龍馬溪組頁巖的滲吸特征及其影響因素

熊 健,陳守松,梁利喜,肖彥英,諶 麗, 楊林朋

(1.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室,成都 610500;2.中石油長慶油田分公司 第十采油廠,甘肅 慶陽 745100)

0 引 言

隨著我國油氣消費(fèi)快速增長, 我國天然氣對外依存度快速攀升, 2018年天然氣對外依存度高達(dá)45.3%[1], 這不利于我國能源安全保障體系的構(gòu)建, 且環(huán)保因素也將推動我國天然氣需求量進(jìn)一步增加。 2015年美國能源信息署(EIA)發(fā)布了包含美國在內(nèi)的46個國家的頁巖氣資源評價成果報告[2], 指出全球頁巖氣的技術(shù)可采資源量為214.49×1012m3, 其中中國頁巖氣的技術(shù)可采資源量為31.57×1012m3, 數(shù)據(jù)顯示了我國頁巖氣資源開發(fā)潛力巨大。 頁巖氣藏不同于常規(guī)油氣藏, 其具有特低孔特低滲的特點, 也具有自生自儲的特點。 因此, 頁巖氣藏的高效開發(fā)需要采用激勵措施來提高頁巖儲層的滲透率, 而水力壓裂技術(shù)廣泛應(yīng)用于頁巖儲層體積改造[3-4]。 在頁巖儲層進(jìn)行水力壓裂改造過程中, 壓裂液因黏土礦物的水化作用[5]和毛細(xì)管效應(yīng)作用[6]自發(fā)地進(jìn)入頁巖巖石內(nèi)部, 從而占據(jù)頁巖巖石內(nèi)部孔隙空間。 同時, 現(xiàn)有頁巖氣藏壓裂施工表明, 頁巖儲層壓后壓裂液返排率普遍低于30%, 其中美國Haynesvile頁巖氣區(qū), 壓后返排率甚至低于5%[7]。 大量的壓裂液滯留在頁巖地層中, 會引起壓裂縫壁面附近地層區(qū)域的含水飽和度上升, 將影響氣液兩相流動, 造成頁巖中氣體流動能力降低, 這與頁巖對壓裂液的滲吸能力有關(guān)。 因此, 研究頁巖滲吸能力對頁巖氣藏的勘探開發(fā)有重要的意義。

目前, 國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對于頁巖的滲吸能力進(jìn)行了大量的研究。 Roychaudhuri等[8-9]研究表明, KCl、 表面活性劑在一定程度上降低了頁巖的滲吸能力; Dehghanpour等[10]研究了Horne River 盆地頁巖對油、 水的滲吸特性, 發(fā)現(xiàn)頁巖對水和KCl溶液滲吸能力大于油; Mirchi等[11]研究表明, 表面活性劑和NaCl在一定程度上降低了頁巖滲吸能力; Lan等[12]研究了加拿大Monteny and Horne River盆地的頁巖對油、 水滲吸規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)頁巖對水的滲吸速度大于油的滲吸速度; Sun等[13]的研究結(jié)果表明Marcellus頁巖的自吸分為兩個階段, 也發(fā)現(xiàn)表面活性劑降低了頁巖對水的滲吸能力; Makhanov等[14]研究表明, 陰離子表面活性劑降低頁巖的表面張力從而降低頁巖對水的滲吸速率, 在表面活性劑中加入KCl后, 水的滲吸速率顯著降低; Ge等[15]研究了頁巖和致密砂巖對水的滲吸規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)對于黏土含量高的巖石, 黏土礦物類型和含量是影響滲吸能力的重要因素; 劉向君等[16]研究了長寧地區(qū)龍馬溪組頁巖對油、 水的滲吸能力, 發(fā)現(xiàn)龍馬溪組頁巖對水的滲吸能力大于油的; 任凱等[17]研究表明, KCl溶液和陽離子表面活性劑降低了渝東南下志留系龍馬溪組頁巖滲吸速率和自吸能力; 楊柳等[18]、 申潁浩等[19]研究了頁巖和致密砂巖的滲吸規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)表面活性劑、 KCl溶液將降低巖石的滲吸能力。

