頁巖油儲層層理縫滲吸機制和滲吸模式

謝建勇，袁珍珠，代 兵，吳承美，賈 春，許 鋒，羅 群，崔 倩

(1.中國石油新疆油田分公司，新疆 烏魯木齊 831700；2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249；3. 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，四川 宜賓 644002；4. 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，四川 成都 610100)

0 引 言

中國準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組地層頁巖油豐富，為典型的源儲一體油藏，截至2019年，估算探明儲量為10×108t[1-6]。蘆草溝組頁巖油儲層致密，地層壓力系數(shù)偏低，為1.05～1.20[7]。目前中國頁巖油開發(fā)主要采用水平井分段壓裂形成構(gòu)造縫的方式實現(xiàn)，但蘆草溝組地層構(gòu)造縫不發(fā)育，層理縫發(fā)育，密度可達(dá)2.7條/m以上，嚴(yán)重制約了人工構(gòu)造縫的延展；但層理縫作為頁巖油氣滲流的重要通道，具有易開啟、橫向延展廣的特點[8-11]。因此，如何合理利用層理縫來提高頁巖油的開發(fā)效率成為重要研究課題。通過電阻率法及巖心CT掃描實驗，探究層理縫中壓裂液是否可以通過滲吸置換儲層中的原油，并對比其與構(gòu)造縫滲吸效率的差異，最終明確了在層理縫發(fā)育區(qū)，采用直井壓裂可充分利用構(gòu)造縫滲吸置換原油并有效地開啟和制造層理縫，提高了層理縫中壓裂液滲吸置換頁巖油儲層孔隙中原油的效率。

1 露頭樣品滲吸模擬實驗

1.1 實驗準(zhǔn)備及滲吸效率計算方法

由于頁巖油儲層層理和層理縫發(fā)育[12-13]，巖心樣品在實驗中容易破碎，因此，采用露頭中的大尺度新鮮樣品。露頭樣品來源于礦區(qū)蘆草溝組露頭頁巖油儲層致密砂巖，樣品堅硬、體積大、不易破碎，實測孔隙度約為3.6%，平行層理縫滲透率為1.3×10-3mD，垂直層理縫滲透率為0.7×10-3mD。將露頭巖心切割，制作成4塊10 cm×8 cm×2 cm的長方體巖心。先對巖心用飽和油進(jìn)行72 h抽真空飽和，然后在27 MPa、80 ℃的環(huán)境下(模擬地層條件)加壓飽和72 h，直至巖樣質(zhì)量基本不再變化，通過稱量前后質(zhì)量變化，計算飽和程度約為80%。將4塊巖心拼接成2組模型，在指定位置埋設(shè)電極，鉆取進(jìn)水孔及出水孔，制作防水層，使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行膠鑄。48 h后環(huán)氧樹脂完全凝固，再使用焊錫槍將模型與儀器進(jìn)行連接并制作防水層(圖1)。將模型置于壓力釜中，進(jìn)行升溫、加壓，模擬地層的溫壓環(huán)境，在27 MPa、80 ℃的條件下，裂縫中的壓裂液與基質(zhì)中的原油發(fā)生滲吸置換反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，模型質(zhì)量逐漸增加，并且電極之間的含油飽和度逐漸下降，電阻逐漸降低。待電阻曲線平穩(wěn)后，認(rèn)為反應(yīng)基本停止。

圖1 大尺度滲吸模型示意圖Fig.1 The schematic diagram of the large-scale imbibition model

計算滲吸效率的方法為 ：①通過稱量反應(yīng)前后巖心的質(zhì)量，換算滲吸效率；②通過電極測量巖石的電阻，根據(jù)阿爾奇公式將電阻變化轉(zhuǎn)化為含油飽和度變化，進(jìn)一步換算滲吸效率。

滲吸效率的計算方法為：

(1)

(2)

(3)

