頁巖儲(chǔ)層吸水能力影響因素實(shí)驗(yàn)

廖如剛 趙志紅 李 婷 張 晗 唐鵬程

1.中國石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

0 引言

頁巖儲(chǔ)層壓裂后返排率普遍低于30%，涪陵頁巖中部核心區(qū)塊壓后返排率甚至低于5%。與常規(guī)油氣藏相比，頁巖返排率與產(chǎn)量之間無明顯正相關(guān)，甚至為負(fù)相關(guān)；除此之外，頁巖氣壓裂后經(jīng)過長達(dá)幾個(gè)月的悶井，氣量顯著增加，水量減少[1]。因此有必要通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)開展影響頁巖吸水因素的研究。

為了評(píng)價(jià)水對(duì)油氣開發(fā)的影響，砂巖儲(chǔ)層率先開展了自吸實(shí)驗(yàn)[2]，并取得了良好的應(yīng)用效果。近年來由于頁巖氣開發(fā)的需要，國內(nèi)外在頁巖自吸方面做了大量的實(shí)驗(yàn)工作[3-18]。典型的頁巖自吸曲線表現(xiàn)為吸水率隨浸泡時(shí)間增加而先上升后趨于穩(wěn)定。大量實(shí)驗(yàn)表明，影響頁巖自吸能力的因素有很多：①頁巖組構(gòu)對(duì)頁巖自吸吸水率的上升速率或幅度有重要影響[3]，與常規(guī)油氣儲(chǔ)層相比，頁巖儲(chǔ)層孔隙連通性較差，導(dǎo)致自發(fā)滲吸曲線斜率明顯低于理論值[4]；②層理對(duì)頁巖自吸有重要影響，平行層理面的頁巖自吸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于垂直層理面的頁巖的自吸速率，自吸量也是如此[4-6]；③自吸產(chǎn)生的誘導(dǎo)微裂縫會(huì)增加離子擴(kuò)散速率，增加頁巖自吸能力[7]。④頁巖吸水量均高于吸油量[7-9]，水和油的攝入量之比遠(yuǎn)高于水和毛細(xì)管壓力之比，說明頁巖自吸驅(qū)動(dòng)力不僅僅只有毛細(xì)管力[10]，還有滲透壓力[11]；⑤不同的液體，頁巖的自吸能力不同。壓裂液能夠有效抑制頁巖的自吸作用，從而有助于壓后返排[12]；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的KCl溶液對(duì)黏土有較好的抑制性，能夠降低自吸速率和自吸能力[6]。關(guān)于頁巖自吸后對(duì)頁巖滲透率的影響，存在2種截然不同的認(rèn)識(shí)，部分學(xué)者認(rèn)為自吸作用導(dǎo)致頁巖顆粒粉末運(yùn)移及氣流阻塞，從而會(huì)降低滲透率[13-15]，而另一部分學(xué)者認(rèn)為頁巖自吸會(huì)導(dǎo)致礦物溶解及誘導(dǎo)微裂縫，自吸后會(huì)增加滲透率[16-18]。

綜上所述，目前國內(nèi)外關(guān)于圍壓下的頁巖自吸能力研究較少，關(guān)于頁巖自吸后滲透率增加還是降低存在爭議。因此，筆者在完善頁巖自吸實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，開展了頁巖滲透率各向異性、天然微裂縫和圍壓等因素對(duì)頁巖自吸能力的研究，同時(shí)對(duì)比分析了不同液體類型自吸前后滲透率的變化，可為壓裂方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 頁巖自吸實(shí)驗(yàn)分析方法

自吸作用是指由于受到毛細(xì)管力、滲透壓力等作用，液體自發(fā)的進(jìn)入巖石微小孔道內(nèi)的一種現(xiàn)象。本文的自吸作用實(shí)驗(yàn)測試方法主要分為無圍壓自吸實(shí)驗(yàn)測試以及圍壓自吸實(shí)驗(yàn)測試。

