頁巖氣藏壓裂液滲吸影響因素分析

嚴 樂

（西安石油大學 石油工程學院，陜西 西安 710065）

與常規(guī)油氣儲層相比，頁巖氣儲層具有低孔、超低滲、開發(fā)難度大等特點，目前常采用體積壓裂方法對該儲層進行有效開發(fā)[1]。所謂的體積壓裂[2]就是通過壓裂的手段在地層中形成多條人工裂縫，進而向人工主裂縫中注入大量的低黏度液體，在人工主裂縫中形成次生裂縫，再在次生裂縫中進一步形成更細小的微裂縫，從而實現(xiàn)儲層中天然裂縫與巖石之間的溝通，在地下形成復(fù)雜的地下縫網(wǎng)。然而在壓裂過程中常常存在壓裂液返排困難、注入流體剩余量大等問題，而頁巖氣儲層發(fā)育的天然微裂縫、水力壓裂縫及基質(zhì)常常是這些流體的滯留地[3-4]。因此，明確頁巖氣儲層的滲吸過程、明晰影響頁巖氣儲層的滲吸因素對于認識頁巖氣儲層及該類儲層體積壓裂設(shè)計具有重要意義。

目前，國內(nèi)外不乏頁巖氣儲層的滲吸機理的研究成果，楊柳[5]、DEHGHANPOUR[6]等利用電導率儀記錄了自發(fā)滲吸過程溶液中離子含量的變化，研究結(jié)果表明礦物組成及壓裂液成分是影響頁巖氣儲層滲吸過程的重要因素；ROYCHAYDHURI[7]等針對北美頁巖進行了室內(nèi)滲吸實驗，研究結(jié)果表明壓裂液的滲吸過程受頁巖氣儲層中親水的黏土礦物和親油的有機質(zhì)的影響較大；雷征東[8]等建立了不同因素影響下頁巖儲層滲吸數(shù)學模型，定量評估了滲吸過程引起的地層傷害；屈亞光[1]等在常溫下開展壓裂液的滲吸與返排實驗，研究發(fā)現(xiàn)儲層巖石中的含水飽和度對滲吸作用有較大影響，當頁巖巖心含水飽和度高于30%時，氣體滲流通道會被多出的水所占據(jù)，從而影響頁巖儲層的滲吸作用。王晶[9]等利用多級壓裂水平井裂縫模型提出了頁巖氣井壓裂后含水飽和度分布的計算方法，分析了不同基質(zhì)含水飽和度對頁巖氣儲層滲吸生產(chǎn)的影響，研究結(jié)果表明原始含水飽和度對氣井的滲吸穩(wěn)產(chǎn)時間起決定性作用。CHAHARDOWLI[10]等研究發(fā)現(xiàn)在水濕的頁巖巖心的滲吸實驗中，當干巖心與滲吸液接觸時，毛管力作用對巖心產(chǎn)生的拉力使得巖心質(zhì)量發(fā)生驟變進而對滲吸過程產(chǎn)生相當程度的影響，可通過改變巖石表面的潤濕性來提高滲吸采收率。基于以上研究成果，本文針對鄂爾多斯盆地延長組致密頁巖氣儲層利用質(zhì)量法開展室內(nèi)滲吸實驗，闡明了黏土礦物含量、總有機碳含量及溫度等各因素間與壓裂液滲吸作用的影響關(guān)系。

1 滲吸實驗建立

1.1 前期準備

與砂巖不同，頁巖結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，容易斷裂，在滲吸實驗之前，將較硬的頁巖樣品切成圓柱狀，較脆的頁巖樣品切成立方體。其中原因主要是較硬的巖心不易折斷，取心時可直接用取心工具鉆取，而脆性巖心容易折斷，切成立方體較好。

1.2 實驗樣品

本實驗3 塊巖心均取自鄂爾多斯盆地延長組頁巖儲層，巖心平均長度為4.09 cm，平均截面面積為1.502 5 cm2，孔隙度范圍為1.2%～2.5%，平均孔隙度為1.73%，滲透率范圍為0.001 3～0.003 6 mD，平均滲透率為0.002 6 mD。巖心的基本物性參數(shù)見表1，全巖礦物分析結(jié)果見表2。

表1 巖心基本物性參數(shù)

表2 巖心礦物成分分析

1.3 實驗過程

本實驗采用質(zhì)量法進行滲吸實驗[11]，盛有滲吸液和巖心的燒杯與天平一端連接，電腦的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接天平的另外一端，由于氣液之間存在密度差，當頁巖孔隙中的氣體被流體置換后，巖樣的質(zhì)量會發(fā)生改變，采用梅特勒高精度天平（萬分之一）可記錄巖心重量隨時間的變化。利用記錄的巖心體積、流體密度和孔隙度等將測得的重量值轉(zhuǎn)換為流體飽和度，以便后續(xù)實驗結(jié)果對比。

本實驗中使用的壓裂液為清水+0.1%增黏劑+2%KCl，實驗用油為原油和煤油配制而成的模擬用油，在室溫下模擬用油的黏度為3.53 mPa·s；實驗用水為蒸餾水，并以蒸餾水作為對照組分別在室溫25 ℃和較高實驗溫度70 ℃下進行實驗，直至巖樣重量不再改變實驗結(jié)束。

2 結(jié)果分析

2.1 礦物成分的影響

實驗根據(jù)滲吸時間與巖心吸水重量的變化分析影響頁巖儲層壓裂液滲吸的影響因素，礦物成分對頁巖儲層滲吸過程的影響如圖1所示。

由圖1可知，黏土礦物含量對頁巖儲層滲吸有較大影響，隨著頁巖儲層中黏土礦物含量的增加，巖樣中含水飽和度增加，巖樣的滲吸作用增強，滲吸采收率提高。分析原因主要是由于黏土礦物吸水能力較強，因此高黏土礦物含量的巖樣中滲吸能力更強。

圖1 黏土礦物對頁巖滲吸的影響

2.2 總有機碳含量的影響

實驗研究了總有機碳含量（TOC）對頁巖儲層壓裂液滲吸作用的影響，實驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，總有機碳含量對頁巖儲層的滲吸過程有一定的影響，對于孔隙度相差不大的實驗巖樣，TOC含量越低的巖樣其滲吸過程中含水飽和度越高，滲吸速率更快，滲吸效果也更好。

圖2 TOC 對頁巖滲吸的影響

2.3 溫度的影響

以1 號巖心為例，實驗分別在25 ℃和70 ℃條件下進行滲吸實驗，實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度對頁巖滲吸的影響

由圖3可知，隨著溫度的升高，頁巖巖心樣品吸收流體的量在不斷減少，滲吸作用減緩，滲吸采收率降低。分析原因主要是由于高溫下流體與頁巖巖心之間的界面張力降低，從而使得壓裂液滲吸作用的主要驅(qū)動力毛細管力降低。因此，高溫下壓裂液的滲吸效果較差。

3 結(jié) 論

1）黏土礦物含量對頁巖儲層壓裂液滲吸有較大影響，隨著頁巖儲層中黏土礦物含量的增加，頁巖巖樣的滲吸作用增強。

2）對于孔隙度相差不大的巖心，TOC 含量越低，壓裂液滲吸速率更快，滲吸效果更好。

3）在高溫環(huán)境下頁巖巖樣滲吸效果較差，其主要原因是由于高溫降低了頁巖巖心與流體之間的界面張力，使得滲吸的驅(qū)動力毛管力降低。