式中：V置換為油水滲吸置換體積，mL；M1為反應(yīng)前模型質(zhì)量，g；M2為反應(yīng)后模型質(zhì)量，g；ρw為水的密度，g/mL；ρo為油的密度，g/mL；So為反應(yīng)后含油飽和度，%；So′為反應(yīng)前含油飽和度，%，ΔSo為含油飽和度變化，%；V總孔隙為總孔隙體積，mL；η為滲吸效率，%。

含油巖石的電阻率大小取決于含油飽和度、地層水電阻率以及巖石物性參數(shù)，含油飽和度計算方法為：

(4)

式中：Rt為含油巖石電阻率，Ω/m；R0為完全含水巖石電阻率，Ω/m；b、n分別為蘆草溝組巖電參數(shù)，取值分別為1、2。

1.2 實驗結(jié)果及分析

測量巖心樣品反應(yīng)前后的質(zhì)量變化，經(jīng)過換算，雙縫(構(gòu)造+層理縫)模型滲吸效率為61.6%，單縫(構(gòu)造縫)模型滲吸效率為57.5%(表1)，因此，在構(gòu)造縫開啟的情況下，開啟層理縫，滲吸效率增加4.1個百分點。

測量巖石基質(zhì)中的電阻，通過阿爾奇公式，換算不同電極之間的含油飽和度。經(jīng)過計算，單縫(構(gòu)造縫)模型平均滲吸效率為50.3%，雙縫(構(gòu)造+層理縫)模型平均滲吸效率為54.7%(表2)，即在開啟構(gòu)造縫的基礎(chǔ)上，開啟層理縫滲吸效率可提高4.4個百分點。

表1 單縫模型與雙縫模型滲吸效率對比Table 1 The comparison of imbibition efficiency between single-fracture model and double-fracture model

對上述2種計算方法得到的滲吸效率取平均值，得到在構(gòu)造縫開啟的情況下，再開啟同樣面積的層理縫，滲吸效率可增加約4.3個百分點。

表2 反應(yīng)前后含油飽和度變化對比Table 2 The comparison of changes in oil saturation before and after reaction

2 常溫常壓下致密巖心縱橫裂縫的水自然滲吸實驗

2.1 實驗準(zhǔn)備

實驗采用吉木薩爾凹陷蘆草溝組JHW043井油浸泥質(zhì)粉砂巖巖心，巖心潤濕性表現(xiàn)為親水，氣測孔隙度約為14.0%，加工成邊長為2 cm的立方體。由綜合鑄體薄片觀察可知，巖心層理縫及紋層發(fā)育，紋層厚度為0.1～3.0 mm，屬于薄紋層(圖2a)，沿層理方向發(fā)育微裂縫，開度為10～20 μm，長度為200～400 μm(圖2b)。實驗用液體為返排液，使用精度為80 μm的多層螺旋CT掃描儀。

圖2 JHW043井蘆草溝組典型巖心鑄體薄片F(xiàn)ig.2 The casting slice (reflecting bedding fractures and laminae) of typical core of Lucaogou Formation in Well JHW043

2.2 實驗過程與分析

分別取2組相鄰的巖性以及層理發(fā)育基本一致的立方體巖心a與b、c與d，樣品a、c分別為b、d相鄰的切塊，肉眼觀察巖性以及層理發(fā)育與b、d基本一致，樣品a和c分別作為b和d的實驗對照組(認(rèn)為a與b物性相同、c與d物性相同)，樣品a與b制成構(gòu)造縫樣品，樣品c與d制成層理縫樣品。先將樣品用乙醚洗油7 d，然后烘干處理。烘干完畢冷卻至室溫后，樣品a、c作為對照組不再處理，b組構(gòu)造縫面朝下與水接觸，d組層理縫面朝下與水接觸，吸水24 h后與a、c組一同進(jìn)行CT掃描，得到CT掃描圖像(圖3)，在掃描圖像中，顏色由淺到深，代表了孔隙度由大變小，即顏色越紅，孔隙度越小，經(jīng)分析得到滲吸前后樣品平均孔隙度變化(表3)。

