頁巖儲層吸水能力影響因素實驗

廖如剛 趙志紅 李 婷 張 晗 唐鵬程

1.中國石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發有限公司 2.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學

0 引言

頁巖儲層壓裂后返排率普遍低于30%，涪陵頁巖中部核心區塊壓后返排率甚至低于5%。與常規油氣藏相比，頁巖返排率與產量之間無明顯正相關，甚至為負相關；除此之外，頁巖氣壓裂后經過長達幾個月的悶井，氣量顯著增加，水量減少[1]。因此有必要通過室內實驗開展影響頁巖吸水因素的研究。

為了評價水對油氣開發的影響，砂巖儲層率先開展了自吸實驗[2]，并取得了良好的應用效果。近年來由于頁巖氣開發的需要，國內外在頁巖自吸方面做了大量的實驗工作[3-18]。典型的頁巖自吸曲線表現為吸水率隨浸泡時間增加而先上升后趨于穩定。大量實驗表明，影響頁巖自吸能力的因素有很多：①頁巖組構對頁巖自吸吸水率的上升速率或幅度有重要影響[3]，與常規油氣儲層相比，頁巖儲層孔隙連通性較差，導致自發滲吸曲線斜率明顯低于理論值[4]；②層理對頁巖自吸有重要影響，平行層理面的頁巖自吸速率遠遠高于垂直層理面的頁巖的自吸速率，自吸量也是如此[4-6]；③自吸產生的誘導微裂縫會增加離子擴散速率，增加頁巖自吸能力[7]。④頁巖吸水量均高于吸油量[7-9]，水和油的攝入量之比遠高于水和毛細管壓力之比，說明頁巖自吸驅動力不僅僅只有毛細管力[10]，還有滲透壓力[11]；⑤不同的液體，頁巖的自吸能力不同。壓裂液能夠有效抑制頁巖的自吸作用，從而有助于壓后返排[12]；質量分數為10%的KCl溶液對黏土有較好的抑制性，能夠降低自吸速率和自吸能力[6]。關于頁巖自吸后對頁巖滲透率的影響，存在2種截然不同的認識，部分學者認為自吸作用導致頁巖顆粒粉末運移及氣流阻塞，從而會降低滲透率[13-15]，而另一部分學者認為頁巖自吸會導致礦物溶解及誘導微裂縫，自吸后會增加滲透率[16-18]。

綜上所述，目前國內外關于圍壓下的頁巖自吸能力研究較少，關于頁巖自吸后滲透率增加還是降低存在爭議。因此，筆者在完善頁巖自吸實驗方法的基礎上，開展了頁巖滲透率各向異性、天然微裂縫和圍壓等因素對頁巖自吸能力的研究，同時對比分析了不同液體類型自吸前后滲透率的變化，可為壓裂方案的優化設計提供指導。

1 頁巖自吸實驗分析方法

自吸作用是指由于受到毛細管力、滲透壓力等作用，液體自發的進入巖石微小孔道內的一種現象。本文的自吸作用實驗測試方法主要分為無圍壓自吸實驗測試以及圍壓自吸實驗測試。

1.1 無圍壓自吸實驗裝置

基于稱重法設計了無圍壓條件下的自吸實驗裝置。采用不浸水、無彈性的魚線將完全浸入自吸液體中的樣品懸掛在分析天平下端，監測樣品質量隨著時間的變化值，采樣間隔為2 min。

1.2 帶圍壓自吸實驗裝置

采用西南石油大學自行設計的圍壓下自吸實驗裝置，該裝置基于體積法，利用巖心夾持器以及圍壓泵對樣品進行圍壓控制，自吸液體與樣品一端接觸，并進入樣品，通過計量管計量自吸量隨時間的變化，自吸液體上方可加入少量油，以防止自吸液體揮發。

1.3 實驗測試流程

1）制樣。根據不同實驗要求進行樣品制備，其中小巖塊自吸實驗需要將樣品制成1 cm3左右大小，其余實驗樣品尺寸均為標準巖心尺寸。

2）將樣品置于烘箱內干燥10 h以上，無圍壓測試時，將烘干后的樣品放入自吸液體中，并懸掛在分析天平下端；而圍壓測試時則將樣品放入巖心夾持器中施加圍壓。

3）通過分析天平或計量管對自吸量隨時間的變化進行測試分析。

1.4 實驗數據分析方法

影響頁巖自吸的因素很多，包括滲透率、微裂縫、液體類型等等。為了更好的研究不同因素對自吸的影響，需要對樣品自吸實驗數據進行歸一化表征。定義頁巖自吸能力為單位孔隙體積頁巖吸水量，采用Olafuyi方法[19-20]對樣品自吸量進行歸一化處理，即液體的吸入體積與樣品的孔隙體積的比值（R），從而通過求取該比值隨時間的平方根變化情況，能更好地表征樣品的自吸能力。即

式中Vi表示自吸液體體積，cm3；pc表示毛管壓力，Pa；Ac表示自吸截面積，cm2；Swf表示前緣飽和度，小數；φ表示孔隙度，小數；L表示樣品長度，m；K表示滲透率，mD；μw表示液體黏度，Pa·s；t表示自吸時間，s。

