頁巖吸水對儲層的作用機理研究

穆 英 胡志明 端祥剛 常 進 李亞龍

1. 中國科學院大學， 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, 北京 100083

0 前言

頁巖氣在中國具有巨大的開發價值與潛力,頁巖儲層致密,具有超低孔滲的特性,常規手段難以開采,大規模水力壓裂技術能夠對儲集層實施改造產生人工裂縫形成裂縫網絡,從而提高儲層滲透率[1-7]。由于頁巖儲層超低含水飽和度和超低孔滲等原因,實際開發過程中壓裂液返排率一般在9%～53%之間,壓裂液的大量滯留導致儲層原始氣水賦存狀態發生改變,同時儲層力學特性的變化導致頁巖儲層結構和物性參數改變,進而影響頁巖氣的開發[8-14]。

目前對頁巖水化作用的研究主要集中在孔隙結構、宏觀裂縫的改變上,主要為定性分析。相關學者聯用多種技術手段對頁巖吸水過程進行研究,發現頁巖吸水能使頁巖發生膨脹作用,降低巖石強度,隨著水化作用時間的延長,微裂縫不斷擴展連通,導致頁巖結構被破壞,原始孔滲條件改變,影響實際開發效果[15-17]。但是現階段關于頁巖水化作用對礦物組分的影響研究較少,缺乏相關定量研究。

本文選取四川盆地長寧—威遠區塊龍馬溪組頁巖樣品,利用高速光學顯微鏡對頁巖吸水過程進行動態監測,定性分析頁巖吸水對儲層結構的影響規律,同時利用X射線衍射技術對浸泡有頁巖樣品的溶液進行離子濃度測量,對比頁巖水化過程中溶液離子濃度變化,定量分析頁巖吸水對礦物組分的影響規律。

1 實驗原理

頁巖主要由細粒碎屑、黏土、有機質等組成,具有頁狀或薄片狀層理,頁巖儲層脆性礦物含量總體較高,其次為黏土礦物及有機質[18]。脆性礦物是影響頁巖基質孔隙與裂縫發育程度以及水力壓裂改造效果的重要因素,脆性礦物容易在外力作用下形成再生裂縫,從而提高儲層滲透率,利于頁巖氣開發。黏土礦物具有較高的孔隙體積和較大的比表面積,能夠為頁巖氣提供一定的吸附位點。同時由于較強的親水性,黏土礦物可以在晶體表面直接吸附水分子或通過吸附的可交換性陽離子間接吸附水分子,從而導致頁巖水化[19-20]。由于熱解生烴等原因,干酪根等有機質中微納米孔隙大量發育,是頁巖氣的主要儲存空間,同時由于水分子與含氧官能團之間的氫鍵作用以及毛細凝聚現象,水分子仍可少量賦存于頁巖有機孔隙中[21-22]。

水化作用是指水滲透到巖土體的礦物結晶格架中或水分子附著到可溶性巖石的離子上,使巖石結構發生微觀、細觀及宏觀的改變,減小了巖土體的內聚力[23-24]。水化作用的強度和效果與頁巖礦物類型、作用時間和壓裂液的成分等因素相關,水化作用導致非黏土礦物脫落產生大量無機孔隙,黏土礦物中伊利石和伊/蒙混層中的Na+、K+、Ca2+等陽離子會水化溶解,當水排出后這些陽離子聚集在黏土礦物表面,使得無機礦物與有機質之間的裂縫變寬[25-26]。

2 樣品及方法

X射線衍射技術是用X光透過物質的結晶體,使其在照片底片上衍射出晶體圖案的技術。X射線衍射可以看作是晶體內部相互平行、彼此相鄰的原子面對入射的反射。由于不同黏土礦物的晶面間距d不同,所以,利用Bragg方程式(nλ=2dsinθ,λ為入射X射線波長,n為反射級次,d為晶面間距,θ為布拉格角或掠射角),固定X射線波長λ,根據產生衍射線的θ值,就可以計算出d值,據此d值便可以進行礦物相的分析鑒定。

2.1 樣品選擇

實驗主要包括頁巖吸水過程動態監測與礦物組分分析。樣品選擇四川盆地長寧—威遠區塊龍馬溪組頁巖樣品,人工制片進行吸水過程動態監測。選取4塊代表性柱狀樣品及伊利石、綠泥石純物質進行X射線衍射實驗,實驗用水選用去離子水,X射線衍射實驗樣品參數見表1。

2.2 實驗方法

頁巖吸水動態監測實驗選取無結構性破壞的完整頁巖薄片,前期使用大目砂紙磨平,后期使用小型銼刀磨薄至0.3 mm左右,利用3 MPa氮氣吹掃樣品表面粉末,制片完成后置于高速光學顯微鏡下固定,之后在頁巖薄片邊緣滴水,實時監測頁巖動態吸水過程。

