頁巖水化及水鎖解除機制

曾凡輝，張薔，郭建春，曾波，張宇，何頌根

（1.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500；2.中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院，成都 610056；3.中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，成都 618000）

0 引言

頁巖氣作為常規(guī)油氣重要的接替資源，影響著各國能源戰(zhàn)略格局，頁巖氣開發(fā)得到了越來越廣泛的關(guān)注[1-2]。頁巖由細粒沉積物構(gòu)成，富含黏土礦物與有機質(zhì)，廣泛發(fā)育微納米孔隙，儲集層非均質(zhì)性強?；诿毠芰Φ淖园l(fā)滲吸驅(qū)氣是提高頁巖氣井產(chǎn)量的重要機理[3-4]。壓裂施工過程中，壓裂液侵入導致近井地帶含水飽和度增加，孔隙中氣水界面的毛細管阻力增加，賈敏效應(yīng)增強，壓裂液流動不暢，易發(fā)生水鎖效應(yīng)[5]，但水鎖是一種瞬態(tài)現(xiàn)象。頁巖自吸作用強烈，壓裂液擴散能力良好。在親水小孔隙的毛細管力作用下，原本滯留在頁巖氣流動通道中的壓裂液將擴散進儲集層基質(zhì)，流動通道逐步開放，即水鎖解除[6]。張磊等[7]通過格子Boltzmann模型模擬微納米級孔隙中氣驅(qū)水，發(fā)現(xiàn)氣體在大孔道形成連續(xù)相后難以驅(qū)替小孔道內(nèi)的水，形成水鎖傷害，阻礙頁巖氣產(chǎn)出；Cheng等[8]認為壓裂液自吸進入基質(zhì)孔隙中，可逆向滲吸置換出氣體。由此可見，頁巖豐富的微納米孔隙結(jié)構(gòu)具有一定的自吸能力和擴散能力，這決定了水鎖解除的潛力。而頁巖的吸水特性很大程度上受微納米孔隙的數(shù)目、尺寸、體積、孔縫連通性等因素的影響[9]。

壓裂液浸入頁巖儲集層后，頁巖將發(fā)生水化作用并改變內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。目前關(guān)于水化對頁巖物性參數(shù)是否具有有利影響尚無一致認識：隋微波等[10]應(yīng)用場發(fā)射掃描電鏡定點研究了頁巖水化前后的微觀結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)頁巖水化后出現(xiàn)溶蝕孔隙和礦物脫落，平均孔徑變大，微裂縫不斷發(fā)展并相互貫通；但 Hower[11]指出壓裂液浸入頁巖后，地層溶液離子濃度發(fā)生變化，黏土礦物吸水膨脹，導致微粒分散運移，堵塞頁巖孔道。Farah等[12]等認為因頁巖孔徑細小，毛細管力巨大，水化后黏土膨脹，堵塞孔喉，孔隙結(jié)構(gòu)連通性降低。綜上可以看出：充分利用頁巖水化作用，誘發(fā)微裂縫萌生，可以形成復雜裂縫網(wǎng)絡(luò)溝通微納米孔隙[4]；但頁巖自吸壓裂液可能形成水鎖傷害，降低氣相滲透率。因此，研究頁巖水化對孔隙結(jié)構(gòu)的影響以及壓裂液侵入后頁巖的物性參數(shù)的變化，對壓裂參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和提高頁巖氣井產(chǎn)量具有重要意義。

本文選取富有機質(zhì)、微納米孔隙發(fā)育的四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖樣品，在前人研究基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用電鏡掃描、CT掃描、高壓壓汞、低溫N2吸附、水化自吸等實驗方法，分析對比水化作用強烈的蒙脫石、伊利石水化特征，從微觀機理、宏觀過程揭示頁巖水化過程中孔隙結(jié)構(gòu)的演變機制，分析影響頁巖吸水及水鎖解除能力的主控因素，揭示孔隙結(jié)構(gòu)與水鎖解除能力的對應(yīng)關(guān)系，為優(yōu)選壓裂液配方、確定合理燜井工作制度提供技術(shù)支持。

