陳劉瑜，李希建，畢 娟，張 培，魏澤云，華攸金

水力壓裂中支撐劑對(duì)黔北頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的影響*

陳劉瑜1,2,3，李希建1,2,3，畢 娟1,2,3，張 培1,2,3，魏澤云1,2,3，華攸金1,2,3

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.復(fù)雜地質(zhì)礦山開(kāi)采安全技術(shù)工程中心，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.貴州大學(xué) 瓦斯災(zāi)害防治與煤層氣開(kāi)發(fā)研究所，貴州 貴陽(yáng) 550025)

為獲得黔北頁(yè)巖水力壓裂過(guò)程中使用支撐劑對(duì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)（孔喉和孔徑）的影響，以貴州省鳳岡風(fēng)參1井（FC-1）頁(yè)巖樣品為研究對(duì)象，分別在不同濃度支撐劑配比的壓裂液下進(jìn)行頁(yè)巖水力壓裂實(shí)驗(yàn)，并分析頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)隨支撐劑壓裂液濃度的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：清水壓裂后頁(yè)巖孔隙的大孔喉變化很小，小孔喉分布增多，壓裂對(duì)孔隙孔徑的影響較小；清水+支撐劑壓裂液壓裂后孔喉分布主要都集中在小孔徑位置，無(wú)論是孔隙的孔喉還是孔徑，使用清水+1%陶粒支撐劑壓裂后，大孔喉和大孔徑的占有率均較高，頁(yè)巖滲透率最大；清水+1%陶粒支撐劑壓裂效果較理想，可以作為黔北地區(qū)頁(yè)巖氣開(kāi)采水力壓裂過(guò)程中的目標(biāo)壓裂液。

頁(yè)巖氣；水力壓裂；陶粒支撐劑；孔隙結(jié)構(gòu)

頁(yè)巖氣作為一種新型能源，表現(xiàn)出賦存潛力大、自生自儲(chǔ)能力強(qiáng)、低滲透性等特點(diǎn)[1]。在資源日益困乏的當(dāng)下，想要保證能源滿足市場(chǎng)需求，必需提高頁(yè)巖氣的開(kāi)采能力。目前，世界各油氣田的頁(yè)巖氣開(kāi)采主要以水力壓裂技術(shù)為主[2-3]。針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層多以微米和納米級(jí)孔隙為主的特點(diǎn)[4]，其作為頁(yè)巖氣儲(chǔ)集的主要場(chǎng)所，也是頁(yè)巖氣的運(yùn)移通道，對(duì)頁(yè)巖氣的吸附、解吸和滲流起著重要的作用[5-6]。水力壓裂體積改造技術(shù)致使頁(yè)巖孔隙和裂縫網(wǎng)等頁(yè)巖氣的運(yùn)移通道發(fā)生變化，進(jìn)而達(dá)到提升頁(yè)巖氣采收率的目的[7]。

然而，在水力壓裂的過(guò)程中，單純的用清水壓裂很可能會(huì)造成一系列的問(wèn)題，如壓裂效果差，產(chǎn)生嚴(yán)重的水鎖效應(yīng)等。因此考慮如何配比壓裂液對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行壓裂，已成為頁(yè)巖水力壓裂抽采的關(guān)鍵。對(duì)水力壓裂過(guò)程中支撐劑對(duì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)改造的研究不僅對(duì)頁(yè)巖氣提高采收率有實(shí)際意義，而且可以為其他地方的頁(yè)巖氣開(kāi)采提供理論參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)物料

（1）試驗(yàn)樣品。頁(yè)巖樣品取自貴州省鳳岡縣風(fēng)參1井，樣品屬于牛蹄塘組黑色有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，參照GB/T19145-2003為檢測(cè)依據(jù)在貴州省煤田地質(zhì)局進(jìn)行礦物質(zhì)參數(shù)測(cè)定，頁(yè)巖標(biāo)號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表1。

（2）試驗(yàn)設(shè)備。水力壓裂設(shè)備主要是由增壓系統(tǒng)、記錄儀和壓裂系統(tǒng)構(gòu)成，增壓系統(tǒng)是為整個(gè)壓裂過(guò)程中提供中心壓力和圍壓。水力壓裂裝置框架如圖1所示。

（3）支撐劑選擇。本試驗(yàn)支撐劑選擇從強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、性價(jià)比高等方面考慮，選取燒結(jié)陶粒作為支撐劑。

圖1 水力壓裂裝置框架圖

1.2 試驗(yàn)方案

（1）頁(yè)巖樣品水力壓裂前/后在貴州省煤田地質(zhì)局進(jìn)行核磁共振物性實(shí)驗(yàn)[8]，測(cè)試儀器為MesoMR23-060H-I。進(jìn)行滲透率物性測(cè)試[9]，測(cè)試儀器為美國(guó)巖心公司的PoroPDP。

