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頁巖水化及水鎖解除機(jī)制

2021-07-20 07:22:58曾凡輝張薔郭建春曾波張宇何頌根
石油勘探與開發(fā) 2021年3期
關(guān)鍵詞:伊利石巖樣蒙脫石

曾凡輝,張薔,郭建春,曾波,張宇,何頌根

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610500;2.中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院,成都 610056;3.中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院,成都 618000)

0 引言

頁巖氣作為常規(guī)油氣重要的接替資源,影響著各國能源戰(zhàn)略格局,頁巖氣開發(fā)得到了越來越廣泛的關(guān)注[1-2]。頁巖由細(xì)粒沉積物構(gòu)成,富含黏土礦物與有機(jī)質(zhì),廣泛發(fā)育微納米孔隙,儲(chǔ)集層非均質(zhì)性強(qiáng)?;诿?xì)管力的自發(fā)滲吸驅(qū)氣是提高頁巖氣井產(chǎn)量的重要機(jī)理[3-4]。壓裂施工過程中,壓裂液侵入導(dǎo)致近井地帶含水飽和度增加,孔隙中氣水界面的毛細(xì)管阻力增加,賈敏效應(yīng)增強(qiáng),壓裂液流動(dòng)不暢,易發(fā)生水鎖效應(yīng)[5],但水鎖是一種瞬態(tài)現(xiàn)象。頁巖自吸作用強(qiáng)烈,壓裂液擴(kuò)散能力良好。在親水小孔隙的毛細(xì)管力作用下,原本滯留在頁巖氣流動(dòng)通道中的壓裂液將擴(kuò)散進(jìn)儲(chǔ)集層基質(zhì),流動(dòng)通道逐步開放,即水鎖解除[6]。張磊等[7]通過格子Boltzmann模型模擬微納米級(jí)孔隙中氣驅(qū)水,發(fā)現(xiàn)氣體在大孔道形成連續(xù)相后難以驅(qū)替小孔道內(nèi)的水,形成水鎖傷害,阻礙頁巖氣產(chǎn)出;Cheng等[8]認(rèn)為壓裂液自吸進(jìn)入基質(zhì)孔隙中,可逆向滲吸置換出氣體。由此可見,頁巖豐富的微納米孔隙結(jié)構(gòu)具有一定的自吸能力和擴(kuò)散能力,這決定了水鎖解除的潛力。而頁巖的吸水特性很大程度上受微納米孔隙的數(shù)目、尺寸、體積、孔縫連通性等因素的影響[9]。

壓裂液浸入頁巖儲(chǔ)集層后,頁巖將發(fā)生水化作用并改變內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。目前關(guān)于水化對(duì)頁巖物性參數(shù)是否具有有利影響尚無一致認(rèn)識(shí):隋微波等[10]應(yīng)用場發(fā)射掃描電鏡定點(diǎn)研究了頁巖水化前后的微觀結(jié)構(gòu)變化,發(fā)現(xiàn)頁巖水化后出現(xiàn)溶蝕孔隙和礦物脫落,平均孔徑變大,微裂縫不斷發(fā)展并相互貫通;但 Hower[11]指出壓裂液浸入頁巖后,地層溶液離子濃度發(fā)生變化,黏土礦物吸水膨脹,導(dǎo)致微粒分散運(yùn)移,堵塞頁巖孔道。Farah等[12]等認(rèn)為因頁巖孔徑細(xì)小,毛細(xì)管力巨大,水化后黏土膨脹,堵塞孔喉,孔隙結(jié)構(gòu)連通性降低。綜上可以看出:充分利用頁巖水化作用,誘發(fā)微裂縫萌生,可以形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)溝通微納米孔隙[4];但頁巖自吸壓裂液可能形成水鎖傷害,降低氣相滲透率。因此,研究頁巖水化對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響以及壓裂液侵入后頁巖的物性參數(shù)的變化,對(duì)壓裂參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高頁巖氣井產(chǎn)量具有重要意義。