1 單黏土礦物水化實驗

黏土礦物晶體由含水的層狀硅鋁酸鹽面接觸堆積而成，單元晶層表面帶有負電荷，在負電荷作用下，黏土晶層吸附水合陽離子并在表面形成水化膜。壓裂液的浸入改變了原始孔隙流體離子類型和濃度分布，進而影響?zhàn)ね恋V物表面及晶層間離子類型和離子濃度分布，導致黏土礦物發(fā)生一系列物理化學反應(yīng)。因此頁巖水化的核心是黏土礦物水化[13]，水化應(yīng)變、應(yīng)力則是評價水化作用強度的關(guān)鍵參數(shù)。

黏土礦物種類不同水化特征也不同，綠泥石的晶體結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定且具有親油性，高嶺石吸水性弱，均不具有膨脹性[14]；蒙脫石和伊利石水化作用強烈，本文以伊利石與蒙脫石的水化特征為重點研究對象。

1.1 實驗樣品、方法

實驗樣品：選用0.075 mm（200目）伊利石粉與蒙脫石粉，采用抽提法提純后，各取4 g樣品分別放入圓柱形試樣筒內(nèi)。

測試過程：①對試樣筒施加1.5 MPa外界壓力壓實，施壓10 min后記錄樣品的初始高度；②將樣品固定在NP-3型黏土膨脹儀樣桶內(nèi)，分別加入去離子水、濃度為1.0 mol/L的CaCl2、NaCl、KCl溶液；③在常溫常壓環(huán)境下浸泡，記錄不同時刻樣品的高度；④對樣品施加一定外壓，保證體積不變，測量水化應(yīng)力。

1.2 實驗結(jié)果

伊利石、蒙脫石在去離子水中的水化膨脹應(yīng)力、水化膨脹高度曲線分別如圖1、圖2所示?？梢钥闯觯孩倜擅撌淖畲笏蛎洃?yīng)力略高于伊利石，但伊利石水化膨脹應(yīng)力增大速度遠大于蒙脫石，且增大速度基本不變，達到平衡的時間為0.17 h；蒙脫石水化膨脹應(yīng)力增長緩慢，達到平衡的時間為1.0 h；②當膨脹應(yīng)力達到平衡狀態(tài)時，伊利石、蒙脫石體積還在繼續(xù)增大，其變化明顯滯后于水化應(yīng)力；③蒙脫石的吸水膨脹能力遠高于伊利石，水化膨脹較慢；④伊利石膨脹體積較小，水化反應(yīng)速率非?？欤虝r間內(nèi)就達到平衡狀態(tài)。由此可見伊利石顆粒表面水化強度更高，水化作用更快速、劇烈。

圖1 去離子水中伊利石、蒙脫石水化膨脹應(yīng)力曲線

圖2 去離子水中伊利石、蒙脫石膨脹高度曲線

蒙脫石與伊利石樣品在不同溶液中線性膨脹率如圖3所示?？梢钥吹?，伊利石與蒙脫石在無機鹽溶液中的線性膨脹率均小于在去離子水中的線性膨脹率，說明無機陽離子可以抑制黏土礦物吸水膨脹，且對伊利石的抑制作用更強，其中K+抑制黏土水化膨脹的效果最好。

圖3 不同溶液中伊利石、蒙脫石線性膨脹率

黏土礦物水化膨脹應(yīng)變滯后于水化應(yīng)力，水化作用同時具有積極與消極作用：一方面黏土礦物水化應(yīng)力對礦物顆粒起拉伸作用[14]，同時膨脹應(yīng)力對周圍不膨脹部分形成擠壓，降低巖石膠結(jié)強度，誘發(fā)微粒崩解分散，張性裂縫延伸擴展，孔縫連通性增強。隨水化時間延長，水化應(yīng)力達到平衡，但膨脹應(yīng)變?nèi)岳^續(xù)增大，水化應(yīng)力在裂縫面上產(chǎn)生的拉應(yīng)力不足以支撐微裂縫繼續(xù)擴展，黏土礦物吸水膨脹則會占據(jù)部分孔隙體積，減小裂縫尺度，降低孔縫連通性[15]。

