不同含水飽和度對(duì)頁巖滲流能力影響實(shí)驗(yàn)研究

吳 康, 熊 偉, 胡志明, 高樹生

(1.中國科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049；2.中國科學(xué)院 滲流流體力學(xué)研究所，河北 廊坊 065007；3.中國石油勘探開發(fā)研究院 廊坊院區(qū), 河北 廊坊 065007)

0 引 言

頁巖氣是一種儲(chǔ)量巨大的非常規(guī)天然氣資源，近年來，許多國家的石油工作者、專家致力于頁巖氣資源的研究與開發(fā)，全球掀起了一場轟轟烈烈的“頁巖氣綠色革命”[1-3]。頁巖儲(chǔ)層是超低滲儲(chǔ)層[4-5]，因而水力壓裂技術(shù)是頁巖氣開發(fā)的主要方式[6-7]。與常規(guī)儲(chǔ)層不同，頁巖儲(chǔ)層經(jīng)過壓裂后，壓裂液的返排率很低，大量的壓裂液都被基質(zhì)吸收或滯留在儲(chǔ)層中[8-10]，根據(jù)水鎖傷害理論分析[11]，壓裂液的滯留會(huì)嚴(yán)重抑制頁巖氣的開發(fā)，然而分析國內(nèi)外頁巖氣井的生產(chǎn)狀況發(fā)現(xiàn)，有些壓裂液返排率低的頁巖氣井，其產(chǎn)量并不低，甚至高于壓裂液返排率高的井[12-13]。壓裂液的主要成分是水，頁巖儲(chǔ)層的初始含水飽和度極低[14-16]，壓裂液的滯留和吸收會(huì)改變頁巖儲(chǔ)層的含水飽和度，從而影響頁巖氣的流動(dòng)，因此設(shè)計(jì)物理模擬實(shí)驗(yàn)，建立不同含水飽和度的頁巖巖心，模擬壓裂前后儲(chǔ)層含水飽和度變化，通過測量其流態(tài)曲線，探究頁巖不同含水飽和度對(duì)頁巖氣流動(dòng)的影響。

由于壓裂后大部分壓裂液被頁巖基質(zhì)吸收或滯留在儲(chǔ)層中，從而改變頁巖儲(chǔ)層的含水飽和度，嚴(yán)重影響頁巖氣的流動(dòng)。本文實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)頁巖不同含水飽和度對(duì)頁巖氣滲流的影響。實(shí)驗(yàn)首先對(duì)選取的巖心建立一定的含水飽和度以模擬壓裂后頁巖儲(chǔ)層不同含水飽和度，然后以甲烷為介質(zhì)測量其流態(tài)曲線。比較實(shí)驗(yàn)前后巖心的質(zhì)量變化，即飽和度的變化，分析水被吸收和賦存狀態(tài)，同時(shí)比較不同含水飽和度下頁巖滲流能力的大小，來評(píng)價(jià)含水飽和度對(duì)頁巖滲流能力的影響。

1 頁巖不同含水飽和度下甲烷流態(tài)曲線測量

1.1 巖心選取及制備

實(shí)驗(yàn)選取渝東南黔江區(qū)域龍馬溪組頁巖巖樣，該層位頁巖有機(jī)碳豐度高，類型好，成熟度適中，是目前較有利的頁巖氣發(fā)育層位。地層的連通性差，滲透率低，孔隙度一般為3%左右，滲透率小于0.001 mD。

1.2 頁巖含水飽和度的建立

1.2.1原理

頁巖的水蒸氣吸附和解吸實(shí)驗(yàn)原理主要是根據(jù)頁巖中水分濃度與外界水分濃度的平衡關(guān)系。將干燥頁巖樣品放在一個(gè)濕度恒定的環(huán)境中，當(dāng)頁巖中水分濕度小于外界環(huán)境濕度，頁巖就會(huì)發(fā)生水蒸氣擴(kuò)散吸附，頁巖中水分含量增加。在這段時(shí)間內(nèi)頁巖的質(zhì)量變化，根據(jù)質(zhì)量變化量計(jì)算出含水飽和度。

1.2.2方法

首先用電子游標(biāo)卡尺測量實(shí)驗(yàn)巖心的長度和直徑(見圖1)，然后將巖心放入105 ℃的烘箱烘48 h，再用天平稱其質(zhì)量，最后測試孔隙度，所得數(shù)據(jù)如下：長度4.053 cm，直徑2.512 cm，干重54.009 7 g，視密度2.69 g/cm3，孔隙度3.106%。