本文選取富有機(jī)質(zhì)、微納米孔隙發(fā)育的四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖樣品,在前人研究基礎(chǔ)上,綜合應(yīng)用電鏡掃描、CT掃描、高壓壓汞、低溫N2吸附、水化自吸等實(shí)驗(yàn)方法,分析對(duì)比水化作用強(qiáng)烈的蒙脫石、伊利石水化特征,從微觀機(jī)理、宏觀過程揭示頁巖水化過程中孔隙結(jié)構(gòu)的演變機(jī)制,分析影響頁巖吸水及水鎖解除能力的主控因素,揭示孔隙結(jié)構(gòu)與水鎖解除能力的對(duì)應(yīng)關(guān)系,為優(yōu)選壓裂液配方、確定合理燜井工作制度提供技術(shù)支持。

1 單黏土礦物水化實(shí)驗(yàn)

黏土礦物晶體由含水的層狀硅鋁酸鹽面接觸堆積而成,單元晶層表面帶有負(fù)電荷,在負(fù)電荷作用下,黏土晶層吸附水合陽離子并在表面形成水化膜。壓裂液的浸入改變了原始孔隙流體離子類型和濃度分布,進(jìn)而影響?zhàn)ね恋V物表面及晶層間離子類型和離子濃度分布,導(dǎo)致黏土礦物發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)。因此頁巖水化的核心是黏土礦物水化[13],水化應(yīng)變、應(yīng)力則是評(píng)價(jià)水化作用強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)。

黏土礦物種類不同水化特征也不同,綠泥石的晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定且具有親油性,高嶺石吸水性弱,均不具有膨脹性[14];蒙脫石和伊利石水化作用強(qiáng)烈,本文以伊利石與蒙脫石的水化特征為重點(diǎn)研究對(duì)象。

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品、方法

實(shí)驗(yàn)樣品:選用0.075 mm(200目)伊利石粉與蒙脫石粉,采用抽提法提純后,各取4 g樣品分別放入圓柱形試樣筒內(nèi)。

測試過程:①對(duì)試樣筒施加1.5 MPa外界壓力壓實(shí),施壓10 min后記錄樣品的初始高度;②將樣品固定在NP-3型黏土膨脹儀樣桶內(nèi),分別加入去離子水、濃度為1.0 mol/L的CaCl2、NaCl、KCl溶液;③在常溫常壓環(huán)境下浸泡,記錄不同時(shí)刻樣品的高度;④對(duì)樣品施加一定外壓,保證體積不變,測量水化應(yīng)力。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

伊利石、蒙脫石在去離子水中的水化膨脹應(yīng)力、水化膨脹高度曲線分別如圖1、圖2所示??梢钥闯觯孩倜擅撌淖畲笏蛎洃?yīng)力略高于伊利石,但伊利石水化膨脹應(yīng)力增大速度遠(yuǎn)大于蒙脫石,且增大速度基本不變,達(dá)到平衡的時(shí)間為0.17 h;蒙脫石水化膨脹應(yīng)力增長緩慢,達(dá)到平衡的時(shí)間為1.0 h;②當(dāng)膨脹應(yīng)力達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí),伊利石、蒙脫石體積還在繼續(xù)增大,其變化明顯滯后于水化應(yīng)力;③蒙脫石的吸水膨脹能力遠(yuǎn)高于伊利石,水化膨脹較慢;④伊利石膨脹體積較小,水化反應(yīng)速率非???,短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到平衡狀態(tài)。由此可見伊利石顆粒表面水化強(qiáng)度更高,水化作用更快速、劇烈。

圖1 去離子水中伊利石、蒙脫石水化膨脹應(yīng)力曲線

圖2 去離子水中伊利石、蒙脫石膨脹高度曲線

蒙脫石與伊利石樣品在不同溶液中線性膨脹率如圖3所示??梢钥吹?,伊利石與蒙脫石在無機(jī)鹽溶液中的線性膨脹率均小于在去離子水中的線性膨脹率,說明無機(jī)陽離子可以抑制黏土礦物吸水膨脹,且對(duì)伊利石的抑制作用更強(qiáng),其中K+抑制黏土水化膨脹的效果最好。

