頁(yè)巖開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究初探

李　珊

（華東分公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院實(shí)驗(yàn)中心，江蘇揚(yáng)州225007）

頁(yè)巖開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究初探

李珊*

（華東分公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院實(shí)驗(yàn)中心，江蘇揚(yáng)州225007）

國(guó)內(nèi)外針對(duì)頁(yè)巖開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)技術(shù)未形成成熟的理論體系，國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣資源勘探開(kāi)發(fā)處于起步階段。在調(diào)研國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣研究成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)P區(qū)塊L層位頁(yè)巖進(jìn)行儲(chǔ)層流體敏感實(shí)驗(yàn)和分散性膨脹性實(shí)驗(yàn)，探尋頁(yè)巖存在的特殊流體敏感特征和分散穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，外來(lái)液體進(jìn)入頁(yè)巖地層后不可避免導(dǎo)致粘土礦物的膨脹、運(yùn)移和分散；頁(yè)巖樣品具有較強(qiáng)的敏感性，工作液體系對(duì)高粘土礦物含量巖芯具有較好的抑制性能；樣品初期膨脹量較大，后期穩(wěn)定，變化趨勢(shì)基本一致。

頁(yè)巖；敏感性；分散性；膨脹性

1　概述

常規(guī)砂巖油氣開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)建立在儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)等物性基礎(chǔ)上，依托現(xiàn)代科技發(fā)展，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究積累已經(jīng)形成成熟的開(kāi)發(fā)機(jī)理、儲(chǔ)層傷害機(jī)理等理論依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)起步晚，探索時(shí)間短，研究積累不足，與常規(guī)油氣儲(chǔ)層相比，天然頁(yè)巖巖芯非常致密、孔隙度極低、滲透率極低，造成開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展［1］。頁(yè)巖開(kāi)發(fā)技術(shù)包括頁(yè)巖敏感性評(píng)價(jià)、頁(yè)巖分散穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、開(kāi)發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)等方面。

2　頁(yè)巖流體敏感性實(shí)驗(yàn)

2.1頁(yè)巖人工制樣

頁(yè)巖儲(chǔ)層富含粘土礦物，外來(lái)液體進(jìn)入地層時(shí)不可避免造成影響，需要進(jìn)行敏感性損害研究?，F(xiàn)有的常規(guī)敏感性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)氣測(cè)滲透率小于1×10-3μmm2的致密儲(chǔ)層時(shí)，存在對(duì)設(shè)備性能要求極高、測(cè)試流程長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)誤差大等問(wèn)題。人造頁(yè)巖平行樣裝置見(jiàn)圖1。人造頁(yè)巖平行樣壓制室見(jiàn)圖2。

圖1　人造頁(yè)巖平行樣裝置

與常規(guī)砂巖的骨架顆粒不同，頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度低、連通性差，僅發(fā)育少量微裂縫。嘗試減小基質(zhì)顆粒尺寸，增大基質(zhì)的比表面積，壓制成人造頁(yè)巖樣品，減少實(shí)驗(yàn)儀器精度限制帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)指示效果，進(jìn)行條件實(shí)驗(yàn)，探索頁(yè)巖開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)中規(guī)律。

取P區(qū)塊L層位頁(yè)巖為樣本，礦物以粘土和石英為主要組成礦物，含少量長(zhǎng)石、方解石等碎屑礦物和自生礦物本樣品粘土含量35.6%。以滲透率為指標(biāo)進(jìn)行衡量，研究確定顆粒目數(shù)、膠結(jié)物類型及含量、加壓應(yīng)力、加壓時(shí)間等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的主次順序和變化趨勢(shì)，提高巖芯制作穩(wěn)定性，提供評(píng)價(jià)載體。

2.2水敏性實(shí)驗(yàn)

選取樣品，開(kāi)展儲(chǔ)層水敏性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。依次注入標(biāo)準(zhǔn)鹽水、50%標(biāo)準(zhǔn)鹽水和蒸餾水，累計(jì)完成70倍孔隙體積，結(jié)果見(jiàn)圖3。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，巖樣水敏損害率63.2%，水敏損害程度中等偏強(qiáng)。

