水化作用下頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)傷害特征

余致理，郭高峰，余 恒，李 慶，張艷玲

(中國石油西南油氣田分公司 重慶氣礦，重慶 400021)

引 言

水力壓裂技術(shù)大幅提高了頁巖氣藏的開發(fā)效率，但頁巖氣井壓裂后低返排率的現(xiàn)象導(dǎo)致大量壓裂液滯留儲層[1-2]；加之頁巖儲層孔喉細小且黏土礦物含量高，壓裂液容易自吸進入頁巖，并與頁巖發(fā)生水化反應(yīng)。水化后的黏土礦物顆粒出現(xiàn)體積膨脹，并產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，在膨脹應(yīng)力的作用下會造成裂縫擴展，并改變頁巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)[3-5]。嚴重時頁巖水化還會導(dǎo)致孔隙度增加、內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松、微裂縫擴展，降低巖石顆粒骨架的膠結(jié)強度，引起井筒收縮、坍塌、破裂等事故[6-7]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對泥頁巖水化前后的巖石物性、黏土礦物和孔隙結(jié)構(gòu)的變化特征開展了大量研究。冒海軍等[8]通過實驗發(fā)現(xiàn)，黏土礦物是引發(fā)頁巖水化的主要物質(zhì)，定向排列的黏土礦物水化程度要比無序排列的黏土礦物更為顯著。隋微波等[9]采用場發(fā)射掃描電鏡定點對比了水化前和水化不同時間后頁巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)水化后頁巖中出現(xiàn)了新的溶蝕孔和礦物脫落的現(xiàn)象。馬天壽等[10]采用CT掃描技術(shù)觀察了頁巖水化過程中微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化和裂縫擴展特征，并分析了潤濕性對裂縫擴展的影響。楊斌[11]采用核磁共振方法探討了利用T2譜估算微裂縫寬度的可行性。

核磁共振(NMR)技術(shù)能夠在無損樣品的前提下直觀反映頁巖樣品中孔隙和流體的分布特征，并能用于監(jiān)測頁巖在順流和逆流驅(qū)氣中的自吸過程[12-14]。然而，利用核磁共振評價壓裂過程中頁巖水化引起傷害的研究并不多。因此，筆者選取渝西地區(qū)龍馬溪組頁巖樣品，通過掃描電鏡、低場核磁共振和單黏土礦物水化實驗，對不同浸泡時間下頁巖顆粒形態(tài)和T2譜分布特征進行研究，并在建立水化傷害程度指標的基礎(chǔ)上，定量評價了水化過程中微觀孔隙的傷害程度，為優(yōu)化頁巖氣井壓裂施工方案提供依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗樣品

頁巖樣品取自四川盆地渝西地區(qū)龍馬溪組。從所取巖心柱上鉆取若干根直徑為25 mm，長度為70 mm左右的小巖心柱塞，分別開展X射線衍射實驗、低溫氮氣吸附實驗和掃描電鏡實驗。檢測結(jié)果表明，目標儲層頁巖有機碳質(zhì)量百分數(shù)介于1.4%～3.6%，礦物類型主要為石英(均值39.4%)、長石(均值16.8%)和黏土(均值36.4%)，其中黏土礦物以伊利石為主，其次為伊/蒙混層。從所有巖心中分別選取2塊黏土礦物含量相差較大的頁巖樣品作為實驗巖心(表1)。

表1 實驗頁巖基本參數(shù)

1.2 實驗儀器

實驗儀器包括布魯克D8 Discover X射線衍射儀(工作電流和壓力分別為40 mA和40 kV)、環(huán)境掃描電子顯微鏡Quanta 200FEG型、低場核磁共振掃描儀MacroMR12-150H-I(江蘇紐邁)，共振頻率2.38 MHz，回波間隔0.6 ms，等待時間為6 s，回波數(shù)為2 048，掃描數(shù)為128。智能高溫高壓頁巖膨脹儀PCY型(最高壓力10 MPa，位移分辨率1 μm，精度0.1%)。

