頁(yè)巖吸水對(duì)儲(chǔ)層的作用機(jī)理研究

穆 英 胡志明 端祥剛 常 進(jìn) 李亞龍

1. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049；2. 中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所, 河北 廊坊 065007;3. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院, 北京 100083

0 前言

頁(yè)巖氣在中國(guó)具有巨大的開(kāi)發(fā)價(jià)值與潛力,頁(yè)巖儲(chǔ)層致密,具有超低孔滲的特性,常規(guī)手段難以開(kāi)采,大規(guī)模水力壓裂技術(shù)能夠?qū)?chǔ)集層實(shí)施改造產(chǎn)生人工裂縫形成裂縫網(wǎng)絡(luò),從而提高儲(chǔ)層滲透率[1-7]。由于頁(yè)巖儲(chǔ)層超低含水飽和度和超低孔滲等原因,實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中壓裂液返排率一般在9%～53%之間,壓裂液的大量滯留導(dǎo)致儲(chǔ)層原始?xì)馑x存狀態(tài)發(fā)生改變,同時(shí)儲(chǔ)層力學(xué)特性的變化導(dǎo)致頁(yè)巖儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)和物性參數(shù)改變,進(jìn)而影響頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)[8-14]。

目前對(duì)頁(yè)巖水化作用的研究主要集中在孔隙結(jié)構(gòu)、宏觀裂縫的改變上,主要為定性分析。相關(guān)學(xué)者聯(lián)用多種技術(shù)手段對(duì)頁(yè)巖吸水過(guò)程進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖吸水能使頁(yè)巖發(fā)生膨脹作用,降低巖石強(qiáng)度,隨著水化作用時(shí)間的延長(zhǎng),微裂縫不斷擴(kuò)展連通,導(dǎo)致頁(yè)巖結(jié)構(gòu)被破壞,原始孔滲條件改變,影響實(shí)際開(kāi)發(fā)效果[15-17]。但是現(xiàn)階段關(guān)于頁(yè)巖水化作用對(duì)礦物組分的影響研究較少,缺乏相關(guān)定量研究。

本文選取四川盆地長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組頁(yè)巖樣品,利用高速光學(xué)顯微鏡對(duì)頁(yè)巖吸水過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),定性分析頁(yè)巖吸水對(duì)儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,同時(shí)利用X射線衍射技術(shù)對(duì)浸泡有頁(yè)巖樣品的溶液進(jìn)行離子濃度測(cè)量,對(duì)比頁(yè)巖水化過(guò)程中溶液離子濃度變化,定量分析頁(yè)巖吸水對(duì)礦物組分的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)原理

頁(yè)巖主要由細(xì)粒碎屑、黏土、有機(jī)質(zhì)等組成,具有頁(yè)狀或薄片狀層理,頁(yè)巖儲(chǔ)層脆性礦物含量總體較高,其次為黏土礦物及有機(jī)質(zhì)[18]。脆性礦物是影響頁(yè)巖基質(zhì)孔隙與裂縫發(fā)育程度以及水力壓裂改造效果的重要因素,脆性礦物容易在外力作用下形成再生裂縫,從而提高儲(chǔ)層滲透率,利于頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)。黏土礦物具有較高的孔隙體積和較大的比表面積,能夠?yàn)轫?yè)巖氣提供一定的吸附位點(diǎn)。同時(shí)由于較強(qiáng)的親水性,黏土礦物可以在晶體表面直接吸附水分子或通過(guò)吸附的可交換性陽(yáng)離子間接吸附水分子,從而導(dǎo)致頁(yè)巖水化[19-20]。由于熱解生烴等原因,干酪根等有機(jī)質(zhì)中微納米孔隙大量發(fā)育,是頁(yè)巖氣的主要儲(chǔ)存空間,同時(shí)由于水分子與含氧官能團(tuán)之間的氫鍵作用以及毛細(xì)凝聚現(xiàn)象,水分子仍可少量賦存于頁(yè)巖有機(jī)孔隙中[21-22]。

