鹽間頁巖鹽離子擴散對自發滲吸驅油的影響
——以潛江凹陷潛江組頁巖為例

楊 柳， 曹金棟， 趙逸清， 魯曉兵， 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， 力學與建筑工程學院，北京 100083； 2.新疆油田公司勘探開發研究院開發所，克拉瑪依 834000； 3.中國科學院力學研究所流固耦合系統力學重點實驗室，北京 100190； 4.中國石油大學(北京)非常規氣體研究所, 北京 102249)

頁巖油是指以游離、吸附及溶解態等多種方式賦存于富有機質泥頁巖地層中的液態烴類，屬于典型的自生自儲型原地聚集的油氣類型[1]。頁巖油的資源分布廣泛，是重要的非常規能源，對緩解國家能源戰略供需矛盾具有重要的意義。然而，頁巖油儲層低孔、低滲透，毛細管力大，油在孔隙中難以被動用。高毛細管力誘發的自發滲吸作用下，水可以將油自發置換出來，是頁巖油開采的一個重要機理。

潛江凹陷位于江漢盆地中部，面積2 530 km2，潛江組縱向上共發育193個含鹽韻律[20-21]。鹽度含量高、蒸發強度大、濕潤與干旱天氣長期交替作用形成了十分厚的潛江組鹽系地層[22]。潛江凹陷發育了兩種類型頁巖油藏: 一是油浸泥巖夾白云巖的頁巖油藏，黏土含量達到30%～40%，大部分區段烴指數S1/TOC>100；二是鹽間油浸泥質白云巖的頁巖油藏，脆性礦物含量達到40%～60%，S1/TOC平均為570，兩種類型都具有較好的烴源條件和含油性[23]。潛江凹陷潛江組頁巖礦物組成與北美Woodford頁巖、北美Barmett頁巖、皖南荷塘組、川南地區龍馬溪組、川南地區筇竹寺組和龍馬溪組頁巖分別在石英含量、碳酸鹽礦物含量、黏土礦物含量、脆性礦物含量進行對比，具有“低黏土礦物、低石英、高碳酸鹽、高脆性礦物”的特征，具有較好的脆性，烴源巖條件好，展現出良好的頁巖油勘探開發前景[24-26]。

頁巖油儲層壓裂后悶井一段時間，有利于促進毛細管力滲吸驅油作用，提高頁巖油的產出。與常規頁巖油儲層不同，潛江凹陷鹽間頁巖油儲層富含石鹽礦物。壓裂液滲吸進入孔隙后會引起石鹽礦物溶解、擴散，改變了原有的孔隙結構，從而對油的遷移產生影響。目前，針對潛江凹陷鹽間頁巖油滲吸特征的研究較少，鹽離子溶解、擴散對孔隙結構和滲吸驅油的影響尚不清楚。本文以潛江凹陷鹽間頁巖儲層為研究對象，開展滲吸核磁共振實驗，研究了鹽離子擴散對孔隙結構、滲吸驅油和滲吸采收率的影響。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗樣品

鹽間頁巖油地層主要發育白云質頁巖、鈣芒硝頁巖和泥頁巖，分別取三種儲層巖性進行對比實驗。白云質頁巖為灰白色，氣測孔隙度為4.4%，滲透率為0.006 2 mD；鈣芒硝頁巖充填大量的白色塊狀或條帶狀鹽晶體，非均質性較強，孔隙度為1.7%，滲透率0.15 mD；泥頁巖為黑色或灰黑色，發育層理裂縫，裂縫中間充填白色鹽晶體顆粒，孔隙度為9.2%，滲透率約為0.014 mD。三種鹽間頁巖地層孔隙度和滲透率差別較大，說明鹽間頁巖非均質強，儲層特征差異較大。高滲透率的樣品主要與發育微裂縫有關。此外，飽和油測試的孔隙度普遍低于氦氣測試的孔隙度。

圖1介紹了滲透率和孔隙率的分布特征。白云巖頁巖、鈣芒硝頁巖和泥質頁巖的孔隙度分別為4%～8%、2%～8%和2%～12%。白云巖頁巖、鈣芒硝頁巖和泥質頁巖的滲透率分別為0.02～0.6 mD、0.006～2.5 mD和0.0005～0.85 mD。頁巖儲層的滲透率分布范圍很廣，可以用微裂縫的發育程度來解釋。微裂縫埋藏的樣品具有較高的滲透率，孔隙度與滲透率正相關。沒有微裂縫的樣品對應于低孔隙度-滲透率區域(Ⅰ)和涉及微裂縫的樣品對應于高孔隙度-滲透率區域(Ⅲ)。分別選取三個鹽間頁巖樣品進行實驗，物理性質如表1所示，有助于分析孔隙度和滲透率對油遷移的影響。

