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摘 要：页岩气是重要的非常规能源，它主要以游离状态或吸附状态存在于地下，分布的地层岩性为高碳泥页岩和暗色泥页岩。据相关部门调查统计页岩气资源总量在世界范围内高达456€？012m3，接近世界非常规天然气的一半。而在我国也具有非常庞大的页岩气资源量。一般来说，页岩气藏的孔隙度比较低、渗透率更是达到纳米级，具有独特的解吸和吸附特征，特别是在渗流方面具有明显区别与常规气体和致密砂岩气等气体的多级、多尺度渗流特性，这给页岩气的准确认识和开发带来了困难。基于此，在充分调研国内外有关页岩气文献的基础上，对页岩气的基本地质特征进行研究，并分析不同颗粒尺寸下的页岩气渗流情况，为页岩气的开发提供指导和参考。
关键词：页岩气 渗流机理 地质特征
中图分类号：TE328 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-273-02
1 页岩气藏的储层特征分析
1.1 储渗空间特征
天然裂缝和基质孔隙是页岩储层的主要储渗空间。其中基质孔隙又可以划分为溶蚀孔、微裂隙、机质生烃形成的微孔隙、残余原生孔隙。
微裂缝是影响页岩气产能的重要因素，也进一步加剧了开采页岩气的难度和复杂成都。一方面，发育的微裂缝在提供储渗空间给页岩气的同时，还方便了吸附态天然气的解析，并成为页岩气运移、开采的通道。另一方面，与大型断裂连通的发育的微裂缝，不利于页岩气的保存；地层水也会通过裂缝进入页岩储层，使气井见水早，含水上升快，甚至可能暴性水淹。
裂缝：微裂缝在页岩储层中分布比较广，它的形成受到褶皱、断层等构造活动影响较大，同时，它也受到水平压力差异性的影响。
1.2 物性特征
特低渗、低孔、较致密是页岩气储层的重要物性特征。根据美国大量的页岩气开采实践中对各岩芯的试验检测和测量，孔隙度的范围为2.0%-14%，其中平均孔隙度为4.22%-6.51%；测井孔隙度大小为4%-12%，充气孔隙度的大小为1.0%-7.5%，充水孔隙度的大小为1.0%-8.0%。平均喉道半径小于0.005 m，渗透率不大于0.1mD。
1.3 矿物组成
对于页岩储层来说，最常见的矿物主要有高岭石、蒙皂石、伊利石，另外还掺杂有磷灰石、黄铁矿、白云石、方解石、云母、长石、石英等矿物。
页岩气储层中吸附气的含量受到黏土矿物含量的影响比较严重，特别是粘土矿物中的伊利石对吸附气含量的影响比较严重。另外，粘土中的碳酸盐、硅质等脆性矿物使得页岩气储层产生了大量的天然裂缝，这对于页岩储层的压裂改造起到了非常重要的作用。
1.4 有机质特征
有机质是页岩气储层中的重要成分，它的成熟度和丰度直接影响到页岩气的资源量。大量的页岩气实验和开发实践表明，它正相关于页岩气的生气率。因为大量的有机质能吸附更多的天然气，形成更多的微孔隙空间。
美国New Albany页岩和Antrim页岩含有超过20%TOC含量部分、Barnett页岩平均有机碳含量为平均4.5%。在我国四川盆地，根据调研和统计资料发现龙马溪组的TOC含量一般大于0.51%而小于4.88%、筇竹寺组的TOC含量在1.0%-11.07%之间变化。
页岩气的成藏离不开有机质的成熟度，据经验统计成熟度基本要求为Ro>1.3%。我国的页岩气储层中有机质的成熟度也都满足了这个要求，比如龙马溪组页岩Ro值平均可达3.21%、筇竹寺组页岩Ro一般分布在1.83%-3.23%。这些都表明了我国的页岩气成藏效果比较好。
2 页岩的孔渗结构特征
2.1 页岩孔隙系统
页岩孔隙系统是页岩气系统的重要参数，通过研究发现页岩的渗透率不大于0.001€？0-3 m2，孔隙度一般大于2%而小于15%。由水力压裂裂缝、天然裂缝、有机质、非有机质四种孔隙介质构成了页岩气系统的孔隙结构：微米尺度孔隙和纳米尺度孔隙。
