水巖作用對(duì)頁(yè)巖巖石物理性質(zhì)的影響
——以四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖為例

熊 健 李羽康 劉向君 梁利喜 丁 乙 侯連浪

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2.頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)與開采四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

2015年，美國(guó)能源信息署發(fā)布的頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)成果報(bào)告指出，中國(guó)頁(yè)巖氣的技術(shù)可采資源量為31.57×1012m3[1]，中國(guó)已在四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)中獲得巨大成功[2]，成為世界上第3個(gè)頁(yè)巖氣商業(yè)化開發(fā)的國(guó)家。頁(yè)巖的巖石礦物組成復(fù)雜，主要包括石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽巖和黏土礦物等，其中黏土礦物主要以伊利石和伊/蒙混層為主[3]。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層因其低孔低滲特點(diǎn)，水平井和壓裂體積改造成為頁(yè)巖氣高效開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)水基鉆井液或水基壓裂液（滑溜水）與頁(yè)巖氣儲(chǔ)層接觸時(shí)，巖石與水發(fā)生相互作用，產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)變化，導(dǎo)致巖石的物理性質(zhì)發(fā)生改變，如頁(yè)巖在微觀、細(xì)觀及宏觀尺度上發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致頁(yè)巖力學(xué)性能弱化。頁(yè)巖與水接觸后發(fā)生的相互作用被稱為水巖作用[4]。由于頁(yè)巖中黏土礦物主要以伊利石和伊/蒙混層為主，水敏膨脹性礦物含量少，頁(yè)巖與水接觸后，易發(fā)生水化致裂而不易發(fā)生膨脹分散，而水敏膨脹性泥巖易發(fā)生水化膨脹分散，兩者的水巖作用機(jī)制存在較大差異，宏觀表現(xiàn)差異較明顯。水敏性泥巖地層遇水基鉆井液后易發(fā)生井壁垮塌現(xiàn)象較嚴(yán)重[5]，頁(yè)巖地層遇水基鉆井液后易發(fā)生井壁垮塌現(xiàn)象[6]，但頁(yè)巖地層遇水基壓裂液后地層發(fā)生致裂有利于地層中縫網(wǎng)體積改造，提高壓裂改造效果[7]。因此，對(duì)于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，水巖作用在頁(yè)巖氣勘探開發(fā)過(guò)程中有其弊，但也有其利。

目前，水巖作用對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的影響主要集中在力學(xué)性能、微觀孔隙結(jié)構(gòu)等方面。水巖作用對(duì)巖石力學(xué)性能弱化的影響已有較多學(xué)者開展了研究工作，袁和義等[8]研究了不同鉆井液浸泡后頁(yè)巖層理面抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，認(rèn)為頁(yè)巖抗剪強(qiáng)度隨水巖作用時(shí)間增加而降低；賈利春等[9]基于直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水巖作用對(duì)頁(yè)巖抗剪強(qiáng)度特性的弱化效應(yīng)；騰俊洋等[10]發(fā)現(xiàn)水巖作用會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖抗拉強(qiáng)度的降低；劉向君等[11]基于三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水巖作用會(huì)導(dǎo)致巖石抗壓強(qiáng)度和彈性參數(shù)的降低；楊海等[12]基于巴西劈裂實(shí)驗(yàn)，研究了水巖作用下頁(yè)巖抗拉強(qiáng)度及張性破壞模式。關(guān)于水巖作用對(duì)頁(yè)巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響，前人也進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并取得了較顯著的成果。石秉忠等[13]采用CT掃描結(jié)合掃描電鏡等手段，揭示了硬脆性泥頁(yè)巖水巖過(guò)程中裂縫的發(fā)展規(guī)律和破壞作用；薛化慶等[14]利用掃描電鏡和微米CT掃描等方法，發(fā)現(xiàn)水巖作用后裂縫發(fā)育程度對(duì)孔隙度和滲透率均有影響；Ma等[15]利用CT掃描研究了水巖作用下頁(yè)巖中裂縫的演化規(guī)律；隋微波等[16]應(yīng)用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡研究了頁(yè)巖水巖作用前、后的微觀孔隙變化，討論了礦物成分及排列方式對(duì)頁(yè)巖水巖作用的影響，認(rèn)為礦物顆粒沿平行層理面排列壓實(shí)時(shí)，垂直層理樣品產(chǎn)生的溶蝕孔密度、孔數(shù)量將多余平行層理樣品，碳酸鹽類礦物含量高可能有助于水化后微裂縫的形成；曾凡輝等[17]應(yīng)用低溫氮?dú)馕?、高壓壓汞等方法，研究了水巖作用對(duì)頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)的影響。郭春禮等[18]通過(guò)二氧化碳吸附法等方法，為定量表征頁(yè)巖水巖作用前后的孔隙發(fā)育特征提供了思路。蔡瀟等[19]提出了一種定量表征頁(yè)巖有機(jī)孔與無(wú)機(jī)孔的方法，該方法可用于定量表征水巖作用對(duì)這兩種孔的影響。以上研究成果多是從單一角度來(lái)分析或指導(dǎo)分析水巖作用的影響，缺乏系統(tǒng)分析水巖作用對(duì)頁(yè)巖巖石物理性質(zhì)的影響。

