富有機質(zhì)頁巖高溫?zé)峒ぴ鰸B機理實驗研究

楊東升，康毅力，吳 簡，游利軍，宋 鑫，張 冰，李鑫磊

(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，四川 成都 610500； 2.川慶鉆探長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西 西安 710065)

引 言

頁巖儲層具有基塊孔隙度極低、滲透率極低、納米孔十分發(fā)育[1]的特征，為了實現(xiàn)商業(yè)開采，目前普遍采用大規(guī)模水力壓裂技術(shù)[2]。利用水力壓裂產(chǎn)生新的裂縫網(wǎng)絡(luò)，連通天然裂縫，一定程度上提高了頁巖氣開發(fā)效率，但隨著所開發(fā)頁巖氣藏地質(zhì)條件愈發(fā)復(fù)雜，其優(yōu)勢受到一定限制。頁巖氣井在水力壓裂作業(yè)后，壓裂液返排率僅為10%～50%[3]，大量壓裂液滯留會產(chǎn)生水相圈閉損害[4]。此外，由于頁巖儲層中黏土礦物含量高，極易吸收壓裂液中的水分，從而發(fā)生水化膨脹或微粒運移[5]，堵塞裂縫網(wǎng)絡(luò)，降低頁巖氣藏采收率。

儲層高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)能夠很好地解決與“水”相關(guān)的儲層損害。儲層高溫?zé)崽幚聿粌H能減少近井帶水相造成的儲層損害[6]，且對近井帶進行高溫?zé)崽幚恚瑫箮r石孔隙中的水蒸發(fā)，增加孔喉體積、滲流通道橫截面積。高溫也會使頁巖中的某些礦物，如黏土礦物、有機質(zhì)、石英等發(fā)生結(jié)構(gòu)或相態(tài)改變，從而產(chǎn)生微裂縫網(wǎng)絡(luò)，增加了流體在頁巖多尺度孔隙-裂縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的輸運能力。

為了更大程度地發(fā)揮水力壓裂技術(shù)在頁巖氣藏開發(fā)過程中的優(yōu)勢，抑制其不利因素，可以嘗試在水力壓裂后采用儲層高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)。目前，國內(nèi)外學(xué)者的研究多側(cè)重于干巖樣熱處理后力學(xué)性能的研究，沒有將水這一重要因素考慮在內(nèi)，也沒有區(qū)別干燥頁巖和含水頁巖高溫?zé)崽幚砗笤鰸B帶產(chǎn)生的機理。因此，通過對比干燥頁巖與含水頁巖高溫?zé)崽幚砗笤鰸B效果的差異，明確兩者的增滲機理，這將為頁巖氣藏的高效開發(fā)和高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用提供更客觀依據(jù)。

1 實驗樣品與方法

1.1 實驗樣品

以四川盆地龍馬溪組露頭頁巖為研究對象。礦物組成主要為石英、長石、黃鐵礦、黏土礦物，各礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為41.1%、8.7%、3.8%、28.5%。黏土礦物以伊利石為主，伊利石平均占42.7%，其次為伊/蒙間層礦物和綠泥石，平均相對含量分別為20.73%和14.34%，伊/蒙間層礦物的間層比為10%～20%。由于其沉積環(huán)境屬于典型的還原性深水陸棚相[7]，TOC>2.0%[8]，屬于富有機質(zhì)頁巖。實驗制取代表性巖樣4塊，長度約為50 mm，直徑約為25 mm，64 ℃烘干24 h后分別測量4塊巖樣的直徑、長度、質(zhì)量、滲透率、孔隙度等基礎(chǔ)參數(shù)(表1)。

表1 頁巖樣品基礎(chǔ)物性參數(shù)

1.2 實驗方法

為了對比干燥頁巖樣和含水頁巖樣高溫?zé)峒ず笤鰸B效果的差別，對LM-1和LM-2巖樣不進行其他處理，而對LM-3和LM-4巖樣進行模擬地層水預(yù)處理。配制3%的KCl溶液，用紙巾浸濕后包裹，再密封于陰涼處靜置24 h后解封，表面水分蒸發(fā)完后測量其基礎(chǔ)物性參數(shù)(表2)。滲透率測試采用三軸孔滲儀，圍壓3.0～3.5 MPa，入口端壓力1.5～2.5 MPa，回壓1.0 MPa。

表2 LM-3、LM-4頁巖樣品地層水處理后基礎(chǔ)物性參數(shù)