圖1 滲透率和孔隙度Fig.1 Permeability and porosity

表1 頁巖樣品的物理性質Table 1 Physical properties of shale samples

注：D代表白云巖頁巖，G代表鈣芒硝頁巖，A代表泥質頁巖。

礦物組成的XRD分析結果如表2所示。與海相頁巖氣儲層相比，鹽間頁巖儲層具有低石英含量(質量分數17.6%～21.3%)和低黏土礦物含量(質量分數15.3%～21.3%)的特點。此外，石鹽礦物(質量分數3.4%～7.4%)的存在使鹽間頁巖與海相頁巖更加不同。海相頁巖氣儲層的鹽主要賦存于孔隙內壁和黏土礦物層間，而鹽間頁巖的鹽以石鹽礦物的形式存在，是骨架結構的一部分。此外，三種鹽間頁巖樣品的礦物組成存在較大不同。白云巖頁巖由高含量白云石礦物(質量分數29.8%)組成，鈣芒硝頁巖含有大量鈣芒硝礦物(質量分數23.3%)，泥質頁巖含有高濃度的黏土礦物(質量分數21.3%)。

表2 頁巖樣品的礦物學成分Table 2 Mineralogical composition of shale samples

采用MnCl2溶液作為滲吸流體開展研究，高濃度(>20%)的MnCl2溶液能夠很好地屏蔽水中的氫信號，抑制水中的核磁共振信號。由于水中加入了MnCl2屏蔽了水的核磁信號，因此測量的T2譜動態曲線，就很好地反映出滲吸作用下巖石孔隙中的含油量。

1.2 實驗裝置及方法

圖2 致密油滲吸排油實驗裝置 Fig.2 Tight oil seepage and drainage test device

實驗裝置為精度為0.000 1 g梅特勒分析天平(型號ME204E)，如圖2(a)所示。通過測量樣品質量的變化，根據油和水的密度差，來推測吸入水和排出油的體積。核磁共振儀由蘇州紐邁分析儀器股份有限公司提供，型號為MiniMR-VTP，磁場強度0.5 T，如圖2(b)所示。測試溫度為25 ℃，濕度為40%，壓力為大氣壓力。核磁共振是一種無損測試方法，通過測量巖石內氫元素含量來分析巖石的物性特征。核磁共振T2譜可以很好地反映孔隙結構和流體分布特征。T2值越高，說明賦存流體的孔徑越大；某一孔徑的巖石中流體越多，則T2譜幅度越大。通過測量滲吸過程中致密儲層樣品的T2譜，可以很好地獲得毛細管力滲吸引起的孔隙流體飽和度分布特征。

實驗步驟如下。

(1)將樣品烘干，測試質量、尺寸，抽真空加壓飽和煤油，測試質量。

(2)將飽和油的樣品放置于MnCl2溶液中，室溫條件下密封。

(3)每隔一段時間測試質量，并采用高分辨率相機對樣品表面進行拍照。

(4)將樣品表面擦拭趕緊，置于核磁共振儀內，測試T2譜(圖3)。

(5)重復(3)、(4)直到質量與T2譜變化不大，繪制質量與T2隨著時間的變化。

2 實驗結果分析

2.1 鹽離子擴散對孔隙結構的影響

圖4為鹽間頁巖儲層樣品滲吸實驗過程中的外觀變化。綜合來看，三種頁巖油樣品在滲吸實驗過程中，鹽晶體隨著浸泡時間的延長逐漸溶解，使得樣品表面形態變化極大。白云質頁巖中原有的晶體聚集體溶解，形成了較大的溶孔，直徑1～5 mm之間，說明晶體聚集體可以在水中全部溶解。鈣芒硝頁巖表面的層理微裂縫或弱面逐漸擴展，形成了大量的平行于層理的微裂縫。原有的層理弱面處于開啟狀態，滲透性較好，水滲吸進入弱面中溶解充填的鹽晶體，形成大量的層理裂縫。泥頁巖在滲吸初期(約2 h)出現了層狀崩落現象，隨著滲吸時間的延長，樣品表面的出現越來越多的小凹坑。