圖3 不同溶液中伊利石、蒙脫石線性膨脹率

黏土礦物水化膨脹應(yīng)變滯后于水化應(yīng)力,水化作用同時(shí)具有積極與消極作用:一方面黏土礦物水化應(yīng)力對(duì)礦物顆粒起拉伸作用[14],同時(shí)膨脹應(yīng)力對(duì)周圍不膨脹部分形成擠壓,降低巖石膠結(jié)強(qiáng)度,誘發(fā)微粒崩解分散,張性裂縫延伸擴(kuò)展,孔縫連通性增強(qiáng)。隨水化時(shí)間延長,水化應(yīng)力達(dá)到平衡,但膨脹應(yīng)變?nèi)岳^續(xù)增大,水化應(yīng)力在裂縫面上產(chǎn)生的拉應(yīng)力不足以支撐微裂縫繼續(xù)擴(kuò)展,黏土礦物吸水膨脹則會(huì)占據(jù)部分孔隙體積,減小裂縫尺度,降低孔縫連通性[15]。

2 頁巖水化前后微觀結(jié)構(gòu)表征實(shí)驗(yàn)

蒙脫石與伊利石水化特征差異較大,對(duì)頁巖水化微觀結(jié)構(gòu)的改變能力及壓裂液的擴(kuò)散能力影響不同。本文采用掃描電鏡、微米CT掃描、高壓壓汞、低溫N2吸附、水化自吸實(shí)驗(yàn)等手段,對(duì)比黏土礦物組成不同的兩套頁巖樣品在水化過程中顆粒形態(tài)、孔徑分布等孔隙結(jié)構(gòu)的變化,分析頁巖水化的主控因素、黏土礦物對(duì)頁巖水化微觀結(jié)構(gòu)的影響及水鎖自我解除能力。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)樣品:實(shí)驗(yàn)巖心采自四川長寧地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組兩個(gè)相鄰井區(qū)——A井區(qū)與 B井區(qū),樣品編號(hào)L1、L2。利用XRD(X射線衍射)測定頁巖的礦物組成與總有機(jī)碳含量(見表1),礦物組成以石英、黏土礦物為主。兩種樣品黏土礦物總量相似但黏土礦物組成差別較大,樣品L1以伊利石為主,含量為22.1%;樣品L2以蒙脫石為主,含量為23.3%。

表1 頁巖樣品L1、L2總有機(jī)碳含量與礦物組成

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:①Q(mào)uanta450環(huán)境掃描電鏡,用于觀測分析巖樣的微觀結(jié)構(gòu),其二次電子高真空模式分辨率為3~8 nm,背散射電子分辨率為4 nm,可以測定孔隙類型、尺寸、數(shù)量和微裂縫發(fā)育情況[16];②MicroXCT-400型CT機(jī),X射線空間分辨率高達(dá)1.5 μm,用于進(jìn)行巖樣端面掃描;③Poremaster 60GT壓汞儀,最高進(jìn)汞壓力413.7 MPa,樣品孔徑最佳范圍20~1 500 nm,用于高壓壓汞實(shí)驗(yàn);④自動(dòng)孔隙測定系統(tǒng),用于低溫N2吸附實(shí)驗(yàn);⑤賽多利斯QUINTIX224-1CN型分析天平,量程220 g,精度±0.000 1 g,用于水化自吸實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)步驟:①分別從2組全直徑巖心(L1、L2)的相鄰位置鉆取多個(gè)直徑約2.54 cm,長約5.00 cm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣;分別從L1、L2標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣同一端面取相鄰的4小塊邊長為1 cm的立方體巖樣用于電鏡掃描實(shí)驗(yàn);將標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣打磨成直徑2.50 cm、高2.83 cm與直徑1.00 cm、高1.00 cm的圓柱巖樣分別用于微米CT掃描與高壓壓汞;再將部分標(biāo)準(zhǔn)巖柱樣研磨成粒徑0.250~0.425 mm(40~60目)的顆粒狀樣品用于氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn);②由于無法做到同一巖樣浸泡 4次,將兩組巖心4種尺寸樣品各4份在溫度為90 ℃條件下,分別浸泡0,5,10,20 d,壓裂液配方與現(xiàn)場一致:0.1%降阻劑+0.1%防膨劑+1%助排劑;③將立方體巖樣表面進(jìn)行氬離子拋光和噴鍍碳膜后,在 60 ℃低溫烘干處理,采用掃描電鏡觀測巖樣微觀結(jié)構(gòu);④將未水化巖心柱沿直徑方向剖垂直縫,模擬壓裂裂縫,并采用CT機(jī)沿巖樣端面掃描,隨后將巖心柱置于驅(qū)替裝置夾持器中,采用實(shí)驗(yàn)壓裂液進(jìn)行驅(qū)替,模擬地下頁巖壓裂過程,設(shè)置驅(qū)替壓力7.5 MPa,驅(qū)替流量由2.0 mL/min逐步降至0.2 mL/min,驅(qū)替10 d后再沿巖樣端面掃描,觀察巖樣內(nèi)部水化微裂縫以及孔隙連通性;⑤采用Poremaster 60GT壓汞儀測試中孔及大孔的孔徑分布;⑥將顆粒狀巖樣在150 ℃下脫氣5 h預(yù)處理,隨后在77 K溫度下用靜態(tài)體積法測量、計(jì)算樣品的等溫吸附、脫附曲線;⑦取邊長為1 cm的立方體巖樣,放置烘箱內(nèi)干燥10 h,再放入壓裂液中監(jiān)測樣品質(zhì)量隨時(shí)間的變化值,每2 min記錄一次。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 頁巖端面顆粒表面形態(tài)變化

