页岩渗透率测定方法及影响因素研究进展.pdf
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1、第30卷第5期油气地质与采收率Vol.30,No.52023年9月Petroleum Geology and Recovery EfficiencySep.2023收稿日期:2022-04-25。作者简介:杨术刚(1993),男,四川广元人,工程师,博士,从事气田采出水回注、CO2地质封存、地下水环境保护等方面的研究工作。E-mail:。基金项目:中国石油科学研究与技术开发项目“高含盐污水低成本脱盐外排与回注风险监控技术研究”(2021DJ6602)、“高效贫水吸收剂开发与采出水回注协同CO2封存技术研究”(2021DQ03-A2)和“CCUS/CCS埋存地质体选区评价及监测关键技术研究”(2
2、021ZZ01-05)。引用格式:杨术刚,张坤峰,刘双星,等.页岩渗透率测定方法及影响因素研究进展J.油气地质与采收率,2023,30(5):31-40.YANG Shugang,ZHANG Kunfeng,LIU Shuangxing,et al.Research progress on measurement methods and influencing factors ofshale permeabilityJ.Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2023,30(5):31-40.页岩渗透率测定方法及影响因素研究进展杨术刚1,2,张坤峰1
3、,2,刘双星1,2,赵兴雷1,2(1.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司,北京 102206;2.石油石化污染物控制与处理国家重点实验室,北京 102206)摘要:页岩渗透率及其分布关系页岩油气开发、常规油气藏储量评估、地下储气库及CO2地质封存盖层封闭性、核废料地质处置与气田采出水回注安全性等能源环境领域重点课题,其渗透率特征研究具有广泛的理论与工程实践意义。为此,系统阐述了页岩渗透率测定方法与影响因素研究进展,结果表明,页岩渗透率为微达西至纳达西,通常采用稳态法和脉冲衰减法测得,影响页岩渗透率的因素包括但不限于流体类型及饱和度、矿物组成、孔隙压力、有效应力、实验温度、各向异性以及流体-
4、页岩化学溶蚀与沉淀作用,不同条件下的流体-页岩相互作用差异及孔隙有效渗流半径变化是渗透率改变的根本原因。关键词:页岩;渗透率;测定方法;影响因素;流体-页岩相互作用文章编号:1009-9603(2023)05-0031-10DOI:10.13673/j.pgre.202204016中图分类号:TE122文献标识码:AResearch progress on measurement methods andinfluencing factors of shale permeabilityYANG Shugang1,2,ZHANG Kunfeng1,2,LIU Shuangxing1,2,ZHAO
5、Xinglei1,2(1.CNPC Research Institute of Safety and Environment Technology,Beijing City,102206,China;2.State Key Laboratory of Petroleum Pollution Control,Beijing City,102206,China)Abstract:Shale permeability and its distribution are vital to key projects in the energy and environment fields,such as
6、shale oil andgas development,reserves estimate of conventional oil and gas reservoirs,sealing ability of caprock in underground gas storage andCO2geological storage,geological disposal of nuclear waste,and reinjection safety of produced water from gas fields.The researchon the characteristics of sha