2 頁巖水化前后微觀結(jié)構(gòu)表征實驗

蒙脫石與伊利石水化特征差異較大，對頁巖水化微觀結(jié)構(gòu)的改變能力及壓裂液的擴散能力影響不同。本文采用掃描電鏡、微米CT掃描、高壓壓汞、低溫N2吸附、水化自吸實驗等手段，對比黏土礦物組成不同的兩套頁巖樣品在水化過程中顆粒形態(tài)、孔徑分布等孔隙結(jié)構(gòu)的變化，分析頁巖水化的主控因素、黏土礦物對頁巖水化微觀結(jié)構(gòu)的影響及水鎖自我解除能力。

2.1 實驗設(shè)計

實驗樣品：實驗巖心采自四川長寧地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組兩個相鄰井區(qū)——A井區(qū)與 B井區(qū)，樣品編號L1、L2。利用XRD（X射線衍射）測定頁巖的礦物組成與總有機碳含量（見表1），礦物組成以石英、黏土礦物為主。兩種樣品黏土礦物總量相似但黏土礦物組成差別較大，樣品L1以伊利石為主，含量為22.1%；樣品L2以蒙脫石為主，含量為23.3%。

表1 頁巖樣品L1、L2總有機碳含量與礦物組成

實驗設(shè)備：①Q(mào)uanta450環(huán)境掃描電鏡，用于觀測分析巖樣的微觀結(jié)構(gòu)，其二次電子高真空模式分辨率為3～8 nm，背散射電子分辨率為4 nm，可以測定孔隙類型、尺寸、數(shù)量和微裂縫發(fā)育情況[16]；②MicroXCT-400型CT機，X射線空間分辨率高達1.5 μm，用于進行巖樣端面掃描；③Poremaster 60GT壓汞儀，最高進汞壓力413.7 MPa，樣品孔徑最佳范圍20～1 500 nm，用于高壓壓汞實驗；④自動孔隙測定系統(tǒng)，用于低溫N2吸附實驗；⑤賽多利斯QUINTIX224-1CN型分析天平，量程220 g，精度±0.000 1 g，用于水化自吸實驗。

實驗步驟：①分別從2組全直徑巖心（L1、L2）的相鄰位置鉆取多個直徑約2.54 cm，長約5.00 cm的標準圓柱樣；分別從L1、L2標準圓柱樣同一端面取相鄰的4小塊邊長為1 cm的立方體巖樣用于電鏡掃描實驗；將標準圓柱樣打磨成直徑2.50 cm、高2.83 cm與直徑1.00 cm、高1.00 cm的圓柱巖樣分別用于微米CT掃描與高壓壓汞；再將部分標準巖柱樣研磨成粒徑0.250～0.425 mm（40～60目）的顆粒狀樣品用于氮氣吸附實驗；②由于無法做到同一巖樣浸泡 4次，將兩組巖心4種尺寸樣品各4份在溫度為90 ℃條件下，分別浸泡0，5，10，20 d，壓裂液配方與現(xiàn)場一致：0.1%降阻劑+0.1%防膨劑+1%助排劑；③將立方體巖樣表面進行氬離子拋光和噴鍍碳膜后，在 60 ℃低溫烘干處理，采用掃描電鏡觀測巖樣微觀結(jié)構(gòu)；④將未水化巖心柱沿直徑方向剖垂直縫，模擬壓裂裂縫，并采用CT機沿巖樣端面掃描，隨后將巖心柱置于驅(qū)替裝置夾持器中，采用實驗壓裂液進行驅(qū)替，模擬地下頁巖壓裂過程，設(shè)置驅(qū)替壓力7.5 MPa，驅(qū)替流量由2.0 mL/min逐步降至0.2 mL/min，驅(qū)替10 d后再沿巖樣端面掃描，觀察巖樣內(nèi)部水化微裂縫以及孔隙連通性；⑤采用Poremaster 60GT壓汞儀測試中孔及大孔的孔徑分布；⑥將顆粒狀巖樣在150 ℃下脫氣5 h預(yù)處理，隨后在77 K溫度下用靜態(tài)體積法測量、計算樣品的等溫吸附、脫附曲線；⑦取邊長為1 cm的立方體巖樣，放置烘箱內(nèi)干燥10 h，再放入壓裂液中監(jiān)測樣品質(zhì)量隨時間的變化值，每2 min記錄一次。