圖4、圖5分別為L1、L2巖樣不同水化時(shí)間下微觀結(jié)構(gòu)的變化情況。掃描電鏡圖像顯示,巖樣浸泡前,黏土礦物中孔隙及黏土層間微裂縫較發(fā)育,形態(tài)呈狹縫狀,局部張開但未貫通,L2巖樣初始微裂縫更為發(fā)育(見圖4a、圖5a)。

L1巖樣浸泡后,頁巖水化過程主要存在3種變化形式:①水浸后黏土礦物膨脹不明顯,巖樣以層理縫的張開及初始裂縫擴(kuò)展為主,水化誘導(dǎo)微裂縫主要為平行層理方向的黏土層間縫的張開及連通(見圖4b);②黏土礦物吸水膨脹,顆粒邊緣逐漸鈍化,黏土富集區(qū)域具有較高的膨脹勢,在較大的膨脹應(yīng)力擠壓下,周圍不膨脹顆粒崩解分散,并填充于孔隙中,微裂縫趨于閉合(見圖4c);③大量顆粒、條帶狀聚合物粘附于巖石表面,溶蝕孔增多,總體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為多孔疏松,巖樣膠結(jié)強(qiáng)度降低(見圖4d)。L2巖樣具有與L1巖樣相似的變化趨勢(見圖5),不同的是:水化10 d后在該巖樣中還觀測到明顯的裂縫擴(kuò)展行為;水化20 d時(shí),微粒分散程度遠(yuǎn)高于L1巖樣。

圖4 L1巖樣不同浸泡時(shí)間下的微觀結(jié)構(gòu)

圖5 L2巖樣不同浸泡時(shí)間下的微觀結(jié)構(gòu)

L1、L2兩種巖樣水化微觀結(jié)構(gòu)演變特征具有較大差異,L1巖樣以水化誘導(dǎo)微裂隙發(fā)育為主,L2巖樣黏土礦物顆粒膨脹與微粒分散程度高;對(duì)比圖4與圖5還可以看到,頁巖蒙脫石含量高則分散性強(qiáng),易水化膨脹;伊利石含量高則分散性低,不易水化膨脹,以微裂縫擴(kuò)展為主[10]。

2.2.2 頁巖端面裂縫及孔隙分布特征

由前述可知,L2巖樣水化10 d后層理縫擴(kuò)展明顯,故對(duì)干燥巖樣與驅(qū)替10 d后的L2巖樣端面進(jìn)行微米CT掃描,直觀地對(duì)比微裂縫及孔隙的平面分布變化特征。從巖樣端面CT掃描結(jié)果(見圖6)可以看到:①巖樣具有1條人工裂縫及明顯的層理縫(1號(hào)區(qū)域與2號(hào)區(qū)域),在黏土水化作用下,1號(hào)區(qū)域與3號(hào)區(qū)域均有明顯的擴(kuò)展行為,微裂縫連通性增強(qiáng);②2號(hào)區(qū)域由綠色變?yōu)槊导t色,層理縫體積明顯增大;③人工裂縫周圍小尺度的離散微裂縫(圖中藍(lán)色的離散點(diǎn))顯著增多。

圖6 干燥巖樣與驅(qū)替10 d后巖樣端面微觀結(jié)構(gòu)