滲吸實驗過程中，鹽間頁巖的孔隙結構變化是由于鹽晶體的溶解引起的，因此表面的凹坑、裂縫、溶孔也反映了鹽晶體的分布特征。結合實驗前的肉眼觀察和顯微鏡觀測可知，鹽間頁巖儲層中鹽晶體主要有三種分布模式：晶體聚集型、充填弱面型和密集分布型。分布模式不同，水巖相互作用對孔隙結構的影響也不同。

滲吸實驗后，將樣品在75 ℃下烘干，測量孔隙度，表3 為實驗前后孔隙度對比，可知自發滲吸實驗后，孔隙度有了大幅度提升。白云質頁巖孔隙度由4.4%提升到15.2%，鈣芒硝頁巖孔隙度由1.7%提升到8.8%，而泥頁巖孔隙度由9.9%提升到20.5%。悶井期間，水自發滲吸進入鹽間頁巖儲層后，鹽晶體的溶解一定程度上可以改善儲層的物性特征參數。

2.2 鹽離子擴散對滲吸驅油的影響

水在毛細管力作用下自發滲吸進入頁巖油儲層，將基質孔隙中的原油驅替出來，油滴附著于樣品表面(圖5)。頁巖油儲層A析出的油滴體積較大， 儲層D和C表面油滴體積較小。幅度-T2曲線變化能夠很好地反映出不同孔隙中的原油動態變化。如圖5所示，儲層D、C和A樣品的譜面積隨著滲吸時間逐漸降低，說明孔隙中的油滴逐漸被水驅替出來。從滲吸實驗開始到t=439 h時，儲層D、C和A樣品譜面積分別降低了約1 723、300和2 732。相比而言，儲層A具有更高的原油排出速率，這與A析出的油滴體積較大現象一致。這與儲層A具有較高的孔隙度和滲透率有關。

描述了鹽間頁巖油層鹽離子擴散在自發滲吸驅油的不同時刻T2譜曲線變化，反映孔隙中原油排出動態，如圖6所示。從T2譜中可以明顯地觀察到出現兩個峰(左峰和右峰)，右峰的振幅大且弛豫區域大，說明油主要存在于這個區域中。右峰的振幅小，有少量的油存在其中。隨著自發滲吸驅油時間的加長，T2譜曲線的左峰值出現明顯的降低，右峰值逐漸增加。白云質頁巖、鈣芒硝頁巖的峰值趨勢線向下，泥質頁巖峰值的趨勢線向右側轉移，說明泥質頁巖在自發滲吸的過程中，油從小孔往大孔運移。藍框標記的區域，隨著驅油時間，由原來的無振幅到有振幅變化，說明產生了新的孔隙或裂縫，并且油滴逐漸運移進入了新生的孔隙或裂縫中。可見，新生的孔隙或裂縫可作為原油運移的通道。紅框標記的區域(即右峰)，隨著驅油時間，峰面積的增加，結合左峰的降低，可以推測油先從小孔運移到大孔或者新生裂隙中，然后經微裂縫運移出去。

圖3 自發滲吸核磁監測實驗示意圖Fig.3 Schematic diagram of spontaneous infiltration nuclear magnetic monitoring experiment

圖4 不同浸泡時期樣品的外觀變化 Fig.4 Appearance changes of samples during different soaking periods

表3 實驗前后物性參數對比Table 3 Comparison of physical parameters before and after the experiment

圖5 水驅出的油滴Fig.5 Oil droplets driven by water

圖6 巖樣的幅度 Fig.6 Magnitude of the rock sample

2.3 鹽離子擴散對滲吸采收率的影響

滲吸采收率是通過譜面積的變化與原始譜面積的比值來計算得到的。滲吸采收率與儲層特征參數、流體性質、邊界條件等因素有關，這些結論已經眾多學者進行了深入研究，這里不再進行分析。為了分析鹽晶體含量對滲吸采收率的影響，有必要采用無量綱滲吸時間進行分析。無量綱滲吸時間是根據式(1)計算得到：

(1)

式(1)中：t為滲吸時間，d；k為滲吸率，%；φ為孔隙率，%；σ為表面張力，mN/m；μw為水黏度，Pa·s；μo為油的黏度，Pa·s；LS為特征長度，m。

圖7 油滲吸采收率回收率與無量綱時間tD和tD1/2Fig.7 Recovery rate of oil absorption recovery and dimensionless time tD and tD1/2