7、le permeability is of extensive theoretical and engineering practical significance.Therefore,this studysystematically summarized the research progress in the measurement methods and influencing factors of shale permeability.Theanalysis indicates that the shale permeability ranges from micro-darcy to
8、 nano-darcy,which is commonly measured by the steady-state method and pulse-decay method.The factors affecting shale permeability include but are not limited to the fluid type and saturation,mineral compositions,pore pressure,effective stress,experimental temperature,anisotropy,and fluid-rock chemic
9、al dissolutionand precipitation interactions.The difference in fluid-rock interaction and the change in effective flow radii of pores under differentconditions are the fundamental reasons for the permeability variation.Key words:shale;permeability;measurement methods;influencing factors;fluid-rock i
10、nteractions泥质岩是地壳表层分布最广的岩石,约占沉积岩总量的三分之二1-2。近年来,随着页岩气、页岩油的勘探开发以及CO2地质封存、气田采出水回注、核废料地质处置等地下工程的实施推进,泥质岩中的页岩受到中外能源环保领域学者的高度关注。页岩孔隙度多为 2%10%,孔喉直径主要为5100 nm,渗透率多为 10-310-7mD(10-1810-22m2)3-5。页岩完整度高、厚度大、地质环境相对稳 32 油气地质与采收率2023年9月定、吸附能力强,常作为油气藏和CO2地质封存的盖层以及核废料地质处置的天然屏障,并决定了油气藏储量规模、碳封存与核废料地质处置的长期安全性1,6-8。近年来
11、,赋存于页岩中的油气逐渐转变为当前举足轻重的化石能源4,9-11。“十二五”以来,围绕“稳油增气”战略,中国逐步加大了对页岩油气资源勘探开发的科技攻关,以期缓解中国常规油气产量不足以及煤化石燃料占比大引发的环境污染等问题12-13。“十三五”时期,中国页岩气新增探明地质储量达1.461012m314。页岩在页岩油气开发、气田采出水回注以及CO2地质封存等领域的应用需要系统研究不同条件下的渗透率特征,一方面可以为页岩油气开发、地层异常压力分布、盆地地下水循环等提供定量依据,另一方面为碳循环、溶质迁移及其他与地下水文相关的问题提供参考15。鉴于气体滑脱效应与流体-页岩相互作用会显著影响流体在页岩纳
12、米孔隙中的运动,页岩渗透率的测定方法、影响因素等相关研究引起了世界各国学者的广泛兴趣。笔者回顾了页岩渗透率的测定方法,重点阐述了流体类型、矿物组成、孔隙压力、有效应力、实验温度、各向异性以及CO2-水-页岩相互作用对页岩渗透率影响的研究进展,指出了今后页岩渗透率的研究重点,以期为石油、地质等领域研究学者提供借鉴与参考。1渗透率测定方法页岩孔喉直径多为纳米级,其渗透率测定相比高渗透介质更加困难3,16-17。目前,实验室测定页岩渗透率采用气体、去离子水或盐溶液、油三类流体在稳态或非稳态条件下测得。稳态法通过测量被测试流体流动达到稳定条件时的压差和流量,采用达西定律来计算渗透率;非稳态法基于样品两