因此，為了系統(tǒng)地揭示水巖作用對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層巖石物理性質(zhì)的影響規(guī)律，以四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖為例，開展高壓甲烷等溫吸附實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)物性測(cè)試、超聲波測(cè)量、力學(xué)測(cè)試（單軸壓縮試驗(yàn)和斷裂韌性測(cè)試）與低壓氮?dú)馕綔y(cè)試，剖析水巖作用對(duì)頁(yè)巖吸附性能、基礎(chǔ)物性、聲波特性、力學(xué)特性的影響。在此基礎(chǔ)上，定量研究水巖作用過(guò)程中頁(yè)巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，以期解釋頁(yè)巖水化產(chǎn)生的宏觀結(jié)構(gòu)以及物理特性變化的內(nèi)在原因，為頁(yè)巖儲(chǔ)層井壁穩(wěn)定和儲(chǔ)層改造提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與實(shí)驗(yàn)方法

筆者所在的課題組對(duì)龍馬溪組頁(yè)巖水巖作用及其作用機(jī)制做了大量研究，并取得了一些認(rèn)識(shí)[20-22]。前期的研究結(jié)果[20]認(rèn)為，不同地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖水巖作用程度不同，水巖作用差異明顯。實(shí)驗(yàn)中一部分樣品破裂成碎塊，一部分樣品表面分布宏觀裂縫但保持其完整性，還有部分樣品表面無(wú)明顯宏觀裂縫。為了便于系統(tǒng)研究水巖作用對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層巖石物理性質(zhì)的影響規(guī)律，選擇水巖作用下巖樣表面無(wú)明顯宏觀裂縫的龍馬溪組頁(yè)巖樣品作為筆者本次研究的實(shí)驗(yàn)樣品，進(jìn)一步闡述水巖作用對(duì)頁(yè)巖致裂程度的影響。筆者本次研究開展了頁(yè)巖礦物組成測(cè)試、總有機(jī)碳含量（TOC）測(cè)試、孔隙結(jié)構(gòu)分析、高壓甲烷等溫吸附測(cè)試、基礎(chǔ)物性測(cè)試（孔隙度和滲透率）、聲波測(cè)試、力學(xué)測(cè)試（單軸壓縮測(cè)試和斷裂韌性測(cè)試），實(shí)驗(yàn)樣品統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 水巖作用實(shí)驗(yàn)樣品統(tǒng)計(jì)表

X射線衍射和總有機(jī)碳含量（TOC）測(cè)試實(shí)驗(yàn)樣品6個(gè)，取自四川盆地南部地區(qū)N203井龍馬溪組頁(yè)巖，測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表2中可看到龍馬溪組頁(yè)巖樣品TOC較高，礦物組成較復(fù)雜，含有多種礦物成分，且礦物含量的分布范圍廣，礦物成分以石英、黏土礦物為主，黏土礦物又以伊利石和綠泥石為主。頁(yè)巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)觀察采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，觀察樣品4個(gè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，龍馬溪組頁(yè)巖樣品的納米級(jí)孔隙發(fā)育，其中微孔隙和微裂縫均較發(fā)育（圖1），在鉆井壓差以及毛細(xì)管壓力作用下，這會(huì)為流體進(jìn)入頁(yè)巖地層內(nèi)部空間提供滲流通道。反映了頁(yè)巖巖石的礦物組成和孔隙結(jié)構(gòu)為頁(yè)巖與水相互作用提供了條件。