目前有很多方法可以实现页岩气孔隙度的测量，但由于很多因素都会对测量结果产生影响，比如水、汞等液体和甲烷、氮、氦等气体，因此测量时要特别注意准确性。同时，破碎岩样重量、破碎方法、岩样尺寸、超荷净重压力以及孔隙压力都会影响微裂缝的数量和形态。F.Javadpour在通过对页岩岩芯的测量以后，获得了145MPa 高压下实验岩心的页岩岩样压汞曲线，根据这个曲线可以求出一般页岩孔喉直径的范围是10-3.2-101.2 m。利用热重量（TGA）分析方法，Solano和Sondhi简单的提出了一种孔隙度测量方法。利用最大分辨率为4-5nm的扫描电子显微镜，C.H.Sondergeld等人研究了其微观结构并获得了页岩三维孔隙成像。
2.2 页岩渗透率
气体运移能力是油气开采中的重要概念和表征量，也直接影响到页岩气井开发的高效。另外，由于页岩气藏的渗透率很小，处于纳米数量级，这就给页岩气藏渗透率的测量带来了困难，造成了很多问题的存在，比如测试时间长、测量结果经确定不高等问题。为了解决这些问题，Brace等人在测量引入了压力脉冲衰竭技术，并通过在常规气藏中检验了该方法的正确性和可行性。总的来说，当前大多采用压汞曲线分析、解吸测试、压力衰减以及压力脉冲衰竭等方式来测量。在测量渗透率的基础上，Javadpour得出了页岩储层10-9 m2数量级的基质渗透率，而Soeder D.J.研通过研究指出页岩基质渗透率在（10-9-10-5）€？0-3 m2之间，而裂缝渗透率基本上都处于（0.001-0.1）€？0-3 m2之间。
3 页岩气渗流机理研究
页岩气的流动主要经过以下三个主要过程：
第一个阶段就是页岩表面吸附的气体在钻完井的压降作用下 脱离其内表面，而解析出来的吸附气会和裂缝空袭中的游离气混合。 第二阶段是高浓度区的游离相页岩气会受到浓度差的作用流向低浓度区，也即是常说的气体的扩散，扩散过程伴随浓度变化的始终。
第三阶段是页岩气在流动势的作用下由裂缝孔隙系统渗流向生产井筒。
根据上述页岩气渗流过程的描述可以发现，页岩气的吸附和解吸是页岩气特有的沈流现象和特征，而这个过程常用Langmuir等温吸附曲线来进行确定和描述。等温吸附曲线能描述在恒温条件下页岩气吸附解吸的平衡关系。能定量描述吸附气体的压力和被吸附量之间的关系由于吸附是解吸的可逆过程。
实验和理论分析表明Langmuir等温吸附曲线同样适用页岩气的吸附解吸特性因此目前主要运用Langmuir等温吸附原理来描述页岩气的吸附解吸。
3.1 解吸
当页岩气藏完成钻井施工以后，会导致地层的压力下降，使原有的吸附平衡遭到破坏，产生解析现象。
3.2 扩散
由于页岩的孔隙度一般都比较小，很多处于纳米数量级，从微观上来说，达西流动存在的可能性很小，而是以特有的表面扩散、分子扩散、克努森扩散方式进行流体的流动。（1）表面扩散：它是指孔隙介质表面吸附的分子按照物体表面流动的现象。（2）分子扩散：它是一种重要的质量传递方式，主要是指在浓度差或其他推动力的作用下，分子、原子等的热运动所引起的物质在空间的迁移现象。目前对于分子扩散的数学描述主要是利用Fick 扩散定律。（3）克努森扩散：只有当孔隙介质的孔隙大小和分子的平均自由程比较接近时，才会出现克努森扩散。
3.3 滑脱
在页岩气藏中，滑脱也是比较常见的情况，早在1941年，Klinkenberg就已经对其进行了分析和研究，并建立了克氏渗透率的关系式，把克努森流动引入到了石油行业中。
3.4 达西流动
根据页岩气的流动过程可以发现，在微裂缝中和井筒附近，渗透率比较高，此时可以利用达西方程来描述页岩气藏中气体的流动。
通过对页岩气可能存在的流动过程和流动描述形式的分析，我们可以对各种流动形式的存在条件进行了总结，具体如下：表面扩散主要存在于固体干酪根中；解吸主要存在于干酪根表面；Fick 扩散主要存在于微裂缝、大孔隙以及微孔隙中；滑脱流和克努森扩散主要存在于页岩基质纳米孔隙中。
参考文献：
[1] 蒋裕强，董大忠，漆麟，等.页岩气储层的基本特征及其评价[J].地质勘探，2010，30（10）：1-4.
