頁巖儲層黏土礦物對裂縫導流能力傷害的影響

楊 柳, 石富坤, 趙逸清, 葛洪魁, 周 彤

(1.中國礦業大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,北京 100083；2.中國石油大學(北京) 非常規天然氣研究院,北京 102249； 3.新疆油田公司勘探開發研究院開發所,克拉瑪依 834099； 4.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院,北京 100083)

頁巖儲層的開發存在很大潛力,但對比中外在頁巖氣的開發效果發現,對于頁巖氣的高效開發開發利用僅能達到30%[1]。分析發現,對于頁巖氣儲層的開發,不僅與復雜裂縫的分布有關,還與裂縫網絡的導流能力有直接關系,支撐劑作為維持裂縫網絡的導流能力,起到了非常重要的作用,但同時支撐劑的嵌入也可能大幅度降低裂縫網絡的導流能力,同時還會引起頁巖裂縫壁的碎塊剝落,造成更嚴重的導流能力傷害[2-4]。

對于人工裂縫導流能力的研究引起世界的廣泛關注,針對于此,中外學者開展了大批的實驗研究。Darin等[5]針對支撐劑開展實驗研究,假定支撐劑嵌入,理論推導證實單層支撐劑能夠獲得較高的裂縫導流能力；Cooke[6-7]指出了在不同溫度的鹽溶液,閉合壓力等作用下對裂縫導流能力的影響；研究了壓裂液對裂縫導流能力的影響,發現瓜膠液體的殘渣運移是裂縫導流能力下降的重要原因,同時也指出裂縫導流能力的下降受支撐劑濃度和支撐劑嵌入裂隙的程度影響；Reed[8]和Parker等[9]等指出溫度、壓裂液的濾餅和添加劑也影響裂縫的導流能力；Fredd等[10]對砂巖樣品進行實驗,比較低密度支撐劑對裂縫的導流能力影響,得出錯位裂縫可以形成良好的自支撐導流能力。

頁巖儲層受外部壓力壓裂之后,壓裂液進入頁巖儲層。壓裂液進入頁巖儲層會如何影響裂縫導流能力,目前中國在這方面的研究較少。一般觀點認為,裂縫導流能力的下降也與水進入頁巖基質有關[11]。水進入頁巖的主要方式包括黏土的滲吸[12],水分子的擴散運動,毛細作用；同時還存在裂縫與基質之間的壓力差造成水分的少量吸入,這種原因引起的水分吸入非常少,頁巖富含黏土礦物[13],黏土與支撐劑接觸反應,導致人工裂縫壁表面的脫落,造成裂縫導流能力的下降；支撐劑嵌入人工裂縫的同時,水分會沿著支撐劑形成的微裂縫滲入,進一步降低裂縫壁的強度,降低裂縫的導流能力。但是,目前中外關于頁巖儲層人工裂縫導流能力的研究較少。

實驗采用龍馬溪組、魯家坪組、須家河組和五峰組的露頭頁巖等地巖樣,進行人工裂縫導流能力實驗,并與長7段致密砂巖及常規露頭砂巖進行對比,研究支撐劑對人工裂縫導流能力的影響,為以后深入了解支撐劑嵌入對人工裂縫導流能力傷害程度及機理提供現實借鑒意義。

1 實驗裝置及方法

1.1 樣品及材料

4種頁巖樣品取自龍馬溪組、魯家坪組、須家河組和五峰組,并與長7段致密砂巖和延長組常規砂巖進行對比實驗。一般地,巖樣的平行層理相較于垂直層理更易于壓裂液的吸收,且吸收速率前者高于后者,考慮這一因素,保證實驗結果的可靠性,我們采用所有的樣品面與巖石層理相平行。砂巖和頁巖均屬于沉積巖,頁巖比砂巖強度低,黏土含量高,且石英、長石、白云石等礦物成分相比砂巖來說更低[14],頁巖巖樣儲層信息如表1所示。

對于要實驗的巖樣,考慮導流槽的形狀及大小,巖樣兩端加工成半圓形狀,所有巖樣的長寬高分別為17.7、3.8、2 cm。從層理上觀察,頁巖多含有明顯的層理走向；從顏色上可以看出,砂巖多呈褐色或紅色,顏色較明亮；對于頁巖來說,多呈灰色或黑色,顏色暗淡,如圖1、圖2所示。

實驗過程中要保持巖石和實驗材料的干燥,測試用到的實驗材料干氮氣和石英砂。干燥的氮氣用于風干巖石樣品表面,測試巖板導流能力變化。本實驗中,采用蒸餾水代替壓裂液開展實驗。蒸餾水活度較高,與頁巖存在強相互作用,能夠更好地顯示壓裂液對導流能力的影響[15]；石英砂為40～60 目,對巖板進行支撐,模擬人工支撐裂縫。

1.2 實驗儀器及測試原理

使用的導流能力測試儀(FCES—100)為美國Core-Lab公司生產。實驗溫度上限為150 ℃,閉合壓力上限為120 MPa,能夠滿足各種巖石樣品導流能力測試要求。實驗中,溫度恒為60 ℃。液測導流能力公式可以進一步表示為