以上研究成果有助于我們認(rèn)識富有機(jī)質(zhì)頁巖滲吸能力及其影響因素,但不同陽離子類型對富有機(jī)質(zhì)頁巖滲吸能力的影響,并未開展系統(tǒng)研究;此外,對于川南地區(qū)下志留系龍馬溪組頁巖氣層巖石的滲吸特性及其影響因素還缺少系統(tǒng)研究。因此,本文以川南地區(qū)下志留系龍馬溪組含氣頁巖為研究對象,對頁巖進(jìn)行滲吸實驗,研究龍馬溪組氣層頁巖巖石的滲吸特征,并討論頁巖層理、陽離子類型(無機(jī)鹽類型)對頁巖滲吸能力的影響。在此基礎(chǔ)上,討論了頁巖對油、水的滲吸特征。

1 實驗樣品與實驗方法

1.1 實驗樣品

四川盆地南部地區(qū)的龍馬溪組整體處于深水陸棚沉積相, 富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖發(fā)育, 厚度介于20～50 m, 為主要的產(chǎn)氣層段。 川南龍馬溪組頁巖以高TOC、 高含氣量、 高成熟度、 高脆性、 埋深適中為特征。 目前先后在川南地區(qū)建成了長寧威遠(yuǎn)頁巖氣田、榮威氣田、昭通頁巖氣示范區(qū)等商業(yè)生產(chǎn)區(qū),日產(chǎn)氣超過2 000萬m3。本文主要以四川盆地南部地區(qū)下志留系龍馬溪組下部黑色頁巖為研究對象,頁巖樣品采自四川省宜賓市雙河鎮(zhèn),巖樣采集完后研磨成粉末,采用X’Pert PRO全自動粉末X-射線衍射儀分析樣品的礦物組成,結(jié)果見圖1。頁巖的礦物組成主要以石英和黏土礦物為主,其中黏土礦物以伊利石為主,不含有蒙脫石和高嶺石等膨脹性礦物。

按照要求制取試樣,試樣為Φ25 mm×5 mm的圓柱體,按照平行層理方向和垂直層理方向制取試樣,其中巖心軸向與層理方向平行為平行層理方向,巖心軸向與層理方向垂直為垂直層理方向。先對試樣進(jìn)行24 h的低溫(40 ℃)烘干處理, 再進(jìn)行質(zhì)量、 孔隙度、 滲透率等測試,獲取相關(guān)參數(shù), 實驗頁巖樣品的基本特性如表1所示。

圖1 頁巖樣品的礦物組成

表1 頁巖樣品的基礎(chǔ)物性參數(shù)

1.2 實驗方法

本實驗對頁巖滲吸特性的研究主要借助于頁巖的自發(fā)滲吸原理,根據(jù)阿基米德浮力原理搭建合適的實驗裝置,建立的頁巖自發(fā)滲吸的實驗裝置如圖2所示,所需的設(shè)備主要包括高精度天平、計算機(jī)、燒杯、塑料繩。高精度的天平用來對滲吸過程中的巖心質(zhì)量進(jìn)行稱量以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;計算機(jī)記錄天平數(shù)據(jù)；燒杯裝實驗用溶液,不透水的塑料繩可以保證繩子不會吸收溶液；防止其對巖心質(zhì)量變化的影響。頁巖樣品的滲吸實驗采用全浸泡滲吸方式進(jìn)行。

為研究龍馬溪組頁巖的滲吸特征, 并討論層理、 無機(jī)鹽類型對頁巖滲吸特征的影響, 分析龍馬溪組頁巖對油、 水滲吸能力, 設(shè)計實驗方案如表2所示,每組實驗設(shè)計一組平行實驗, 即每組實驗包含2塊頁巖樣品。

圖2 頁巖自發(fā)滲吸的實驗裝置示意圖

表2 實驗方案設(shè)計

頁巖自發(fā)滲吸實驗的實驗步驟包括:(1)將天平和電腦的線路連接好, 調(diào)節(jié)天平至水平位置; (2)用塑料繩一端將巖心系緊, 另一端掛在天平底部的掛鉤上; (3)將實驗所用溶液倒入燒杯中, 使液面能夠完全沒過巖心; (4)將巖心放入溶液中后, 快速打開天平數(shù)據(jù)采集軟件, 將天平調(diào)至零點,記錄天平讀數(shù)(每10 s記錄一次), 得到巖心的質(zhì)量變化。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 頁巖的滲吸特征