圖2　人造頁(yè)巖平行樣壓制室

圖3　頁(yè)巖水敏圖

2.3鹽敏性實(shí)驗(yàn)

選取樣品，開(kāi)展儲(chǔ)層鹽敏性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。逐漸降低鹽水濃度，測(cè)得滲透率變化率，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　頁(yè)巖鹽敏曲線圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，臨界鹽度為60000mg/L，鹽敏損害率：59.0%，鹽敏損害程度中等偏強(qiáng)。

2.4酸敏性實(shí)驗(yàn)

選取樣品，開(kāi)展儲(chǔ)層酸敏性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。對(duì)比巖樣在酸處理前后標(biāo)準(zhǔn)鹽水滲透率，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5　頁(yè)巖酸敏實(shí)驗(yàn)曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，酸敏損害率17.0%，酸敏損害程度弱。

2.5堿敏性實(shí)驗(yàn)

選取樣品，開(kāi)展儲(chǔ)層堿敏性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。隨著pH值增大，滲透率變化結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6　頁(yè)巖堿敏實(shí)驗(yàn)曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，臨界pH值為8.5，堿敏損害率為98.6%，堿敏損害程度強(qiáng)。

水敏、鹽敏、酸敏、堿敏具有明顯變化，認(rèn)為通過(guò)人造頁(yè)巖巖芯的方式開(kāi)展敏感測(cè)試可行，判斷趨勢(shì)。

3　頁(yè)巖分散及膨脹性特征

頁(yè)巖通常含有一定比例的粘土礦物，大液量、大排量壓裂施工可能導(dǎo)致粘土礦物膨脹、水化分散，目前開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)研究未建立起相關(guān)評(píng)價(jià)體系。分散及膨脹性研究可為頁(yè)巖氣藏井壁穩(wěn)定性、壓裂方案優(yōu)化設(shè)計(jì)、壓裂液優(yōu)選提供參考。

3.1分散性

采用CST（毛細(xì)管吸收時(shí)間）在頁(yè)巖膠體分散性研究中，一般是指不同試液或泥漿與頁(yè)巖顆粒配置的一定比例的配漿滲過(guò)特制濾紙5mm距離所需的時(shí)間。CST可以突破常規(guī)敏感性實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展的障礙，研究頁(yè)巖在不同試劑中的分散特征，判斷不同配比入井液對(duì)頁(yè)巖的傷害性，優(yōu)選分散抑制性聚合物試劑，針對(duì)性配制入井液，制定相應(yīng)壓裂排采方案，保證頁(yè)巖氣排采過(guò)程中的孔道通暢。

CST技術(shù)于1970年起開(kāi)始在國(guó)外污水處理、油田化學(xué)處理劑測(cè)試等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用。經(jīng)Wilcox［2-3］、Osisanyas［4］、黃林基［5］等人的深入研究，已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，CST實(shí)驗(yàn)定量結(jié)果不易重復(fù)，需要將實(shí)驗(yàn)程序標(biāo)準(zhǔn)化，才能作為一種適用的評(píng)價(jià)方法。通過(guò)從電極接觸、濾紙條件、取樣均一、程序標(biāo)準(zhǔn)化這4個(gè)方面改進(jìn)，提高CST平行性，誤差由15.1%縮至1.99%。

在保證數(shù)據(jù)重復(fù)性基礎(chǔ)上，進(jìn)行了蒸餾水、2%KCl溶液不同試液對(duì)不同頁(yè)巖樣品的條件對(duì)比實(shí)驗(yàn)。樣品1、樣品2均選自X地區(qū)L層位泥頁(yè)巖，其中樣品1粘土礦物含量為31%，樣品2粘土含量為55%。實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)2種試液和2種樣品進(jìn)行了4組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，選取CST平均值，誤差均在5%以內(nèi)，分別得出一次回歸函數(shù)，如表3、圖7所示。

表1　CST優(yōu)化前（KCl溶液）

表2　CST優(yōu)化后（KCl溶液）

表3　條件對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖7　CST條件對(duì)比實(shí)驗(yàn)曲線圖