[2] Javadpour F，Fisher D，Unsworth M.Nanoscale Gas Flow in Shale Gas Sediments[J].JCPT，2007，46（10）：16-21.
[3] Javadpour F.Nanopores and Apparent Permeability of Gas Flow in Mudrocks （Shales and Siltstone）[J].JCPT，2009，48（8）：16-21.
[4] Sondhi N，Solano L P.Application of Thermogravimetric and Fourier Transform Infrared Spectroscopy Analysis in Determining Heating Protocols for Porosity Measurements in Shales，SPWLA[C].50th Annual Meeting，Woodlands，Texas，USA：2009.
[5] Sondergeld C H，Ambrose R J， Rai C S，et al.Micro-Structural Studies of Gas Shales[C].Pittsburgh，Pennsylvania，USA： Society of Petroleum Engineers，2010.
[6] Brace W F，Walsh J B，Frangos W T.Permeability of granite under high pressure[J].Journal of Geophysical Research，1968，73（6）：2225-2236.
[7] Jones S C. A Technique for Faster Pulse-Decay Permeability Measurements in Tight Rocks[J].SPE Formation Evaluation，1997，12（1）：19-26.
[8] Soeder D J.Porosity and Permeability of Eastern Devonian Gas Shale[J].SPE Formation Evaluation，1988，6（1）：15-20.
[9] Hassan M H M，Way J D.Gas Transport in a Microporous Silica Membrane[C].Abu Dhabi，United Arab Emirates：1996.Society of Petroleum Engineers Inc.，1996.
[10] Klinkenberg L J.The permeability of porous media to liquids and gases[J].Drilling and production practice，1941：200-213.
关键词：页岩气 渗流机理 地质特征
中图分类号：TE328 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-273-02
1 页岩气藏的储层特征分析
1.1 储渗空间特征
天然裂缝和基质孔隙是页岩储层的主要储渗空间。其中基质孔隙又可以划分为溶蚀孔、微裂隙、机质生烃形成的微孔隙、残余原生孔隙。
微裂缝是影响页岩气产能的重要因素，也进一步加剧了开采页岩气的难度和复杂成都。一方面，发育的微裂缝在提供储渗空间给页岩气的同时，还方便了吸附态天然气的解析，并成为页岩气运移、开采的通道。另一方面，与大型断裂连通的发育的微裂缝，不利于页岩气的保存；地层水也会通过裂缝进入页岩储层，使气井见水早，含水上升快，甚至可能暴性水淹。
裂缝：微裂缝在页岩储层中分布比较广，它的形成受到褶皱、断层等构造活动影响较大，同时，它也受到水平压力差异性的影响。
1.2 物性特征
特低渗、低孔、较致密是页岩气储层的重要物性特征。根据美国大量的页岩气开采实践中对各岩芯的试验检测和测量，孔隙度的范围为2.0%-14%，其中平均孔隙度为4.22%-6.51%；测井孔隙度大小为4%-12%，充气孔隙度的大小为1.0%-7.5%，充水孔隙度的大小为1.0%-8.0%。平均喉道半径小于0.005 m，渗透率不大于0.1mD。
