層理縫對頁巖滲透率的影響及表征

朱維耀，馬東旭

(北京科技大學(xué)，北京 100083)

0 引 言

中國南方下志留統(tǒng)海相頁巖具有明顯的層理特征，層理發(fā)育的頁巖儲層滲透率具有明顯的各向異性特征，在研究中將頁巖儲層做為各向同性來處理，與實(shí)際情況偏差較大[1-11]，因此，對于層理特征比較明顯的頁巖要考慮滲透率各向異性的影響。國內(nèi)外學(xué)者針對層理頁巖開展了一些研究，Vernik L和Nur A[12]研究了黑色有機(jī)頁巖的波速各向異性特征，認(rèn)為黑色頁巖滲透率各向異性主要由其自身微觀結(jié)構(gòu)引起；陳天宇[13-14]等認(rèn)為在層理發(fā)育的頁巖中，沿層理方向發(fā)育的半徑較大的孔隙對滲透率貢獻(xiàn)較大。頁巖具有致密儲層特征，脈沖法更適合對巖樣滲透率進(jìn)行測量[15-25]。層理為接觸弱面，應(yīng)力作用下極易形成層理縫，由于實(shí)驗(yàn)條件等因素限制，目前將層理縫對滲透率影響進(jìn)行定量表征存在諸多困難。

對下志留統(tǒng)龍馬溪組層理頁巖樣品進(jìn)行了滲透率實(shí)驗(yàn)研究，采用脈沖法對巖樣孔隙度、滲透率參數(shù)進(jìn)行測量，通過掃描電鏡對層理頁巖的微觀孔隙特征進(jìn)行了觀察，運(yùn)用滲流力學(xué)理論建立了考慮層理縫影響的滲透率數(shù)學(xué)模型，模擬了層理縫長度、角度等因素對滲透率的影響，并結(jié)合頁巖氣開發(fā)方式分析了層理縫對頁巖氣產(chǎn)量的影響，為現(xiàn)場制訂合理開發(fā)方案提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

研究區(qū)龍馬溪組為陸棚邊緣滯水盆地沉積，主要由黑灰色頁巖，發(fā)育水平層理及斷續(xù)的水平層理。選取巖樣為沉積層理明顯的全直徑巖心，分別沿平行于層理和垂直于層理方向鉆取巖心，共計(jì)11組。

頁巖儲層具有典型的低孔隙度、低滲透率特征，因此，選用脈沖法對巖樣滲透率進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)中采用PoroPDP-200型覆壓孔滲儀進(jìn)行測量。頁巖儲層孔隙多為納米級孔隙，微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征對流體流動的影響較大，有必要對層理發(fā)育頁巖進(jìn)行微觀孔隙特征的分析。由于在機(jī)械拋光過程中會對巖樣形成損傷，形成大量的偽孔隙，或者在打磨過程中形成孔隙遮擋，常規(guī)的技術(shù)手段不能準(zhǔn)確描述頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)特征。采用氬離子拋光技術(shù)對巖樣進(jìn)行刻蝕處理，再采用發(fā)射掃描的方法觀察頁巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)，使用的實(shí)驗(yàn)儀器為FEI公司生產(chǎn)的QEMSCAN 650F雙束電鏡。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 孔隙度與滲透率特征

孔隙度與滲透率是描述儲層物性的重要參數(shù)，用脈沖法測得孔隙度和滲透率，并將測得數(shù)據(jù)繪制于半對數(shù)坐標(biāo)中(圖1)。由圖1可知，11組巖樣中孔隙度為1.0%～5.3%，滲透率為0.000 12×10-3～0.118 00×10-3μm2，頁巖儲層具有明顯的低孔隙度、低滲透率特征，所有層理巖樣孔隙度與滲透率相關(guān)性較差。平行層理方向與垂直層理方向滲透率差異很大，滲透率級差為6.6～615.0。垂直層理巖樣相對于平行層理巖樣孔隙度和滲透率相關(guān)性略好，但仍然存在個別實(shí)驗(yàn)樣品相關(guān)規(guī)律性較差。

圖1 頁巖儲層孔隙度和滲透率相關(guān)性

2.2 微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

層理為巖石中的接觸弱面，在應(yīng)力的作用下易形成裂縫，即層理縫。與其他微裂縫不同，層理縫一般比較平直，曲折度較小，裂縫長度通常延伸至整個切片表面，裂縫開度可達(dá)幾百納米以上。頁巖儲層中也普遍發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、礦物粒間孔，孔隙半徑最大可達(dá)到幾百納米。由于層理縫相對于其他種類的孔隙較長，流通性更好，且在儲層中普遍發(fā)育，因此，對巖樣中的氣體流動作用更大。

層理縫是導(dǎo)致柱塞巖樣孔滲相關(guān)性較差的主要原因，層理縫占據(jù)較小的孔隙體積，具備良好的導(dǎo)流能力，并具有連接其他孔隙的作用。層理縫對巖樣整體滲透率影響較大，且由于滲透率實(shí)驗(yàn)中采用單方向注入的方式，層理縫對平行層理巖樣的滲透率影響尤為明顯。垂直層理巖樣中裂縫方向垂直于滲流方向，裂縫對滲透率影響較小，孔滲相關(guān)性相對較好，只有個別巖樣的相關(guān)性較差。主要原因是在巖樣中存在礦物粒間孔、有機(jī)質(zhì)孔隙等，這些孔隙半徑較大，長度較短，連通性較差，對巖樣滲流能力的影響較小，但對孔隙度具有較大影響。