（2）水力壓裂過(guò)程中壓裂液分清水壓裂液和（清水+不同濃度支撐劑）混合壓裂液。

（3）試驗(yàn)共分為4組：第1組為清水壓裂，第2組為清水+0.5%陶粒支撐劑壓裂液、第3組為清水+1%陶粒支撐劑壓裂液、第4組為清水+2%陶粒支撐劑壓裂液。

1.3 水力壓裂試驗(yàn)步驟

（1）將制備好的頁(yè)樣浸泡于12%的鹽酸中12 h[8-11]，取出頁(yè)樣并擦拭中心孔內(nèi)及表面的酸液，對(duì)頁(yè)樣封膠處理后靜置12 h后，把其裝入腔體內(nèi)，使用螺旋裝置固定頁(yè)樣，在中間容器中加入目標(biāo)壓裂液，升高溫度至55℃，使整個(gè)樣品處于模擬地層條件下的溫度。

（2）先通過(guò)環(huán)壓、軸壓泵增大壓力，圍壓與軸壓的施加大小為：0~5 MPa，5~10 MPa，10~12 MPa；使整個(gè)頁(yè)巖樣品處在模擬地層條件下的壓力，假設(shè)四周的壓力相等。再通過(guò)壓裂泵從頁(yè)巖樣品的中心施加中心孔壓，大小為：0~3 MPa，3~6 MPa，6~9 MPa，9~10 MPa，之后接著升高壓力，然后把壓力憋住持續(xù)12 h，一直到壓裂為止，壓裂壓力記錄儀記錄整個(gè)壓裂過(guò)程中的圍壓和中心孔壓，當(dāng)樣品壓裂后，圍壓和中心孔壓都會(huì)下降。每增大1 MPa保持0.5 h。

（3）水力壓裂完成后，對(duì)頁(yè)巖樣品進(jìn)行核磁共振和滲透率的物性測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 清水壓裂對(duì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的影響

圖2為清水壓裂前后孔喉/孔徑分布圖，從圖 2（a）可以看出壓裂前后的孔喉變化，在水力壓裂前，孔喉主要分布在0~0.1 μm之間，占了76%；而0.1~0.16 μm之間只有16.2%，0.16~0.25 μm只有7%，1.6~10 μm之間總共才占了不到0.5%左右，分別是1.6~2.5 μm為0.036%，2.5~4 μm為0.19%，4~ 6.3 μm為0.38%，6.3~10 μm為0.08%。而水力壓裂之后，孔喉分布主要都是在大孔喉處，0~0.1 μm的孔喉分布為68.5%，0.1~0.16 μm為18.7%，0.16~0.25 μm為11.6%；而對(duì)于小孔喉是增多了，主要存在于2.5~25 μm中，小孔喉分布占了9%左右，分別為2.5~4 μm為0.02%，4~6.3 μm為0.38%，6.3~10 μm為0.33%，10~16 μm為0.22%，16~25 μm為0.09%。說(shuō)明壓裂后大孔喉變化不是很大，但是小孔喉增多。從圖2（b）得出孔徑分布規(guī)律，水力壓裂前/后孔徑的分布主要都是集中在0.01~0.5 μm之間，水力壓裂前后孔徑分布的變化很小，幾乎無(wú)法從肉眼看出來(lái)，從上述的孔徑分布可以得到，壓裂前后的孔徑變化都是存在于小孔徑的變化，所以，孔徑的分布從宏觀的角度上看，變化量不是很大。

圖2 清水壓裂前后孔喉/孔徑分布

圖3為清水壓裂前/后頁(yè)巖T2譜圖。從圖3中可以看出，水力壓裂前后T2譜圖的變化，從左往右出現(xiàn)了3個(gè)峰，第1個(gè)峰是由于在頁(yè)巖樣品的正中間制作了一個(gè)小孔滿足壓裂實(shí)驗(yàn)條件，造成核磁共振儀器誤認(rèn)為是天然的孔喉，所以出現(xiàn)了一個(gè)峰。核磁共振表征的是頁(yè)巖樣品中的可流動(dòng)水和束縛水的含量多少，第1個(gè)峰對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果并不造成影響，可以算成是束縛水的含量。第2個(gè)峰表示的是束縛水含量。第3個(gè)峰表示的是可流動(dòng)水含量。從水力壓裂前后的T2譜圖看出，壓裂前的束縛水含量為98.142%，而壓裂后的束縛水飽和度為98.988%，束縛水飽和度增大了0.846%。