1.3 矿物组成
对于页岩储层来说，最常见的矿物主要有高岭石、蒙皂石、伊利石，另外还掺杂有磷灰石、黄铁矿、白云石、方解石、云母、长石、石英等矿物。
页岩气储层中吸附气的含量受到黏土矿物含量的影响比较严重，特别是粘土矿物中的伊利石对吸附气含量的影响比较严重。另外，粘土中的碳酸盐、硅质等脆性矿物使得页岩气储层产生了大量的天然裂缝，这对于页岩储层的压裂改造起到了非常重要的作用。
1.4 有机质特征
有机质是页岩气储层中的重要成分，它的成熟度和丰度直接影响到页岩气的资源量。大量的页岩气实验和开发实践表明，它正相关于页岩气的生气率。因为大量的有机质能吸附更多的天然气，形成更多的微孔隙空间。
美国New Albany页岩和Antrim页岩含有超过20%TOC含量部分、Barnett页岩平均有机碳含量为平均4.5%。在我国四川盆地，根据调研和统计资料发现龙马溪组的TOC含量一般大于0.51%而小于4.88%、筇竹寺组的TOC含量在1.0%-11.07%之间变化。
页岩气的成藏离不开有机质的成熟度，据经验统计成熟度基本要求为Ro>1.3%。我国的页岩气储层中有机质的成熟度也都满足了这个要求，比如龙马溪组页岩Ro值平均可达3.21%、筇竹寺组页岩Ro一般分布在1.83%-3.23%。这些都表明了我国的页岩气成藏效果比较好。
2 页岩的孔渗结构特征
2.1 页岩孔隙系统
页岩孔隙系统是页岩气系统的重要参数，通过研究发现页岩的渗透率不大于0.001€？0-3 m2，孔隙度一般大于2%而小于15%。由水力压裂裂缝、天然裂缝、有机质、非有机质四种孔隙介质构成了页岩气系统的孔隙结构：微米尺度孔隙和纳米尺度孔隙。
目前有很多方法可以实现页岩气孔隙度的测量，但由于很多因素都会对测量结果产生影响，比如水、汞等液体和甲烷、氮、氦等气体，因此测量时要特别注意准确性。同时，破碎岩样重量、破碎方法、岩样尺寸、超荷净重压力以及孔隙压力都会影响微裂缝的数量和形态。F.Javadpour在通过对页岩岩芯的测量以后，获得了145MPa 高压下实验岩心的页岩岩样压汞曲线，根据这个曲线可以求出一般页岩孔喉直径的范围是10-3.2-101.2 m。利用热重量（TGA）分析方法，Solano和Sondhi简单的提出了一种孔隙度测量方法。利用最大分辨率为4-5nm的扫描电子显微镜，C.H.Sondergeld等人研究了其微观结构并获得了页岩三维孔隙成像。
2.2 页岩渗透率
气体运移能力是油气开采中的重要概念和表征量，也直接影响到页岩气井开发的高效。另外，由于页岩气藏的渗透率很小，处于纳米数量级，这就给页岩气藏渗透率的测量带来了困难，造成了很多问题的存在，比如测试时间长、测量结果经确定不高等问题。为了解决这些问题，Brace等人在测量引入了压力脉冲衰竭技术，并通过在常规气藏中检验了该方法的正确性和可行性。总的来说，当前大多采用压汞曲线分析、解吸测试、压力衰减以及压力脉冲衰竭等方式来测量。在测量渗透率的基础上，Javadpour得出了页岩储层10-9 m2数量级的基质渗透率，而Soeder D.J.研通过研究指出页岩基质渗透率在（10-9-10-5）€？0-3 m2之间，而裂缝渗透率基本上都处于（0.001-0.1）€？0-3 m2之间。
3 页岩气渗流机理研究
页岩气的流动主要经过以下三个主要过程：
第一个阶段就是页岩表面吸附的气体在钻完井的压降作用下 脱离其内表面，而解析出来的吸附气会和裂缝空袭中的游离气混合。 第二阶段是高浓度区的游离相页岩气会受到浓度差的作用流向低浓度区，也即是常说的气体的扩散，扩散过程伴随浓度变化的始终。
第三阶段是页岩气在流动势的作用下由裂缝孔隙系统渗流向生产井筒。
根据上述页岩气渗流过程的描述可以发现，页岩气的吸附和解吸是页岩气特有的沈流现象和特征，而这个过程常用Langmuir等温吸附曲线来进行确定和描述。等温吸附曲线能描述在恒温条件下页岩气吸附解吸的平衡关系。能定量描述吸附气体的压力和被吸附量之间的关系由于吸附是解吸的可逆过程。
实验和理论分析表明Langmuir等温吸附曲线同样适用页岩气的吸附解吸特性因此目前主要运用Langmuir等温吸附原理来描述页岩气的吸附解吸。
3.1 解吸
当页岩气藏完成钻井施工以后，会导致地层的压力下降，使原有的吸附平衡遭到破坏，产生解析现象。
3.2 扩散