表2 N203井龍馬溪組頁(yè)巖TOC和礦物組成數(shù)據(jù)表

圖1 N203井龍馬溪組頁(yè)巖微觀特征照片

按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，分別制取120目顆粒、圓柱體、40～60目顆粒用于不同類型實(shí)驗(yàn)，其中120目顆粒樣進(jìn)行干燥和平衡水條件下高壓甲烷等溫吸附實(shí)驗(yàn)，圓柱體進(jìn)行不同浸泡時(shí)間下（0 d、1 d、5 d、10 d）基礎(chǔ)物性測(cè)試、超聲波測(cè)量、力學(xué)測(cè)試（單軸壓縮試驗(yàn)和斷裂韌性測(cè)試），40～60目顆粒樣進(jìn)行不同浸泡時(shí)間下（0 d、1 d、5 d、10 d）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《氣體吸附BET法測(cè)定固態(tài)物質(zhì)比表面積》（GB/T 19587—2004）[23]和《壓汞法和氣體吸附法測(cè)定固體材料孔徑分布和孔隙度第2部分：氣體吸附法分析介孔和大孔》（GB/T 21650.2—2008）[24]，使用Quadrasorb?SI表面積分析儀和孔徑分析儀在相對(duì)壓力（即平衡壓力/飽和蒸汽壓力）范圍介于0.010～0.995、溫度為77 K的低溫環(huán)境下進(jìn)行低壓氮?dú)馕?解吸，獲取孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中浸泡時(shí)間模擬水巖作用時(shí)間，且浸泡時(shí)間為累積時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，浸泡流體為去離子水，每次浸泡完后的樣品需進(jìn)行低溫（40 ℃）烘干48 h。基于低壓氮?dú)馕綔y(cè)試，獲取不同浸泡時(shí)間下的低壓氮?dú)馕健摳角€。根據(jù)De Bore提出的吸附回線類型[25]和國(guó)際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）推薦的吸附回線分類[26]對(duì)孔隙的開放程度和孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。在相對(duì)壓力介于0.05～0.30范圍內(nèi)利用Brunauer-Emmett-Teller（BET）吸附模型[27]計(jì)算比表面積。選用Barrett-Joiner-Halenda（BJH）圓柱孔模型[28]對(duì)氮?dú)獾奈健摳角€進(jìn)行處理，計(jì)算樣品孔徑分布特征、累計(jì)孔隙體積（總孔容）、累計(jì)比表面積分布曲線等。最后，采用分形維數(shù)進(jìn)一步描述孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。基于Frenkel-Halsey-Hill（FHH）模型[29]分形維數(shù)理論得到分形維數(shù)計(jì)算公式[30-32]：

式中V表示平衡壓力為p時(shí)所吸附氣體的體積，m3；p表示平衡壓力，MPa；p0表示飽和蒸汽壓壓力，MPa；D表示分形維數(shù)；C為常數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 吸附性能