圖1 實(shí)驗(yàn)巖心

將實(shí)驗(yàn)樣品放入烘箱升溫至105 ℃烘24 h后用保鮮膜包緊放入雙層密封袋內(nèi)，冷卻后，用天平稱出密封袋內(nèi)實(shí)驗(yàn)樣品的質(zhì)量為m1，同時(shí)向體積為1 L的中間容器內(nèi)放入100 mL蒸餾水，帶上密封手套(防止手與樣品直接接觸影響樣品質(zhì)量)，用細(xì)線捆綁樣品，并將捆有細(xì)線的樣品固定在中間容器蓋子下面,樣品與蓋子的距離不要太遠(yuǎn)，以防止碰到中間容器下端的蒸餾水(見圖2)，擰緊中間容器的蓋子，然后將中間容器放入105 ℃的烘箱中烘t1小時(shí)后取出，將樣品用保鮮膜包緊放入雙層密封袋內(nèi)，在室內(nèi)放置3 h待樣品冷卻至室溫，用天平稱出密封袋內(nèi)實(shí)驗(yàn)樣品的質(zhì)量為m2。重復(fù)以上步驟，t1分別為1,2,4,6,8,10,12，14,16,18,20,22 h。根據(jù)得到的12個(gè)結(jié)果分別計(jì)算出頁巖樣品在恒溫(105 ℃)不同時(shí)間下對(duì)應(yīng)的含水飽和度(見圖3)。

圖2 頁巖巖心建立含水飽和度裝置圖

圖3 烘烤時(shí)間與建立的含水飽和度的關(guān)系曲線

(1) 按圖4組裝實(shí)驗(yàn)裝置，檢查裝置氣密性。

(2) 將建立好一定含水飽和度(約50%)的巖心稱重，計(jì)算具體的含水飽和度，然后放入巖心夾持器，開始測量流態(tài)曲線。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

(3) 實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，增加圍壓到50 MPa，入口壓力40 MPa，圍壓與入口壓力的差為10 MPa，待出口流量穩(wěn)定后，測量出口端流量。

(4) 改變圍壓(50～10.01 MPa)和入口壓力(40～0.01 MPa)大小，圍壓與入口壓力差值固定為10 MPa，重復(fù)步驟(3)，記錄數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)溫度控制在25 ℃。

(5) 測量完成后，取出巖心稱重，接著開始建立40%,30%,20%,10%和0%含水飽和度，重復(fù)步驟(2)～(4)。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

如表1所示為實(shí)驗(yàn)前后巖心質(zhì)量與飽和度變化的數(shù)據(jù)表。

表1 實(shí)驗(yàn)前后巖心質(zhì)量和含水飽和度變化表

從表1可以看出，含水飽和度為50%左右時(shí)，實(shí)驗(yàn)前后巖心質(zhì)量變化為31.8 mg，含水飽和度變化為5.1%，這表明當(dāng)含水飽和度為50%左右時(shí)，巖心中的部分水屬于可動(dòng)水，這部分水滯留在孔道和裂縫表面，易被流動(dòng)的氣體驅(qū)動(dòng)而帶出巖心；含水飽和度為40%左右時(shí)，實(shí)驗(yàn)前后巖心質(zhì)量變化為14.1 mg，含水飽和度變化了2.2%，變化量比含水飽和度50%時(shí)要小，這表明含水飽和度50%比含水飽和度40%的巖心中可動(dòng)水要多，即滯留在孔道和裂縫表面的水更多；當(dāng)含水飽和度為30%，20%，10%和干巖心時(shí)，實(shí)驗(yàn)前后巖心質(zhì)量變化很小，含水飽和度變化也很小，這表明這部分水被基質(zhì)吸收成為了束縛水，不會(huì)被氣體驅(qū)動(dòng)而帶出巖心。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的流量數(shù)據(jù)，可以算出不同壓力下實(shí)驗(yàn)巖心的滲透率，繪制出不同含水飽和度下的流態(tài)曲線，如圖5、6所示。

圖5 平均壓力與滲透率的關(guān)系曲線

圖6 平均壓力倒數(shù)與滲透率的關(guān)系曲線

從圖5、6可以看出，無論在低壓還是高壓條件下，不同含水飽和度的頁巖巖心滲流能力是不同的，含水飽和度越高滲流能力越差；反之，滲流能力越強(qiáng)。同時(shí)從圖中可以看出，當(dāng)含水飽和度在0～30%時(shí)，含水飽和度變化對(duì)頁巖流動(dòng)能力的影響很小，其中含水飽和度為20%、10%和干巖心的滲透率幾乎一樣；當(dāng)含水飽和度高于30%時(shí)，含水飽和度對(duì)頁巖流動(dòng)能力的影響很大。分析認(rèn)為，當(dāng)頁巖巖心的含水飽和度小于30%時(shí)，巖心中的水都被吸收成為束縛水，并未嚴(yán)重影響滲流通道，因此當(dāng)含水飽和度低于30%時(shí)，含水飽和度對(duì)頁巖流動(dòng)能力的影響很小；當(dāng)巖心的含水飽和度高于30%后，巖心的含水飽和度開始高于其束縛水飽和度，多余的水開始占用氣體的滲流通道，從而嚴(yán)重影響了頁巖的滲流能力。