13、端压力随时间衰减规律和相应数学模型来获取渗透率,主要包括脉冲衰减法、振荡压力法和GRI法4,17-20。这几种方法的原理及适用的渗透率测试范围如表1所示。其中,稳态法与脉冲衰减法是室内测定页岩渗透率的常用方法,国内表征页岩渗透率一般采用氦气脉冲衰减法,2种方法实验装置示意图分别见参考文献5和21,优缺点对比参见表 2。稳态法需要测量稳态流量,所需时间长,但装置简单,结果准确度高;相比之下,脉冲衰减法不需要测量流量,所需时间短,但装置较复杂。此外,WANG等提出了一种基于页岩甲烷吸附平衡过程中的压力、温度及时间等数据来计算干燥及含水条件下粉末状页岩渗透率的方法22。HANNON采用解析渗流模型作
14、为脉冲衰减法的替代方法(包括柱状样品轴向流、径向流以及粉末样品径向流)来计算页岩等超低渗透介质的渗透率23。蒙特卡罗分析法论证解析模型求解渗透率的准确性和可行性表明,解析模型法与脉冲衰减法得到的渗透率值相当。压汞法、核磁共振法等间接方法也常用于页岩渗透率的表征,前者利用压汞毛管压力数据,基于Purcell模型、Swanson等经验模型对页岩渗透率进行计算;后者通过测量核磁共振T2谱、可动/不可动流体孔隙度等参数,基于 SDR模型、Coates表1页岩渗透率实验室测定方法及其适用范围Table1Laboratory measurement methods for shale permeabili
15、ty and their application scopes方法稳态法非稳态法振荡压力法脉冲衰减法GRI法(岩心)GRI法(粉末)方法介绍通过测量稳态时岩心两端的压差和流量,基于达西定律计算渗透率通过在岩心两端施加一正弦振荡压力波,测量振幅衰减和相位延迟来计算渗透率基于一维非稳态渗流理论,给被测试样品施加一定的压差后,通过分析样品两端压力随时间的变化并结合相应的数学模型和测试仪器所限定的边界条件、初始条件来计算渗透率由脉冲衰减法改进,美国天然气研究所提出,也称压力降低法渗透率测试范围/mD10-610-61010-710210-610-1KArKN2KCH4KCO219-20。在相同实验条件
16、下,氦气测得的页岩渗透率通常为甲烷测得的渗透率的12倍3。气体类型对页岩渗透率的影响主要归为2个原因:一是分子直径3,19,不同气体分子直径不同,氦气分子直径显著小于其他类型气体,能通过其他气体不能穿过的微小孔道,此外,分子直径也会影响气体的滑脱效应,在给定压力和孔喉大小条件下,分子直径越小,滑脱效应越强;二是气体分子在页岩表面的吸附,吸附一方面减小有效渗流半径,另一方面吸附导致的膨胀会压缩孔隙空间,使得页岩孔隙结构发生变化,继而导致渗透率改变20,31-32。近年来,页岩油的开发促进了油测渗透率的相关研究,马炳杰等通过对比分析济阳坳陷纹层状页岩油与空气 2种渗透率,表明页岩的油测渗透率约为气
17、测渗透率的0.14%1.76%33(表3)。页岩表面Zeta电势主要为-48.7-25.2 mV30,用水作为测试流体时,强烈的水-页岩相互作用会使黏土矿物膨胀、矿物表面形成结合水膜以及产生电黏性效应等。黏土矿物膨胀会压缩孔隙空间,结合水膜的存在会减小孔喉有效渗流半径,电黏性效应的产生会减小净流速,三者的联合效应致使同一页岩样品气相渗透率通常比水相渗透率高约13个数量级3,21,34-36。溶液的浓度及离子价态也会影响页岩渗透率。KWON等利用去离子水、浓度均为1 mol/L的KCl,NaCl 和 CaCl2溶液 4 种流体测定页岩样品的渗透率。结果表明,KCl和NaCl溶液得到的渗透率与去离
18、子水测定的近似,但CaCl2溶液测定的渗透率比其他流体的大 35 倍37;HILDENBRAND 等采用自来水和质量浓度为100 g/L的NaCl溶液测定泥岩的渗透率相近38。YANG等选用柴达木盆地东部石炭系3块页岩样品,利用去离子水和浓度为1 mol/L的 NaCl溶液测定其渗透率,其值相近,均为 10-710-6mD,甚至相同压力梯度下,NaCl溶液测定的渗透率会稍低26。理论上,盐的加入会压缩矿物表面双电层,削弱电黏性效应,盐溶液渗透率理应大于纯水渗透率,但在实际情形中,双电层的压缩会造成颗粒失稳脱落而堵塞喉道,也会改变测试条件下的流体-岩石-应力耦合状态,从而影响渗透率21。当页岩中
19、同时存在水、气两相流体时,水的存在将大幅减小页岩的实测气体渗透率5,19,35。GAO等测试了不同含水率下的页岩氦气渗透率,结果表明,氦气渗透率随含水率增加呈指数下降5。非饱和页岩气体渗透率与其黏土矿物含量有关。相同含水率下,黏土矿物含量高的样品渗透率降幅将显著大于黏土矿物含量低的样品17,39。页岩气体渗透率随含水率升高而减小的原因包括3个方面:一是水膜的存在减小了孔喉有效渗流半径;二是黏土矿物(如蒙脱石)遇水膨胀挤占了孔隙空间;三是部分孔喉被毛细管水完全堵塞,削弱了孔隙间的连通性3,17,40。2.2矿物组成页岩矿物组成可分为脆性矿物(方解石、石英、长石等)与黏土矿物(蒙脱石、伊利石、高岭
