頁(yè)巖儲(chǔ)層黏土礦物對(duì)裂縫導(dǎo)流能力傷害的影響

楊 柳, 石富坤, 趙逸清, 葛洪魁, 周 彤

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 非常規(guī)天然氣研究院,北京 102249； 3.新疆油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院開(kāi)發(fā)所,克拉瑪依 834099； 4.中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京 100083)

頁(yè)巖儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)存在很大潛力,但對(duì)比中外在頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)效果發(fā)現(xiàn),對(duì)于頁(yè)巖氣的高效開(kāi)發(fā)開(kāi)發(fā)利用僅能達(dá)到30%[1]。分析發(fā)現(xiàn),對(duì)于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā),不僅與復(fù)雜裂縫的分布有關(guān),還與裂縫網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)流能力有直接關(guān)系,支撐劑作為維持裂縫網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)流能力,起到了非常重要的作用,但同時(shí)支撐劑的嵌入也可能大幅度降低裂縫網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)流能力,同時(shí)還會(huì)引起頁(yè)巖裂縫壁的碎塊剝落,造成更嚴(yán)重的導(dǎo)流能力傷害[2-4]。

對(duì)于人工裂縫導(dǎo)流能力的研究引起世界的廣泛關(guān)注,針對(duì)于此,中外學(xué)者開(kāi)展了大批的實(shí)驗(yàn)研究。Darin等[5]針對(duì)支撐劑開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究,假定支撐劑嵌入,理論推導(dǎo)證實(shí)單層支撐劑能夠獲得較高的裂縫導(dǎo)流能力；Cooke[6-7]指出了在不同溫度的鹽溶液,閉合壓力等作用下對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響；研究了壓裂液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響,發(fā)現(xiàn)瓜膠液體的殘?jiān)\(yùn)移是裂縫導(dǎo)流能力下降的重要原因,同時(shí)也指出裂縫導(dǎo)流能力的下降受支撐劑濃度和支撐劑嵌入裂隙的程度影響；Reed[8]和Parker等[9]等指出溫度、壓裂液的濾餅和添加劑也影響裂縫的導(dǎo)流能力；Fredd等[10]對(duì)砂巖樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn),比較低密度支撐劑對(duì)裂縫的導(dǎo)流能力影響,得出錯(cuò)位裂縫可以形成良好的自支撐導(dǎo)流能力。

頁(yè)巖儲(chǔ)層受外部壓力壓裂之后,壓裂液進(jìn)入頁(yè)巖儲(chǔ)層。壓裂液進(jìn)入頁(yè)巖儲(chǔ)層會(huì)如何影響裂縫導(dǎo)流能力,目前中國(guó)在這方面的研究較少。一般觀點(diǎn)認(rèn)為,裂縫導(dǎo)流能力的下降也與水進(jìn)入頁(yè)巖基質(zhì)有關(guān)[11]。水進(jìn)入頁(yè)巖的主要方式包括黏土的滲吸[12],水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),毛細(xì)作用；同時(shí)還存在裂縫與基質(zhì)之間的壓力差造成水分的少量吸入,這種原因引起的水分吸入非常少,頁(yè)巖富含黏土礦物[13],黏土與支撐劑接觸反應(yīng),導(dǎo)致人工裂縫壁表面的脫落,造成裂縫導(dǎo)流能力的下降；支撐劑嵌入人工裂縫的同時(shí),水分會(huì)沿著支撐劑形成的微裂縫滲入,進(jìn)一步降低裂縫壁的強(qiáng)度,降低裂縫的導(dǎo)流能力。但是,目前中外關(guān)于頁(yè)巖儲(chǔ)層人工裂縫導(dǎo)流能力的研究較少。

實(shí)驗(yàn)采用龍馬溪組、魯家坪組、須家河組和五峰組的露頭頁(yè)巖等地巖樣,進(jìn)行人工裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn),并與長(zhǎng)7段致密砂巖及常規(guī)露頭砂巖進(jìn)行對(duì)比,研究支撐劑對(duì)人工裂縫導(dǎo)流能力的影響,為以后深入了解支撐劑嵌入對(duì)人工裂縫導(dǎo)流能力傷害程度及機(jī)理提供現(xiàn)實(shí)借鑒意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 樣品及材料