綜上可知,巖樣水化前小尺度孔縫呈零散分布,水化后黏土膨脹,微裂縫開啟,小尺度孔縫密集分布,微觀上局部相互連通,增強(qiáng)了裂縫、有機(jī)質(zhì)孔和無機(jī)質(zhì)孔間的連通性,提高儲(chǔ)集層滲透率,有利于壓裂液擴(kuò)散[17]。

2.2.3 自吸后孔徑分布

2.2.3.1 高壓壓汞實(shí)驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試進(jìn)汞壓力曲線計(jì)算L1、L2巖樣浸泡前后孔隙分布比例如圖7、圖8所示。分析可知,L1巖樣浸泡5 d與未浸泡相比,2~10 nm孔隙消失,10~20 nm孔隙占比提高1.25倍,20~40 nm孔隙占比略有下降,大于100 nm孔隙開始出現(xiàn);浸泡10 d與浸泡5 d相比,2~10 nm孔隙仍為消失狀態(tài),10~20 nm孔隙占比大幅降低,20~40 nm孔隙占比大幅升高,大于100 nm孔隙占比小幅升高;浸泡20 d與浸泡10 d相比,2~10 nm孔隙基本重新回到未浸泡時(shí)的狀態(tài),10~20 nm孔隙占比小幅升高,20~40 nm孔隙占比大幅降低,大于100 nm孔隙占比大幅降低。

圖7 L1巖樣浸泡前后孔隙分布頻率對(duì)比

圖8 L2巖樣浸泡前后孔隙分布頻率對(duì)比

L2巖樣浸泡5 d與未浸泡相比,2~10 nm孔隙基本消失,10~20 nm孔隙占比提高近31.4倍,20~40 nm孔隙占比下降78.5%,大于100 nm孔隙基本持平;浸泡10 d與浸泡5 d相比,2~10 nm孔隙仍為消失狀態(tài),10~20 nm孔隙占比大幅降低,20~40 nm孔隙占比大幅升高,大于100 nm孔隙占比小幅升高;浸泡 20 d與浸泡10 d相比,2~10 nm孔隙基本重新回到未浸泡時(shí)的狀態(tài),10~20 nm孔隙占比小幅升高,20~40 nm孔隙占比大幅降低,大于100 nm孔隙基本消失。

可以看到,適當(dāng)?shù)慕菘梢愿纳茙r樣孔隙結(jié)構(gòu),提高巖樣滲流能力,但浸泡時(shí)間并非越長越好,浸泡5 d時(shí)10~20 nm孔隙占比大幅升,大于100 nm微裂縫開啟;浸泡10 d時(shí)20~40 nm孔隙占比大幅升高,大于100 nm微裂縫仍保持開啟;浸泡20 d時(shí),10~40 nm孔隙多數(shù)堵塞,大于100 nm微裂縫基本封閉??傮w結(jié)果為L1巖樣浸泡5 d、L2巖樣浸泡10 d時(shí)孔隙結(jié)構(gòu)最發(fā)育,此時(shí)巖樣滲流能力最強(qiáng)。

2.2.3.2 低溫N2吸附實(shí)驗(yàn)

脫附、吸附曲線不重合形成滯回環(huán),在相對(duì)壓力較高處(p/p0>0.45)滯回環(huán)變寬。根據(jù)滯回環(huán)形狀可以確定孔隙的形態(tài)[16]。Boer等[18]提出滯回環(huán)可分5類(A—E型),國際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)在此基礎(chǔ)上推薦分為4類(H1—H4型)[19],分別表示圓柱形孔、墨水瓶孔、一端或兩端開口的楔形孔和裂縫形孔。

L1、L2巖樣氮?dú)馕?脫附曲線如圖9、圖10所示。L1巖樣未浸泡時(shí)滯回環(huán)與H2型回線接近兼有H3型回線特征,孔隙結(jié)構(gòu)由墨水瓶孔和楔形孔混合而成;浸泡5 d與未浸泡相比,中等壓力范圍內(nèi)(0.45≤p/p0<0.80),脫附曲線抬高,滯回環(huán)變寬,與Boer脫附回線 B型相近兼有 H4型特征,具有裂縫形孔特征;浸泡10 d與浸泡5 d相比,較高壓力范圍內(nèi)(0.8≤p/p0<1.0),滯回環(huán)變窄,呈H3型特征,孔隙形態(tài)又轉(zhuǎn)化為楔形孔;浸泡20 d與浸泡10 d相比,滯回環(huán)變寬,H2型特征變明顯。

