【释疑解惑】用更精准的数据为页岩气的勘探和开发服务
《力学园地》编辑部：
用更精准的数据为页岩气的勘探和开发服务
江文滨 林缅
在中科院先导专项、国家自然科学基金和“十三五”国家科技重大专项等项目的支持下，力学所林缅研究团队建成的页岩特征参数测试平台，在多项技术指标上领先于国内外同类设备。这里，我们对平台的功能、特点以及应用再做一些细致的说明，以满足《力学园地》读者的要求。
图1 高压氦孔隙度与颗粒渗透率仪
首先说一下高压氦孔隙度与颗粒渗透率仪（图1）。目前它主要用于实验室试样测试，但也具备用于现场测试的潜力。该设备利用氦气为惰性气体、吸附可忽略的特点，以氦气分子为探针“度量”块状样品内部孔隙空间的体积，也依据氦气分子向样品内孔隙空间扩散的快慢“度量”颗粒样品的渗透率。我们知道，孔隙度与渗透率是分别是表征储层本身品质的重要参数。孔隙度决定了油气储集空间的大小，渗透率影响油气采出的效率。该设备较同类进口设备有两大特色与优势：1）硬件上，增加了高精度恒温控制和抽真空脱气等功能，大幅提高了稳定性与重复性；并采用高、低压双压力传感器配置达到更高测试压力范围（最高15兆帕，进口设备仅为1.4兆帕左右）的同时具有较高精度；2）自主开发软件实现多个压力点孔隙度与渗透率自动连续测试，并集成了氦孔隙度自适应判平，颗粒渗透率最优化分析等自主开发的功能与算法。
与当前主流、GRI规范推荐的曲线拟合法所得结果比较可以发现，我们的最优化求解方法与实测值吻合度更高。这是因为GRI曲线拟合方法只适用于孔隙均质性较好的样品；对于微观非均质性强的样品（在我国川南页岩储层中普遍存在），其压力随时间衰减曲线具有显著的快、慢两阶段特征，曲线拟合方法所的仅为后期慢速下降过程；而我们的最优化方法通过迭代求解可确保了压力随时间衰减曲线全段上模拟点与实测点的偏差平方和最小。该方法已用于川南31口页岩气井不同层位样品分析，揭示了不同区块、层位页岩的基质渗透率差异。基于这些认识和数据，生产单位在川南页岩物性分类新标准中引入了基质渗透率这一指标，更有效地指导了储层分类评价。
图2 多功能覆压超低渗透率一体分析仪
其次来说说多功能覆压超低渗透率一体分析仪（图2）。它可以进行压力脉冲衰减法渗透率、原地法渗透率与覆压孔隙度的同机测试。压力脉冲衰减法一种瞬态的测试方法，根据压力差-时间的关系确定渗透率值。测试时，在岩样的两端初始给定一个的压力差，并且在其他侧面采用环压抱紧，以防止气体从侧旁通过。气体通过岩样时，两端压力差便逐渐缩小，记录压力差随时间变化的数据。相比与常规的上下游保持一定压力差测流量的稳态方法，这种瞬态方法的速度快得多，大大提高了测试效率。原地法同样是一种瞬态方法，但它只是一端进气而另一端封闭，根据压力-时间的衰减关系确定渗透率值。由于页岩具有裂缝和基质（微纳米孔隙）两级流动通道，压力脉冲方法测得的是裂缝主控过程中的渗透率，而原地法测得的渗透率则受裂缝和基质共同控制。采用不同方法可以多维度地认识不同区域页岩的流动能力：接近人工裂缝页岩的渗流能力表现为前者；接近开采动用区边缘页岩的渗流能力表现为后者。我们运用同机测试，可以避免由于压力传感器精度、气密性程度等因素不同对测试结果的影响。那么“覆压”是什么意思呢？它是“上覆压力”的简称，是储层岩石骨架在地下受到其上方上覆地层岩石施加的压力。这个仪器还涉及到“气体压力”，它是岩石所承受的内部孔隙中气体施加的压力（有时也称作孔隙压力）。由于岩石受到上覆压力和气体压力的共同作用，其骨架随两者净压力可能发生变形，从而导致孔隙度发生改变。在实验过程中，对岩样施加不同的净压力，测定样品在不同净压力下的孔隙度值，进而给出渗透率。进行覆压孔隙度测试是建立实验室条件测孔隙度到地层实际条件孔隙度转换关系所必需的，同时为建立多尺度数字-实验岩心提供了支撑。
图3 页岩气多级流动通道示意图
