的吸附作用强，在流动过程中形成边界层效应，进一步降低页岩的流动半径，减小液体在页岩中的流动能力；（3）在纳米孔隙介质中，气测渗透率受气体分子滑脱效应的影响，测试结果偏大。气体、液体2种介质获得的渗透率差异大，说明单独用气测渗透率参数难以对页岩油渗流能力进行表征，需结合油测渗透率结果进行分析。

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2.2 流体黏度

对同1块页岩样品，分别测试流体黏度为1.27、3.02、9.94、11.86、20.00 mPa·s时的油测渗透率，分析不同流体黏度下页岩油的渗流能力（图2）。

图2 济阳坳陷纹层状页岩流体黏度与油测渗透率的关系Fig.2 Relationship between fluid viscosity and oil permeability of laminar shale in Jiyang Depression

由图2可知，随着流体黏度增加，页岩渗流能力先是快速下降，之后缓慢下降。根据达西定律，页岩流量与流体黏度的倒数呈线性关系，但渗透率作为储层岩心的固有属性，与流体黏度无直接关系。但从图2中可以明显看出，页岩油测渗透率随着流体黏度的增加而减小。这说明页岩微—纳米孔隙大量发育，随着流体黏度的增加，流体分子直径越来越大，在页岩中能够参与流动的孔隙越来越少，导致页岩渗流能力下降。

2.3 驱替压力梯度

对同1块页岩样品，保持相同有效围压的条件下，分别测试不同驱替压力梯度下的油测渗透率（表3），对比分析不同驱替压力梯度对页岩油渗流能力的影响，测试结果见图3和图4。

表3 济阳坳陷纹层状页岩在不同驱替压力梯度下的渗流能力Table 3 Flow capacity of laminar shale in Jiyang Depression under different displacement pressure gradients

图3 济阳坳陷纹层状页岩渗流速度与驱替压力梯度的关系Fig.3 Relationship between flow velocity and displacement pressure gradient of laminar shale in Jiyang Depression

图4 济阳坳陷纹层状页岩驱替压力梯度与油测渗透率的关系Fig.4 Relationship between displacement pressure gradient and oil permeability of laminar shale in Jiyang Depression

从图3可以看出，在页岩油单相渗流过程中，驱替压力梯度与渗流速度呈非线性关系，渗流速度随着驱替压力梯度的减小而减小。这是由于纹层状页岩孔隙纳米尺度孔隙比例高，孔隙直径差异大，在低驱替压力梯度下只有较大的孔隙或者层理缝参与渗流，随着驱替压力梯度的增加越来越多小孔隙参与流动，页岩渗透率增加。同时对图3中的曲线进行二项式拟合，可以得到纹层状页岩启动压力梯度为0.047 MPa/cm。

图4更加直观地表示出油测渗透率与驱替压力梯度的关系。随着驱替压力梯度的增加，页岩油测渗透率逐渐增大，说明页岩油渗流存在非线性流动现象。除了随着驱替压力梯度的增加，参与渗流的孔隙数量增加外，根据液态烷烃在页岩有机质孔缝内的分子动力学模拟结果来看［21］，页岩中存在吸附层和边界层，页岩固、液间的吸附作用会对页岩渗流产生影响，页岩边界层厚度与孔隙压力呈反比，也就是说随着孔隙压力的增加，页岩边界层厚度减小，参与流动的孔隙半径增加、渗透率增大。

2.4 有效应力

对3块不同渗透率的页岩样品，保持相同驱替压力梯度，逐渐增大有效围压，测试不同有效应力下的油测渗透率，分析纹层状页岩有效应力与油测渗透率的关系（图5）。

图5 济阳坳陷纹层状页岩有效应力与油测渗透率的关系Fig.5 Relationship between effective stress and oil permeability of laminar shale in Jiyang Depression