1.3 實驗步驟

1.3.1 掃描電鏡實驗

(1)從小頁巖柱上切割一塊長度為10 mm的頁巖切片，對其切片表面進行氬離子拋光和噴鍍碳膜處理；

(2)將處理后的頁巖切片放置于裝有壓裂液的燒杯中，在恒溫箱67 ℃(地層條件)浸泡0.5 h、2 h、20 h、72 h、120 h和168 h后取出切片，將頁巖切片擦拭干凈后再放入掃描電鏡樣品倉中觀測水化前后頁巖微觀孔隙形態(tài)的變化特征。

1.3.2 單黏土礦物水化實驗

頁巖富含多種黏土礦物，其中綠泥石具有親油性且晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，水化傷害小。高嶺石吸水性差且不具有膨脹性。而伊利石和蒙脫石是所有黏土礦物中遇水后具有明顯膨脹能力的礦物，且本實驗中所用頁巖伊利石和伊蒙混層含量很高。因此，針對伊利石和蒙脫石分別開展單黏土礦物水化實驗。

(1)分別篩選出粒徑為200目的伊利石粉末和蒙脫石粉末各6 g，放入頁巖膨脹儀的試樣筒中加壓1.4 MPa壓實粉末，并測量壓實后的樣品高度；

(2)在67 ℃恒溫條件下分別向試樣筒中加入蒸餾水、氯化鈣溶液(濃度5 g/L)、和氯化鉀溶液(濃度5 g/L)，記錄不同浸泡時間下樣品的膨脹高度。并對膨脹后的樣品施加一定壓力使樣品恢復(fù)初始高度，通過測量樣品膨脹應(yīng)力的變化來反映樣品的水化程度。

1.3.3 低場核磁共振實驗

根據(jù)核磁共振原理[15-16]可知，當頁巖飽和含氫流體時，核磁共振測量的是流體的弛豫信號，而不是頁巖基質(zhì)的弛豫信號。當流體處于大孔隙時，核磁共振T2弛豫時間大于小孔隙中流體的弛豫時間，即大孔隙中流體的弛豫時間長，小孔隙中流體的弛豫時間短。此外，弛豫信號的振幅反映了孔隙中流體的賦存量，當流體賦存量越大時，弛豫信號的振幅越大。因此，基于核磁共振T2譜可以定量評價頁巖孔隙半徑分布特征及孔隙內(nèi)流體的賦存量。因此，可以使用核磁共振T2譜定量評價頁巖在自發(fā)滲吸過程中微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化特征。

(1)將切割后剩余小頁巖柱清洗烘干后，用分子真空泵抽真空12 h，然后浸沒在恒溫67 ℃裝有壓裂液的燒杯中；

(2)在浸泡不同時間(0.5 h、2 h、20 h、72 h、120 h和168 h)后，將頁巖樣品取出、擦干放置于核磁共振巖心分析單元內(nèi)，對不同飽和水狀態(tài)下的頁巖進行核磁共振T2譜采樣，并分析頁巖T2譜分布的變化特征。

2 實驗結(jié)果

2.1 黏土礦物顆粒形態(tài)

通過對不同水化時間下的1#頁巖切片進行掃描電鏡定點觀測發(fā)現(xiàn)，在浸泡之前(圖1(a))，頁巖樣品平行層理發(fā)育，有機碳含量較低，礦物顆粒邊界明顯，并發(fā)育有一定數(shù)量的礦物粒間孔。當頁巖樣品浸泡20 h后(圖1(b))，礦物顆粒邊緣的區(qū)域(紅色圓框)出現(xiàn)了新的溶蝕孔和礦物顆粒脫落的現(xiàn)象，但產(chǎn)生的新孔數(shù)量不多，孔隙半徑也較小。當浸泡120 h后(圖1(c))再次觀測發(fā)現(xiàn)，在浸泡20 h時產(chǎn)生的微小溶蝕孔開始進一步溶蝕，并造成顆粒松動和脫落，導(dǎo)致孔隙半徑進一步增大，最大新孔半徑能夠達到5.3 μm(黃色方框)，而脫落的顆粒又會造成孔隙的堵塞。這是由于黏土礦物中的某種礦物在水化作用下形成水化膜，使黏土體積膨脹，并發(fā)生脫落，降低了巖樣膠結(jié)強度，導(dǎo)致顆粒發(fā)生溶蝕或分散運移。