4種頁(yè)巖樣品取自龍馬溪組、魯家坪組、須家河組和五峰組,并與長(zhǎng)7段致密砂巖和延長(zhǎng)組常規(guī)砂巖進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。一般地,巖樣的平行層理相較于垂直層理更易于壓裂液的吸收,且吸收速率前者高于后者,考慮這一因素,保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,我們采用所有的樣品面與巖石層理相平行。砂巖和頁(yè)巖均屬于沉積巖,頁(yè)巖比砂巖強(qiáng)度低,黏土含量高,且石英、長(zhǎng)石、白云石等礦物成分相比砂巖來(lái)說(shuō)更低[14],頁(yè)巖巖樣儲(chǔ)層信息如表1所示。

對(duì)于要實(shí)驗(yàn)的巖樣,考慮導(dǎo)流槽的形狀及大小,巖樣兩端加工成半圓形狀,所有巖樣的長(zhǎng)寬高分別為17.7、3.8、2 cm。從層理上觀察,頁(yè)巖多含有明顯的層理走向；從顏色上可以看出,砂巖多呈褐色或紅色,顏色較明亮；對(duì)于頁(yè)巖來(lái)說(shuō),多呈灰色或黑色,顏色暗淡,如圖1、圖2所示。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要保持巖石和實(shí)驗(yàn)材料的干燥,測(cè)試用到的實(shí)驗(yàn)材料干氮?dú)夂褪⑸啊８稍锏牡獨(dú)庥糜陲L(fēng)干巖石樣品表面,測(cè)試巖板導(dǎo)流能力變化。本實(shí)驗(yàn)中,采用蒸餾水代替壓裂液開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。蒸餾水活度較高,與頁(yè)巖存在強(qiáng)相互作用,能夠更好地顯示壓裂液對(duì)導(dǎo)流能力的影響[15]；石英砂為40～60 目,對(duì)巖板進(jìn)行支撐,模擬人工支撐裂縫。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及測(cè)試原理

使用的導(dǎo)流能力測(cè)試儀(FCES—100)為美國(guó)Core-Lab公司生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)溫度上限為150 ℃,閉合壓力上限為120 MPa,能夠滿足各種巖石樣品導(dǎo)流能力測(cè)試要求。實(shí)驗(yàn)中,溫度恒為60 ℃。液測(cè)導(dǎo)流能力公式可以進(jìn)一步表示為

表1 全巖礦物分析結(jié)果Table 1 Result of whole rock mineral analysis

圖1 不同儲(chǔ)層巖石的導(dǎo)流板Fig.1 Samples for fracture conductivity experiments

圖2 樣品的大小形狀與導(dǎo)流槽的匹配關(guān)系Fig.2 Samples shaped to fit into the conductivity cell

(1)

式(1)中，k為支撐裂縫滲透率,μm2；wf為充填裂縫縫寬,cm；μ為流體黏度,mPa·s；Q為裂縫內(nèi)流量,cm3/s；Δp為測(cè)試段兩端的壓力差,kPa。

因此,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只需要測(cè)定流量和巖板兩端的壓差即可獲得支撐裂縫的導(dǎo)流能力。

整個(gè)的實(shí)驗(yàn)裝置分為五個(gè)單元:注氣單元、注液?jiǎn)卧?、?dǎo)流槽、閉合應(yīng)力加壓?jiǎn)卧? 000 Teledyne ISCO泵,泵入速率為0.1～408 mL/min,工作壓力0～14 MPa,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的閉合壓力為50 MPa。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前要保持樣品的干燥,通入干氮?dú)?保持時(shí)間1 d,測(cè)定壓裂液注入前,裂縫導(dǎo)流能力的變化曲線。然后采用ISCO以2.5 mL/min的速度向巖板間注入壓裂液,記錄導(dǎo)流能力的變化,測(cè)定時(shí)間5 d。壓裂液注入結(jié)束后,繼續(xù)向裂縫中通入干氮?dú)?風(fēng)干巖板表面,保持時(shí)間1 d,測(cè)量裂縫導(dǎo)流能力。對(duì)比兩次干燥氮?dú)鉁y(cè)試的導(dǎo)流能力,用于評(píng)估流體對(duì)支撐裂縫的傷害程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后,觀察支撐劑的嵌入情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫表面變化