圖3 CT掃描圖像Fig.3 The CT scintigram

由表3可知，構(gòu)造縫樣品反應(yīng)后(圖3b)顏色加深，平均孔隙度由15.4%降至6.4%，孔隙度損失比例達(dá)58.4%；層理縫樣品反應(yīng)后(圖3d)，整體顏色不均勻，上部顏色淺、孔隙度大，下部顏色深、孔隙度小，下部孔隙度損失明顯，平均孔隙度由12.6%降至4.6%，孔隙度損失比例高達(dá)63.5%。

表3 滲吸反應(yīng)前后樣品平均孔隙度變化Table 3 The average porosity change of the sample before and after imbibition reaction

根據(jù)構(gòu)造縫樣品b與層理縫樣品d滲吸后的CT掃描圖，繪制出巖心滲吸后的孔隙度曲線圖(圖4)。由圖4可知，構(gòu)造縫樣品滲吸高度約為1.5 cm，層理縫樣品滲吸高度約為1.0 cm。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因為：滲吸效果不僅受毛管力作用，還受重力影響，構(gòu)造縫吸水樣品由于沿層理方向發(fā)育大量孔隙，連通性較好，喉道較大，這部分孔隙滲吸毛管力相對較小，受重力影響明顯，吸水高度較低；但是層理縫滲吸高度以下的基質(zhì)孔隙度基本完全損失，從而導(dǎo)致層理縫滲吸整體效果好于構(gòu)造縫。

圖4 滲析后構(gòu)造縫、層理縫樣品CT掃描孔隙度圖Fig.4 The porosity CT scintigram of tectonicand bedding fractures after imbibition

由于實驗條件限制，CT掃描分析未能完全模擬儲層油水滲吸過程，但在一定程度上說明，層理縫滲吸效果并不比構(gòu)造縫差，甚至在考慮重力條件、不考慮油水滲吸置換物性下限的情況下優(yōu)于構(gòu)造縫模型。

3 層理縫與構(gòu)造縫的滲吸模式

通過薄片觀察與鏡下照片可知(圖2)，研究區(qū)蘆草溝組儲層紋層發(fā)育，水平方向孔隙連通性較好，縱向滲透性比橫向滲透性差，由于壓實等作用顆粒成橢圓狀。結(jié)合模擬實驗，構(gòu)建出滲吸模型骨架，以此模擬不同類型的裂縫對巖石基質(zhì)中原油的滲吸效果及其滲吸模式。在層理縫滲吸模式(圖5a)中，水相沿垂直方向的孔喉進(jìn)入儲層基質(zhì)，滲吸置換其中的原油。層理縫滲吸的通道孔隙喉道較窄，水相進(jìn)入與油相排出的路徑較長，并且較為曲折。由于縱向上部分喉道受壓實與膠結(jié)作用影響形成閉合，導(dǎo)致層理縫滲吸存在死孔隙，死孔隙中沒有滲吸過程發(fā)生。

在構(gòu)造縫滲吸模式(圖5b)中，可以看出水相沿層理方向進(jìn)入儲層，置換其中的油相。滲吸反應(yīng)主要發(fā)生在連通性較好的水平方向的孔隙中，反應(yīng)通道平直，滲吸主要通道為層理方向的孔隙或微裂縫中[14-17]。層理縫滲吸模式中的死孔隙在構(gòu)造縫滲吸中仍可進(jìn)行。

圖5 層理縫與構(gòu)造縫滲吸模式圖Fig.5 The diagram of the imbibition pattern of bedding and tectonic fractures

其中，在構(gòu)造縫滲吸模式中，如果存在較粗的微裂縫或?qū)永砜p(圖6)，左側(cè)構(gòu)造縫中的水相在較小毛管力作用下無法克服重力影響，因而無法發(fā)生滲吸反應(yīng)。右側(cè)的構(gòu)造縫中的水相由于毛管力和重力同向，因而可以置換微裂縫或者層理縫中的原油[18-22]。