表1 全巖礦物分析結果Table 1 Result of whole rock mineral analysis

圖1 不同儲層巖石的導流板Fig.1 Samples for fracture conductivity experiments

圖2 樣品的大小形狀與導流槽的匹配關系Fig.2 Samples shaped to fit into the conductivity cell

(1)

式(1)中，k為支撐裂縫滲透率,μm2；wf為充填裂縫縫寬,cm；μ為流體黏度,mPa·s；Q為裂縫內流量,cm3/s；Δp為測試段兩端的壓力差,kPa。

因此,實驗過程中只需要測定流量和巖板兩端的壓差即可獲得支撐裂縫的導流能力。

整個的實驗裝置分為五個單元:注氣單元、注液單元、導流槽、閉合應力加壓單元1 000 Teledyne ISCO泵,泵入速率為0.1～408 mL/min,工作壓力0～14 MPa,實驗過程中采用的閉合壓力為50 MPa。

實驗進行前要保持樣品的干燥,通入干氮氣,保持時間1 d,測定壓裂液注入前,裂縫導流能力的變化曲線。然后采用ISCO以2.5 mL/min的速度向巖板間注入壓裂液,記錄導流能力的變化,測定時間5 d。壓裂液注入結束后,繼續向裂縫中通入干氮氣,風干巖板表面,保持時間1 d,測量裂縫導流能力。對比兩次干燥氮氣測試的導流能力,用于評估流體對支撐裂縫的傷害程度。實驗結束之后,觀察支撐劑的嵌入情況。

2 實驗結果

2.1 頁巖儲層裂縫表面變化

圖3所示為實驗后不同頁巖和致密巖石巖板表面變化情況。對比圖2可知,實驗前的巖石樣品表面光滑,無裂縫出現；實驗后巖石樣品受到不同程度的傷害,出現大小不同的裂縫,巖石樣品表面出現脫落現象,光滑程度受到不同程度影響,比較巖石樣品受到傷害的程度,得到的結果為XJ>LM>L>ZS>WF>S。本組實驗中以須家河、龍馬溪、五峰組受到損傷嚴重,其中須家河和龍馬溪樣品的表面出現密集軟物質顆粒,這與支撐劑嵌入程度有關。

圖3 實驗后不同巖石的巖板表面Fig.3 The rock plate surface of different rocks after experiments

2.2 頁巖儲層裂縫導流能力傷害

圖4 不同巖石支撐裂縫導流能力變化曲線Fig.4 Variation in fracture conductivity for different rocks

圖4所示為不同頁巖和致密巖石的導流能力變化曲線。對比發現,雖然6 種巖石樣品的性質各有不同,但其導流變化曲線確有相似之處。根據導流曲線分為三個部分,第一階段為注入蒸餾水之前,通入干氮氣的時間為24 h,這個過程中巖樣在受到50 MPa的閉合壓力,巖樣開始蠕變,支撐劑慢慢嵌入巖樣裂縫中,隨著干氮氣注入時間的增加,巖樣的導流能力出現輕微下降；第二階段,停止通入干氮氣,開始把蒸餾水注入巖樣裂縫中,初始階段(24～60 h),導流能力出現明顯下降,說明傷害程度較嚴重,之后導流能力趨緩,說明傷害程度進一步加深不明顯,此過程共進行120 h；第三階段,停止注入蒸餾水,開始通入干氮氣,在通入氮氣初期,導流能力再次下降,很快上升,且上升程度遠超下降程度,整個過程用時較短。分析原因,這可能與裂縫中殘留蒸餾水有關,蒸餾水遲滯了氮氣的流通造成的,隨著通入時間的增加,裂縫中的水被氮氣驅替,導流能力上升,繼續導入干氮氣,導流能力繼續恢復,氮氣流通速度穩定后,導流能力趨于穩定,但導流能力不能恢復到蒸餾水注入之前的程度。比較第一階段和第三階段,觀察蒸餾水注入前后,裂縫導流能力的變化程度,定量分析蒸餾水對裂縫導流傷害能力。

圖4(a)所示為須家河組頁巖的電導率變化曲線,原始的沒有傷害的支撐裂縫導流能力為142.5 μm2·cm,通過水后明顯的降低到0.06 μm2·cm。停止注入蒸餾水,通過干氮氣發現導流能力有一定程度恢復,但恢復程度很小,僅能達到最初的2%,這與通過蒸餾水時,蒸餾水對巖樣的裂縫導流能力傷害造成的；此外對比圖1和圖3(a)發現,支撐劑嵌入裂縫的程度較嚴重,分析原因發現,這與頁巖表面的強度下降有關。Zhang等[16]指出在相同的實驗條件下,前20 h導流能力能夠降低20%。這與本實驗得出的結論相差較大,這說明導流能力下降不僅圍壓作用下的頁巖發生蠕變造成的,還同壓裂液與頁巖之間的相互作用,引起頁巖導流能力下降有關。