根據(jù)表2設(shè)計的實驗方案對頁巖進(jìn)行滲吸實驗, 結(jié)果如圖3所示。滲吸特征如下：

(1)不同實驗條件下頁巖的自發(fā)滲吸曲線具有相同的整體特征,即頁巖滲吸吸水率(單位質(zhì)量的吸水量)隨著實驗時間增加而增加,直至達(dá)到平衡階段; 頁巖滲吸吸水率是隨著時間而變化的, 即初期滲吸吸水率隨時間增長較快, 隨后上升速度慢慢變小, 直至趨于零。

(2)相近密度和滲透率的樣品, 同在蒸餾水中, 垂直層理面頁巖樣品(3號)的滲吸吸水率要大于平行層理面的頁巖樣品(2號)。該研究結(jié)果與任凱等[17]的不一致, 可能是因為本文實驗方法與其實驗方法不一致所致, 文獻(xiàn)[17]在滲吸實驗過程中采用不透水的環(huán)氧樹脂和固化劑將頁巖樣品封固, 只留一面與液體接觸, 而本實驗未做任何封固。一般而言, 頁巖的基質(zhì)較致密, 而層理面發(fā)育較多微裂紋, 層理面為水提供更多進(jìn)入頁巖內(nèi)部的流動空間。因此, 本文實驗過程中垂直層理面頁巖樣品與水接觸時, 水沿著圓柱體側(cè)面層理面進(jìn)入頁巖巖石內(nèi)部空間, 而平行層理面頁巖樣品與水接觸時, 水主要沿著圓柱體兩個端面進(jìn)入頁巖巖石內(nèi)部空間, 因此, 水與垂直層理面頁巖樣品的接觸面積明顯大于平行層理面頁巖樣品, 造成了不同層理面頁巖樣品的滲吸能力存在差異。這說明了壓裂過程中親水壓裂液流動方向與龍馬溪組頁巖的層理面平行時, 頁巖地層對親水壓裂液的滲吸吸入量大, 或者層理面將加大頁巖的滲吸吸入量。

(3)頁巖樣品對無機(jī)鹽溶液的滲吸吸水率低于頁巖樣品對水的滲吸吸水率, 說明了無機(jī)鹽將對頁巖滲吸吸水能力產(chǎn)生影響, 或無機(jī)鹽將在一定程度上抑制頁巖滲吸吸水能力。 該研究結(jié)果與Dehghanpour等[10]、 Mirchi等[11]、 Makhanov等[14]、 任凱等[17]、 楊柳等[18]、 申潁浩等[19]等研究結(jié)果具有相似性, 研究結(jié)果表明, KCl或NaCl降低了頁巖滲吸吸水能力。 這可能是因為頁巖對水的滲吸能力除了受到毛管效應(yīng)作用的影響外, 還受到黏土礦物水化作用引起黏土礦物對水的吸附力作用和滲透壓差的影響, 無機(jī)鹽的加入將對頁巖中黏土礦物水化作用產(chǎn)生抑制作用, 同時將減小滲透膜兩側(cè)的初始濃度差, 進(jìn)而降低頁巖的水化作用和初始滲吸動力, 最終降低頁巖的滲吸吸水能力。 進(jìn)一步可觀察到, 頁巖對3種無機(jī)鹽溶液的滲吸吸水率存在差異, 說明了3種無機(jī)鹽對頁巖滲吸吸水能力的抑制作用存在差異, 相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的3種陽離子對頁巖的滲吸抑制強(qiáng)弱關(guān)系為: K+>Na+>Ca2+。 據(jù)李健鷹等[20]研究結(jié)果, K+水化能低, 黏土單元晶層—K+—黏土單元晶層之間的靜電引力較大, 故抑制黏土分散能力較好; Ca2+有較大的水化能, 且其本身所帶電荷比K+多1倍, 故黏土單元晶層—Ca2+—黏土單元晶層之間的靜電引力較大, 黏土顆粒也不易分散; Na+水化能大, 帶電又少, 故對黏土水化膨脹抑制力較低。在離子平衡過程中, 溶液中K+、Na+和Ca2+會進(jìn)入黏土礦物晶層, 替代部分原始黏土礦物中K+, 造成黏土礦物水化膨脹能力改變。 結(jié)合頁巖滲吸吸水率隨時間變化的關(guān)系曲線發(fā)現(xiàn)Na+抑制力比Ca2+高, 說明相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下, 高濃度低抑制力的Na+對頁巖滲吸能力的降低程度要強(qiáng)于低濃度高抑制力的Ca2+。 因此, 綜合以上因素, K+降低頁巖滲吸能力大于其余兩者, Na+降低頁巖滲吸能力大于Ca2+。