由圖7可知，樣品1粘土礦物含量較低，選用試液為蒸餾水或2%KCl溶液時(shí)，其瞬時(shí)分散的膠體粒子量與頁(yè)巖顆粒在試液中的分散速度均小于樣品2，分散性較差，儲(chǔ)層穩(wěn)定性更好。

樣品1在蒸餾水、2%KCl溶液條件下，瞬時(shí)分散的膠體粒子量分別由50.561降低至36.203，降幅28.39%；樣品2由52.250降低至37.091，降幅29.01%；頁(yè)巖膠體在試液中的分散速度降幅分別為42.24%、72.05%?？梢耘袛?，2%KCl溶液對(duì)頁(yè)巖分散抑制效果更好，對(duì)儲(chǔ)層的穩(wěn)定性傷害更小。其中，2%KCl溶液對(duì)粘土礦物含量較高的樣品2的分散速度降低更多，分散抑制效果更好。

3.2膨脹性

采用線性膨脹儀研究頁(yè)巖吸水膨脹特性，采用吸水膨脹實(shí)驗(yàn)法（量測(cè)定儀圖見(jiàn)圖8）。

圖8　Fann LSM2100泥頁(yè)巖線性膨脹量測(cè)定儀圖

通過(guò)將人工制備的巖芯放置在工作筒中，測(cè)試工作液與清水條件下下巖芯的軸向線性膨脹率，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制出巖芯線性膨脹率與時(shí)間的關(guān)系曲線。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，頁(yè)巖巖芯2h的膨脹率與16h的膨脹率基本相同，表明頁(yè)巖遇外來(lái)液體將產(chǎn)生膨脹，但隨著時(shí)間的推移，膨脹趨于穩(wěn)定。

圖9　滑溜水與清水介質(zhì)頁(yè)巖膨脹率圖

4　結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)區(qū)塊頁(yè)巖具有較強(qiáng)水敏、鹽敏、堿敏；酸敏程度偏弱。

（2）CST實(shí)驗(yàn)存在重復(fù)性不佳的問(wèn)題，可以通過(guò)對(duì)儀器的電極接觸條件及攪拌速度的完善，優(yōu)化信號(hào)采集和取樣均一性，減小實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)現(xiàn)重復(fù)性。

（3）CST技術(shù)對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及開(kāi)發(fā)過(guò)程中入井液的選擇具有較好指示效果，可以利用其數(shù)據(jù)表征意義定性判斷。

（4）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粘土礦物分散性與粘土含量成正相關(guān)；2%KCl溶液對(duì)頁(yè)巖分散性起抑制作用；2%KCl溶液對(duì)粘土礦物含量較高的樣品分散性抑制效果更好。

（5）頁(yè)巖初期膨脹量較大，后期很小，變化趨勢(shì)基本一致。

［1］趙群，王紅巖，劉人和，等.世界頁(yè)巖氣發(fā)展現(xiàn)狀及我國(guó)勘探前景［J］.天然氣技術(shù)，2008，2（3）：12.

［2］Wilcox R，F(xiàn)isk J.Tests Show Shale Behavior，Aid Well Planning［J］.Oil Gas J.；（United States），1983，81（37）.

［3］Wilcox R D，JV F，Corbett G E.Filtration Method Characterizes Dispersive Properties of Shales［J］.SPE Drilling Engineering，1987，2（2）：149-158.

［4］Osisanya S O，Chenevert M E.Rigsite Shale Evaluation Techniques for Control of Shale-related Wellbore Instability Problems［J］.SPE/IADC，1987，16054：51-66.

［5］黃林基，羅興樹(shù).用CST儀評(píng)價(jià)聚合物抑制性實(shí)驗(yàn)方法的研究［J］.鉆井液與完井液，1995，12（1）：1-5.

TE2

A

1004-5716（2016）07-0070-04

2015-11-02

2015-11-19

李珊（1982-），女（漢族），江蘇揚(yáng)州人，助理工程師，現(xiàn)從事入井液傷害評(píng)價(jià)及儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)研究工作。