从图5可以看出，随着有效应力的增加，油测渗透率快速下降，且存在1个拐点，在拐点之前，页岩渗透率快速下降，拐点之后页岩油测渗透率随有效应力的增大放缓下降。初始渗透率值越大，纹层越发育，随有效应力的变化也越明显，即纹层状页岩的初始渗透率越高，应力敏感性越强。

2.5 含水饱和度

对同1块页岩样品，通过页岩自吸水改变含水饱和度，在相同含水饱和度下设置有效围压为2.5、5.0、10.0 MPa，分别测试不同含水饱和度、有效围压下的气测渗透率，对比分析不同含水饱和度对页岩油渗流能力的影响（图6）。由于目前的流动实验测试技术，难以准确表征油、水两相的渗流规律，所以用气测渗透率来表征含水饱和度对页岩渗流能力的影响。

图6 济阳坳陷纹层状页岩含水饱和度与气测渗透率的关系Fig.6 Relationship between water saturation and gas permeability of laminar shale in Jiyang Depression

从图6可以看出，当实验用水进入页岩孔隙时，随着含水饱和度的增加，页岩气测渗透率平缓下降；当含水饱和度超过10%时，页岩渗透率快速下降；当含水饱和度继续增加为25%时，页岩渗透率又呈现平缓下降的趋势。随着含水饱和度的增加，页岩气测渗透率呈现两端缓中间陡的台阶式特征。页岩油的开发要借助大规模压裂技术，压裂液进入到页岩储层中通过渗吸置换作用采出页岩油，但同时页岩孔隙中水的进入会导致页岩油渗流能力的降低。因此在页岩油压裂开发过程中应当考虑含水饱和度的上升对于页岩渗流能力降低的问题。

3 关键因素

通过对济阳坳陷纹层状页岩开展流动实验，对流体介质、流体黏度、驱替压力梯度、有效应力、含水饱和度5个因素对页岩油渗流能力进行了单因素分析，通过分析影响页岩油渗流能力的关键因素以及影响程度，对比各影响因素下的渗透率降低率，结果见表4。从表4可以看出，根据渗透率降低率得到不同影响因素对页岩油渗流能力的影响程度由大到小为流体介质、有效应力、含水饱和度、驱替压力梯度、流体黏度。

表4 不同实验因素对济阳坳陷纹层状页岩渗透率的影响Table 4 Influence of different experimental factors on permeability of laminar shale in Jiyang Depression

流体介质对页岩渗透率影响最大，说明流动介质变化页岩的渗流能力也发生巨大改变。有效应力和含水饱和度是影响页岩油渗流能力非常敏感的因素，保持合理的净上覆压力和含水饱和度对于页岩油的开发至关重要。驱替压力梯度对页岩油的流动能力相对敏感，且驱替压力梯度与页岩油渗流能力呈正比，高驱替压力梯度可以得到较大的渗流能力，但在油藏实际开发过程中高驱替压力梯度必然会导致较大的净上覆压力使有效压力升高，使得页岩应力敏感性增加，因此如何保持或者设置一个合理的驱替压力梯度，平衡驱替压力梯度和有效应力这2个影响因素对于页岩油的开发是一个重点。在实际油藏中，原油黏度相对稳定不会发生太大变化，因此流体黏度变化对页岩油渗透率的影响也是相对固定。

4 结论

（1）纹层状页岩油测渗透率与气测渗透率相差约2个数量级，由于页岩油在储层中以液体的形式流动，因此油测渗透率能够更好地表征页岩油流动能力。

（2）流体黏度的增加会降低流动实验中的油测渗透率，但原油黏度的增加会加大流体黏滞力，增加流动阻力，在实际油藏中，原油黏度相对固定，对页岩油测渗透率的影响也相对固定。

（3）有效应力和含水饱和度是影响页岩油渗流能力非常敏感的因素，保持合理的净上覆压力和含水饱和度对于页岩油的开发至关重要。

（4）驱替压力梯度与页岩油渗流能力呈正比，但在油藏实际开发过程中高驱替压力梯度必然会导致较大的净上覆压力使有效压力升高，设置合理的驱替压力梯度是页岩油开发的重点。