2.2 實驗結(jié)果分析

2.2.1 頁巖端面顆粒表面形態(tài)變化

圖4、圖5分別為L1、L2巖樣不同水化時間下微觀結(jié)構(gòu)的變化情況。掃描電鏡圖像顯示，巖樣浸泡前，黏土礦物中孔隙及黏土層間微裂縫較發(fā)育，形態(tài)呈狹縫狀，局部張開但未貫通，L2巖樣初始微裂縫更為發(fā)育（見圖4a、圖5a）。

L1巖樣浸泡后，頁巖水化過程主要存在3種變化形式：①水浸后黏土礦物膨脹不明顯，巖樣以層理縫的張開及初始裂縫擴展為主，水化誘導微裂縫主要為平行層理方向的黏土層間縫的張開及連通（見圖4b）；②黏土礦物吸水膨脹，顆粒邊緣逐漸鈍化，黏土富集區(qū)域具有較高的膨脹勢，在較大的膨脹應(yīng)力擠壓下，周圍不膨脹顆粒崩解分散，并填充于孔隙中，微裂縫趨于閉合（見圖4c）；③大量顆粒、條帶狀聚合物粘附于巖石表面，溶蝕孔增多，總體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為多孔疏松，巖樣膠結(jié)強度降低（見圖4d）。L2巖樣具有與L1巖樣相似的變化趨勢（見圖5），不同的是：水化10 d后在該巖樣中還觀測到明顯的裂縫擴展行為；水化20 d時，微粒分散程度遠高于L1巖樣。

圖4 L1巖樣不同浸泡時間下的微觀結(jié)構(gòu)

圖5 L2巖樣不同浸泡時間下的微觀結(jié)構(gòu)

L1、L2兩種巖樣水化微觀結(jié)構(gòu)演變特征具有較大差異，L1巖樣以水化誘導微裂隙發(fā)育為主，L2巖樣黏土礦物顆粒膨脹與微粒分散程度高；對比圖4與圖5還可以看到，頁巖蒙脫石含量高則分散性強，易水化膨脹；伊利石含量高則分散性低，不易水化膨脹，以微裂縫擴展為主[10]。

2.2.2 頁巖端面裂縫及孔隙分布特征

由前述可知，L2巖樣水化10 d后層理縫擴展明顯，故對干燥巖樣與驅(qū)替10 d后的L2巖樣端面進行微米CT掃描，直觀地對比微裂縫及孔隙的平面分布變化特征。從巖樣端面CT掃描結(jié)果（見圖6）可以看到：①巖樣具有1條人工裂縫及明顯的層理縫（1號區(qū)域與2號區(qū)域），在黏土水化作用下，1號區(qū)域與3號區(qū)域均有明顯的擴展行為，微裂縫連通性增強；②2號區(qū)域由綠色變?yōu)槊导t色，層理縫體積明顯增大；③人工裂縫周圍小尺度的離散微裂縫（圖中藍色的離散點）顯著增多。

圖6 干燥巖樣與驅(qū)替10 d后巖樣端面微觀結(jié)構(gòu)

綜上可知，巖樣水化前小尺度孔縫呈零散分布，水化后黏土膨脹，微裂縫開啟，小尺度孔縫密集分布，微觀上局部相互連通，增強了裂縫、有機質(zhì)孔和無機質(zhì)孔間的連通性，提高儲集層滲透率，有利于壓裂液擴散[17]。

2.2.3 自吸后孔徑分布

2.2.3.1 高壓壓汞實驗

根據(jù)實驗測試進汞壓力曲線計算L1、L2巖樣浸泡前后孔隙分布比例如圖7、圖8所示。分析可知，L1巖樣浸泡5 d與未浸泡相比，2～10 nm孔隙消失，10～20 nm孔隙占比提高1.25倍，20～40 nm孔隙占比略有下降，大于100 nm孔隙開始出現(xiàn)；浸泡10 d與浸泡5 d相比，2～10 nm孔隙仍為消失狀態(tài)，10～20 nm孔隙占比大幅降低，20～40 nm孔隙占比大幅升高，大于100 nm孔隙占比小幅升高；浸泡20 d與浸泡10 d相比，2～10 nm孔隙基本重新回到未浸泡時的狀態(tài)，10～20 nm孔隙占比小幅升高，20～40 nm孔隙占比大幅降低，大于100 nm孔隙占比大幅降低。

