柳文欣，路盼盼

（西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065）

目前从全球能源发展前景来看，页岩气开发潜力巨大，但页岩储层与常规储层有很大的不同，页岩储层较为致密且具有十分复杂的孔隙结构特征，其中大多数孔隙是纳米孔隙，赋存的页岩气则主要以游离态和吸附态的形式存在，具有低孔、低渗的特点。同时，储层中页岩气的流动不同于常规气体的流动，气体在页岩中的流动具有多重运移机制，页岩孔渗空间的复杂性以及多重运移性加大了页岩气开发难度。

近几年，众多国内外学者在页岩气成藏机理、资源潜力等方面上的研究成果显著，但在渗流规律方面的研究较少[1]。但是页岩气开发，渗流规律是基础，研究渗流机理对于提高页岩气的采收率有着至关重要的作用。因此，本文将通过研究页岩气的储层特征和赋存机理，深入研究页岩气渗流机理，为页岩气开采提供一定的理论指导。

1 页岩气储层特征

1.1 页岩孔隙结构特征

页岩孔隙远小于其他类型的储层孔隙，其孔径尺度多为纳米量级。这种特殊的纳米孔隙与页岩储层中交错相连的微裂缝共同构成了气体赋存和渗流的空间。页岩储层的储渗空间是由裂缝系统和基质系统两部分组成，其中基质孔隙包括微裂缝、有机质孔、粒间孔和溶蚀孔等，裂缝系统中有通过多种地质作用形成的天然裂缝和利用水力压裂形成的人工裂缝。这种多尺度孔隙结构不仅影响储层中页岩气含量，还对研究气体在裂缝和基质中的渗流机理起着至关重要的作用。因此，对页岩孔隙结构特征展开研究，分析页岩储层微观孔隙结构对流体渗流的影响，从而为进行储层特征精准刻画以及多重介质渗流模型建立等提供重要依据（见图1、表1）。

结合图1、表1 可以看出页岩储层孔隙类型多样、形态各异，进一步说明微观孔隙分布的非均质性，孔隙结构的不均一性。这种多尺度孔隙结构的存在一方面有效提高页岩储层孔隙度，增大流体赋存空间。同时，另一方面有利于形成裂缝孔隙网格继而为气体运移提供渗流通道，进一步提高储层渗透率。

图1 页岩储层孔隙结构图

表1 页岩主要孔隙结构特征[2]

1.2 页岩储层物性特征

储层物性特征决定储层内部页岩气赋存和运移机理，孔隙度和渗透率则是进行储层物性评价的重要参数，研究表明页岩储层具有低孔、特低渗致密的物性特征[3]。实验通过对YXZ01 井乐平组老山段页岩进行岩心取样，根据取心资料对样品孔隙度和渗透率进行物性分析，得出实验数据（见表2）。

表2 岩心取样实验数据[4]

由表2 所得实验数据可以看出，乐平组老山段页岩孔隙度分布较为平均，有效孔隙度在2.70%～5.09%，孔隙度平均值为3.75%。而该实验井段样品渗透率在0.000 31～0.005 76 mD，平均渗透率为0.002 mD，渗透率差异较大且数值普遍偏低。

虽然页岩储层孔隙度和渗透率值较低，但在一定研究范围内孔隙度和渗透率具有正相关关系（见图2），说明实验井段页岩储层物性特征良好，孔隙之间具有较好的连通性，为页岩气赋存和渗流提供一定的物性基础。同时，根据大量研究数据表明，页岩储层总孔隙度分布在2%～14%，基质渗透率一般小于0.01 mD，四川盆地页岩储层的孔隙度和渗透率则更低[5]。尽管如此，页岩储层仍然具备页岩气的赋存条件，并且可以通过储层改造等生产措施实现页岩气的增产稳产。

图2 乐平组老山段页岩孔隙度与渗透率对应关系图

综上，根据页岩储层孔隙结构特征和物性特征的相关研究，储层特征决定页岩气储集空间，并深入影响页岩气成藏过程。因此，通过对页岩气储层特征的了解，有助于进一步研究页岩气形成机理并分析影响气体储集与运移的因素，从而寻找有利于气体生成和富集的页岩储层。

2 页岩气形成机理

页岩气是存在于多种类型页岩中且以自生自储为成藏特征的天然气聚集。页岩气成因复杂多样，目前就有机成因来说，页岩气形成机理主要包括三种：热成因、生物成因和生物与热成因的混合成因[6]（见表3）。