表1 頁巖樣品礦物組分參數表

X射線衍射實驗步驟包括制片、上機檢測、數據處理等,本實驗涉及全巖分析檢測及黏土分析檢測,不同實驗樣品檢測方法不同,對于全巖分析檢測,取樣量一般不低于5 g,對于黏土純物質分析檢測,取樣量一般不低于50 g。

3 結果與分析

3.1 儲層結構變化

利用高速光學顯微鏡對頁巖薄片同一位置進行動態觀測,能夠清晰辨認出黃鐵礦等礦物組分及微觀損傷,見圖1，同時,動態監測能夠記錄頁巖薄片動態吸水過程見圖2。觀察發現,頁巖薄片邊緣滴水后樣品緩慢吸水,水分通過優勢吸水通道進入頁巖內部,吸水后期隨著頁巖膨脹變形等作用,頁巖薄片在優勢吸水通道附近瞬間出現聯通裂縫。

圖1 光學顯微鏡觀測頁巖薄片圖Fig.1 Optical microscope observation of shale slice

a)前期優勢吸水a)Prophase superior water absorption

b)后期裂縫產生b)Anaphase formation of crack

滲吸是巖石孔隙中的一種潤濕性流體在毛管壓力作用下自發地取代另一種非潤濕性流體的過程[27]。由于頁巖儲層具有原生層理及裂縫,這些結構成為頁巖吸水的前期優勢通道,水分主要利用這些通道快速進入頁巖內部,隨后進入緩慢滲吸過程。當頁巖充分吸水后,水化作用導致頁巖部分礦物溶解或水化,黏土礦物等組分吸水膨脹使得儲層應力增大,脆性礦物被壓裂產生更多裂縫,進而導致原生裂縫與次生裂縫形成更大范圍的縫網結構。

3.2 離子濃度變化

利用X射線衍射分析設備,定期測量浸泡有頁巖柱狀樣品的去離子水中不同離子濃度,獲取溶液中離子濃度變化曲線,進而分析頁巖樣品礦物組分變化規律。柱狀樣品浸泡溶液離子濃度變化見圖3。

對黏土礦物進行浸泡實驗,定期測量浸泡有伊利石、綠泥石等黏土礦物的去離子水中不同的離子濃度,獲取溶液中離子濃度變化曲線,能夠分析頁巖吸水過程中黏土礦物的含量變化規律。黏土礦物浸泡溶液離子濃度變化見圖4。

a)樣品1a)Sample 1

b)樣品2b)Sample 2

c)樣品3c)Sample 3

d)樣品4d)Sample 4

a)伊利石a)Illite

b)綠泥石b)Chlorite

3.3 礦物組分變化

利用X射線衍射分析設備,對水化前后頁巖柱狀樣品進行全巖礦物分析,通過頁巖樣品水化前后礦物組分的不同,獲取水化作用對頁巖礦物組分變化的影響規律。水化作用前后頁巖柱狀樣品礦物組分占比變化見圖5。

a)樣品1a)Sample 1

b)樣品2b)Sample 2

c)樣品3c)Sample 3

d)樣品4d)Sample 4

研究發現,水化作用前后,石英占比普遍增大,鉀長石與斜長石占比存在小范圍波動,鐵白云石占比普遍減小,黏土礦物占比變化規律并不明確。分析認為,石英主要成分為SiO2,化學性質穩定,極難溶于水中,因此隨著其他礦物組分的水化,石英在頁巖礦物組分中的占比增大。長石是一類含鈣、鈉和鉀的鋁硅酸鹽礦物,能夠部分溶解或水化,因此含量占比存在一定波動。鐵白云石是一種微溶于水的碳酸鹽礦物,在去離子水中能夠部分溶解。黏土礦物是一類鋁硅酸鹽礦物,具有較強的吸水能力,含量占比變化規律不明,樣品1、樣品2黏土占比出現較大幅度降低,樣品3、樣品4的黏土占比出現小幅度升高,表明黏土礦物并非唯一與水發生作用的礦物組分,部分礦物的溶解或水化強度高于黏土礦物的水化強度。進一步發現,當樣品中鐵白云石占比較高時(樣品3、樣品4),黏土礦物占比在實驗結束后出現一定程度上升,表明鐵白云石溶解強度大于黏土水化作用強度。

4 結論

1)水在黏土礦物等組分的吸水能力作用下通過原生裂縫快速進入頁巖內部,隨后發生緩慢滲吸過程,礦物溶解及水化作用的進行導致頁巖在原生裂縫附近產生新的次生裂縫。

3)鐵白云石等脆性礦物的溶解強度明顯高于黏土礦物的水化作用強度,分析認為脆性礦物溶解與黏土水化作用共同導致頁巖吸水前后礦物組分改變。

4)通過定性與定量分析頁巖吸水過程儲層結構與礦物組分的變化,初步獲取了頁巖吸水對頁巖結構與組分的影響規律,以期指導實際生產開發。