圖7 L1巖樣浸泡前后孔隙分布頻率對比

圖8 L2巖樣浸泡前后孔隙分布頻率對比

L2巖樣浸泡5 d與未浸泡相比，2～10 nm孔隙基本消失，10～20 nm孔隙占比提高近31.4倍，20～40 nm孔隙占比下降78.5%，大于100 nm孔隙基本持平；浸泡10 d與浸泡5 d相比，2～10 nm孔隙仍為消失狀態(tài)，10～20 nm孔隙占比大幅降低，20～40 nm孔隙占比大幅升高，大于100 nm孔隙占比小幅升高；浸泡 20 d與浸泡10 d相比，2～10 nm孔隙基本重新回到未浸泡時的狀態(tài)，10～20 nm孔隙占比小幅升高，20～40 nm孔隙占比大幅降低，大于100 nm孔隙基本消失。

可以看到，適當?shù)慕菘梢愿纳茙r樣孔隙結(jié)構(gòu)，提高巖樣滲流能力，但浸泡時間并非越長越好，浸泡5 d時10～20 nm孔隙占比大幅升，大于100 nm微裂縫開啟；浸泡10 d時20～40 nm孔隙占比大幅升高，大于100 nm微裂縫仍保持開啟；浸泡20 d時，10～40 nm孔隙多數(shù)堵塞，大于100 nm微裂縫基本封閉?？傮w結(jié)果為L1巖樣浸泡5 d、L2巖樣浸泡10 d時孔隙結(jié)構(gòu)最發(fā)育，此時巖樣滲流能力最強。

2.2.3.2 低溫N2吸附實驗

脫附、吸附曲線不重合形成滯回環(huán)，在相對壓力較高處（p/p0＞0.45）滯回環(huán)變寬。根據(jù)滯回環(huán)形狀可以確定孔隙的形態(tài)[16]。Boer等[18]提出滯回環(huán)可分5類（A—E型），國際純化學與應(yīng)用化學聯(lián)合會（IUPAC）在此基礎(chǔ)上推薦分為4類（H1—H4型）[19]，分別表示圓柱形孔、墨水瓶孔、一端或兩端開口的楔形孔和裂縫形孔。

L1、L2巖樣氮氣吸附/脫附曲線如圖9、圖10所示。L1巖樣未浸泡時滯回環(huán)與H2型回線接近兼有H3型回線特征，孔隙結(jié)構(gòu)由墨水瓶孔和楔形孔混合而成；浸泡5 d與未浸泡相比，中等壓力范圍內(nèi)（0.45≤p/p0＜0.80），脫附曲線抬高，滯回環(huán)變寬，與Boer脫附回線 B型相近兼有 H4型特征，具有裂縫形孔特征；浸泡10 d與浸泡5 d相比，較高壓力范圍內(nèi)（0.8≤p/p0＜1.0），滯回環(huán)變窄，呈H3型特征，孔隙形態(tài)又轉(zhuǎn)化為楔形孔；浸泡20 d與浸泡10 d相比，滯回環(huán)變寬，H2型特征變明顯。

圖9 L1巖樣等溫脫附、吸附曲線

圖10 L2巖樣等溫脫附、吸附曲線

L2巖樣在浸泡0 d到浸泡5 d再到浸泡10 d的過程中，滯回環(huán)變化規(guī)律相似，即滯回環(huán)逐漸變寬，形態(tài)由H2型逐漸向Boer滯回環(huán)B型轉(zhuǎn)化，B型特征逐漸明顯；浸泡20 d時，滯回環(huán)寬度極小，巖樣以封閉性孔為主。

可以看到，巖樣在浸泡過程中滯回環(huán)形態(tài)先由H2型向Boer滯回環(huán)B型轉(zhuǎn)化，再變?yōu)镠3型，表征孔隙形態(tài)由墨水瓶孔向裂縫形孔轉(zhuǎn)化，再向楔形孔轉(zhuǎn)化，即孔隙開放程度整體上先增大后減小。這說明頁巖存在最佳水化時間，此時微觀孔隙結(jié)構(gòu)最發(fā)育，儲集層物性最好，浸泡時間過長，則會產(chǎn)生不利影響，實驗結(jié)果顯示L1巖樣浸泡5 d、L2巖樣浸泡10 d時孔縫連通性最強，壓裂液擴散能力也最強。