由表3 可知，页岩气是生物成因和热成因共同作用而形成的，而页岩气的形成条件则与页岩气赋存方式有着密切的联系。因此，通过对页岩气形成机理的相关了解，有助于进一步研究页岩气赋存机理，促进掌握不同赋存形态页岩气在储层中的流动特征，并对后续页岩气勘探开发具有指导意义。

表3 页岩气形成机理

3 页岩气赋存机理

在页岩气藏中，气体赋存机理是影响页岩气渗流的主要核心，气体通常以三种形式赋存于孔隙中：以吸附态形式吸附在固体颗粒表面和有机质中，以游离态形式存在于页岩纳米孔隙和裂缝之中，以溶解态形式溶解在液态烃、有机质中[7]。研究发现，页岩气主要以吸附态和游离态形式存在于页岩储层中并且吸附气占主导地位，而处于溶解态的气体则极少。与此同时，在不同储层中，通过改变地质条件中的温度和压力，可实现不同赋存形态气体之间的相互转化，以此来达到页岩储层中气体储集的动态平衡状态。

3.1 吸附态

吸附气主要是通过物理作用和化学作用吸附在黏土矿物颗粒表面和有机质中。研究发现，吸附气含量占总气量的20%～85%，含气量主要受页岩气吸附能力的影响[8]。

目前，主要表征气体吸附的模型有Langmuir 模型，BET 模型和DA 模型等。其中，使用最广泛的模型是Langmuir 吸附模型。该模型基于分子动力学理论，假设固体表面均匀且气体吸附是单分子层的吸附，被吸附的分子层之间不存在相互作用，并能在一定条件下，实现吸附和解吸的动态平衡变化[9]。模型所对应的Langmuir 等温吸附曲线（见图3）。

图3 Langmuir 等温吸附曲线图

页岩基质中的吸附气量用Langmuir 等温吸附方程可以表示为：

式中：Q-页岩气吸附量，m3/t；VL-Langmuir 体积，m3/t；PL-Langmuir 压力，是页岩气吸附量达到极限吸附量的50%时的储层压力，MPa；P-动态平衡时的储层压力，MPa。

根据相应曲线图及公式可知，随着储层压力发生变化，吸附气量也在不断变化。研究发现，在中低压力情况下，页岩气藏压力P 越大，吸附气含气量Q 越大，进一步影响页岩储层的储量。

但该模型难以较好地体现页岩储层中黏土矿物吸附能力的差异以及孔隙结构的非均质性等，利用Langmuir 等温吸附方程也不能对吸附实验结果进行合理解释。因此，学者们对超临界状态下的吸附方程进行修改，如张跃磊等[10]从修正系统压力的角度出发，提出了新的P-Langmuir 等温吸附方程，从而更好的符合实际结果，完善气体吸附机理。

3.2 游离态

以游离态形式存在于孔隙和微裂缝中的页岩气，可以自由进行气体运移和渗流，但由于储集空间的局限性，气体分子流动也会受到相应限制。游离气含量主要受页岩有效孔隙度和含气饱和度等地质构造保存条件的影响。

目前，主要通过岩心实验来确定含油气饱和度，进而确定游离气含气饱和度，然后通过饱和度测井方法确定游离气含量。此外，也有学者利用油气系统数值模拟软件Trinity3D 实现了页岩气OGIP 空间分布计算并进一步提出了页岩储层中游离气含量的计算方法等[11]。研究显示，游离气含量随着页岩有效孔隙度的增加而升高，表明大孔隙和微裂缝越多，越有利于游离气的赋存。而含气饱和度也与游离气含量具有一定的正相关关系。

同时，以游离态和吸附态两种形式赋存的页岩气可在储层中不同的埋深条件下相互转换，但埋深差异对两者相态转换影响很大。在正常储层压力状态下，埋深较浅时（1 150 m 以上），随着深度增加，吸附气含量明显增大，但在1 150 m 以下深度，吸附气含量逐渐平稳，而游离气含量则在不断增加，可见吸附态和游离态页岩气可在不同埋深条件下进行相互转换以达到气体稳定状态[12]。

3.3 溶解态

少部分页岩气可以溶解在油和水中，进而形成溶解态页岩气赋存于储层中。页岩气溶解方程可以通过亨利定律表示：

式中：Pb-溶解态页岩气的平衡分压，Pa；Kc-亨利平衡常数；Cb-页岩气在液态物质中的溶解度，mol/m3。

根据定律可以看出，在给定温度条件下，页岩气溶解度与平衡分压成正比。研究发现，页岩溶解气量主要受压力、温度、矿化度和页岩中残留油数量等因素的影响。但由于溶解态页岩气含量极少，故在数值模拟研究过程中可以忽略此种赋存形态页岩气对流体渗流的影响。