圖3所示為實(shí)驗(yàn)后不同頁(yè)巖和致密巖石巖板表面變化情況。對(duì)比圖2可知,實(shí)驗(yàn)前的巖石樣品表面光滑,無(wú)裂縫出現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)后巖石樣品受到不同程度的傷害,出現(xiàn)大小不同的裂縫,巖石樣品表面出現(xiàn)脫落現(xiàn)象,光滑程度受到不同程度影響,比較巖石樣品受到傷害的程度,得到的結(jié)果為XJ>LM>L>ZS>WF>S。本組實(shí)驗(yàn)中以須家河、龍馬溪、五峰組受到損傷嚴(yán)重,其中須家河和龍馬溪樣品的表面出現(xiàn)密集軟物質(zhì)顆粒,這與支撐劑嵌入程度有關(guān)。

圖3 實(shí)驗(yàn)后不同巖石的巖板表面Fig.3 The rock plate surface of different rocks after experiments

2.2 頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力傷害

圖4 不同巖石支撐裂縫導(dǎo)流能力變化曲線Fig.4 Variation in fracture conductivity for different rocks

圖4所示為不同頁(yè)巖和致密巖石的導(dǎo)流能力變化曲線。對(duì)比發(fā)現(xiàn),雖然6 種巖石樣品的性質(zhì)各有不同,但其導(dǎo)流變化曲線確有相似之處。根據(jù)導(dǎo)流曲線分為三個(gè)部分,第一階段為注入蒸餾水之前,通入干氮?dú)獾臅r(shí)間為24 h,這個(gè)過(guò)程中巖樣在受到50 MPa的閉合壓力,巖樣開(kāi)始蠕變,支撐劑慢慢嵌入巖樣裂縫中,隨著干氮?dú)庾⑷霑r(shí)間的增加,巖樣的導(dǎo)流能力出現(xiàn)輕微下降；第二階段,停止通入干氮?dú)?開(kāi)始把蒸餾水注入巖樣裂縫中,初始階段(24～60 h),導(dǎo)流能力出現(xiàn)明顯下降,說(shuō)明傷害程度較嚴(yán)重,之后導(dǎo)流能力趨緩,說(shuō)明傷害程度進(jìn)一步加深不明顯,此過(guò)程共進(jìn)行120 h；第三階段,停止注入蒸餾水,開(kāi)始通入干氮?dú)?在通入氮?dú)獬跗?導(dǎo)流能力再次下降,很快上升,且上升程度遠(yuǎn)超下降程度,整個(gè)過(guò)程用時(shí)較短。分析原因,這可能與裂縫中殘留蒸餾水有關(guān),蒸餾水遲滯了氮?dú)獾牧魍ㄔ斐傻?隨著通入時(shí)間的增加,裂縫中的水被氮?dú)怛?qū)替,導(dǎo)流能力上升,繼續(xù)導(dǎo)入干氮?dú)?導(dǎo)流能力繼續(xù)恢復(fù),氮?dú)饬魍ㄋ俣确€(wěn)定后,導(dǎo)流能力趨于穩(wěn)定,但導(dǎo)流能力不能恢復(fù)到蒸餾水注入之前的程度。比較第一階段和第三階段,觀察蒸餾水注入前后,裂縫導(dǎo)流能力的變化程度,定量分析蒸餾水對(duì)裂縫導(dǎo)流傷害能力。