圖1 不同浸泡時間下1#頁巖切片SEM照片(放大400倍)

2.2 單黏土礦物水化特征

2.2.1 體積膨脹特征

圖2為伊利石與蒙脫石粉末在蒸餾水中膨脹高度對比。從圖中可知，當伊利石與蒸餾水接觸的瞬間，伊利石的體積即會發(fā)生快速膨脹，浸泡3 h后膨脹高度達到最大，為3.4 mm。而蒙脫石與蒸餾水接觸后膨脹高度增加相對緩慢，但反應(yīng)時間較長，當浸泡時間達到23 h時，蒙脫石體積仍在緩慢增加，膨脹高度為7.2 mm，是伊利石膨脹高度的一倍以上。這主要是因為蒙脫石與伊利石具有不同的晶片形狀，當晶片堆積形成晶層后，其晶層表面帶有的負電荷容量也不同，在不同容量負電荷作用下，吸附的陽離子量也不同。通常，伊利石的陽離子吸附量為20～40 mmol/100g，而蒙脫石的陽離子吸附量能夠達到80～130 mmol/100g，也就是說當黏土礦物的陽離子吸附量越大時，其晶層能夠吸附的水合陽離子容量也就越多，體積膨脹得也越大。

圖2 伊利石與蒙脫石在蒸餾水中膨脹高度對比

圖3為伊利石與蒙脫石在蒸餾水、氯化鈣溶液和氯化鉀溶液中線性膨脹率的對比。從圖中可以看出，伊利石與蒙脫石在蒸餾水中的線性膨脹率遠大于在氯化鈣和氯化鉀溶液中的線性膨脹率，說明無機鹽對伊利石與蒙脫石的水化膨脹效果具有一定的抑制作用，其中從線性膨脹率降低幅度可以看出，無機鹽對伊利石的抑制效果大于蒙脫石。這主要是因為在無機鹽溶液中含有大量的金屬陽離子，這些陽離子能夠與黏土礦物表面的負電荷進行離子交換吸附，導(dǎo)致原來在顆粒表面形成的雙電層結(jié)構(gòu)被壓縮，從而抑制伊利石和蒙脫石的膨脹。

圖3 伊利石與蒙脫石在不同溶液中線性膨脹率對比

2.2.2 膨脹應(yīng)力特征

圖4為伊利石與蒙脫石在不同溶液中膨脹應(yīng)力對比。從圖中可以看出，伊利石在3種不同溶液中的膨脹應(yīng)力變化規(guī)律基本相似，即在浸泡初期的0.2 h內(nèi)，膨脹應(yīng)力急速增加，而后趨于穩(wěn)定，其中伊利石與蒸餾水作用產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力最大，為4.74 kN。蒙脫石在3種溶液中膨脹應(yīng)力的增速則相對緩慢，但反應(yīng)時間較長，當浸泡時間達到1 h時，蒙脫石產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力才基本趨于穩(wěn)定，其中與蒸餾水作用產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力最大，為4.86 kN，略高于伊利石。由此可以看出，膨脹應(yīng)力達到穩(wěn)定的時間遠小于體積膨脹達到穩(wěn)定的時間，即當膨脹應(yīng)力不再增大時，黏土礦物的體積卻還在膨脹，此時會導(dǎo)致孔隙及微裂縫由擴展延伸逐漸轉(zhuǎn)向閉合。此外，無機鹽離子不但會抑制黏土礦物體積膨脹，還能夠抑制膨脹應(yīng)力的增加，鉀離子的抑制效果好于鈣離子。