2.3 黏土礦物對裂縫導流能力的影響

圖5所示為不同頁巖和砂巖的黏土礦物種類相對含量與導流能力變化曲線。可知，對于6種巖石來說,4種不同黏土礦物的相對含量不同,其導流能力變化曲線有差別。具體來說,由圖5(a)～圖5(c)可知，裂縫導流能力與伊利石、伊蒙混層、黏土相對含量負相關。

圖5 不同黏土礦物對裂縫導流能力變化曲線Fig.5 Curves of fracture conductivity of different clay minerals

由圖5可知,無論是比較黏土含量,還是對比頁巖和砂巖中不同的黏土成分含量,不同巖石對裂縫導流傷害能力沒有明顯變化。具體而言,XJ、LM、L三種頁巖的裂縫傷害能力最強,且從導流傷害為1,降到導流傷害為0.7左右,依次遞減,這與黏土含量有明顯關系,如圖5(a)、圖5(b)所示。砂巖ZS因其與頁巖WF中黏土含量相差不大,且相比WF、ZS中含有較高的蒙脫石和伊利石,這使得ZS對裂縫的導流傷害能力略高于WF。總體來看,對于XJ、LM、L、WF四種頁巖來說,黏土含量能明顯影響裂縫的導流傷害能力,黏土含量越高,裂縫導流傷害能力越明顯。

當頁巖中通入蒸餾水時,蒸餾水引起頁巖中的黏土發生膨脹,層間作用力降低,影響到土骨架強度降低,黏土的頁巖中的氣體不能完全被驅替,大量氣體被鎖定在小孔隙和有機質內,由于頁巖的透水能力較弱,被鎖定的孔隙壓力很難進行傳遞,在靠近裂縫的位置會形成較大的孔隙壓力,同時黏土自身的壓力和毛細管力的存在都對孔隙壓力的形成有促進作用,如圖6所示。同時頁巖的有效應力也會受到孔隙壓力的影響而減弱,為微裂縫的產生創造了較好的條件,裂縫因為拉應力的降低而擴展,頁巖的骨架強度降低,誘發支撐劑嵌入裂縫之中,造成更嚴重的導流傷害。同時,蒸餾水注入頁巖之后,也會對頁巖本身的單軸抗壓強度等物理指標造成影響,導致其強度降低,巖樣更易于破壞。

圖6 支撐裂縫表面孔隙壓力示意圖Fig.6 Sketch of pore pressure in prop fracture surface

3 討論

圖7 單層支撐劑嵌入前后導流空間的變化Fig.7 The space variation before and after the monolayer proppant are embedded

實驗在設計時采用支撐劑鋪設層數為單層,這里討論支撐劑鋪設層數對導流能力傷害的影響。圖7、圖8為單層、雙層支撐劑嵌入示意圖,來比較鋪設層數對頁巖支撐裂縫的傷害程度。可以看出,在相同的嵌入深度下,鋪設層數越少,導流能力傷害越嚴重。對比多組實驗發現,支撐劑嵌入前期,裂縫導流能力下降明顯,后期嵌入,對導流能力的傷害程度下降,這種現象的出現可能與支撐劑的密度有很大關系,不同密度的支撐劑嵌入裂縫的程度不同,對于導流能力的傷害程度不一樣。雙層支撐劑的鋪設不同于單層支撐劑的鋪設會明顯受到密度因素的影響,因為兩者嵌入的裂縫孔隙不同,雙層支撐劑主要是作用顆粒之間的裂縫空間,而單層支撐劑對近裂縫壁面的作用較明顯。如圖7所示雙層支撐劑嵌入示意圖。

圖8 雙層支撐劑嵌入前后導流空間的變化Fig.8 The variation of diversion space before and after bilayer proppant are embedded

4 結論

針對不同地層的頁巖開展支撐裂縫導流能力傷害實驗,研究壓裂液持續注入條件下,導流能力的變化規律,并觀察支撐劑在裂縫表面的嵌入情況。得出如下結論。

(1)不同層的支撐劑嵌入,對于裂縫的導流能力影響不同,在嵌入量和深度相同的情況下,相較于多層支撐劑的嵌入,單層支撐劑能明顯對裂縫的導流能力造成傷害,這說明單層支撐劑的嵌入是影響裂縫導流能力下降的主因。

(2)蒸餾水導入前后對比發現,相較于常規砂巖的裂縫導流能力下降程度僅有18%,頁巖的裂縫導流能力下降達到了98%,這同頁巖與蒸餾水之間發生相互作用,導致頁巖顆粒的骨架強度降低有關,骨架強度的降低誘發支撐劑的繼續嵌入,導流能力進一步下降。

(3)比較頁巖與砂巖在注入水前后的,裂縫導流能力的傷害程度,發現裂縫導流能力的傷害還與巖樣的組成成分有關,黏土含量越高,導流能力傷害越嚴重。尤其是伊利石和伊蒙混層的存在能夠明顯提高導流能力的傷害率。