筆者所在課題組的前期研究結(jié)果[33]認(rèn)為，頁(yè)巖中無(wú)機(jī)孔隙表面對(duì)水分子的吸附能力強(qiáng)于對(duì)甲烷分子的吸附能力，水分子優(yōu)先吸附在無(wú)機(jī)孔隙表面；有機(jī)質(zhì)孔隙中的水分子優(yōu)先吸附在有機(jī)質(zhì)含氧官能團(tuán)附近，水分子占據(jù)頁(yè)巖孔隙中甲烷分子的吸附位和吸附空間，造成對(duì)甲烷吸附能力降低，使處于吸附相的甲烷向游離相轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致甲烷的解吸。不同濕度狀況下的頁(yè)巖等溫吸附線如圖2-a所示，處于干燥條件下的頁(yè)巖的甲烷絕對(duì)吸附量大于處于平衡水條件下的頁(yè)巖，即頁(yè)巖對(duì)甲烷的吸附量隨著巖樣濕度增加而降低，說(shuō)明水相的存在導(dǎo)致頁(yè)巖對(duì)甲烷吸附能力的降低。同時(shí)，基于課題組建立的龍馬溪組頁(yè)巖干酪根分子結(jié)構(gòu)模型[34]，采用分子模擬方法可得到不同含水率（即孔隙中的水重量/干酪根的總重量）條件下龍馬溪組頁(yè)巖干酪根中甲烷分子的等溫吸附線如圖2-b所示。隨著含水量增加，甲烷的絕對(duì)吸附量呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)榭紫吨兴肿硬糠治皆诟衫腋肿颖砻娴暮鯃F(tuán)能團(tuán)附近，占據(jù)了甲烷分子吸附空間所致，且水分子數(shù)量越多，占據(jù)的甲烷分子吸附空間越大。當(dāng)含氣頁(yè)巖遇水后，水相不僅進(jìn)入頁(yè)巖無(wú)機(jī)孔隙中，也會(huì)吸附在有機(jī)質(zhì)的含氧官能團(tuán)附近，水分子會(huì)置換表面處于吸附狀態(tài)的甲烷分子，占據(jù)甲烷分子的吸附空間，降低頁(yè)巖對(duì)甲烷的吸附能力，從而促進(jìn)甲烷解吸。

圖2 不同條件下龍馬溪組頁(yè)巖/干酪根中甲烷分子的等溫吸附線圖（60 ℃）

2.2 孔隙度和滲透率

孔隙度與滲透率在西南石油大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用HKGP—3型致密巖心氣體滲透率孔隙度測(cè)定儀測(cè)定，頁(yè)巖巖樣的孔隙度測(cè)量采用氣體等溫膨脹法，滲透率測(cè)量采用壓力脈沖法，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《頁(yè)巖氦氣法孔隙度和脈沖衰減法滲透率的測(cè)定》（GB/T 34533—2017）[35]。不同浸泡時(shí)間下頁(yè)巖巖樣的孔隙度和滲透率變化規(guī)律如圖3所示。從圖中可看出，隨著浸泡時(shí)間增加，巖樣的孔隙度和滲透率呈現(xiàn)先快速上升后緩慢上升，其中浸泡時(shí)間達(dá)到10 d時(shí)，頁(yè)巖樣品的孔隙度增加約1.4倍，滲透率增加約11倍，頁(yè)巖滲透率的增大幅度明顯大于孔隙度。浸泡后，頁(yè)巖巖樣因水巖作用生成微裂縫，導(dǎo)致頁(yè)巖巖樣的滲透率和孔隙度增大，會(huì)在一定程度上改善頁(yè)巖中氣體的滲流阻力，有利于頁(yè)巖中氣體的流動(dòng)。薛華慶等[14]也認(rèn)為水巖作用后巖樣的孔隙度和滲透率呈增大趨勢(shì)，滲透率的增長(zhǎng)倍數(shù)明顯大于孔隙度；水巖作用后巖樣形成的裂縫對(duì)巖樣滲透率影響較大，對(duì)巖樣孔隙度影響幅度較小。

圖3 不同浸泡時(shí)間下龍馬溪組頁(yè)巖物性變化圖

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)