水化作用是指水滲透到巖土體的礦物結(jié)晶格架中或水分子附著到可溶性巖石的離子上,使巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生微觀、細(xì)觀及宏觀的改變,減小了巖土體的內(nèi)聚力[23-24]。水化作用的強(qiáng)度和效果與頁(yè)巖礦物類(lèi)型、作用時(shí)間和壓裂液的成分等因素相關(guān),水化作用導(dǎo)致非黏土礦物脫落產(chǎn)生大量無(wú)機(jī)孔隙,黏土礦物中伊利石和伊/蒙混層中的Na+、K+、Ca2+等陽(yáng)離子會(huì)水化溶解,當(dāng)水排出后這些陽(yáng)離子聚集在黏土礦物表面,使得無(wú)機(jī)礦物與有機(jī)質(zhì)之間的裂縫變寬[25-26]。

2 樣品及方法

X射線衍射技術(shù)是用X光透過(guò)物質(zhì)的結(jié)晶體,使其在照片底片上衍射出晶體圖案的技術(shù)。X射線衍射可以看作是晶體內(nèi)部相互平行、彼此相鄰的原子面對(duì)入射的反射。由于不同黏土礦物的晶面間距d不同,所以,利用Bragg方程式(nλ=2dsinθ,λ為入射X射線波長(zhǎng),n為反射級(jí)次,d為晶面間距,θ為布拉格角或掠射角),固定X射線波長(zhǎng)λ,根據(jù)產(chǎn)生衍射線的θ值,就可以計(jì)算出d值,據(jù)此d值便可以進(jìn)行礦物相的分析鑒定。

2.1 樣品選擇

實(shí)驗(yàn)主要包括頁(yè)巖吸水過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與礦物組分分析。樣品選擇四川盆地長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組頁(yè)巖樣品,人工制片進(jìn)行吸水過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。選取4塊代表性柱狀樣品及伊利石、綠泥石純物質(zhì)進(jìn)行X射線衍射實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)用水選用去離子水,X射線衍射實(shí)驗(yàn)樣品參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

頁(yè)巖吸水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)選取無(wú)結(jié)構(gòu)性破壞的完整頁(yè)巖薄片,前期使用大目砂紙磨平,后期使用小型銼刀磨薄至0.3 mm左右,利用3 MPa氮?dú)獯祾邩悠繁砻娣勰?制片完成后置于高速光學(xué)顯微鏡下固定,之后在頁(yè)巖薄片邊緣滴水,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頁(yè)巖動(dòng)態(tài)吸水過(guò)程。

表1 頁(yè)巖樣品礦物組分參數(shù)表

X射線衍射實(shí)驗(yàn)步驟包括制片、上機(jī)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理等,本實(shí)驗(yàn)涉及全巖分析檢測(cè)及黏土分析檢測(cè),不同實(shí)驗(yàn)樣品檢測(cè)方法不同,對(duì)于全巖分析檢測(cè),取樣量一般不低于5 g,對(duì)于黏土純物質(zhì)分析檢測(cè),取樣量一般不低于50 g。

3 結(jié)果與分析

3.1 儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)變化

利用高速光學(xué)顯微鏡對(duì)頁(yè)巖薄片同一位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè),能夠清晰辨認(rèn)出黃鐵礦等礦物組分及微觀損傷,見(jiàn)圖1，同時(shí),動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能夠記錄頁(yè)巖薄片動(dòng)態(tài)吸水過(guò)程見(jiàn)圖2。觀察發(fā)現(xiàn),頁(yè)巖薄片邊緣滴水后樣品緩慢吸水,水分通過(guò)優(yōu)勢(shì)吸水通道進(jìn)入頁(yè)巖內(nèi)部,吸水后期隨著頁(yè)巖膨脹變形等作用,頁(yè)巖薄片在優(yōu)勢(shì)吸水通道附近瞬間出現(xiàn)聯(lián)通裂縫。

圖1 光學(xué)顯微鏡觀測(cè)頁(yè)巖薄片圖Fig.1 Optical microscope observation of shale slice

a)前期優(yōu)勢(shì)吸水a(chǎn))Prophase superior water absorption

b)后期裂縫產(chǎn)生b)Anaphase formation of crack

滲吸是巖石孔隙中的一種潤(rùn)濕性流體在毛管壓力作用下自發(fā)地取代另一種非潤(rùn)濕性流體的過(guò)程[27]。由于頁(yè)巖儲(chǔ)層具有原生層理及裂縫,這些結(jié)構(gòu)成為頁(yè)巖吸水的前期優(yōu)勢(shì)通道,水分主要利用這些通道快速進(jìn)入頁(yè)巖內(nèi)部,隨后進(jìn)入緩慢滲吸過(guò)程。當(dāng)頁(yè)巖充分吸水后,水化作用導(dǎo)致頁(yè)巖部分礦物溶解或水化,黏土礦物等組分吸水膨脹使得儲(chǔ)層應(yīng)力增大,脆性礦物被壓裂產(chǎn)生更多裂縫,進(jìn)而導(dǎo)致原生裂縫與次生裂縫形成更大范圍的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