圖6 重力(浮力)作用影響滲吸反應(yīng)的示意圖

在滲吸過程中，儲層致密，孔喉結(jié)構(gòu)較小，毛細(xì)管力較高，毛細(xì)管力與重力比值較大，并且致密儲層可認(rèn)為是一個封閉環(huán)境，原油無法向外擴散。因此，滲吸過程屬于在毛細(xì)管力支配下，水進(jìn)入基質(zhì)的方向與油的運移方向相反的逆向滲吸。

對比層理縫與構(gòu)造縫滲吸模式可知，層理縫滲吸通道更加曲折，但是由于層理縫滲吸通道較窄，毛管力較大，導(dǎo)致層理縫與構(gòu)造縫在滲吸時間上無明顯差異。層理縫滲吸過程中存在部分死孔隙，導(dǎo)致層理縫最終滲吸效率略低于構(gòu)造縫，但因?qū)永砜p發(fā)育的儲層中縱向滲吸的孔隙相對于構(gòu)造縫小，孔隙毛管力較大，加上層理縫發(fā)育的密度比構(gòu)造縫高，因此，層理縫中壓裂液仍然可以發(fā)揮很好的滲吸置換原油的作用，使得層理縫的綜合滲吸效果好于構(gòu)造縫。

4 層理縫對于頁巖油開發(fā)的意義

目前頁巖油的開發(fā)主要利用水平井分段壓裂開發(fā)方式，水平井壓裂的目的是開啟和制造縱向裂縫，為縱向裂縫中壓裂液滲吸置換頁巖油儲層中的原油創(chuàng)造條件。但實際上，頁巖油儲層中的縱向縫(構(gòu)造縫)往往沒有層理縫發(fā)育，如果改變開發(fā)方式，即在層理縫發(fā)育區(qū)，采用直井壓裂，在充分利用構(gòu)造縫滲吸置換原油的同時，可以更有效地開啟和

制造層理縫(使閉合的層理縫開啟，使層理破裂形成層理縫)，這將大大提高層理縫中壓裂液滲吸置換致密頁巖油儲層孔隙中原油的效率，有利于頁巖油更高效開發(fā)。

5 結(jié) 論

(1) 滲吸實驗表明層理縫、構(gòu)造縫中的壓裂液均可滲吸置換基質(zhì)中的原油；在開啟構(gòu)造縫的基礎(chǔ)上，增開層理縫滲吸效率可提高4.3%左右。

(2) 由于縱橫向孔喉結(jié)構(gòu)差異以及油水密度差導(dǎo)致的重力影響，層理縫在滲吸所需時間上與構(gòu)造縫滲吸差別不明顯，滲吸深度略低于構(gòu)造縫，但滲吸效率基本與構(gòu)造縫相同。

(3) 根據(jù)露頭樣品滲吸模擬實驗及常溫常壓下致密巖心縱橫裂縫的水自然滲吸實驗，構(gòu)建了層理縫與構(gòu)造縫滲吸模式。層理縫滲吸模式中，水相沿垂直方向的孔喉進(jìn)入儲層，滲吸置換原油。構(gòu)造縫滲吸模式中，水相沿層理方向進(jìn)入儲層，滲吸置換原油。研究表明，在構(gòu)造縫滲吸的基礎(chǔ)上，充分利用層理縫的滲吸作用，可較大提高頁巖油的開發(fā)效率。

(4) 在層理縫發(fā)育的頁巖油區(qū)，采用直井壓裂，可有效開啟和制造層理縫(使閉合的層理縫開啟，使層理破裂形成層理縫)，這將有效提高層理縫中壓裂液滲吸置換儲層原油的效率，有利于頁巖油高效開發(fā)。