不同浸泡時(shí)間下龍馬溪組頁(yè)巖巖樣的低壓氮?dú)馕健摳降葴鼐€如圖4所示，吸附—脫附等溫線的曲線形態(tài)迥異表明頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)存在差異，即水巖作用造成了頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化。當(dāng)相對(duì)壓力大于0.4時(shí)，頁(yè)巖巖樣的低壓氮?dú)馕降葴鼐€和脫附等溫線發(fā)生分離，形成吸附回線，或滯回環(huán)。根據(jù)De Boer分類法[25]和IUPAC分類法[26]，不同浸泡時(shí)間下龍馬溪組頁(yè)巖的等溫曲線均可分為De Boer分類法的B型和IUPAC分類法的H2型，該類曲線反映出頁(yè)巖孔隙形態(tài)呈開放性，主要以墨水瓶狀孔為主，含有4邊都開口的平行板狀孔或兩端開口圓筒狀等。同時(shí)，從圖4中還可看到，隨著浸泡時(shí)間的增加，頁(yè)巖的滯回環(huán)的形態(tài)并無(wú)明顯改變，低壓氮?dú)馕健摳降葴鼐€的形態(tài)變化也不明顯，反映水巖作用過(guò)程中頁(yè)巖孔隙形態(tài)類型未發(fā)生較大變化，即水巖作用對(duì)頁(yè)巖孔隙形態(tài)類型影響較小；但是低壓氮?dú)馕健摳降葴鼐€的曲線斜率逐漸變陡，表明在相同的相對(duì)壓力下，液氮的吸附量或脫附量隨著浸泡時(shí)間增加而呈增大趨勢(shì)，反映了頁(yè)巖的比表面積和總孔容隨著浸泡時(shí)間增加而增大?；诘蛪旱?dú)馕健摳角€，將相對(duì)壓力為0.99時(shí)的吸附量作為總孔容，采用BET吸附等溫線方程計(jì)算比表面積，結(jié)果見表3。從表3中可看出，隨著浸泡時(shí)間增大，巖樣比表面積、總孔容呈增大趨勢(shì)，平均孔徑也呈增大趨勢(shì)，這與前人研究成果存在差異[17,36]，曾凡輝等[17,36]研究認(rèn)為水巖作用造成頁(yè)巖比表面積總體上呈增大趨勢(shì)，但隨著浸泡時(shí)間增加，頁(yè)巖比表面積先增大后減小，是水巖作用過(guò)程中頁(yè)巖中膨脹軟化的黏土礦物堵塞孔隙導(dǎo)致了比表面積減小。這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異可能與實(shí)驗(yàn)樣品差異有關(guān)，本文參考文獻(xiàn)[17,36]中實(shí)驗(yàn)樣品的黏土礦物伊/蒙混層含量較高，含量介于7.45%～16.51%，而筆者本次實(shí)驗(yàn)樣品中伊/蒙混層含量較低，含量介于1.09%～2.77%。一般認(rèn)為，黏土礦物中蒙脫石水化膨脹性較高，伊利石水化膨脹性較低，伊/蒙混層的水化膨脹性居于兩者之間[4,17,36]，龍馬溪組頁(yè)巖的水化膨脹性主要來(lái)源于伊/蒙混層礦物的膨脹。因此，水巖作用過(guò)程中，伊/蒙混層礦物的膨脹可能造成兩者實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異。

圖4 不同浸泡時(shí)間下龍馬溪組頁(yè)巖低壓氮?dú)馕健摳角€圖

表3 不同浸泡時(shí)間下龍馬溪組頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和分形維數(shù)表

利用BJH法對(duì)頁(yè)巖巖樣的低壓氮?dú)馕健摳降葴鼐€中脫附分支曲線進(jìn)行處理，可以得到孔徑分布曲線、孔隙體積占比、累計(jì)孔隙體積（總孔容）分布圖、累計(jì)比表面積分布圖（圖5）。從圖5-a可知，隨著浸泡時(shí)間增加，頁(yè)巖的微孔對(duì)孔隙體積的貢獻(xiàn)增大，中孔對(duì)孔隙體積的貢獻(xiàn)降低；從圖5-b可看出，不同浸泡時(shí)間下，龍馬溪組頁(yè)巖孔徑主要集中在10 nm以內(nèi)；從圖5-c、d可發(fā)現(xiàn)累計(jì)孔隙體積、比表面積隨著孔徑增加而先快速上升后緩慢上升，且在孔徑10 nm以內(nèi)增加幅度較大；累計(jì)孔隙體積、累計(jì)比表面積整體上隨浸泡時(shí)間增加而增大。水巖作用導(dǎo)致頁(yè)巖內(nèi)部產(chǎn)生了新的微孔隙和微裂縫，從而引起頁(yè)巖的孔徑分布、比表面積和孔隙體積隨浸泡時(shí)間的變化而變化。