3.2 離子濃度變化

利用X射線衍射分析設(shè)備,定期測(cè)量浸泡有頁(yè)巖柱狀樣品的去離子水中不同離子濃度,獲取溶液中離子濃度變化曲線,進(jìn)而分析頁(yè)巖樣品礦物組分變化規(guī)律。柱狀樣品浸泡溶液離子濃度變化見(jiàn)圖3。

對(duì)黏土礦物進(jìn)行浸泡實(shí)驗(yàn),定期測(cè)量浸泡有伊利石、綠泥石等黏土礦物的去離子水中不同的離子濃度,獲取溶液中離子濃度變化曲線,能夠分析頁(yè)巖吸水過(guò)程中黏土礦物的含量變化規(guī)律。黏土礦物浸泡溶液離子濃度變化見(jiàn)圖4。

a)樣品1a)Sample 1

b)樣品2b)Sample 2

c)樣品3c)Sample 3

d)樣品4d)Sample 4

a)伊利石a)Illite

b)綠泥石b)Chlorite

3.3 礦物組分變化

利用X射線衍射分析設(shè)備,對(duì)水化前后頁(yè)巖柱狀樣品進(jìn)行全巖礦物分析,通過(guò)頁(yè)巖樣品水化前后礦物組分的不同,獲取水化作用對(duì)頁(yè)巖礦物組分變化的影響規(guī)律。水化作用前后頁(yè)巖柱狀樣品礦物組分占比變化見(jiàn)圖5。

a)樣品1a)Sample 1

b)樣品2b)Sample 2

c)樣品3c)Sample 3

d)樣品4d)Sample 4

研究發(fā)現(xiàn),水化作用前后,石英占比普遍增大,鉀長(zhǎng)石與斜長(zhǎng)石占比存在小范圍波動(dòng),鐵白云石占比普遍減小,黏土礦物占比變化規(guī)律并不明確。分析認(rèn)為,石英主要成分為SiO2,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,極難溶于水中,因此隨著其他礦物組分的水化,石英在頁(yè)巖礦物組分中的占比增大。長(zhǎng)石是一類(lèi)含鈣、鈉和鉀的鋁硅酸鹽礦物,能夠部分溶解或水化,因此含量占比存在一定波動(dòng)。鐵白云石是一種微溶于水的碳酸鹽礦物,在去離子水中能夠部分溶解。黏土礦物是一類(lèi)鋁硅酸鹽礦物,具有較強(qiáng)的吸水能力,含量占比變化規(guī)律不明,樣品1、樣品2黏土占比出現(xiàn)較大幅度降低,樣品3、樣品4的黏土占比出現(xiàn)小幅度升高,表明黏土礦物并非唯一與水發(fā)生作用的礦物組分,部分礦物的溶解或水化強(qiáng)度高于黏土礦物的水化強(qiáng)度。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),當(dāng)樣品中鐵白云石占比較高時(shí)(樣品3、樣品4),黏土礦物占比在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后出現(xiàn)一定程度上升,表明鐵白云石溶解強(qiáng)度大于黏土水化作用強(qiáng)度。

4 結(jié)論

1)水在黏土礦物等組分的吸水能力作用下通過(guò)原生裂縫快速進(jìn)入頁(yè)巖內(nèi)部,隨后發(fā)生緩慢滲吸過(guò)程,礦物溶解及水化作用的進(jìn)行導(dǎo)致頁(yè)巖在原生裂縫附近產(chǎn)生新的次生裂縫。

3)鐵白云石等脆性礦物的溶解強(qiáng)度明顯高于黏土礦物的水化作用強(qiáng)度,分析認(rèn)為脆性礦物溶解與黏土水化作用共同導(dǎo)致頁(yè)巖吸水前后礦物組分改變。

4)通過(guò)定性與定量分析頁(yè)巖吸水過(guò)程儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)與礦物組分的變化,初步獲取了頁(yè)巖吸水對(duì)頁(yè)巖結(jié)構(gòu)與組分的影響規(guī)律,以期指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)開(kāi)發(fā)。