由于页岩的孔隙度一般都比较小，很多处于纳米数量级，从微观上来说，达西流动存在的可能性很小，而是以特有的表面扩散、分子扩散、克努森扩散方式进行流体的流动。（1）表面扩散：它是指孔隙介质表面吸附的分子按照物体表面流动的现象。（2）分子扩散：它是一种重要的质量传递方式，主要是指在浓度差或其他推动力的作用下，分子、原子等的热运动所引起的物质在空间的迁移现象。目前对于分子扩散的数学描述主要是利用Fick 扩散定律。（3）克努森扩散：只有当孔隙介质的孔隙大小和分子的平均自由程比较接近时，才会出现克努森扩散。
3.3 滑脱
在页岩气藏中，滑脱也是比较常见的情况，早在1941年，Klinkenberg就已经对其进行了分析和研究，并建立了克氏渗透率的关系式，把克努森流动引入到了石油行业中。
3.4 达西流动
根据页岩气的流动过程可以发现，在微裂缝中和井筒附近，渗透率比较高，此时可以利用达西方程来描述页岩气藏中气体的流动。
通过对页岩气可能存在的流动过程和流动描述形式的分析，我们可以对各种流动形式的存在条件进行了总结，具体如下：表面扩散主要存在于固体干酪根中；解吸主要存在于干酪根表面；Fick 扩散主要存在于微裂缝、大孔隙以及微孔隙中；滑脱流和克努森扩散主要存在于页岩基质纳米孔隙中。
参考文献：
[1] 蒋裕强，董大忠，漆麟，等.页岩气储层的基本特征及其评价[J].地质勘探，2010，30（10）：1-4.
[2] Javadpour F，Fisher D，Unsworth M.Nanoscale Gas Flow in Shale Gas Sediments[J].JCPT，2007，46（10）：16-21.
[3] Javadpour F.Nanopores and Apparent Permeability of Gas Flow in Mudrocks （Shales and Siltstone）[J].JCPT，2009，48（8）：16-21.
[4] Sondhi N，Solano L P.Application of Thermogravimetric and Fourier Transform Infrared Spectroscopy Analysis in Determining Heating Protocols for Porosity Measurements in Shales，SPWLA[C].50th Annual Meeting，Woodlands，Texas，USA：2009.
[5] Sondergeld C H，Ambrose R J， Rai C S，et al.Micro-Structural Studies of Gas Shales[C].Pittsburgh，Pennsylvania，USA： Society of Petroleum Engineers，2010.
[6] Brace W F，Walsh J B，Frangos W T.Permeability of granite under high pressure[J].Journal of Geophysical Research，1968，73（6）：2225-2236.
[7] Jones S C. A Technique for Faster Pulse-Decay Permeability Measurements in Tight Rocks[J].SPE Formation Evaluation，1997，12（1）：19-26.
[8] Soeder D J.Porosity and Permeability of Eastern Devonian Gas Shale[J].SPE Formation Evaluation，1988，6（1）：15-20.
[9] Hassan M H M，Way J D.Gas Transport in a Microporous Silica Membrane[C].Abu Dhabi，United Arab Emirates：1996.Society of Petroleum Engineers Inc.，1996.
[10] Klinkenberg L J.The permeability of porous media to liquids and gases[J].Drilling and production practice，1941：200-213.