圖5 不同浸泡時(shí)間下10號(hào)頁(yè)巖樣品孔徑、累計(jì)孔容、比表面積分布特征圖

2.4 聲波特性

不同浸泡時(shí)間下龍馬溪組頁(yè)巖樣品的波速變化和聲波衰減系數(shù)變化如圖6所示。從圖中可看出，隨著浸泡時(shí)間的增加，頁(yè)巖的聲波速度降低、衰減系數(shù)增大，其中浸泡時(shí)間增加到10 d時(shí)，頁(yè)巖樣品的聲波速度降低約0.1倍，衰減系數(shù)增加約5倍，衰減系數(shù)的增幅要明顯大于波速降幅，說(shuō)明水巖作用后龍馬溪組頁(yè)巖的聲波衰減敏感度程度要大于波速敏感性程度。水巖作用產(chǎn)生新的微孔隙和新的微裂隙（圖7），造成聲波傳播時(shí)在頁(yè)巖中反射、折射和衍射次數(shù)增多，導(dǎo)致頁(yè)巖的聲波傳播速度降低和聲波衰減系數(shù)大幅增大。楊海等[12]、石秉忠等[13]、薛華慶等[14]、隋微波等[16]基于微CT和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn)水巖作用過(guò)程中頁(yè)巖形成了新的微孔隙和微裂隙。這也表明水巖作用下龍馬溪組頁(yè)巖發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，導(dǎo)致頁(yè)巖巖石力學(xué)強(qiáng)度降低，且浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，聲波速度下降幅度越大，結(jié)構(gòu)損傷程度越大，巖石力學(xué)強(qiáng)度下降幅度越大?？狄懔Φ萚38]發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組7段頁(yè)巖中水巖作用對(duì)聲波時(shí)差的影響，頁(yè)巖浸泡鉆井液后的聲波時(shí)差增大，浸泡蒸餾水后的聲波時(shí)差增大幅度最大，浸泡白油后的聲波時(shí)差無(wú)明顯變化；王光兵等[39]發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地中二疊統(tǒng)石盒子組頁(yè)巖浸泡水基鉆井液后的聲波速度降低，衰減系數(shù)增大；Liu等[40]發(fā)現(xiàn)渤海灣盆地古近系漸新統(tǒng)沙河街組泥巖浸泡水基鉆井液后的聲波時(shí)差呈增大趨勢(shì)，并隨著浸泡時(shí)間增加，增加幅度越大；萬(wàn)有維等[41]發(fā)現(xiàn)塔里木盆地下白堊統(tǒng)巴西改組泥巖浸泡水基鉆井液后的聲波時(shí)差、衰減系數(shù)呈增大趨勢(shì)。以上研究成果都表明水巖作用會(huì)導(dǎo)致巖石發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)而引起巖石聲波屬性參數(shù)發(fā)生變化。

