不同含水飽和度對頁巖滲流能力影響實驗研究

吳 康, 熊 偉, 胡志明, 高樹生

(1.中國科學院大學 工程科學學院，北京 100049；2.中國科學院 滲流流體力學研究所，河北 廊坊 065007；3.中國石油勘探開發研究院 廊坊院區, 河北 廊坊 065007)

0 引 言

頁巖氣是一種儲量巨大的非常規天然氣資源，近年來，許多國家的石油工作者、專家致力于頁巖氣資源的研究與開發，全球掀起了一場轟轟烈烈的“頁巖氣綠色革命”[1-3]。頁巖儲層是超低滲儲層[4-5]，因而水力壓裂技術是頁巖氣開發的主要方式[6-7]。與常規儲層不同，頁巖儲層經過壓裂后，壓裂液的返排率很低，大量的壓裂液都被基質吸收或滯留在儲層中[8-10]，根據水鎖傷害理論分析[11]，壓裂液的滯留會嚴重抑制頁巖氣的開發，然而分析國內外頁巖氣井的生產狀況發現，有些壓裂液返排率低的頁巖氣井，其產量并不低，甚至高于壓裂液返排率高的井[12-13]。壓裂液的主要成分是水，頁巖儲層的初始含水飽和度極低[14-16]，壓裂液的滯留和吸收會改變頁巖儲層的含水飽和度，從而影響頁巖氣的流動，因此設計物理模擬實驗，建立不同含水飽和度的頁巖巖心，模擬壓裂前后儲層含水飽和度變化，通過測量其流態曲線，探究頁巖不同含水飽和度對頁巖氣流動的影響。

由于壓裂后大部分壓裂液被頁巖基質吸收或滯留在儲層中，從而改變頁巖儲層的含水飽和度，嚴重影響頁巖氣的流動。本文實驗評價頁巖不同含水飽和度對頁巖氣滲流的影響。實驗首先對選取的巖心建立一定的含水飽和度以模擬壓裂后頁巖儲層不同含水飽和度，然后以甲烷為介質測量其流態曲線。比較實驗前后巖心的質量變化，即飽和度的變化，分析水被吸收和賦存狀態，同時比較不同含水飽和度下頁巖滲流能力的大小，來評價含水飽和度對頁巖滲流能力的影響。

1 頁巖不同含水飽和度下甲烷流態曲線測量

1.1 巖心選取及制備

實驗選取渝東南黔江區域龍馬溪組頁巖巖樣，該層位頁巖有機碳豐度高，類型好，成熟度適中，是目前較有利的頁巖氣發育層位。地層的連通性差，滲透率低，孔隙度一般為3%左右，滲透率小于0.001 mD。

1.2 頁巖含水飽和度的建立

1.2.1原理

頁巖的水蒸氣吸附和解吸實驗原理主要是根據頁巖中水分濃度與外界水分濃度的平衡關系。將干燥頁巖樣品放在一個濕度恒定的環境中，當頁巖中水分濕度小于外界環境濕度，頁巖就會發生水蒸氣擴散吸附，頁巖中水分含量增加。在這段時間內頁巖的質量變化，根據質量變化量計算出含水飽和度。

1.2.2方法

首先用電子游標卡尺測量實驗巖心的長度和直徑(見圖1)，然后將巖心放入105 ℃的烘箱烘48 h，再用天平稱其質量，最后測試孔隙度，所得數據如下：長度4.053 cm，直徑2.512 cm，干重54.009 7 g，視密度2.69 g/cm3，孔隙度3.106%。

圖1 實驗巖心

將實驗樣品放入烘箱升溫至105 ℃烘24 h后用保鮮膜包緊放入雙層密封袋內，冷卻后，用天平稱出密封袋內實驗樣品的質量為m1，同時向體積為1 L的中間容器內放入100 mL蒸餾水，帶上密封手套(防止手與樣品直接接觸影響樣品質量)，用細線捆綁樣品，并將捆有細線的樣品固定在中間容器蓋子下面,樣品與蓋子的距離不要太遠，以防止碰到中間容器下端的蒸餾水(見圖2)，擰緊中間容器的蓋子，然后將中間容器放入105 ℃的烘箱中烘t1小時后取出，將樣品用保鮮膜包緊放入雙層密封袋內，在室內放置3 h待樣品冷卻至室溫，用天平稱出密封袋內實驗樣品的質量為m2。重復以上步驟，t1分別為1,2,4,6,8,10,12，14,16,18,20,22 h。根據得到的12個結果分別計算出頁巖樣品在恒溫(105 ℃)不同時間下對應的含水飽和度(見圖3)。

圖2 頁巖巖心建立含水飽和度裝置圖

圖3 烘烤時間與建立的含水飽和度的關系曲線

(1) 按圖4組裝實驗裝置，檢查裝置氣密性。

(2) 將建立好一定含水飽和度(約50%)的巖心稱重，計算具體的含水飽和度，然后放入巖心夾持器，開始測量流態曲線。

圖4 實驗裝置圖

(3) 實驗開始時，增加圍壓到50 MPa，入口壓力40 MPa，圍壓與入口壓力的差為10 MPa，待出口流量穩定后，測量出口端流量。

(4) 改變圍壓(50～10.01 MPa)和入口壓力(40～0.01 MPa)大小，圍壓與入口壓力差值固定為10 MPa，重復步驟(3)，記錄數據,實驗溫度控制在25 ℃。