在地学中，一般将通过对实际岩心进行CT扫描或者基于断面二维图像并采用数学算法重构得到的与实际岩石具有对应关系的三维数据体称为“数字岩心”，基于数字岩心可开展流动模拟、弹性、声学和电学参数的模拟计算等。由于页岩具有从纳米到百微米级别的孔隙、裂缝结构。从图3的图示中可以得知，它的流动通道从分子尺度（Molecular scale）到纳米尺度（Nanoscale），再到微观尺度（Microscale），再到介观尺度（Mesoscale），直到宏观尺度（Macroscale）。对于这样复杂的体系，想通过直接成像来得到既能分辨孔隙又具有代表性（达到该尺度后相关属性稳定）的三维数据体，是不现实的。因此，人们只好借助数学上的三维重构算法来建立，但这样得到的仅仅是具有一定几何相关性的结果。我们提出了基于实测孔隙度、渗透率约束并结合可实现非均质重构的算法，所得的“数字-实验岩心”不仅几何上与岩石具有相关性，而且相关参数与实测结果一致。这种更为接近真实页岩的特点是建立在本平台所提供的测试数据基础上的。基于“数字-实验岩心”，我们可以获得不同类型孔隙内的含气性、流动及不同温压条件下的特征，从而为分析页岩气微观赋存与流动提供了更有效的方法和模型。
图4 超高压气体吸附仪
最后再说一下超高压气体吸附仪（图4）。它可以测定岩样在同一温度、不同压力下的吸附气量，一般也称为吸附等温线。当前国产等温吸附设备的测试压力普遍低于20MPa，少数可以达到35-40MPa。我们研制的这台设备是首台国产测试平衡压力可达到50MPa的气体吸附仪。除了测试精度高以外，它还具有高效、高可靠性的优点，近两年顺利完成了四川盆地南部31口页岩气井近300块五峰-龙马溪组页岩的高压甲烷等温吸附测试分析。
为了使大家理解研发更适用仪器获取更精准数据的意义，下面简略介绍一下利用我们的平台，为川南页岩气田的勘探和开发做了哪些实际工作。
首先，中石油西南油气田公司在2019年向自然资源部提交了长宁、威远页岩气田新增页岩探明储量6050亿立方米。大家可能知道，在进行储量计算时，需要采用勘探井的参数（包括孔隙度、吸附等温线等等），参数的准确确定对最终结果的可靠至关重要。现有不同方法测孔隙度，结果可能相差一倍以上；对于深层致密样品，等温吸附测试压力低于实际的地层压力，外推法给储量评价带来了不确定性。我们平台提交的数据为2019年度长宁、威远储量提交提供了关键的科学数据。
其次，依靠这个平台，我们还完成了多个区块31口井垂向上不同深度地层样品的孔隙、物性和含气性的精细评价和微观流动分析，从而为中国石油西南油气公司2020年度页岩气井位部署、水平井箱体设计铺垫了科学的基础。因为不同区块页岩的含气性、压裂改造效果各不相同，在同一口井的不同深度的地层中同样存在含气性、压裂改造效果的差异。为了获得更高的经济效益，降低开发风险，需要找到甜点区内的甜点段（既包括气富集的“地质甜点”，也包括工程上开发难度低、效果好的“工程甜点”），优先进行开采。特别是通过我们对31口井的精细评价，发现了在横向上不同井同一小层的孔隙度、基质及覆压渗透率绝对值及各向异性和非达西特征、总含气量及吸附气量占比的差异显著。明确了这种差异性特征，不论是对于勘探中的甜点识别与评价，还是对于开发中的井位、水平钻井靶体设计等方面的科学决策，均提供了更全面、准确、可靠的支撑和依据。
最后还要提到的是，不同储层特征的页岩气井产气规律不同，因此需要对生产动态进行跟踪，对影响产气效果的因素进行分析和评价，识别到底是储层本身品质（物性参数：孔隙度，渗透率等；含气性等等）的问题，还是钻井、压裂等施工质量方面的问题。我们平台也为这项跟踪评价生产任务的完成提供了必要的科学数据。
图5 五种有机质类型
基于所建立的数字-实验岩心等手段，我们揭示了此前未被识别的页岩若干特征差异，以及川南地区发育的五种类型有机质的微观流动特征。它们分别是：（1）圆形宏孔为主类型；（2）微孔为主类型；（3）黏土褶皱孔类型；（4）介孔为主类型；（5）宏孔和介孔均衡类型。其中，圆形宏孔的平均孔径和渗透率最大，其渗透率随有效压力增加而降低的相对幅度最大；相比而言，微孔为最小。此外，圆形大宏孔和宏孔/介孔均衡发育的类型的非达西效应较弱，而微孔类型最强。我们还揭示了区块内存在大量样品的基质渗透率具有明显的两级特征以及页岩样品存在典型的超临界吸附等现象。这些新认识拓展了前人采用的以孔隙度-含气性为主的静态评价指标，为页岩气勘探和开采提供了新的视界。
所以，我们力学工作者完全可以为页岩气勘探/开发这类国家重大工程作出切切实实的贡献。
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