圖6 不同浸泡時(shí)間下龍馬溪組頁(yè)巖聲波速度和衰減系數(shù)變化圖

圖7 N203井龍馬溪組頁(yè)巖浸泡前后巖樣的掃描電鏡前后對(duì)比圖（9號(hào)樣品）

不同浸泡時(shí)間下龍馬溪組頁(yè)巖巖樣的時(shí)域圖和頻域圖如圖8所示。從圖8-a、b中可看出不同浸泡時(shí)間下頁(yè)巖的聲波時(shí)域圖發(fā)生了變化，差異較明顯，聲波信號(hào)的尾波也較發(fā)育，說(shuō)明聲波信號(hào)在浸泡后頁(yè)巖中發(fā)生折射、散射、反射等現(xiàn)象增多。隨著浸泡時(shí)間增加，頁(yè)巖聲波速度下降，聲波衰減系數(shù)增大，說(shuō)明頁(yè)巖與水接觸后，在水巖作用下，頁(yè)巖內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，且隨著浸泡時(shí)間增加，變化程度增加。王光兵等[39]發(fā)現(xiàn)，鄂爾多斯盆地石盒子組頁(yè)巖浸泡鉆井液后的聲波時(shí)域信號(hào)發(fā)生改變；萬(wàn)有維等[41]發(fā)現(xiàn)，塔里木盆地巴西改組泥巖浸泡鉆井液后的聲波時(shí)域信號(hào)也發(fā)生改變。從圖8-c、d中可看出浸泡時(shí)間對(duì)聲波頻譜曲線影響較明顯。在相同激發(fā)信號(hào)下，隨著浸泡時(shí)間增加，頁(yè)巖巖樣的主峰對(duì)應(yīng)頻率向低頻方向偏移，說(shuō)明隨著浸泡時(shí)間增加，頁(yè)巖聲波信號(hào)能量集中區(qū)域逐漸由高頻向低頻偏移。王光兵等[39]發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地石盒子組頁(yè)巖浸泡鉆井液后的聲波頻域信號(hào)主頻向左偏移；萬(wàn)有維等[41]發(fā)現(xiàn)塔里木盆地巴西改組泥巖浸泡鉆井液后的聲波頻域信號(hào)主頻向左發(fā)生偏移。因此，水巖作用會(huì)導(dǎo)致巖石的時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)發(fā)生改變，水巖作用下頁(yè)巖內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，微孔隙和微裂縫增多，孔隙結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致了巖石對(duì)聲波信號(hào)中不同頻率成分吸收不同；在相同激發(fā)信號(hào)下，微裂縫增多致使巖石對(duì)聲波信號(hào)中高頻部分吸收增多，對(duì)低頻部分吸收減少，造成聲波信號(hào)中低頻部分所占比例增加，從而導(dǎo)致主頻降低。隨著浸泡時(shí)間的增加，頁(yè)巖內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化程度增大，導(dǎo)致聲波信號(hào)的主頻偏移幅度增大。綜上所述表明，水巖作用會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖聲波屬性參數(shù)發(fā)生較明顯的變化，水巖作用后頁(yè)巖的聲波屬性參數(shù)不能反映頁(yè)巖地層原狀條件下的物理特性。在鉆井過(guò)程中，鉆井液與頁(yè)巖接觸后，頁(yè)巖的聲波屬性參數(shù)發(fā)生變化，聲波測(cè)井獲取的頁(yè)巖聲波信息不能反映頁(yè)巖地層原狀條件下的物理特性。因此，需要對(duì)頁(yè)巖的聲波測(cè)井曲線進(jìn)行“去水化校正”，才能獲取頁(yè)巖地層原狀條件的物理特性。

圖8 不同浸泡時(shí)間下龍馬溪組頁(yè)巖的時(shí)域圖和頻域圖

2.5 力學(xué)特性

巖石聲波測(cè)試獲得的巖石聲波屬性參數(shù)可以反映出巖石力學(xué)特性信息，不同浸泡時(shí)間下巖石的聲波屬性參數(shù)變化，在一定程度上反映不同浸泡時(shí)間下巖石力學(xué)特性的變化。不同浸泡時(shí)間下龍馬溪組頁(yè)巖巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度和斷裂韌性的變化規(guī)律如圖9-a、b所示。從圖中可看出，隨著浸泡時(shí)間的增加，頁(yè)巖的單軸抗壓強(qiáng)度和斷裂韌性降低，這可能是水巖作用后，頁(yè)巖內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，微孔隙和微裂縫增多，造成頁(yè)巖的巖石結(jié)構(gòu)損傷，從而導(dǎo)致頁(yè)巖樣品的力學(xué)強(qiáng)度和斷裂韌性降低。袁和義等[8]、賈利春等[9]、騰俊洋等[10]、劉向君等[11]、楊海等[12]研究結(jié)果也認(rèn)為隨著水基鉆井液浸泡時(shí)間增加，頁(yè)巖抗張強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)強(qiáng)度均降低。水巖作用會(huì)導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而引起巖石力學(xué)強(qiáng)度的弱化。在頁(yè)巖氣地層鉆井過(guò)程中，水巖作用下的頁(yè)巖巖石力學(xué)強(qiáng)度和斷裂韌性降低，水巖作用在頁(yè)巖中裂縫尖端處導(dǎo)致應(yīng)力集中，造成頁(yè)巖中裂縫尖端處應(yīng)力強(qiáng)度因子增大（圖9-c）。隨著水巖作用時(shí)間的增加，頁(yè)巖的巖石斷裂韌性繼續(xù)降低，頁(yè)巖中裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子持續(xù)增大，更易誘發(fā)頁(yè)巖地層的井壁巖石掉塊，對(duì)鉆井帶來(lái)挑戰(zhàn)；在水力壓裂過(guò)程中，水巖作用造成頁(yè)巖中裂縫尖端處應(yīng)力強(qiáng)度因子增大（圖9-c），隨著水巖作用時(shí)間的增加，更有利于頁(yè)巖中裂縫延伸與擴(kuò)展，有利于裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成，進(jìn)一步提高頁(yè)巖氣的滲流能力。