圖4(a)所示為須家河組頁(yè)巖的電導(dǎo)率變化曲線,原始的沒(méi)有傷害的支撐裂縫導(dǎo)流能力為142.5 μm2·cm,通過(guò)水后明顯的降低到0.06 μm2·cm。停止注入蒸餾水,通過(guò)干氮?dú)獍l(fā)現(xiàn)導(dǎo)流能力有一定程度恢復(fù),但恢復(fù)程度很小,僅能達(dá)到最初的2%,這與通過(guò)蒸餾水時(shí),蒸餾水對(duì)巖樣的裂縫導(dǎo)流能力傷害造成的；此外對(duì)比圖1和圖3(a)發(fā)現(xiàn),支撐劑嵌入裂縫的程度較嚴(yán)重,分析原因發(fā)現(xiàn),這與頁(yè)巖表面的強(qiáng)度下降有關(guān)。Zhang等[16]指出在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,前20 h導(dǎo)流能力能夠降低20%。這與本實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論相差較大,這說(shuō)明導(dǎo)流能力下降不僅圍壓作用下的頁(yè)巖發(fā)生蠕變?cè)斐傻?還同壓裂液與頁(yè)巖之間的相互作用,引起頁(yè)巖導(dǎo)流能力下降有關(guān)。

2.3 黏土礦物對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響

圖5所示為不同頁(yè)巖和砂巖的黏土礦物種類相對(duì)含量與導(dǎo)流能力變化曲線?？芍?，對(duì)于6種巖石來(lái)說(shuō),4種不同黏土礦物的相對(duì)含量不同,其導(dǎo)流能力變化曲線有差別。具體來(lái)說(shuō),由圖5(a)～圖5(c)可知，裂縫導(dǎo)流能力與伊利石、伊蒙混層、黏土相對(duì)含量負(fù)相關(guān)。

圖5 不同黏土礦物對(duì)裂縫導(dǎo)流能力變化曲線Fig.5 Curves of fracture conductivity of different clay minerals

由圖5可知,無(wú)論是比較黏土含量,還是對(duì)比頁(yè)巖和砂巖中不同的黏土成分含量,不同巖石對(duì)裂縫導(dǎo)流傷害能力沒(méi)有明顯變化。具體而言,XJ、LM、L三種頁(yè)巖的裂縫傷害能力最強(qiáng),且從導(dǎo)流傷害為1,降到導(dǎo)流傷害為0.7左右,依次遞減,這與黏土含量有明顯關(guān)系,如圖5(a)、圖5(b)所示。砂巖ZS因其與頁(yè)巖WF中黏土含量相差不大,且相比WF、ZS中含有較高的蒙脫石和伊利石,這使得ZS對(duì)裂縫的導(dǎo)流傷害能力略高于WF?？傮w來(lái)看,對(duì)于XJ、LM、L、WF四種頁(yè)巖來(lái)說(shuō),黏土含量能明顯影響裂縫的導(dǎo)流傷害能力,黏土含量越高,裂縫導(dǎo)流傷害能力越明顯。

當(dāng)頁(yè)巖中通入蒸餾水時(shí),蒸餾水引起頁(yè)巖中的黏土發(fā)生膨脹,層間作用力降低,影響到土骨架強(qiáng)度降低,黏土的頁(yè)巖中的氣體不能完全被驅(qū)替,大量氣體被鎖定在小孔隙和有機(jī)質(zhì)內(nèi),由于頁(yè)巖的透水能力較弱,被鎖定的孔隙壓力很難進(jìn)行傳遞,在靠近裂縫的位置會(huì)形成較大的孔隙壓力,同時(shí)黏土自身的壓力和毛細(xì)管力的存在都對(duì)孔隙壓力的形成有促進(jìn)作用,如圖6所示。同時(shí)頁(yè)巖的有效應(yīng)力也會(huì)受到孔隙壓力的影響而減弱,為微裂縫的產(chǎn)生創(chuàng)造了較好的條件,裂縫因?yàn)槔瓚?yīng)力的降低而擴(kuò)展,頁(yè)巖的骨架強(qiáng)度降低,誘發(fā)支撐劑嵌入裂縫之中,造成更嚴(yán)重的導(dǎo)流傷害。同時(shí),蒸餾水注入頁(yè)巖之后,也會(huì)對(duì)頁(yè)巖本身的單軸抗壓強(qiáng)度等物理指標(biāo)造成影響,導(dǎo)致其強(qiáng)度降低,巖樣更易于破壞。