采用圖9、圖10數(shù)據(jù)，根據(jù)BJH模型[20]分別計算L1、L2巖樣的孔徑分布，采用單位質(zhì)量巖樣孔隙體積對孔隙半徑的微分來反映孔徑分布的變化趨勢，以消除采樣間隔的影響（見圖11、圖12）。

圖11 L1巖樣孔徑分布變化

圖12 L2巖樣孔徑分布變化

對比L1巖樣的4條浸泡曲線的位置可知，浸泡5 d時曲線基本處于最高位，說明該條件下的孔隙體積最大，而浸泡10，20 d時曲線則基本位于未浸泡曲線下方；同樣對比可知，L2巖樣浸泡5，10 d時曲線位于未浸泡曲線上方，浸泡20 d時曲線則基本位于未浸泡曲線下方，其中浸泡10 d時曲線處于最高位，該條件下的孔隙體積最大。同樣說明適當?shù)慕菘梢愿纳苾瘜游镄?，而時間過長，對頁巖儲集層物性有較大的傷害。

2.2.4 水化自吸實驗

水化自吸實驗可以衡量壓裂液在頁巖中的運移情況。Hu等[21]研究表明，雙對數(shù)坐標系下的自吸曲線通常至少含有兩段直線：初期直線段被稱為自吸段，末期直線段被稱為擴散段，自吸段結(jié)束的時間為拐點。為了描述壓裂液在孔隙網(wǎng)絡(luò)中的擴散能力，將擴散能力定義為擴散段的自吸量與最終自吸量的比值[21]。將巖樣自吸量隨浸泡時間的變化數(shù)據(jù)繪制在雙對數(shù)坐標系中（見圖13），可以發(fā)現(xiàn)：L1巖樣自吸1 720 min后進入擴散段，計算擴散能力為0.36；L2巖樣自吸1 040 min后進入擴散段，計算擴散能力為0.47，為L1巖樣的1.32倍。

圖13 L1、L2巖樣自吸量隨浸泡時間變化雙對數(shù)曲線

自吸曲線基本可劃分為快速上升、上升趨緩與基本平穩(wěn)3個階段：快速上升階段（L1巖樣自吸時間小于1 720 min，L2巖樣自吸時間小于1 040 min），在滲透壓差及毛細管力的綜合作用下，壓裂液優(yōu)先自吸進入無機質(zhì)孔隙及微裂縫中，以微裂縫與無機質(zhì)孔吸水為主[22]；上升趨緩階段（L1巖樣自吸時間為1 720～3 450 min；L2巖樣自吸時間為1 040～3 790 min），壓裂液向深層基質(zhì)孔隙中擴散，流動阻力增大，微裂縫與無機質(zhì)孔吸水減少，以黏土礦物吸水為主[23-24]；趨于穩(wěn)定階段（L1巖樣自吸時間大于3 450 min，L2巖樣自吸時間大于3 790 min），L1巖樣自吸量在0.83 g附近起伏波動，L2巖樣自吸量在1.03 g附近起伏波動，此時巖樣基本被水飽和。

由圖7、圖8可知，L1巖樣孔徑小于20 nm的孔隙占比高，孔徑小，毛管力大，初期自吸作用相對較強，但擴散能力不足，水分子易堵塞孔隙通道形成水鎖；L2巖樣孔徑大于20 nm孔隙占比高，孔徑大，初期自吸作用相對較弱，壓裂液向基質(zhì)孔隙中擴散的能力較強，儲集層水鎖后具有一定的自我解除能力。