2.3 層理縫對巖樣滲透率的影響及表征

實(shí)驗(yàn)中氣體在巖樣中的流動為平面單向流動，含層理縫巖樣中氣體的流動可劃分為基質(zhì)流動區(qū)和基質(zhì)-裂縫混合流動區(qū)(圖2)?；|(zhì)向裂縫的竄流能力是裂縫影響巖樣滲透率的前提條件，基質(zhì)向裂縫的竄流能力越強(qiáng)，裂縫對巖樣的滲透率影響越大，當(dāng)基質(zhì)向裂縫的竄流能力為零時(shí)，裂縫將失去作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，層理巖樣具有較強(qiáng)的滲透率各向異性，平行層理方向巖樣滲透率普遍大于垂直層理巖樣，層理縫對平行層理巖樣滲透率影響較大，平行層理頁巖中基質(zhì)向裂縫的竄流能力較強(qiáng)。

圖2 含裂縫頁巖滲流特征示意圖

基質(zhì)-裂縫混合流動區(qū)域氣體在巖樣中的滲流過程是由基質(zhì)流向裂縫，再由裂縫流入基質(zhì)，最后在巖樣末端排出，將該滲流過程等效為串聯(lián)的滲透率模型。由平面單向流串聯(lián)巖樣的滲透率公式可得：

(1)

式中：Kmf為平面單向流串聯(lián)巖樣的滲透率，10-3μm2；L1、L2分別為不同基質(zhì)段滲流長度，cm；Km為基質(zhì)滲透率，10-3μm2；Kf為微裂縫滲透率，10-3μm2；Lp為氣體在裂縫中的滲流長度，cm，考慮到裂縫的連接作用，0

由圖2可計(jì)算出氣體在基質(zhì)段的滲流長度為：

L1+L2=(L-Lpcosθ)τ

(2)

式中：θ為裂縫與滲流方向的夾角，°；τ為基質(zhì)段滲流通道迂曲度；L為巖樣長度，cm。

由式(1)、(2)整理得：

(3)

由式(3)可知，含層理縫巖樣的滲透率由基質(zhì)和裂縫特征共同決定，當(dāng)裂縫長度為巖樣長度時(shí)，巖樣滲透率為裂縫滲透率，實(shí)驗(yàn)中滲透率較大的層理頁巖可能是層理縫貫穿了整塊巖樣。當(dāng)裂縫滲透率遠(yuǎn)大于基質(zhì)滲透率時(shí)，裂縫滲透率的變化對巖樣整體滲透率的影響較小，裂縫長度為巖樣長度時(shí)，巖樣滲透率為最大值(層理縫滲透率)。由微觀孔隙結(jié)構(gòu)分析可知，層理縫相對于基質(zhì)孔隙滲流通道具有較大的滲透率，實(shí)驗(yàn)中圍壓與孔隙壓力數(shù)值較低，圍壓應(yīng)力對孔隙結(jié)構(gòu)影響較小，因此，可將Lp/Kf項(xiàng)忽略，式(3)簡化為：

(4)

設(shè)定基質(zhì)滲透率為0.000 5×10-3μm2，巖樣長度為5.75 cm，基質(zhì)頁巖迂曲度為1.5，裂縫角度為0～90 °，微裂縫滲流長度為1～5 cm，分別計(jì)算單條裂縫不同長度條件下，裂縫角度對滲透率的影響(圖3)。由圖3可知，隨裂縫長度和角度的變化，巖樣滲透率可增至基質(zhì)滲透率的1～5倍；隨裂縫長度增加，巖樣滲透率迅速增加，呈非線性變化關(guān)系；巖樣滲透率與裂縫角度呈遞減的非線性變化關(guān)系，裂縫的長度越長，裂縫的角度影響作用越大。

圖3 微裂縫長度、角度對巖樣滲透率的影響

3 層理縫對產(chǎn)氣量的影響

體積壓裂是頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。體積壓裂產(chǎn)生的縫網(wǎng)最大限度增加了縫網(wǎng)斷塊的滲流面積[26]，與常規(guī)開發(fā)方式相比，縫網(wǎng)斷塊內(nèi)氣體向外流動具有較高的壓力梯度，因此，縫網(wǎng)斷塊的初始滲透率值對產(chǎn)氣量的影響較大。天然微裂縫相對于人工壓裂縫開度較小，裂縫的自支撐作用較弱，天然裂縫隨孔隙壓力的下降更易閉合[27]，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)能下降。因此，在頁巖氣的實(shí)際開發(fā)過程中，對于層理發(fā)育的儲層應(yīng)合理控制生產(chǎn)壓力，盡量避免應(yīng)力作用對產(chǎn)能的影響。

4 結(jié) 論

(1) 層理發(fā)育的頁巖巖樣具有較強(qiáng)的滲透率各向異性，平行層理與垂直層理巖樣滲透率級差為6.6～615.0，微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征是導(dǎo)致頁巖儲層孔隙度與滲透率相關(guān)性較差的主要因素。層理頁巖內(nèi)部發(fā)育大量的層理縫，層理縫相對于其他孔隙半徑較大的孔隙具有更好的連通性，對滲透率貢獻(xiàn)較大，其他孔隙雖然對滲透率影響弱于層理縫，但可提供儲集空間。

(2) 模型計(jì)算結(jié)果表明，層理縫可提高巖樣滲流能力，滲透率可提高數(shù)倍以上，巖樣滲透率與氣體在裂縫中的滲流長度、層理縫與滲流方向角度密切相關(guān)，巖樣滲透率與層理縫長度、裂縫與滲流方向的夾角呈非線性變化關(guān)系。

(3) 受開發(fā)方式的影響，儲層中層理縫的發(fā)育程度對產(chǎn)氣量影響較大，由于裂縫易閉合，針對層理發(fā)育的儲層，應(yīng)合理控制生產(chǎn)壓力，減少應(yīng)力作用對產(chǎn)能的影響。

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