圖3 清水壓裂前/后頁(yè)巖孔隙T2譜圖

2.2 清水+支撐劑對(duì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)影響

清水+支撐劑壓裂實(shí)驗(yàn)壓裂后的孔喉/孔徑分布如圖4所示。從圖4（a）中可以看出，在清水+0.5%支撐劑壓裂中，孔喉分布主要還是在孔喉半徑比較小的位置，0~0.1 μm占了79.099%，0.1~0.16 μm占了14.3%，0.16~0.25 μm占了5.433%，0.63~4 μm稍大的孔喉半徑中占了大約1%左右，主要集中在1~2.5 μm之間。而在清水+1%支撐劑壓裂中，孔喉分布規(guī)律和清水+0.5%支撐劑壓裂基本一致，主要分布在孔喉半徑較小的位置，0~0.1 μm占了93.3%，0.1~0.16 μm占了2.07%，0.4~6.3 μm稍大孔徑中占了4.45%，主要集中在0.63~4 μm之間。在清水+2%支撐劑壓裂中，孔喉分布規(guī)律和前兩者的規(guī)律大體一致，0~0.1 μm占了94.86%，0.1~0.16 μm占了0.005%，0.25~4 μm稍大孔喉半徑中占了4.86%，主要集中在0.4~2.5 μm之間。三者的孔喉分布主要都集中在小孔徑位置，但是，在大孔喉區(qū)域，清水+1%支撐劑占有率最高。

圖4 清水+支撐劑壓裂后頁(yè)巖孔隙孔喉/孔徑分布

從圖4（b）中可以看出，在清水+0.5%支撐劑壓裂中，孔徑分布主要集中在0.01~0.5 μm，少部分集中在1~5 μm之間。在清水+1%支撐劑壓裂中，孔徑分布主要集中在0.01~0.2 μm，少部分集中在0.7~7 μm之間。而清水+2%支撐劑壓裂中，孔徑的分布和上述兩者規(guī)律相似，主要是集中在0.005~0.1 μm之間，少部分集中在0.5~5 μm之間?？讖椒植贾饕技性谛】讖街g，但是在大孔徑中，清水+1%支撐劑的孔徑分布占有率最高。

清水+支撐劑壓裂實(shí)驗(yàn)壓裂后的頁(yè)巖T2譜如圖5所示。由圖5（a）可知，在清水+0.5%支撐劑壓裂中，可流動(dòng)水含量為3.486%，束縛水含量為96.514%。由圖5（b）得在清水+1%支撐劑壓裂中，可流動(dòng)水含量為5.395%，束縛水含量為94.605%。由圖5（c）可看出清水+2%支撐劑壓裂中，可流動(dòng)水含量為4.015%，束縛水含量為95.985%。可流動(dòng)水含量大小為（清水+1%支撐劑）＞（清水+2%支撐劑）＞（清水+0.5%支撐劑）。

圖5 清水+支撐劑壓裂后頁(yè)巖孔隙T2譜圖

通過(guò)滲透率物性實(shí)驗(yàn)，清水+0.5%支撐劑壓裂后的滲透率為0.26328 md；清水+1%支撐劑壓裂后的滲透率為0.40746 md；清水+2%支撐劑壓裂后的滲透率為0.30323 md。

綜上所述，采用滲透率和核磁共振物性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)測(cè)試壓裂后頁(yè)巖滲透率結(jié)果和使用孔喉/孔徑等表征出來(lái)的結(jié)果存在一致性，驗(yàn)證了試驗(yàn)的合理性。得出清水+1%支撐劑作為混合壓裂液對(duì)頁(yè)巖壓裂效果較為理想。因此，文中得出的清水+1%陶粒支撐劑混合壓裂液可作為今后黔北地區(qū)頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中進(jìn)行水力壓裂的目標(biāo)壓裂液。

3 結(jié) 論

（1）使用清水壓裂時(shí)，頁(yè)巖孔隙的大孔喉變化很小，而小孔喉分布增多，壓裂對(duì)孔隙孔徑的影響較小。

（2）清水+支撐劑壓裂液壓裂后孔喉分布主要集中在小孔徑位置，無(wú)論是孔隙孔喉還是孔徑，使用清水+1%支撐劑壓裂后，大孔喉和大孔徑的占有率均較高，頁(yè)巖滲透率最大。在水力壓裂中合適的支撐劑可以增大頁(yè)巖的滲透率。

（3）清水+1%支撐劑壓裂液壓裂頁(yè)巖效果較理想，可以作為黔北地區(qū)頁(yè)巖氣開(kāi)采水力壓裂過(guò)程中目標(biāo)壓裂液。

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(2018-11-22)

陳劉瑜(1991—)，男，貴州畢節(jié)人，碩士研究生，從事煤礦瓦斯治理及礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，Email：1533941266 @qq.com。

李希建(1967—)，男，湖南張家界人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事煤礦安全技術(shù)、煤礦瓦斯治理及煤層氣和頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)等，Email：575914635@qq.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51874107）；貴州省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（黔科合平臺(tái)人才[2018]5781號(hào)）；貴州省重大應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（黔科合JZ字[2014]2005）.