1.1 無圍壓自吸實(shí)驗(yàn)裝置

基于稱重法設(shè)計(jì)了無圍壓條件下的自吸實(shí)驗(yàn)裝置。采用不浸水、無彈性的魚線將完全浸入自吸液體中的樣品懸掛在分析天平下端，監(jiān)測樣品質(zhì)量隨著時(shí)間的變化值，采樣間隔為2 min。

1.2 帶圍壓自吸實(shí)驗(yàn)裝置

采用西南石油大學(xué)自行設(shè)計(jì)的圍壓下自吸實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置基于體積法，利用巖心夾持器以及圍壓泵對(duì)樣品進(jìn)行圍壓控制，自吸液體與樣品一端接觸，并進(jìn)入樣品，通過計(jì)量管計(jì)量自吸量隨時(shí)間的變化，自吸液體上方可加入少量油，以防止自吸液體揮發(fā)。

1.3 實(shí)驗(yàn)測試流程

1）制樣。根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行樣品制備，其中小巖塊自吸實(shí)驗(yàn)需要將樣品制成1 cm3左右大小，其余實(shí)驗(yàn)樣品尺寸均為標(biāo)準(zhǔn)巖心尺寸。

2）將樣品置于烘箱內(nèi)干燥10 h以上，無圍壓測試時(shí)，將烘干后的樣品放入自吸液體中，并懸掛在分析天平下端；而圍壓測試時(shí)則將樣品放入巖心夾持器中施加圍壓。

3）通過分析天平或計(jì)量管對(duì)自吸量隨時(shí)間的變化進(jìn)行測試分析。

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法

影響頁巖自吸的因素很多，包括滲透率、微裂縫、液體類型等等。為了更好的研究不同因素對(duì)自吸的影響，需要對(duì)樣品自吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化表征。定義頁巖自吸能力為單位孔隙體積頁巖吸水量，采用Olafuyi方法[19-20]對(duì)樣品自吸量進(jìn)行歸一化處理，即液體的吸入體積與樣品的孔隙體積的比值（R），從而通過求取該比值隨時(shí)間的平方根變化情況，能更好地表征樣品的自吸能力。即

式中Vi表示自吸液體體積，cm3；pc表示毛管壓力，Pa；Ac表示自吸截面積，cm2；Swf表示前緣飽和度，小數(shù)；φ表示孔隙度，小數(shù)；L表示樣品長度，m；K表示滲透率，mD；μw表示液體黏度，Pa·s；t表示自吸時(shí)間，s。

2 頁巖性質(zhì)對(duì)自吸能力的影響

2.1 滲透率各向異性的影響

圖1為平行于層理面和垂直于層理面巖樣自吸后照片，可見平行于層理面的巖樣自吸作用后產(chǎn)生了大量明顯的誘導(dǎo)微裂縫，而垂直于層理面的巖樣自吸作用后未產(chǎn)生明顯的誘導(dǎo)微裂縫。

圖1 自吸后的巖樣照片

圖2 各向異性頁巖自吸能力曲線圖

頁巖自吸能力曲線圖（圖2）表明，由于產(chǎn)生的誘導(dǎo)微裂縫平行于層理，會(huì)促進(jìn)液體進(jìn)入頁巖，導(dǎo)致平行于層理面的巖樣自吸能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直于層理面巖樣的自吸能力。平行于層理面的巖樣在自吸過程中出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的急劇上升點(diǎn)，說明巖樣在這2個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)了誘導(dǎo)微裂縫，導(dǎo)致孔隙空間擴(kuò)大，自吸量從而迅速增加。

2.2 天然微裂縫的影響

采用無水乙醇進(jìn)行標(biāo)記。將巖樣放置無水乙醇中浸泡一天，然后放置空氣中，由于無水乙醇具有高揮發(fā)性，且在微裂縫中揮發(fā)速度比樣品表面的揮發(fā)速度慢，因此能夠較直觀地顯現(xiàn)巖樣是否含有微裂縫。據(jù)此選取外觀含有天然微裂縫和不含微裂縫的巖樣進(jìn)行自吸實(shí)驗(yàn)，自吸實(shí)驗(yàn)后巖樣如圖3所示。

