修乃嶺 嚴(yán)玉忠 盧擁軍 王 臻 竇晶晶 駱 禹

(中石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院， 河北 廊坊 065007)

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液體浸潤(rùn)對(duì)頁巖裂縫氣體流動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)研究

修乃嶺 嚴(yán)玉忠 盧擁軍 王 臻 竇晶晶 駱 禹

(中石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院， 河北 廊坊 065007)

為研究液體滯留對(duì)無支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響，選取志留系龍馬溪組地層巖心，開展無支撐單裂縫、多裂縫巖樣液體浸潤(rùn)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液體浸潤(rùn)會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷頁巖裂縫滲透率，浸潤(rùn)時(shí)間越長(zhǎng)，氣體流動(dòng)能力損傷越大，液體越難以驅(qū)動(dòng)，氣體滲透率達(dá)到最大值的時(shí)間越長(zhǎng)。分析認(rèn)為，液體滯留在巖樣裂縫表面形成水膜，使裂縫寬度減小，從而影響氣體流動(dòng)能力，同時(shí)，液體對(duì)裂縫內(nèi)微小礦物顆粒浸泡后，顆粒吸水膨脹也是造成巖樣裂縫滲透率減小的一個(gè)原因。

頁巖； 裂縫； 滲透率； 浸潤(rùn)

四川盆地南部志留系龍馬溪組頁巖氣資源分布廣泛，具有廣闊的勘探開發(fā)前景[1]，但由于頁巖儲(chǔ)層孔隙度、滲透率極低，必須依靠水力壓裂才能獲得工業(yè)氣流[2-3]。針對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層超低孔低滲的特點(diǎn)，以增大儲(chǔ)層改造體積、增加裂縫與儲(chǔ)層接觸面積、產(chǎn)生復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫為目的，形成了具有“大液量、大排量、低砂比、段塞式加砂、滑溜水注入”特征的體積壓裂技術(shù)[4]。體積壓裂形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)雖可改善儲(chǔ)層的滲流條件，但也造成了頁巖儲(chǔ)層壓裂液返排率低的問題[5-6]。滯留在儲(chǔ)層的液體浸潤(rùn)裂縫面，致使頁巖儲(chǔ)層巖石物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化[5]，從而影響裂縫的滲透率和氣體的流動(dòng)能力。前人對(duì)液體對(duì)頁巖滲透率的影響進(jìn)行了相關(guān)研究，國內(nèi)學(xué)者主要探討的是液體作用后對(duì)儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性的影響[7-8]及壓裂液滯留對(duì)頁巖裂縫應(yīng)力敏感性的影響[9]，國外學(xué)者開展了液體對(duì)頁巖裂縫導(dǎo)流能力傷害的研究[10-11]，而對(duì)液體滯留時(shí)間對(duì)氣體在裂縫中流動(dòng)能力的影響研究甚少。為此，本次研究以志留系龍馬溪組儲(chǔ)層頁巖為研究對(duì)象，開展了無支撐裂縫液體浸潤(rùn)巖樣滲透率隨浸潤(rùn)時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)，以期認(rèn)識(shí)液體浸潤(rùn)對(duì)頁巖儲(chǔ)層裂縫滲透率及氣體流動(dòng)能力的影響，為有效保護(hù)儲(chǔ)層提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及樣品制備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

巖樣選取： 實(shí)驗(yàn)選取志留系龍馬溪組儲(chǔ)層的富有機(jī)質(zhì)頁巖。采用x射線衍射分析頁巖巖樣，測(cè)得該頁巖儲(chǔ)層的平均黏土礦物含量約為52.5%，石英含量為34.3%，斜長(zhǎng)石含量為10.6 %，黃鐵礦含量為2.6 %。

實(shí)驗(yàn)流體：浸潤(rùn)裂縫的液體為2% KCl水溶液；氣體為高純氮?dú)狻?/p>

1.2 樣品制備

在全直徑巖心上鉆取直徑2.5 cm，高5.0 cm的巖心柱。對(duì)于需要制造單裂縫的樣品，直接利用巴西劈裂法進(jìn)行人工造縫，形成的人工裂縫為沿巖樣軸線的單條裂縫(A樣品)如圖1所示；對(duì)于要造出分支裂縫的樣品，利用熱縮套密封樣品，先利用三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在一定圍壓下軸向加載至巖心破壞，然后再利用巴西劈裂法進(jìn)行造縫，產(chǎn)生多條微裂縫(B樣品)如圖1所示，以模擬頁巖儲(chǔ)層多分支裂縫。