圖4 伊利石與蒙脫石在不同溶液中膨脹應(yīng)力對比

2.3 頁巖核磁共振T2譜分布

圖5為不同浸泡時間下頁巖T2譜分布的變化。從圖中可以看出，在浸泡初期(0.5 h)，兩塊頁巖的T2譜分布(黑線)基本相似，呈現(xiàn)出典型的左峰高于右峰的不連續(xù)型雙峰形態(tài)，此時的頁巖由于浸泡時間短，可以近似地認為T2譜分布主要反映的是頁巖中孔隙結(jié)構(gòu)的分布特征，受水化作用影響較小。根據(jù)大部分學(xué)者對頁巖孔隙和微裂縫的識別方法[13-15,17]，可以將左峰定義為孔隙(0.01 ms

由圖5可知，隨著浸泡時間的增加，1#頁巖的左峰面積不斷增大，并會在原左波峰的右側(cè)形成一個連續(xù)的新波峰，說明水進入孔隙后會與黏土礦物發(fā)生水化作用，導(dǎo)致黏土礦物水化膨脹，孔隙擴展增大孔隙半徑，這也與掃描電鏡觀測到的結(jié)果一致。而原右峰在不斷向右移動的同時面積也會不斷增加，但當浸泡時間達到72 h后，右峰向右移動速度變緩，甚至出現(xiàn)了向左收縮的趨勢，面積也在逐漸減小。這說明在浸泡初期水不但進入了微裂縫，還會在水化作用下使微裂縫不斷延伸(對應(yīng)弛豫時間不斷增加)。而當浸泡時間達到72 h后，右峰面積收縮并減小可能是因為微裂縫發(fā)生了閉合，導(dǎo)致含水飽和度下降。2#頁巖的T2譜分布隨浸泡時間的變化與1#頁巖存在一定的差異。這是因為2#頁巖黏土礦物含量較低，導(dǎo)致相應(yīng)的水化程度相對較弱，左波峰持續(xù)增大，但波峰對應(yīng)的弛豫時間卻未增加，說明孔隙半徑并未增大，只是孔隙中的含水飽和度在不斷增加。而右峰面積對應(yīng)的變化規(guī)律與1#頁巖右峰面積變化規(guī)律相似。肖文聯(lián)等[18]認為，裂縫的T2弛豫時間與裂縫寬度有關(guān)，而裂縫代表波峰峰值的位置和大小的變化則與樣品中裂縫寬度和密度變化有關(guān)。

圖5 不同浸泡時間下頁巖T2譜分布

2.4 頁巖水化傷害程度評價

2.4.1 評價指標

根據(jù)核磁共振原理可知，核磁共振橫向弛豫時間T2與孔隙半徑成正比，因而T2譜分布不但能夠直觀反映不同孔徑孔隙的分布特征，還能描述微裂縫的密集程度。為了定量分析水化作用下頁巖的傷害程度，基于核磁共振T2譜分布，建立“水化傷害程度”這一指標來定量評價頁巖微觀孔隙的傷害程度[2]。

假設(shè)一維空間中某一單元體(r，r+Δr)內(nèi)微裂縫密度變量可以表示為

(1)

式中，η(r,t)為微裂縫密度分布，η為單位體積(r，r+dr)內(nèi)微裂縫的數(shù)量。

頁巖水化過程中產(chǎn)生的傷害D可以用微裂縫密度的變化來表示，即

(2)

由核磁共振原理可知，

(3)

式中，T2為橫向弛豫時間，ms；T2S為頁巖的表面橫向弛豫時間，ms；ρ為頁巖表面弛豫強度，無因次；S為巖石孔隙表面積，cm3；V為巖石孔隙體積，cm3；Fs為孔隙形狀因子，與孔隙半徑有關(guān)，無量綱；

將式(3)帶入式(2)可以得到

(4)

當頁巖發(fā)生水化后，T2譜分布面積隨水化傷害程度的增加而增大，在Δt時間內(nèi)微裂縫擴展增加的面積S可以表示為

(5)