圖3 頁巖滲吸吸水率隨時間的變化關(guān)系

2.2 頁巖對油的滲吸特征

頁巖滲吸吸油率隨時間的變化關(guān)系如圖4所示。 實驗過程中,頁巖滲吸吸油率(單位質(zhì)量的吸油量)隨著時間增加而增加, 直至達(dá)到平衡階段; 頁巖滲吸吸油率是隨著時間而變化的, 即初期滲吸吸油率隨時間增長較快, 隨后上升速度慢慢變小, 直至趨于零。 頁巖對油、 水都表現(xiàn)出一定的滲吸量, 即油、 水能進(jìn)入頁巖內(nèi)部孔隙, 這說明頁巖孔隙中有親油孔隙,也存在親水孔隙, 頁巖潤濕性表現(xiàn)為既親水又親油, 或非均勻潤濕性。 這可能是因為頁巖孔隙分為有機(jī)質(zhì)孔隙和非有機(jī)質(zhì)孔隙[16-21], 其中有機(jī)質(zhì)孔隙表現(xiàn)為親油性(圖5), 暗色區(qū)域是有機(jī)質(zhì), 且有機(jī)質(zhì)區(qū)域顏色更深的就是有機(jī)孔隙, 油主要進(jìn)入這類孔隙。同時, 從圖4中還可看出頁巖對白油的滲吸能力小于頁巖對水的滲吸能力。 該研究結(jié)果與文獻(xiàn)[10-16, 21]的研究結(jié)果一致, 都表明富有機(jī)質(zhì)頁巖對水的滲吸能力大于油的。 這可能是因為白油分子直徑比水分子大得多, 其能進(jìn)入的孔隙范圍有限, 且滲吸動力小, 油分子進(jìn)入孔隙的阻力大, 同時水分子被黏土礦物(圖6)吸附, 也會在一定程度上加快頁巖的滲吸吸水率 。除此之外, 頁巖吸水性還受到黏土吸附力作用的影響, 即頁巖對水的滲吸能力受到毛細(xì)管效應(yīng)和黏土礦物吸附力共同作用的影響, 而頁巖對油的滲吸能力僅僅受到毛管力效應(yīng)作用的影響。 因此, 由以上綜合因素造成了頁巖對油的滲吸能力要小于對水的滲吸能力。 基于頁巖自吸實驗結(jié)果, 頁巖潤濕性具有兩親性,表現(xiàn)為親油性和親水性, 且頁巖水濕程度要好于油濕程度, 即更傾向于水濕。 這與Mirchi等[11]、 劉向君等[16]、 Yang等[22]基于接觸角法實驗測試的結(jié)果不一致, 他們研究結(jié)果表明頁巖潤濕性具有兩親性, 但頁巖更傾向于油濕。 頁巖自吸實驗結(jié)果與接觸角法實驗結(jié)果的差異原因可能是水分子直徑小于油分子和水空氣界面張力小于油空氣界面張力, 即使是相同毛管力作用下, 水、 油進(jìn)入頁巖內(nèi)部的體積是存在差異的; 同時, 水進(jìn)入頁巖內(nèi)部, 還會受到黏土礦物吸附力作用的影響, 也將造成水進(jìn)入頁巖內(nèi)部的體積增多, 綜合結(jié)果造成了水的滲吸能力大于油。 這也說明目前潤濕性的評價方法對于富有機(jī)質(zhì)頁巖存在一定局限性。

圖4 頁巖滲吸吸油(水)率隨時間的變化關(guān)系

圖5 龍馬溪組頁巖樣品的有機(jī)質(zhì)孔隙掃描電鏡圖

圖6 龍馬溪組頁巖樣品中微觀結(jié)構(gòu)

2.3 頁巖滲吸曲線形態(tài)