圖1 不同裂縫發(fā)育巖樣巖心端面

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和步驟

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

含裂縫巖樣液體浸潤(rùn)評(píng)價(jià)裝置示意圖見圖2。本次研究采用的圍壓加載設(shè)備為TerraTek 公司生產(chǎn)的滲流應(yīng)力耦合擬三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)口端采用高壓氣瓶，以高純氮?dú)鉃闈B流流體介質(zhì)，模擬地層頁巖氣體的產(chǎn)出，出口端連接ISCO泵，反方向向頁巖樣品的裂縫中注入實(shí)驗(yàn)用液體，模擬壓裂液體對(duì)裂縫的浸潤(rùn)，采用皂泡流量計(jì)測(cè)量出口端氣體流量。

圖2 含裂縫巖樣液體浸潤(rùn)評(píng)價(jià)裝置示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

通過實(shí)驗(yàn)比較液體對(duì)頁巖樣品裂縫浸潤(rùn)不同時(shí)間后氣體滲流能力，評(píng)價(jià)液體浸潤(rùn)作用對(duì)頁巖裂縫滲透率及氣體流動(dòng)能力的影響。具體步驟如下：

(1) 將造好縫的頁巖樣品用生膠帶包裹外圍，置于兩端帽之間，用聚四氟乙烯熱收縮管，將巖樣與端帽依靠收縮管的收縮而靠緊。

(2) 在室溫條件下，將裝配好的頁巖巖樣置于擬三軸系統(tǒng)加壓腔，加圍壓到設(shè)定值(5 MPa)，正向通入高純氮?dú)鉁y(cè)裂縫滲透率的大小。

(3) 關(guān)閉氮?dú)馔ǖ?，反向采用ISCO泵對(duì)加壓腔內(nèi)的頁巖巖樣進(jìn)行注液體飽和，浸潤(rùn)巖樣裂縫面，液體壓力保持2 MPa。

(4) 在浸潤(rùn)一定時(shí)間后，正向通入高純氮?dú)怛?qū)替巖樣中的液體，測(cè)量裂縫氣相滲透率的變化情況，直至2次測(cè)量的滲透率差值相對(duì)值不大于2%，此時(shí)認(rèn)為滲透率已穩(wěn)定。

重復(fù)上述步驟(3)和(4)，測(cè)量液體不同浸潤(rùn)時(shí)間的裂縫氣相滲透率變化。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，依次繪制了液體在不同浸潤(rùn)時(shí)間下，含單裂縫頁巖巖樣A和含多分支裂縫頁巖巖樣B氣相滲透率的變化曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 A樣品液體浸潤(rùn)后氣相滲透率隨時(shí)間的變化曲線

從圖3(a)、圖4(a)可知：頁巖裂縫被液體浸潤(rùn)后，隨著氣體驅(qū)替時(shí)間的增加，裂縫的氣相滲透率逐漸增加，最后趨于一穩(wěn)定值；隨著浸潤(rùn)時(shí)間的增加，氣相滲透率達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也在增加，說明浸潤(rùn)時(shí)間越長(zhǎng)，裂縫中液體越難以驅(qū)替； A樣品和B樣品驅(qū)替曲線形態(tài)不同，這是由于B樣品含多個(gè)分支縫，寬度較大的裂縫中的液體先被驅(qū)替處理，寬度較小的裂縫中的液體后被驅(qū)替處理，使得B樣品裂縫氣相滲透率隨驅(qū)替時(shí)間的變化曲線呈倒“S”形。根據(jù)圖3(b)、圖4(b)可知，隨著浸潤(rùn)時(shí)間的增加，裂縫的氣相滲透率降低，氣體在裂縫中的流動(dòng)能力降低。

液體浸潤(rùn)后，頁巖巖樣滲透率損失率Sk為：

(1)