綜上所述，黏土礦物不同，水化應(yīng)力、應(yīng)變特征也不同：伊利石層間作用力主要由雙電層斥力控制，只進行表面水化作用[13]，水化應(yīng)力高、應(yīng)變小、水化平衡時間短[25]；蒙脫石水化過程主要由壓裂液與孔隙流體間滲透壓差控制，表面水化之后繼續(xù)吸水進行滲透水化作用，可以產(chǎn)生數(shù)十倍層間距的長程膨脹，水化應(yīng)力小、應(yīng)變大、水化平衡時間長[25]。宏觀表現(xiàn)為黏土礦物組成不同的頁巖水化特征有差異：L2巖樣蒙脫石含量高，易水化膨脹，水化不均勻膨脹程度高，微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化明顯，儲集層物性改善潛力大；L1巖樣伊利石含量高，不易水化膨脹，分散性低，以微裂縫擴展為主，改善孔隙結(jié)構(gòu)能力有限。

頁巖水化微觀結(jié)構(gòu)變化形式具有時間效應(yīng)，變化程度與黏土礦物組成有關(guān)。水化作用通過影響頁巖孔隙結(jié)構(gòu)控制氣體在頁巖中的流動能力。黏土水化可以增強頁巖微納米級有機質(zhì)孔與無機質(zhì)孔間連通性并擴大孔隙空間，有利于提升頁巖氣滲流能力。壓裂施工后，通過適當時間的燜井，可一定程度上改善儲集層物性。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

四川長寧地區(qū) A井區(qū)龍馬溪組頁巖伊利石含量高，取樣巖心為L1，推薦最佳燜井時間為5 d；B井區(qū)蒙脫石含量高，取樣巖心為L2，推薦最佳燜井時間為10 d。分別選取A、B井區(qū)內(nèi)相鄰兩井（A-1井與A-2井、B-1井與B-2井）進行現(xiàn)場試驗，相同井區(qū)內(nèi)所選兩井物性參數(shù)、施工參數(shù)與礦物組分均較為相似（見表2）。A-1井實際燜井5 d，A-2井實際燜井10 d；B-1井實際燜井10 d，B-2井實際燜井15 d。

表2 壓后燜井效果對比表

從實際效果來看，A-1井按照最優(yōu)燜井時間關(guān)井5 d，A-2井則延長燜井時間至10 d，A-1井壓裂段數(shù)少于A-2井，但實測產(chǎn)量卻大致相同；B-2井壓裂段多、水平段長，但因?qū)嶋H燜井時間長于最優(yōu)燜井時間，其實測產(chǎn)量比B-1井低25.9%。這說明蒙脫石含量高的井，最優(yōu)燜井時間較長；伊利石含量高的井，最優(yōu)燜井時間較短。采用最優(yōu)燜井時間關(guān)井有助于充分改善儲集層物性，提高頁巖氣井產(chǎn)量；延長燜井時間并無好的效果。

4 結(jié)論

頁巖水化特征與黏土礦物組成密切相關(guān)，伊利石含量高則分散性低，不易水化膨脹，以微裂縫擴展為主，改善頁巖孔隙結(jié)構(gòu)能力有限；蒙脫石含量高則分散性強，易水化膨脹，改善頁巖孔隙結(jié)構(gòu)潛力較大。

頁巖伊利石含量高，小孔徑孔隙占比高，毛細管力大，初期自吸作用相對較強，但擴散能力不足，水分子易堵塞孔隙通道形成水鎖；頁巖蒙脫石含量高，較大孔徑孔隙占比高，初期自吸作用相對較弱，壓裂液進入大孔道后向中小孔滲吸，擴散能力較好，儲集層水鎖后具有一定的自我解除能力。

頁巖存在最佳水化時間，此時微觀孔隙結(jié)構(gòu)最發(fā)育，儲集層物性最好；水化時間過長，則對頁巖儲集層物性有較大的傷害，伊利石含量高的頁巖最佳水化時間比蒙脫石含量高的頁巖短。

無機陽離子可以抑制黏土礦物吸水膨脹，對伊利石的抑制作用更強，K+抑制黏土水化膨脹效果最好。蒙脫石含量高的儲集層可以通過降低壓裂液陽離子含量促進黏土水化作用；伊利石含量高的儲集層可注入高K+離子含量的壓裂液抑制水化作用。

符號注釋：

mi——自吸量，g；p——低溫N2吸附實驗壓力，MPa；p0——飽和蒸汽壓，MPa；r——孔隙半徑，nm；ti——自吸時間，min；VG——單位重量巖樣孔隙體積，mL/g。