頁(yè)巖氣藏壓裂液滲吸影響因素分析

嚴(yán) 樂(lè)

（西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

與常規(guī)油氣儲(chǔ)層相比，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有低孔、超低滲、開(kāi)發(fā)難度大等特點(diǎn)，目前常采用體積壓裂方法對(duì)該儲(chǔ)層進(jìn)行有效開(kāi)發(fā)[1]。所謂的體積壓裂[2]就是通過(guò)壓裂的手段在地層中形成多條人工裂縫，進(jìn)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(jìn)一步形成更細(xì)小的微裂縫，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)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(guò)程中常常存在壓裂液返排困難、注入流體剩余量大等問(wèn)題，而頁(yè)巖氣儲(chǔ)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(yè)巖氣儲(chǔ)層的滲吸過(guò)程、明晰影響頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的滲吸因素對(duì)于認(rèn)識(shí)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層及該類(lèi)儲(chǔ)層體積壓裂設(shè)計(jì)具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外不乏頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的滲吸機(jī)理的研究成果，楊柳[5]、DEHGHANPOUR[6]等利用電導(dǎo)率儀記錄了自發(fā)滲吸過(guò)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(yè)巖氣儲(chǔ)層滲吸過(guò)程的重要因素；ROYCHAYDHURI[7]等針對(duì)北美頁(yè)巖進(jìn)行了室內(nèi)滲吸實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明壓裂液的滲吸過(guò)程受頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中親水的黏土礦物和親油的有機(jī)質(zhì)的影響較大；雷征東[8]等建立了不同因素影響下頁(yè)巖儲(chǔ)層滲吸數(shù)學(xué)模型，定量評(píng)估了滲吸過(guò)程引起的地層傷害；屈亞光[1]等在常溫下開(kāi)展壓裂液的滲吸與返排實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層巖石中的含水飽和度對(duì)滲吸作用有較大影響，當(dāng)頁(yè)巖巖心含水飽和度高于30%時(shí)，氣體滲流通道會(huì)被多出的水所占據(jù)，從而影響頁(yè)巖儲(chǔ)層的滲吸作用。王晶[9]等利用多級(jí)壓裂水平井裂縫模型提出了頁(yè)巖氣井壓裂后含水飽和度分布的計(jì)算方法，分析了不同基質(zhì)含水飽和度對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層滲吸生產(chǎn)的影響，研究結(jié)果表明原始含水飽和度對(duì)氣井的滲吸穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間起決定性作用。CHAHARDOWLI[10]等研究發(fā)現(xiàn)在水濕的頁(yè)巖巖心的滲吸實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)干巖心與滲吸液接觸時(shí)，毛管力作用對(duì)巖心產(chǎn)生的拉力使得巖心質(zhì)量發(fā)生驟變進(jìn)而對(duì)滲吸過(guò)程產(chǎn)生相當(dāng)程度的影響，可通過(guò)改變巖石表面的潤(rùn)濕性來(lái)提高滲吸采收率。基于以上研究成果，本文針對(duì)鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組致密頁(yè)巖氣儲(chǔ)層利用質(zhì)量法開(kāi)展室內(nèi)滲吸實(shí)驗(yàn)，闡明了黏土礦物含量、總有機(jī)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(shí)驗(yàn)建立

1.1 前期準(zhǔn)備

與砂巖不同，頁(yè)巖結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，容易斷裂，在滲吸實(shí)驗(yàn)之前，將較硬的頁(yè)巖樣品切成圓柱狀，較脆的頁(yè)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(shí)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(shí)驗(yàn)樣品

本實(shí)驗(yàn)3 塊巖心均取自鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組頁(yè)巖儲(chǔ)層，巖心平均長(zhǎng)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(jiàn)表1，全巖礦物分析結(jié)果見(jiàn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)采用質(zhì)量法進(jìn)行滲吸實(shí)驗(yàn)[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(dāng)頁(yè)巖孔隙中的氣體被流體置換后，巖樣的質(zhì)量會(huì)發(fā)生改變，采用梅特勒高精度天平（萬(wàn)分之一）可記錄巖心重量隨時(shí)間的變化。利用記錄的巖心體積、流體密度和孔隙度等將測(cè)得的重量值轉(zhuǎn)換為流體飽和度，以便后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

本實(shí)驗(yàn)中使用的壓裂液為清水+0.1%增黏劑+2%KCl，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水，并以蒸餾水作為對(duì)照組分別在室溫25 ℃和較高實(shí)驗(yàn)溫度70 ℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直至巖樣重量不再改變實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

2 結(jié)果分析

2.1 礦物成分的影響

實(shí)驗(yàn)根據(jù)滲吸時(shí)間與巖心吸水重量的變化分析影響頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂液滲吸的影響因素，礦物成分對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層滲吸過(guò)程的影響如圖1所示。

由圖1可知，黏土礦物含量對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層滲吸有較大影響，隨著頁(yè)巖儲(chǔ)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(qiáng)，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(qiáng)，因此高黏土礦物含量的巖樣中滲吸能力更強(qiáng)。

圖1 黏土礦物對(duì)頁(yè)巖滲吸的影響

2.2 總有機(jī)碳含量的影響

實(shí)驗(yàn)研究了總有機(jī)碳含量（TOC）對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂液滲吸作用的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，總有機(jī)碳含量對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的滲吸過(guò)程有一定的影響，對(duì)于孔隙度相差不大的實(shí)驗(yàn)巖樣，TOC含量越低的巖樣其滲吸過(guò)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(duì)頁(yè)巖滲吸的影響

2.3 溫度的影響

以1 號(hào)巖心為例，實(shí)驗(yàn)分別在25 ℃和70 ℃條件下進(jìn)行滲吸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度對(duì)頁(yè)巖滲吸的影響

由圖3可知，隨著溫度的升高，頁(yè)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(yè)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(dòng)力毛細(xì)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(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂液滲吸有較大影響，隨著頁(yè)巖儲(chǔ)層中黏土礦物含量的增加，頁(yè)巖巖樣的滲吸作用增強(qiáng)。

2）對(duì)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(yè)巖巖樣滲吸效果較差，其主要原因是由于高溫降低了頁(yè)巖巖心與流體之間的界面張力，使得滲吸的驅(qū)動(dòng)力毛管力降低。