對4塊頁巖巖樣進行高溫?zé)峒?，高溫?zé)峒x器為SK-G06123K型氣氛管式電熱爐。儀器使用電阻絲加熱，最高加熱溫度為1 200 ℃，最大升溫速率為60 ℃/min，控溫精度±1 ℃。實驗步驟如下：

(1)將巖樣裝入載物舟，放入氣氛加熱爐石英管中；

(2)打開石英管兩端閥門，以5 L/min流量通入氮氣約2～3 min，排出管內(nèi)空氣；

(3)打開SK-G06123K氣氛管式加熱爐操作界面，設(shè)置頁巖巖樣高溫?zé)峒?shù)，包括初始溫度為25 ℃、升溫速率5 ℃/min；

(4)熱激溫度的設(shè)置根據(jù)干燥頁巖和含水頁巖的閾值溫度。干燥頁巖的閾值溫度在500～600 ℃，即LM-1、LM-2熱激溫度為500 ℃和600 ℃；含水頁巖的閾值溫度為200～300 ℃，即LM-3、LM-4熱激溫度為200 ℃、300 ℃，熱穩(wěn)定時間2 h；

(5)開始啟動熱激程序，等熱穩(wěn)定時間結(jié)束后，關(guān)閉電源，使頁巖樣自然冷卻；

(6)待巖心冷卻至室溫后，關(guān)閉氮氣瓶，取出巖心；

心有靜氣，才能客觀看待人事，沉著思考問題。反之，心有怒氣，整個人就會淪為情緒的奴隸，辨不清是非真假，自然容易出亂子。

(7)測量高溫?zé)峒ず箜搸r巖樣的基礎(chǔ)物性參數(shù)。

為了準(zhǔn)確地評價高溫?zé)崽幚眄搸r后的增滲效果，采用增滲指數(shù)

Iht=lg(Ki/K0)

(1)

來評價。式中：Iht為增滲指數(shù)；K0為高溫?zé)崽幚砬绊搸r巖心滲透率，10-3μm2；Ki為高溫?zé)崽幚砗箜搸r巖心滲透率，10-3μm2。

根據(jù)頁巖高溫?zé)崽幚砗笤鰸B帶多尺度特征(微小喉道的擴張、微裂縫的萌生與貫通、大尺度裂縫的產(chǎn)生)，將增滲效果評價指標(biāo)分為6個等級，見表3。

表3 頁巖高溫?zé)崽幚碓鰸B效果評價標(biāo)準(zhǔn)

2 富有機質(zhì)頁巖高溫?zé)峒ぴ鰸B機理

2.1 干燥頁巖高溫?zé)峒ぴ鰸B機理

對LM-1、LM-2兩塊干巖樣熱激后，其表觀顏色發(fā)生了明顯變化。對LM-1號巖樣進行500 ℃高溫?zé)峒ず螅瑤r樣表面成灰白色，是該溫度下有機質(zhì)被熱解后呈灰色。對LM-2號巖樣進行600 ℃高溫?zé)峒ず?，巖樣表面成紅棕色，是該溫度下，頁巖中還原性組分黃鐵礦被氧化。

表4為干燥頁巖樣的質(zhì)量、孔隙度、滲透率測試結(jié)果。結(jié)果表明：兩塊巖樣在高溫?zé)峒ず蠖急憩F(xiàn)為質(zhì)量減小，孔隙度增加，滲透率增加。其中LM-1號巖樣質(zhì)量由81.902 8 g減少為80.272 8 g，減少了1.99%，孔隙度增加了0.84%，滲透率增加47.14%；LM-2號巖樣質(zhì)量由65.187 8 g減少為64.145 3 g，減少了1.59%，孔隙度增加了1.73%，滲透率增加了134.44%，經(jīng)過計算，LM-1、LM-2號巖樣的增滲指數(shù)分別為0.16、0.37，增滲效果弱。

表4 干燥頁巖巖樣熱激后基礎(chǔ)物性參數(shù)

龍馬溪組頁巖有機質(zhì)含量高，在高溫?zé)峒r，有機質(zhì)熱解[9]產(chǎn)生氣態(tài)烴及其他可燃氣體，主要有CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、H2等[10]，揮發(fā)后增加了頁巖基塊的孔隙度，頁巖中的礦物組分加快了這一進程。首先是黏土礦物對有機質(zhì)的熱解也起到了一定的催化作用，如伊利石在整個熱激階段都起到催化有機質(zhì)熱解的作用，但是效果不明顯，隨著溫度的升高，其催化作用也會隨之增強。當(dāng)熱激溫度超過350 ℃時，伊利石的催化作用開始大于高嶺石的催化作用[11]，當(dāng)熱解溫度為500 ℃，伊利石加速有機質(zhì)中C—C長鏈斷裂，且使得羥基(—OH)、醛基(—CHO)官能團含量下降，羧基(—COOH)已完全反應(yīng)。對芳香烴而言，熱解會使芳香烴脫去H原子，芳香度升高。