4 页岩气渗流机理

页岩气在储层中的流动主要经历三个过程：吸附在基质表面的气体解吸附形成自由气的过程，孔隙中的自由气体向低压区（裂缝系统）扩散的过程，以及裂缝网格和孔隙中的页岩气以渗流形式运移的过程[13]。因此主要研究在微观和宏观的多尺度流动条件下，气体从孔隙裂缝系统流向井筒的运移过程。

4.1 达西渗流

一般情况下，页岩气在储层天然裂缝中的流动遵循广义达西定律，因此可以建立基于达西定律的渗流模型来模拟天然裂缝中页岩气的渗流过程。达西定律如下：

式中：K-为渗透率，主要与孔隙结构有关，而与流体性质无关。

实验发现，达西流仅适用于层流状态，当储层孔隙尺寸发生变化时流动形式也会发生相应变化。

4.2 滑脱效应

气体在页岩孔隙介质中的渗流特性较为特殊，孔道中心与孔道壁处的气体流速差别很小，同时在页岩孔道壁上不会产生吸附薄层。在一定压力条件下，页岩气扩散可以不受限制，进而导致气体渗透率增加。

页岩储层由于其特殊的物性特征且产能较小，使得在研究气体渗流过程中不得不考虑滑脱效应的影响。渗流实验发现，孔隙压力越低、地层越浅，滑脱效应对气体渗流的影响越明显。同时，在页岩渗透率较低的情况下，滑脱效应的影响也会增大[14]。

4.3 克努森流动

页岩气体渗流机理复杂多样，利用常规方法并不能准确完整的描述渗流过程。同时考虑到不同孔隙尺度，气体流动形式也有所不同。目前，主要利用Knudsen数来对流体流动机制进行划分，Knudsen 数的表达式如下：

式中：Kn-Knudsen 数，无量纲；λ-气体分子自由程，m；d-孔隙大小，m；Kb-玻尔兹曼常数；T-环境温度，K；δ-气体分子碰撞直径，m；P-气体压力，Pa。

随着孔隙尺度的变化，页岩气流动形式也会发生相应变化（见表4）。

表4 流体流动机制分类

当Kn小于0.01 时，一般可以认为气体是连续介质，主要以黏性流动为主，因此Darcy 定律仍然适用于描述基质孔隙中的气体流动；

当Kn在0.01～0.1 时，流体流动满足滑移流，同时存在Fick 扩散现象；

当Kn在0.1～10 时，流体的流动称为过渡流，并同时存在滑移流和Knudsen 扩散现象；

当Kn大于10 时，流体满足自由分子流条件，且存在Knudsen 分子扩散，页岩气可以在基质孔隙中自由流动。

综上，由于页岩孔隙尺寸在纳米级别，故页岩气渗流主要存在滑移流和过渡流两种流动机制，且需要考虑气体吸附解吸、滑脱和扩散的影响[15]。而在井筒附近的气体流动为达西渗流，页岩气可以连续流动。因此，通过对气体渗流机理的深入研究，为后续建立渗流模型提供理论基础。

5 结论

（1）页岩储层微观孔隙分布的非均质性、不均一性有效提高页岩储层孔隙度，增大流体赋存空间。同时，有利于形成裂缝孔隙网格继而为气体运移提供渗流通道，进一步提高储层渗透率。分析页岩储层微观孔隙结构对流体渗流的影响，从而为进行储层特征精准刻画以及多重介质渗流模型建立等提供重要依据。

（2）储层特征决定页岩气储集空间，深入影响页岩气的成藏过程。研究页岩气储层特征，有助于进一步研究页岩气形成机理并分析影响气体储集与运移的因素，从而寻找有利于气体生成和富集的页岩储层。

（3）页岩气是生物成因和热成因共同作用形成的，而页岩气的形成条件则与页岩气赋存方式有着密切的联系。通过研究页岩气形成机理，有助于进一步研究页岩气赋存机理，促进掌握不同赋存形态页岩气在储层中的流动特征，并对后续页岩气勘探开发具有指导意义。

（4）页岩气主要以吸附态和游离态形式存在于页岩储层中并且吸附气占主导地位，而处于溶解态的气体则极少。与此同时，在不同储层中，通过改变地质条件中的温度和压力，可实现不同赋存形态气体之间的相互转化，以此来达到页岩储层中气体储集的动态平衡状态。

（5）通过对达西渗流、滑脱效应、克努森流动等影响因素的研究，为后续建立渗流模型提供理论基础。