2 分析討論

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為，頁巖儲(chǔ)層的初始含水飽和度很低，當(dāng)壓裂液進(jìn)入地層，受到表面水化力和滲透水化力作用，不斷地被吸收進(jìn)入基質(zhì)，當(dāng)這部分壓裂液僅被基質(zhì)吸收成為束縛水時(shí)，不會(huì)嚴(yán)重影響頁巖氣的產(chǎn)出通道，因此不會(huì)抑制頁巖氣的產(chǎn)出；同時(shí)進(jìn)入基質(zhì)的壓裂液可以補(bǔ)給地層能量，促進(jìn)和驅(qū)替基質(zhì)吸附氣的解吸，置換出基質(zhì)的氣體，從而可以提高頁巖氣的產(chǎn)量。而且這部分水被吸收成為了束縛水，不會(huì)隨著頁巖氣的產(chǎn)出流動(dòng)，從而會(huì)有大量的壓裂液滯留在地層，導(dǎo)致頁巖氣藏壓裂液返排率比砂巖氣藏壓裂液返排率低。因此在部分頁巖氣井壓裂后，會(huì)出現(xiàn)壓裂液返排率低而產(chǎn)量高的現(xiàn)象。所以，壓裂液返排率高低不是決定頁巖氣井產(chǎn)能的絕對(duì)因素。

當(dāng)壓裂結(jié)束后，也有大部分的壓裂液滯留在流通孔道和裂縫表面時(shí)，就會(huì)堵塞頁巖氣滲流通道，從而降低頁巖儲(chǔ)層的滲透率，抑制頁巖氣的流動(dòng)，降低產(chǎn)能。在實(shí)際生產(chǎn)中，制定返排計(jì)劃與措施時(shí)，提高流動(dòng)孔道和裂縫表面壓裂液的返排率對(duì)頁巖氣的生產(chǎn)至關(guān)重要。

頁巖儲(chǔ)層經(jīng)過壓裂之后，壓裂液的滯留和吸收改變了頁巖儲(chǔ)層的含水飽和度。當(dāng)壓裂后頁巖儲(chǔ)層含水飽和度小于頁巖儲(chǔ)層的“束縛水飽和度”時(shí)，壓裂液吸收進(jìn)入儲(chǔ)層對(duì)頁巖氣的產(chǎn)出沒有抑制作用，相反會(huì)有一定的積極作用；反之，壓裂液的滯留對(duì)頁巖氣的產(chǎn)出有抑制作用。各個(gè)頁巖儲(chǔ)層的初始含水飽和度不同，“饑渴”程度就不同，從而吸收壓裂液成為束縛水飽和度的能力也就不同。因此，找出頁巖儲(chǔ)層的“束縛水飽和度”是頁巖氣井壓裂液返排分析的關(guān)鍵所在，根據(jù)頁巖儲(chǔ)層的“束縛水飽和度”與壓裂后實(shí)際含水飽和度做出合理的返排方案：當(dāng)實(shí)際含水飽和度大于“束縛水飽和度”時(shí)，就要制定相應(yīng)的措施提高壓裂液返排率；反之，壓裂液返排率高低不會(huì)產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié) 語

(1) 當(dāng)壓裂后基質(zhì)含水飽和度低于頁巖儲(chǔ)層“束縛水飽和度”時(shí)，吸收進(jìn)儲(chǔ)層的流體成為不可動(dòng)水，不會(huì)嚴(yán)重影響頁巖氣的產(chǎn)出通道，反而可能會(huì)促進(jìn)基質(zhì)吸附氣的解吸，從而提高頁巖氣產(chǎn)量。反之，當(dāng)基質(zhì)含水飽和度高于頁巖儲(chǔ)層“束縛水飽和度”時(shí)，部分流體滯留在孔道和裂縫表面，堵塞頁巖氣流通孔道，從而抑制氣體產(chǎn)出，降低頁巖氣井產(chǎn)能。

(2) 找出頁巖儲(chǔ)層的“束縛水飽和度”是頁巖氣井壓裂液返排分析的關(guān)鍵所在，根據(jù)頁巖儲(chǔ)層的“束縛水飽和度”與壓裂后實(shí)際含水飽和度做出合理的返排方案：當(dāng)實(shí)際含水飽和度大于“束縛水飽和度”時(shí)，就要制定相應(yīng)的措施提高壓裂液返排率；反之，壓裂液返排率高低不會(huì)對(duì)氣井產(chǎn)能造成明顯不利影響。