式中：Sk—— 滲透率損失率；

kg—— 液體浸潤(rùn)前頁巖樣品裂縫氣相滲透率，10-3μm2；

kt—— 液體浸潤(rùn)t時(shí)間后頁巖樣品裂縫氣相滲透率，10-3μm2。

滲透率損失率與液體浸潤(rùn)時(shí)間關(guān)系如圖5所示。液體浸潤(rùn)的時(shí)間越長(zhǎng)，裂縫的滲透率損失率越大；含多分支裂縫的B樣品滲透率損失率要大于單裂縫的A樣品滲透率損失率。對(duì)比圖3(a)、圖4(a)還可發(fā)現(xiàn)，雖然B頁巖樣品浸潤(rùn)時(shí)間比A樣品浸潤(rùn)時(shí)間短，但B樣品氣體驅(qū)替液體時(shí)，氣相滲透率要達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間卻比A樣品長(zhǎng)，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還表明，雖然多分支裂縫改善了樣品的滲流能力(A樣品浸潤(rùn)前氣相滲透率為29×10-3μm2，B樣品浸潤(rùn)前氣相滲透率為40×10-3μm2)，但經(jīng)過液體浸潤(rùn)后，B樣品的氣相滲透率低于A樣品的氣相滲透率，說明微小分支裂縫越多，液體越難以返排，對(duì)氣體在裂縫中流動(dòng)能力的影響越大。

圖4 B樣品液體浸潤(rùn)后氣相滲透率隨時(shí)間的變化曲線

圖5 滲透率損失率與液體浸潤(rùn)時(shí)間關(guān)系

3.2 結(jié)果分析

液體在泵壓下進(jìn)入裂縫，沖蝕裂縫里的微粒，遇到裂縫面的嚙合處，微粒形成堆積，滲流通道被堵塞，同時(shí)，液體滯留于頁巖裂縫表面形成水膜[12]，使裂縫寬度變小，從而影響頁巖裂縫的滲透率。另外，頁巖樣品含有約52.5%的黏土礦物，液體滯留在裂縫內(nèi)，黏土礦物吸水發(fā)生膨脹，造成裂縫寬度減小，這也是裂縫滲透率降低的一個(gè)重要原因。

4 結(jié) 語

(1) 液體的浸潤(rùn)對(duì)頁巖裂縫的滲透率有重要影響，會(huì)降低氣體在裂縫中的滲流能力，浸潤(rùn)時(shí)間越長(zhǎng)，液體返排越困難，裂縫中氣體流動(dòng)能力越弱。

(2) 微小裂縫的存在，增加了液體的返排難度，分支裂縫越多，裂縫面積越大，液體越難以返排，液體的滯留對(duì)裂縫中氣體流動(dòng)能力有很大影響。

(3) 選擇合適的壓裂液，降低其對(duì)裂縫的浸潤(rùn)程度，提高壓裂液的返排率及返排速度，降低液體對(duì)裂縫中氣體流動(dòng)能力的傷害對(duì)頁巖氣的生產(chǎn)至關(guān)重要。

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Experimental Research on Influence of Fluid Infiltration on Gas Flow in Shale Fracture

XIUNailingYANYuzhongLUYongjunWANGZhenDOUJingjingLUOYu

(Langfang Branch, Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Langfang Hebei 065007, China)

In order to research the influence of fluid immersion on gas flow in the fracture, this paper takes shale samples from Longmaxi formation to conduct the experiments of fluid infiltration for unsupported crack and multi-fracture rock. Experimental results show that fluid infiltration can severely damage the shale fracture permeability: the longer the infiltration time, the greater the damage of gas flow ability in fracture, with more difficulty to displace, the longer for gas permeability to reach maximum data. It is considered by analysis that fluid stayed in fracture can form a water film in the surface of fracture, which makes the fracture width decrease, and thus affects the gas flow capacity. Meanwhile, tiny mineral grains soaking in liquid in fractures make the particles expansion, and that is also one of the reasons that decrease permeability of the fracture.

shale; fracture; permeability; fluid infiltration

2017-01-10

國家科技重大專項(xiàng)“頁巖氣儲(chǔ)層增產(chǎn)改造技術(shù)研究”(2011ZX05018-004)；國家“973”計(jì)劃項(xiàng)目“中國南方海相頁巖氣高效開發(fā)的基礎(chǔ)研究”(2013CB228004)

修乃嶺(1981 — )，男，工程師，研究方向?yàn)閹r石力學(xué)。

TE258

A

1673-1980(2017)03-0024-03