結(jié)合式(4)和式(5)，可以獲得基于T2譜分布的水化傷害程度DT的表達式

(6)

式中，S1為頁巖發(fā)生水化傷害之前T2譜分布的面積(可近似等于頁巖飽和水初期測得的T2譜面積)；S2為頁巖水化傷害后T2譜分布的面積。

在初始狀態(tài)下，可以認為S1≈S2，此時水化傷害程度DT≈0。當頁巖在水中浸泡時間無限長時，認為S2遠遠大于S1，此時S1/S2≈0，水化傷害程度DT≈1。

2.4.2 水化傷害程度分析

表2為2塊頁巖水化傷害程度實驗對比，從表中可以看出，隨著浸泡時間的增加，1#和2#頁巖的水化傷害程度均不斷增大，而1#頁巖由于黏土礦物含量大于2#頁巖，導(dǎo)致其水化傷害程度也大于2#頁巖。在1#頁巖中，當浸泡時間小于72 h時，水化傷害程度快速增加，代表微裂縫的右峰面積占比也不斷增加，說明微裂縫在水化作用下不斷擴展。當浸泡時間大于72 h后，水化傷害程度的增幅明顯降低，同時右峰面積占比也急速下降。2#頁巖雖然黏土礦物含量低，也表現(xiàn)出相似的規(guī)律，即當浸泡時間大于20 h時，代表微裂縫的右峰面積占比也急速下降。這是因為擴展延伸的微裂縫開始趨于閉合所造成的右峰面積下降，并導(dǎo)致基質(zhì)中蒙脫石和伊利石的吸水面減小所致。

表2 水化過程中頁巖T2譜面積及水化傷害程度隨浸泡時間的變化

圖7為1#頁巖在不同浸泡時間下核磁共振成像圖。從圖中可以看出，隨著浸泡時間的增加，頁巖基質(zhì)中含水飽和度逐漸增加，表明水化傷害不斷擴展，這也與傷害程度DT的變化規(guī)律一致。值得注意的是，圖中紅色虛線圓框的區(qū)域在浸泡時間20 h、72 h和168 h的成像中呈現(xiàn)出含水飽和度先增加后降低的現(xiàn)象，這是由于此區(qū)域內(nèi)的孔隙及微裂縫由擴展延伸逐漸向閉合轉(zhuǎn)變所致。而圖中黑色虛線方框區(qū)域的含水飽和度從浸泡時間20 h至72 h過程中快速增大，而浸泡時間從72 h至168 h過程中變化幅度較小，這一現(xiàn)象也與水化傷害程度DT的變化規(guī)律相符。結(jié)合成像信息也可以進一步說明基于核磁共振T2譜計算出的水化傷害程度DT能夠準確定量評價水化作用對頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

圖7 不同浸泡時間下1#頁巖核磁共振成像

3 結(jié) 論

(1)頁巖中的蒙脫石和伊利石在水化作用后，易于在晶體表面形成水化膜，降低巖石骨架顆粒間的引力與膠結(jié)強度，造成顆粒松動、脫落和運移，在產(chǎn)生新的溶蝕孔和增大孔隙半徑的同時也會堵塞孔隙產(chǎn)生傷害。

(2)蒙脫石水化后的膨脹體積、膨脹應(yīng)力和線性膨脹率均大于伊利石，而膨脹應(yīng)力達到穩(wěn)定的時間小于體積膨脹，會導(dǎo)致孔隙及微裂縫由擴展延伸轉(zhuǎn)向閉合。無機鹽離子能夠有效抑制黏土礦物水化膨脹，且鉀離子的抑制效果好于鈣離子。

(3)基于T2譜分布所確定的水化傷害程度隨浸泡時間的增加，呈現(xiàn)先快速增加后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，而代表微裂縫的右峰面積占比也呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，說明水化作用下的微裂縫會出現(xiàn)先擴展延伸后趨于閉合的變化。