圖9 不同浸泡時(shí)間下龍馬溪組頁(yè)巖的力學(xué)參數(shù)變化圖

水基流體與頁(yè)巖接觸后，因毛細(xì)管效應(yīng)或壓差作用，水相進(jìn)入頁(yè)巖內(nèi)部，因頁(yè)巖富含納米級(jí)孔隙，毛細(xì)管力較大，原本滯留在頁(yè)巖孔隙中的水相迅速擴(kuò)散，降低了壓裂區(qū)域的水相飽和度，滲流通道逐步開放，一定程度上減緩了水鎖[42-43]。在不考慮頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中水鎖影響時(shí)，當(dāng)水與頁(yè)巖接觸后，一方面水分子可置換孔隙表面處于吸附態(tài)的甲烷分子，促進(jìn)頁(yè)巖氣的解吸；另一方面，頁(yè)巖與水之間發(fā)生相互作用，水巖作用增大頁(yè)巖的孔隙度和滲透率，一定程度改善頁(yè)巖的物性，降低頁(yè)巖的巖石力學(xué)強(qiáng)度和斷裂韌性，增加頁(yè)巖中裂縫尖端處的應(yīng)力強(qiáng)度因子，有利于頁(yè)巖中裂縫的延伸與擴(kuò)展，使頁(yè)巖氣的滲流阻力降低，有利于頁(yè)巖氣滲流速度加快，降低頁(yè)巖氣藏的壓力，進(jìn)一步促進(jìn)頁(yè)巖氣解吸速率加快，從而提高頁(yè)巖氣單井產(chǎn)量，加快頁(yè)巖氣開發(fā)進(jìn)度，縮短頁(yè)巖氣井的生命周期，提高頁(yè)巖氣開發(fā)的綜合效益。

3 結(jié)論

1）頁(yè)巖中水相的存在會(huì)降低甲烷的吸附量，導(dǎo)致頁(yè)巖對(duì)甲烷吸附能力降低；隨著浸泡時(shí)間的增加，頁(yè)巖的孔隙度和滲透率呈增大趨勢(shì)，且滲透率的增大幅度明顯大于孔隙度。

2）隨著浸泡時(shí)間的增加，頁(yè)巖聲波速度降低、衰減系數(shù)增大，且衰減系數(shù)的增幅要明顯大于波速的降幅，說(shuō)明水巖作用后頁(yè)巖的聲波衰減敏感度程度要大于波速敏感程度。

3）隨著浸泡時(shí)間的增加，頁(yè)巖的比表面積、總孔容、平均孔徑呈增大趨勢(shì)；較大孔隙（孔徑大于5 nm）的分形維數(shù)隨著浸泡時(shí)間的增加而增大，水巖作用后頁(yè)巖的大孔隙的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜化程度增大。

4）水巖作用會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖的巖石強(qiáng)度和斷裂韌性降低，誘發(fā)頁(yè)巖氣地層鉆井過(guò)程中的井壁掉塊，給鉆井帶來(lái)挑戰(zhàn)；在水力壓裂過(guò)程中，水巖作用會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖中裂縫尖端處應(yīng)力強(qiáng)度因子增大，有利于頁(yè)巖中裂縫延伸與擴(kuò)展并形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，這將加快頁(yè)巖氣滲流速度，促進(jìn)頁(yè)巖氣解吸，提高頁(yè)巖氣產(chǎn)量和頁(yè)巖氣開發(fā)的綜合效益。