(5) 測量完成后，取出巖心稱重，接著開始建立40%,30%,20%,10%和0%含水飽和度，重復步驟(2)～(4)。

1.3 實驗結果與分析

如表1所示為實驗前后巖心質量與飽和度變化的數據表。

表1 實驗前后巖心質量和含水飽和度變化表

從表1可以看出，含水飽和度為50%左右時，實驗前后巖心質量變化為31.8 mg，含水飽和度變化為5.1%，這表明當含水飽和度為50%左右時，巖心中的部分水屬于可動水，這部分水滯留在孔道和裂縫表面，易被流動的氣體驅動而帶出巖心；含水飽和度為40%左右時，實驗前后巖心質量變化為14.1 mg，含水飽和度變化了2.2%，變化量比含水飽和度50%時要小，這表明含水飽和度50%比含水飽和度40%的巖心中可動水要多，即滯留在孔道和裂縫表面的水更多；當含水飽和度為30%，20%，10%和干巖心時，實驗前后巖心質量變化很小，含水飽和度變化也很小，這表明這部分水被基質吸收成為了束縛水，不會被氣體驅動而帶出巖心。

根據實驗測得的流量數據，可以算出不同壓力下實驗巖心的滲透率，繪制出不同含水飽和度下的流態曲線，如圖5、6所示。

圖5 平均壓力與滲透率的關系曲線

圖6 平均壓力倒數與滲透率的關系曲線

從圖5、6可以看出，無論在低壓還是高壓條件下，不同含水飽和度的頁巖巖心滲流能力是不同的，含水飽和度越高滲流能力越差；反之，滲流能力越強。同時從圖中可以看出，當含水飽和度在0～30%時，含水飽和度變化對頁巖流動能力的影響很小，其中含水飽和度為20%、10%和干巖心的滲透率幾乎一樣；當含水飽和度高于30%時，含水飽和度對頁巖流動能力的影響很大。分析認為，當頁巖巖心的含水飽和度小于30%時，巖心中的水都被吸收成為束縛水，并未嚴重影響滲流通道，因此當含水飽和度低于30%時，含水飽和度對頁巖流動能力的影響很?。划攷r心的含水飽和度高于30%后，巖心的含水飽和度開始高于其束縛水飽和度，多余的水開始占用氣體的滲流通道，從而嚴重影響了頁巖的滲流能力。

2 分析討論

結合實驗結果分析認為，頁巖儲層的初始含水飽和度很低，當壓裂液進入地層，受到表面水化力和滲透水化力作用，不斷地被吸收進入基質，當這部分壓裂液僅被基質吸收成為束縛水時，不會嚴重影響頁巖氣的產出通道，因此不會抑制頁巖氣的產出；同時進入基質的壓裂液可以補給地層能量，促進和驅替基質吸附氣的解吸，置換出基質的氣體，從而可以提高頁巖氣的產量。而且這部分水被吸收成為了束縛水，不會隨著頁巖氣的產出流動，從而會有大量的壓裂液滯留在地層，導致頁巖氣藏壓裂液返排率比砂巖氣藏壓裂液返排率低。因此在部分頁巖氣井壓裂后，會出現壓裂液返排率低而產量高的現象。所以，壓裂液返排率高低不是決定頁巖氣井產能的絕對因素。

當壓裂結束后，也有大部分的壓裂液滯留在流通孔道和裂縫表面時，就會堵塞頁巖氣滲流通道，從而降低頁巖儲層的滲透率，抑制頁巖氣的流動，降低產能。在實際生產中，制定返排計劃與措施時，提高流動孔道和裂縫表面壓裂液的返排率對頁巖氣的生產至關重要。

頁巖儲層經過壓裂之后，壓裂液的滯留和吸收改變了頁巖儲層的含水飽和度。當壓裂后頁巖儲層含水飽和度小于頁巖儲層的“束縛水飽和度”時，壓裂液吸收進入儲層對頁巖氣的產出沒有抑制作用，相反會有一定的積極作用；反之，壓裂液的滯留對頁巖氣的產出有抑制作用。各個頁巖儲層的初始含水飽和度不同，“饑渴”程度就不同，從而吸收壓裂液成為束縛水飽和度的能力也就不同。因此，找出頁巖儲層的“束縛水飽和度”是頁巖氣井壓裂液返排分析的關鍵所在，根據頁巖儲層的“束縛水飽和度”與壓裂后實際含水飽和度做出合理的返排方案：當實際含水飽和度大于“束縛水飽和度”時，就要制定相應的措施提高壓裂液返排率；反之，壓裂液返排率高低不會產生不利影響。

3 結 語

(1) 當壓裂后基質含水飽和度低于頁巖儲層“束縛水飽和度”時，吸收進儲層的流體成為不可動水，不會嚴重影響頁巖氣的產出通道，反而可能會促進基質吸附氣的解吸，從而提高頁巖氣產量。反之，當基質含水飽和度高于頁巖儲層“束縛水飽和度”時，部分流體滯留在孔道和裂縫表面，堵塞頁巖氣流通孔道，從而抑制氣體產出，降低頁巖氣井產能。

(2) 找出頁巖儲層的“束縛水飽和度”是頁巖氣井壓裂液返排分析的關鍵所在，根據頁巖儲層的“束縛水飽和度”與壓裂后實際含水飽和度做出合理的返排方案：當實際含水飽和度大于“束縛水飽和度”時，就要制定相應的措施提高壓裂液返排率；反之，壓裂液返排率高低不會對氣井產能造成明顯不利影響。