圖8 無量綱滲吸速率隨著石鹽礦物含量的變化Fig.8 The dimensionless infiltration rate varies with the mineral content of rock salt

煤油與水接觸時的界面張力可取45 mN/m，考慮到三個樣品都是采用水和煤油進行實驗，因此界面張力的取值并不影響分析結果。然而，無量綱滲吸時間tD難以反映滲吸速率的大小，可繪制滲吸采收率與無量綱時間的平方根曲線，通過對比曲線斜率來定量分析滲吸速率(圖7)。可知，頁巖油儲層D、C和A的無量綱滲吸速率分別為0.28、0.11和0.72。

根據文獻[27]，取3個鹽間頁巖樣品粉碎成100目的顆粒，分別取3 g顆粒樣品置于1 000 mL的蒸餾水中，攪拌均勻后測得初始電導率G0，即為表面離子密度。圖8 為無量綱滲吸速率隨著初始電導率G0的變化，先增加在減少。頁巖儲層內含鹽量越高，無量綱滲吸速率反而越低。跟預期并不一致，鹽晶體溶解會生成量的大孔隙和微裂縫，表面上看提高了儲層的孔隙度和滲透率。然而由于鹽晶體的溶解，崩落的晶體顆粒或骨架顆粒松動，開始堵塞基質孔隙，使得基質孔隙中的原油難以運移出來，只有少部分可以進入新生的大孔隙和微裂縫中。因此，大量鹽晶體的溶解，反而不利于原油的產出。

3 討論

煤油的質量與譜面積成良好的線性關系，可通過譜面積的變化計算排出煤油的體積，結合水與煤油的密度差，則可以計算得到樣品質量隨著時間的變化(不考慮鹽晶體溶解)。理論上，計算得到的質量變化沒有考慮鹽晶體的溶解，因此樣品質量要高于實際樣品的質量變化，如圖9(a)、圖9(b)所示。但是，儲層樣品A的實際樣品質量要高于理論樣品質量[圖9(c)]。這與新生的孔隙或微裂縫有關。當鹽晶體溶解后，產生了新的孔隙或微裂縫，此時新生的孔隙或微裂縫被水(MnCl2溶解)占據，之后煤油逐漸運移進入這些新生的孔隙或微裂縫，被核磁共振儀監測到，但是油并不能完全充滿這些孔隙，可見幅度差(D-value)的正值區域顯示的并不是新生的孔隙或微裂縫的體積，只是其中油的體積。因此，樣品的實際質量變化，會超過理論計算結果。

圖9 樣品質量和譜面積隨著時間的變化 Fig.9 Sample mass and spectral area as a function of time

可見，鹽間頁巖儲層滲吸規律極其復雜，涉及了多個物理過程。水自發滲吸進入儲層內，鹽晶體接觸到水會溶解，鹽離子開始在濃度差作用下發生擴散作用。同時，鹽晶體的溶解也會改變孔隙結構影響到原油的運移。這樣復雜的物理現象，僅僅采用核磁共振、天平作為測量手段是不夠的，有必要引入電導率儀，同步分析溶液中電離出的離子含量。

4 結論

針對潛江凹陷的頁巖油儲層開展自發滲吸實驗，分析原油在鹽間頁巖儲層中的分布特征，研究鹽間頁巖中鹽晶體溶解引起的孔隙結構變化，闡明鹽間頁巖的滲吸過程中原油遷移規律及影響因素。主要結論如下。

(1)鹽間頁巖吸入壓裂液后，骨架結構中的鹽顆粒發生溶解，產生溶孔；含鹽弱面發生開裂，形成裂縫；鹽晶體的溶解也引起樣品表面崩落。

(2)核磁T2譜變化反映：初期小孔原油排出速率較高，新生的大孔或微裂縫中原油不會降低。但隨著小孔原油排出速率的下降，新生的大孔或微裂縫中原油逐漸減少。

(3)鹽間頁巖儲層吸入壓裂液后，鹽晶體溶解產生的溶孔和裂縫能夠明顯地提高儲層的孔隙度。由于鹽晶體的溶解，崩落的晶體顆粒或骨架顆粒松動，開始堵塞基質孔隙，使得基質孔隙中的原油難以運移出來，只有少部分可以進入新生的大孔隙和微裂縫中。因此，大量鹽晶體的溶解，反而不利于原油的產出。