黃鐵礦及其衍生產(chǎn)物Fe2O3也會催化有機質(zhì)的裂解[12]。黃鐵礦中的Fe、S都會催化芳香烴H原子的取代，過量黃鐵礦還會使苯環(huán)的取代方式發(fā)生改變。隨著熱激的進行，黃鐵礦生成Fe2O3，由于Fe2O3中的Fe原子是過渡金屬，含有未成對的電子，容易替換C—OH、—COOH中的H原子，形成C—O—Fe、C—O—O—Fe的過渡物質(zhì)，這些產(chǎn)物也會降低反應(yīng)活化能，催化有機質(zhì)中多環(huán)芳香烴的分解。頁巖中有機質(zhì)的熱解，使得固態(tài)有機質(zhì)以氣態(tài)的形式被移除，會生成300 nm左右的微納孔隙(圖1(b))，輸運能力得到了提高。

圖1 干燥富有機質(zhì)頁巖高溫?zé)峒で昂髵呙桦婄R(SEM)照片

2.2 含水頁巖高溫?zé)峒ぴ鰸B機理

對LM-3、LM-4塊含水巖樣熱激后，其表觀顏色未發(fā)生明顯變化，但其表面微裂縫發(fā)育。LM-3含水頁巖樣200 ℃高溫?zé)峒ず?，其表面出現(xiàn)肉眼可見的微裂縫，且有較少碎屑剝落。對LM-4含水頁巖樣300 ℃高溫?zé)峒ず螅浔砻媪芽p較LM-3巖樣更為發(fā)育，且兩端有明顯的碎屑剝落。

表5為含水頁巖樣的質(zhì)量、孔隙度、滲透率測試結(jié)果。結(jié)果表明：兩塊巖樣在高溫?zé)峒ず蠖急憩F(xiàn)為質(zhì)量減小，孔隙度增加，滲透率增加，且變化幅度大于干燥頁巖熱激，尤其是滲透率增加了11 307倍。其中，LM-3號巖樣質(zhì)量由80.423 1 g減少為77.325 8 g，減少了3.85%，孔隙度增加了5.28%，滲透率增加11 307倍；LM-4號巖樣質(zhì)量由67.439 8 g減少為62.314 5 g，減少了7.60%，孔隙度增加了7.79%，滲透率增加47 591倍，經(jīng)過計算，LM-3、LM-4號巖樣的增滲指數(shù)分別為4.05、4.66，增滲效果極強。

表5 含水頁巖巖樣熱激后基礎(chǔ)物性參數(shù)

含水頁巖巖樣進行高溫?zé)峒ず?，新增滲帶的類型主要是微裂縫網(wǎng)絡(luò)。頁巖中脆性礦物含量高，這使得在地質(zhì)作用下，頁巖層理表面微裂隙發(fā)育，并充填黏土礦物(圖2(a))，黏土礦物遇水膨脹(圖2(b))，使原有的裂縫更加發(fā)育。

黏土礦物的水化作用主要有兩種形式，首先是晶格的膨脹，構(gòu)成黏土礦物六角形網(wǎng)格的O原子與水分子形成氫鍵，水分子再相互以氫鍵連接，使得黏土礦物表面膨脹；此外，陽離子交換也能使得黏土礦物晶格膨脹，其中蒙脫石陽離子交換量較大，膨脹也較明顯。第二種形式是滲透膨脹，由于晶體中的陽離子濃度大于溶液中的離子濃度，在濃度差的作用下，水滲入晶層間，極大地增加了晶層間的距離，這種膨脹所導(dǎo)致的體積增加量要比晶格膨脹導(dǎo)致的大得多。黏土礦物體積膨脹使得頁巖原生裂縫開度增加(圖2(b))，并且水化作用使得層理間的膠結(jié)物強度降低，又產(chǎn)生了新的裂縫。含水頁巖在經(jīng)過高溫?zé)峒ず?，隨著水分的揮發(fā)，原本含水的黏土礦物脫水，體積收縮[13]，產(chǎn)生了200 nm左右的微裂縫(圖3(b))，才導(dǎo)致頁巖滲透率大幅度提高。