圖3 發(fā)生自吸后的巖樣照片

自吸后巖樣表明，產(chǎn)生了大量的誘導(dǎo)微裂縫。采用Olafuyi法對(duì)自吸量進(jìn)行歸一化處理，并對(duì)自吸時(shí)間進(jìn)行平方處理，從圖4中可以看出，含微裂縫的巖樣的自吸能力為89.03%，而不含初始微裂縫的巖樣的自吸能力只為55.13%，明顯低于大量初始微裂縫的巖樣。

圖4 不同比例微裂縫巖樣的自吸能力曲線圖

2.3 巖樣圍壓的影響

從不同圍壓下自吸前后巖樣變化可以看出，巖樣均產(chǎn)生了明顯的誘導(dǎo)微裂縫（圖5）。

不同圍壓下頁巖自吸能力有較大的差異，在3天時(shí)間點(diǎn)處，2 MPa下巖樣的自吸能力為150.12%，4 MPa下巖樣的自吸能力為93.99%，6 MPa下巖樣的自吸能力為70.13%，8 MPa下巖樣的自吸能力為44.67%，10 MPa下巖樣的自吸能力為35.34%（圖6）。圍壓越小，自吸產(chǎn)生微裂縫的體積越大，吸水就越多，圍壓越大則反之，表明圍壓對(duì)巖樣的自吸能力有一定的抑制作用。

3 液體類型對(duì)自吸的影響

3.1 液體類型對(duì)自吸能力的影響

在相同位置分別取樣，分別在蒸餾水、2%KCl溶液和煤油中開展頁巖自吸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，蒸餾水的自吸能力（即單位孔隙體積自吸量）最大，為92.94%左右；而煤油的自吸能力最小，為8.76%左右；2%KCl溶液的單位孔隙體積自吸量居中，為34.07%左右（圖7）。

頁巖中的孔隙主要分為非黏土孔和黏土孔2類，非黏土孔隙（脆性礦物孔、有機(jī)孔）中自吸作用力主要是毛管力、重力。黏土孔隙中自吸作用力主要為毛管力、滲透壓、重力。

由于煤油主要進(jìn)入非黏土孔，且缺少滲透壓力，因此自吸能力最小，而蒸餾水與頁巖的礦化度差異最大，滲透壓力也最大，吸水能力最強(qiáng)；2%KCl溶液礦化度差異稍小，自吸能力比蒸餾水稍差。

圖5 不同圍壓下頁巖自吸前后的巖樣照片

圖6 不同圍壓下頁巖自吸能力曲線圖

圖7 Olafuyi法表征不同液體的自吸曲線圖

3.2 液體類型對(duì)頁巖滲透率的影響

頁巖水相自吸后滲透率均有大幅改善，煤油則充填部分孔隙后滲透率略有下降，表明頁巖吸水后有利于儲(chǔ)層物性的改善；滲透率的增加倍數(shù)，最高為蒸餾水，其次為滑溜水，然后為線性膠和2%KCl溶液，最后為煤油（圖8）。其中破膠液測試稍有異常，這是因?yàn)樵搸r樣初始滲透率較高，含有微裂縫，吸水有更易張開，同時(shí)破膠液本身的自吸能力也比較強(qiáng)，因此增加倍數(shù)較高。

圖8 自吸前后滲透率對(duì)比圖

4 結(jié)論

1）不同實(shí)驗(yàn)條件下的頁巖吸水后均能在不同程度上產(chǎn)生誘導(dǎo)微裂縫，對(duì)頁巖的滲透性有較大的改善。

2）頁巖自吸實(shí)驗(yàn)表明，平行于層理面的巖樣比垂直于層理面的巖樣吸水能力強(qiáng)，天然微裂縫發(fā)育的頁巖自吸能力較強(qiáng)，在壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮在平行于層理面和天然裂縫發(fā)育的位置布縫，以增強(qiáng)吸水對(duì)頁巖物性的改善。

3）圍壓對(duì)頁巖自吸能力有一定的抑制作用，圍壓越大自吸能力越弱，即在相同條件下，深層頁巖壓裂的返排率比淺層高。

4）不同液體類型中，頁巖自吸能力不同，蒸餾水自吸能力最強(qiáng)，煤油最弱。