2 頁巖性質對自吸能力的影響

2.1 滲透率各向異性的影響

圖1為平行于層理面和垂直于層理面巖樣自吸后照片，可見平行于層理面的巖樣自吸作用后產生了大量明顯的誘導微裂縫，而垂直于層理面的巖樣自吸作用后未產生明顯的誘導微裂縫。

圖1 自吸后的巖樣照片

圖2 各向異性頁巖自吸能力曲線圖

頁巖自吸能力曲線圖（圖2）表明，由于產生的誘導微裂縫平行于層理，會促進液體進入頁巖，導致平行于層理面的巖樣自吸能力遠遠大于垂直于層理面巖樣的自吸能力。平行于層理面的巖樣在自吸過程中出現了兩個明顯的急劇上升點，說明巖樣在這2個點出現了誘導微裂縫，導致孔隙空間擴大，自吸量從而迅速增加。

2.2 天然微裂縫的影響

采用無水乙醇進行標記。將巖樣放置無水乙醇中浸泡一天，然后放置空氣中，由于無水乙醇具有高揮發性，且在微裂縫中揮發速度比樣品表面的揮發速度慢，因此能夠較直觀地顯現巖樣是否含有微裂縫。據此選取外觀含有天然微裂縫和不含微裂縫的巖樣進行自吸實驗，自吸實驗后巖樣如圖3所示。

圖3 發生自吸后的巖樣照片

自吸后巖樣表明，產生了大量的誘導微裂縫。采用Olafuyi法對自吸量進行歸一化處理，并對自吸時間進行平方處理，從圖4中可以看出，含微裂縫的巖樣的自吸能力為89.03%，而不含初始微裂縫的巖樣的自吸能力只為55.13%，明顯低于大量初始微裂縫的巖樣。

圖4 不同比例微裂縫巖樣的自吸能力曲線圖

2.3 巖樣圍壓的影響

從不同圍壓下自吸前后巖樣變化可以看出，巖樣均產生了明顯的誘導微裂縫（圖5）。

不同圍壓下頁巖自吸能力有較大的差異，在3天時間點處，2 MPa下巖樣的自吸能力為150.12%，4 MPa下巖樣的自吸能力為93.99%，6 MPa下巖樣的自吸能力為70.13%，8 MPa下巖樣的自吸能力為44.67%，10 MPa下巖樣的自吸能力為35.34%（圖6）。圍壓越小，自吸產生微裂縫的體積越大，吸水就越多，圍壓越大則反之，表明圍壓對巖樣的自吸能力有一定的抑制作用。

3 液體類型對自吸的影響

3.1 液體類型對自吸能力的影響

在相同位置分別取樣，分別在蒸餾水、2%KCl溶液和煤油中開展頁巖自吸實驗，結果表明，蒸餾水的自吸能力（即單位孔隙體積自吸量）最大，為92.94%左右；而煤油的自吸能力最小，為8.76%左右；2%KCl溶液的單位孔隙體積自吸量居中，為34.07%左右（圖7）。

頁巖中的孔隙主要分為非黏土孔和黏土孔2類，非黏土孔隙（脆性礦物孔、有機孔）中自吸作用力主要是毛管力、重力。黏土孔隙中自吸作用力主要為毛管力、滲透壓、重力。

由于煤油主要進入非黏土孔，且缺少滲透壓力，因此自吸能力最小，而蒸餾水與頁巖的礦化度差異最大，滲透壓力也最大，吸水能力最強；2%KCl溶液礦化度差異稍小，自吸能力比蒸餾水稍差。

圖5 不同圍壓下頁巖自吸前后的巖樣照片

圖6 不同圍壓下頁巖自吸能力曲線圖

圖7 Olafuyi法表征不同液體的自吸曲線圖

3.2 液體類型對頁巖滲透率的影響

頁巖水相自吸后滲透率均有大幅改善，煤油則充填部分孔隙后滲透率略有下降，表明頁巖吸水后有利于儲層物性的改善；滲透率的增加倍數，最高為蒸餾水，其次為滑溜水，然后為線性膠和2%KCl溶液，最后為煤油（圖8）。其中破膠液測試稍有異常，這是因為該巖樣初始滲透率較高，含有微裂縫，吸水有更易張開，同時破膠液本身的自吸能力也比較強，因此增加倍數較高。

圖8 自吸前后滲透率對比圖

4 結論

1）不同實驗條件下的頁巖吸水后均能在不同程度上產生誘導微裂縫，對頁巖的滲透性有較大的改善。

2）頁巖自吸實驗表明，平行于層理面的巖樣比垂直于層理面的巖樣吸水能力強，天然微裂縫發育的頁巖自吸能力較強，在壓裂優化設計時應考慮在平行于層理面和天然裂縫發育的位置布縫，以增強吸水對頁巖物性的改善。

3）圍壓對頁巖自吸能力有一定的抑制作用，圍壓越大自吸能力越弱，即在相同條件下，深層頁巖壓裂的返排率比淺層高。

4）不同液體類型中，頁巖自吸能力不同，蒸餾水自吸能力最強，煤油最弱。