20、石、绿泥石等)2大类,两者在力学性质、润湿性、物理化学性质等方面具有较大差异17,41,其相对含量会影响孔隙结构发育和流体-页岩相互作用强度,从而影响特定流体的渗透率。通常,微米尺度孔隙与脆性矿物等较大颗粒矿物集合体密切相关;而纳米尺度孔隙与黏土矿物尤其是蒙脱石密不可分2。此外,黏土矿物遇水会发生膨胀、分散、运移,极易堵塞页岩等 34 油气地质与采收率2023年9月致密介质的孔喉,使得渗流通道发生变化继而影响岩石渗透率。因此,对渗透率影响最大的是黏土矿物类型及其含量42,黏土矿物含量增加将降低其渗透率2,43-45。同一类岩石因黏土矿物含量差异导致渗透率变化高达8个数量级2。在特定孔隙度下,黏
21、土矿物含量低(27%和33%)的泥岩渗透率是富含黏土矿物(49%66%)的泥岩渗透率的40250倍46。基于前期学者对共计376组泥页岩渗透率(经原位孔隙流体、盐溶液及去离子水测得)与黏土矿物含量(12%97%)、孔隙度(0.040.78)关系的统计分析,YANG等提出了垂直层面渗透率与孔隙比、黏土矿物含量的经验公式47,其表达式为:lnK=-69.59 26.79CF+44.07CF0.5+()53.61 80.03CF+132.78CF0.5e+()86.61+81.91CF 163.61CF0.5e0.5(2)由(2)式可知,渗透率随黏土矿物含量增加而减小。KWON 等以浓度为 1 mo
22、l/L 的 NaCl溶液为测试流体,开展黏土矿物含量对Wilcox地层富含伊利石页岩渗透率影响的实验研究,结果表明低黏土矿物含量(40%)的页岩样品测得的渗透率是高黏土矿物含量(65%)页岩样品的6倍48。孔隙结构类比分析证实,该现象可归因于高黏土矿物含量样品比低黏土矿物含量样品具有更多的小孔隙及更少的大孔隙。WANG等以四川威远龙马溪组页岩为例,系统研究了矿物组成对页岩氮气渗透率的影响,其结果表明,页岩渗透率随着总有机碳含量(TOC)的增加而增加;当黏土矿物含量小于30%时,由于有机孔发育,孔隙连通性好,页岩渗透率与黏土矿物含量呈正相关,而当黏土矿物含量大于30%时,黏土矿物增加会堵塞孔喉,
23、增加页岩的可压缩性和塑性,降低页岩抗机械压实能力,故而黏土矿物含量的增加将导致页岩渗透率快速下降;石英和方解石对页岩孔隙影响复杂,其含量变化与页岩渗透率无表3不同影响因素作用下的页岩渗透率Table3Shale permeability under different influencing factors岩 石 类 型Scandinavia Alum页岩Scandinavia Alum页岩Scandinavia Alum页岩Scandinavia Alum页岩Scandinavia Alum页岩Utica页岩Utica页岩柴达木盆地石炭系页岩柴达木盆地石炭系页岩柴达木盆地石炭系页岩柴达木盆地
24、石炭系页岩柴达木盆地石炭系页岩Wilcox页岩Wilcox页岩Wilcox页岩济阳坳陷纹层状页岩济阳坳陷纹层状页岩深层泥岩深层泥岩实 验 流 体HeCH4He去离子水去离子水Ar超临界CO2He去离子水浓度为1 mol/L的NaCl液体CO2He去离子水浓度为1 mol/L的NaCl浓度为1 mol/L的CaCl2模拟油空气质量浓度为30 g/L的NaCl质量浓度为30 g/L的NaCl含水率/%0001001000001001000185810010010000100100渗流方向平行层理平行层理垂直层理平行层理垂直层理平行层理平行层理平行层理平行层理平行层理平行层理垂直层面平行层理平行层理
25、平行层理平行层理平行层理垂直层理平行层理孔隙压力/MPa3.23.23.23.23.83.23.818.8200.173.2292100.72.14.131010105555围压/MPa83083030121221.622.81515151511.021318131813187.57.57.5657.565测定方法稳态法稳态法稳态法稳态法稳态法脉冲衰减法脉冲衰减法稳态法稳态法稳态法稳态法脉冲衰减法脉冲衰减法脉冲衰减法脉冲衰减法稳态法稳态法脉冲衰减法脉冲衰减法渗透率/10-6mD714965362603715.30.40.70.131.700.487.470.013 0357 4764.1822
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