基于巖石滲吸實驗數(shù)據(jù), 不同學(xué)者提出了多種巖石滲吸表征處理方法, 比較常用方法包括Mattax等[23]的無因次時間法、 Olafuyi等[24]引入吸入體積與巖石樣品孔隙體積的比值、 Makhanov 等[25]引入單位表面積吸水量等。 這些方法受到樣品的大小和形狀的影響, 為此, 楊柳等[26]提出了評價頁巖儲層滲吸特征的新方法, 將巖石自吸能力定義為巖石樣品單位體積吸水量, 計算公式為

(1)

式中:V吸為吸入液體的體積, cm3;t為滲吸時間，s;L為巖心長度cm;Ac為吸水橫截面面積, cm2;Pe為毛細(xì)管力,Pa;φ為孔隙度, 小數(shù);Swf為前緣含水飽和度;Swi為初始含水飽和度;μg和μw分別為氣和水的黏度, Pa·s;kg和kw則分別為氣和水的滲透率, mD。

圖7 頁巖單位體積的吸水量與的關(guān)系

圖8 12號頁巖滲吸曲線的三段式劃分

對頁巖滲吸曲線3個階段分別進(jìn)行線性擬合得到曲線斜率,該斜率代表了頁巖巖石的滲吸速率,曲線的峰值代表了頁巖巖石的滲吸能力,統(tǒng)計結(jié)果如表3所示,其中第3階段的斜率非常接近零,因此,未統(tǒng)計該階段的斜率數(shù)據(jù)。不同實驗條件下，Ⅰ階段曲線斜率均較大,頁巖的滲吸速率較快;之后進(jìn)入Ⅱ階段,曲線變緩,且滲吸速率逐漸減小;而當(dāng)其從Ⅱ階段進(jìn)入Ⅲ階段后,滲吸曲線近乎平直,滲吸速率幾乎為零。曲線斜率越大,表明頁巖滲吸速率越高,初期滲吸速率的相對關(guān)系為頁巖(水)>頁巖(白油)、 頁巖(水)>頁巖(10%氯化鈣)>頁巖(10%氯化鈉)>頁巖(10%氯化鉀); 曲線的峰值越大, 表明頁巖滲吸能力越大, 滲吸能力的相對關(guān)系為頁巖(水)>頁巖(白油)、 頁巖(水)>頁巖(10%氯化鈣)>頁巖(10%氯化鈉)>頁巖(10%氯化鉀)。這說明了無機(jī)鹽將對頁巖滲吸速率和滲吸能力產(chǎn)生影響,即無機(jī)鹽將在一定程度上抑制頁巖滲吸吸水能力，這可能與無機(jī)鹽的加入將對頁巖中黏土礦物水化作用產(chǎn)生抑制作用有關(guān)，說明頁巖對水的滲吸除了受到毛細(xì)管效應(yīng)作用外,還受到黏土礦物的水化作用的影響。半透膜兩側(cè)的鹽度差會產(chǎn)生促使流體從低鹽度溶液到高鹽度溶液的滲透壓[20],頁巖中黏土礦物特殊的晶體結(jié)構(gòu)使其成為離子交換過程中的半透膜,頁巖基質(zhì)中的含鹽度很高,與流體之間的鹽度差促使流體在滲透壓作用下進(jìn)入黏土晶層,并在黏土顆粒表面發(fā)生水化作用從而附著在黏土顆粒內(nèi)部,該黏土礦物吸附力作用也將造成頁巖滲吸速度增大。隨著含水飽和度增加,半透膜兩側(cè)的鹽離子濃度差異逐漸變小,造成其產(chǎn)生的滲吸動力也減小,在這個過程中毛細(xì)管效應(yīng)作用和黏土礦物吸附力作用的減弱導(dǎo)致頁巖滲吸速度逐漸降低。

表3 頁巖滲吸數(shù)據(jù)曲線參數(shù)

3 結(jié) 論

(1)與頁巖基質(zhì)相比, 層理面將加大頁巖的滲吸速度和滲吸能力。

(2)頁巖表現(xiàn)為非均勻潤濕性, 油主要進(jìn)入有機(jī)質(zhì)孔隙, 頁巖對油的滲吸速度和能力明顯小于水。

(3)根據(jù)頁巖滲吸的動力學(xué)原理, 可將頁巖滲吸分為3個階段: 快速滲吸階段、 滲吸過渡階段、 后期滲吸階段。

(4)陽離子可抑制黏土礦物吸附力作用從而降低頁巖的滲吸能力, 且相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的陽離子降低頁巖滲吸能力的順序為 K+>Na+>Ca2+。