圖6 支撐裂縫表面孔隙壓力示意圖Fig.6 Sketch of pore pressure in prop fracture surface

3 討論

圖7 單層支撐劑嵌入前后導(dǎo)流空間的變化Fig.7 The space variation before and after the monolayer proppant are embedded

實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)時(shí)采用支撐劑鋪設(shè)層數(shù)為單層,這里討論支撐劑鋪設(shè)層數(shù)對(duì)導(dǎo)流能力傷害的影響。圖7、圖8為單層、雙層支撐劑嵌入示意圖,來(lái)比較鋪設(shè)層數(shù)對(duì)頁(yè)巖支撐裂縫的傷害程度?？梢钥闯?在相同的嵌入深度下,鋪設(shè)層數(shù)越少,導(dǎo)流能力傷害越嚴(yán)重。對(duì)比多組實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),支撐劑嵌入前期,裂縫導(dǎo)流能力下降明顯,后期嵌入,對(duì)導(dǎo)流能力的傷害程度下降,這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與支撐劑的密度有很大關(guān)系,不同密度的支撐劑嵌入裂縫的程度不同,對(duì)于導(dǎo)流能力的傷害程度不一樣。雙層支撐劑的鋪設(shè)不同于單層支撐劑的鋪設(shè)會(huì)明顯受到密度因素的影響,因?yàn)閮烧咔度氲牧芽p孔隙不同,雙層支撐劑主要是作用顆粒之間的裂縫空間,而單層支撐劑對(duì)近裂縫壁面的作用較明顯。如圖7所示雙層支撐劑嵌入示意圖。

圖8 雙層支撐劑嵌入前后導(dǎo)流空間的變化Fig.8 The variation of diversion space before and after bilayer proppant are embedded

4 結(jié)論

針對(duì)不同地層的頁(yè)巖開(kāi)展支撐裂縫導(dǎo)流能力傷害實(shí)驗(yàn),研究壓裂液持續(xù)注入條件下,導(dǎo)流能力的變化規(guī)律,并觀察支撐劑在裂縫表面的嵌入情況。得出如下結(jié)論。

(1)不同層的支撐劑嵌入,對(duì)于裂縫的導(dǎo)流能力影響不同,在嵌入量和深度相同的情況下,相較于多層支撐劑的嵌入,單層支撐劑能明顯對(duì)裂縫的導(dǎo)流能力造成傷害,這說(shuō)明單層支撐劑的嵌入是影響裂縫導(dǎo)流能力下降的主因。

(2)蒸餾水導(dǎo)入前后對(duì)比發(fā)現(xiàn),相較于常規(guī)砂巖的裂縫導(dǎo)流能力下降程度僅有18%,頁(yè)巖的裂縫導(dǎo)流能力下降達(dá)到了98%,這同頁(yè)巖與蒸餾水之間發(fā)生相互作用,導(dǎo)致頁(yè)巖顆粒的骨架強(qiáng)度降低有關(guān),骨架強(qiáng)度的降低誘發(fā)支撐劑的繼續(xù)嵌入,導(dǎo)流能力進(jìn)一步下降。

(3)比較頁(yè)巖與砂巖在注入水前后的,裂縫導(dǎo)流能力的傷害程度,發(fā)現(xiàn)裂縫導(dǎo)流能力的傷害還與巖樣的組成成分有關(guān),黏土含量越高,導(dǎo)流能力傷害越嚴(yán)重。尤其是伊利石和伊蒙混層的存在能夠明顯提高導(dǎo)流能力的傷害率。