圖2 高溫?zé)峒ご龠M黏土水化膨脹機理

圖3 含水富有機質(zhì)頁巖高溫?zé)峒で昂髵呙桦婄R(SEM)照片

含水頁巖高溫?zé)峒?，水分蒸發(fā)形成熱蒸汽，高溫蒸汽與頁巖組分發(fā)生反應(yīng)，改變了頁巖孔隙結(jié)構(gòu)[14]，同時使得孔隙壓力增大，二者使得微裂縫萌生和擴展。當(dāng)熱激溫度在0～370 ℃時，頁巖某些組分會發(fā)生溶蝕，如方解石溶解生成鈣離子和碳酸根離子，黃鐵礦溶解生成鐵離子和硫酸根離子，從而萌生了新的孔隙。隨著熱激溫度的升高，頁巖孔隙中的水分由液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，增大了孔隙壓力，產(chǎn)生了向外擴張的作用力，使得微裂縫擴展、連通[15]。蒸汽也是熱剝落的一個必要條件，熱激過程中，巖樣表面本就會產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力，而當(dāng)加熱速率為2.5 ℃/min時，頁巖局部孔隙壓力可達4.0～8.0 MPa，而大多數(shù)巖石熱剝落的臨界加熱速率在3.0 ℃/min以上，兩者相互作用引起基塊的剝落[16]。并且氣體的流通將部分固體顆粒運移出巖樣內(nèi)部，疏通了微裂縫網(wǎng)絡(luò)，增加了頁巖基塊滲透率。

3 討 論

干燥頁巖樣與飽水頁巖樣高溫?zé)峒ず?，增滲效果存在明顯差異，2個巖樣發(fā)生了不同的物理、化學(xué)反應(yīng)。干燥頁巖樣在高溫?zé)峒み^程中，溫度超過300 ℃時，頁巖組分中的伊/蒙間層礦物開始脫水分解，結(jié)構(gòu)也逐漸被破壞，黏土礦物中水分的移除產(chǎn)生了部分微小孔隙。高溫也使得組分中有機質(zhì)裂解生烴，原有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的固態(tài)有機質(zhì)在高溫下裂解為多種氣態(tài)烴，如甲烷、乙烷、乙烯，揮發(fā)后又產(chǎn)生了部分微小孔隙，且黏土礦物的存在還會催化該反應(yīng)的進行。因此，干燥頁巖樣高溫?zé)峒ず螽a(chǎn)生且擴張了孔隙、喉道，增滲指數(shù)一般小于1。

飽水頁巖樣中含有較多的自由水，高溫?zé)峒な沟靡簯B(tài)水轉(zhuǎn)化為蒸汽，體積急劇增大，孔隙壓力升高，促使生成和擴展了新的裂縫網(wǎng)絡(luò)。飽水頁巖樣在高溫?zé)峒で?，?%KCl溶液中浸泡24 h，黏土礦物遇水發(fā)生水化膨脹，天然微裂縫更加發(fā)育。頁巖微米—納米級孔隙發(fā)育，溫度上升，含水頁巖孔隙中會產(chǎn)生蒸汽壓提高孔隙壓力，由于水的壓縮性較低，低孔巖石中少量的水受熱膨脹，孔隙壓力便會顯著增加，促進頁巖發(fā)生熱致裂。含水頁巖高溫?zé)峒ず螽a(chǎn)生了微裂縫網(wǎng)絡(luò)，增滲指數(shù)一般大于4.0。

4 結(jié) 論

(1)干燥頁巖巖樣和含水頁巖巖樣高溫?zé)峒ず蠖季哂性鰸B效果，但強弱不同。干燥頁巖在500～600 ℃高溫?zé)峒ず?，增滲指數(shù)在0～1.0，含水頁巖在200～300 ℃高溫?zé)峒ず笤鰸B指數(shù)大于4.0。

(2)干燥頁巖巖樣高溫?zé)峒ぴ鰸B機理主要為巖石礦物組分改變和有機質(zhì)熱解導(dǎo)致微納孔喉的增加，其增滲效果不明顯。

(3)含水頁巖高溫?zé)峒ぴ鰸B機理主要為黏土礦物水化膨脹和蒸汽增壓作用導(dǎo)致微裂縫的萌生、貫通而形成大尺度裂縫。

(4)頁巖氣井水力壓裂作業(yè)后進行儲層高溫?zé)峒?，能夠很好地降低甚至解除“水”?dǎo)致的儲層損害，大幅度改善儲層物性。