圖9 L1巖樣等溫脫附、吸附曲線

圖10 L2巖樣等溫脫附、吸附曲線

L2巖樣在浸泡0 d到浸泡5 d再到浸泡10 d的過程中,滯回環(huán)變化規(guī)律相似,即滯回環(huán)逐漸變寬,形態(tài)由H2型逐漸向Boer滯回環(huán)B型轉(zhuǎn)化,B型特征逐漸明顯;浸泡20 d時(shí),滯回環(huán)寬度極小,巖樣以封閉性孔為主。

可以看到,巖樣在浸泡過程中滯回環(huán)形態(tài)先由H2型向Boer滯回環(huán)B型轉(zhuǎn)化,再變?yōu)镠3型,表征孔隙形態(tài)由墨水瓶孔向裂縫形孔轉(zhuǎn)化,再向楔形孔轉(zhuǎn)化,即孔隙開放程度整體上先增大后減小。這說明頁巖存在最佳水化時(shí)間,此時(shí)微觀孔隙結(jié)構(gòu)最發(fā)育,儲(chǔ)集層物性最好,浸泡時(shí)間過長,則會(huì)產(chǎn)生不利影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示L1巖樣浸泡5 d、L2巖樣浸泡10 d時(shí)孔縫連通性最強(qiáng),壓裂液擴(kuò)散能力也最強(qiáng)。

采用圖9、圖10數(shù)據(jù),根據(jù)BJH模型[20]分別計(jì)算L1、L2巖樣的孔徑分布,采用單位質(zhì)量巖樣孔隙體積對(duì)孔隙半徑的微分來反映孔徑分布的變化趨勢,以消除采樣間隔的影響(見圖11、圖12)。

圖11 L1巖樣孔徑分布變化

圖12 L2巖樣孔徑分布變化

對(duì)比L1巖樣的4條浸泡曲線的位置可知,浸泡5 d時(shí)曲線基本處于最高位,說明該條件下的孔隙體積最大,而浸泡10,20 d時(shí)曲線則基本位于未浸泡曲線下方;同樣對(duì)比可知,L2巖樣浸泡5,10 d時(shí)曲線位于未浸泡曲線上方,浸泡20 d時(shí)曲線則基本位于未浸泡曲線下方,其中浸泡10 d時(shí)曲線處于最高位,該條件下的孔隙體積最大。同樣說明適當(dāng)?shù)慕菘梢愿纳苾?chǔ)集層物性,而時(shí)間過長,對(duì)頁巖儲(chǔ)集層物性有較大的傷害。

2.2.4 水化自吸實(shí)驗(yàn)

水化自吸實(shí)驗(yàn)可以衡量壓裂液在頁巖中的運(yùn)移情況。Hu等[21]研究表明,雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的自吸曲線通常至少含有兩段直線:初期直線段被稱為自吸段,末期直線段被稱為擴(kuò)散段,自吸段結(jié)束的時(shí)間為拐點(diǎn)。為了描述壓裂液在孔隙網(wǎng)絡(luò)中的擴(kuò)散能力,將擴(kuò)散能力定義為擴(kuò)散段的自吸量與最終自吸量的比值[21]。將巖樣自吸量隨浸泡時(shí)間的變化數(shù)據(jù)繪制在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中(見圖13),可以發(fā)現(xiàn):L1巖樣自吸1 720 min后進(jìn)入擴(kuò)散段,計(jì)算擴(kuò)散能力為0.36;L2巖樣自吸1 040 min后進(jìn)入擴(kuò)散段,計(jì)算擴(kuò)散能力為0.47,為L1巖樣的1.32倍。

圖13 L1、L2巖樣自吸量隨浸泡時(shí)間變化雙對(duì)數(shù)曲線

自吸曲線基本可劃分為快速上升、上升趨緩與基本平穩(wěn)3個(gè)階段:快速上升階段(L1巖樣自吸時(shí)間小于1 720 min,L2巖樣自吸時(shí)間小于1 040 min),在滲透壓差及毛細(xì)管力的綜合作用下,壓裂液優(yōu)先自吸進(jìn)入無機(jī)質(zhì)孔隙及微裂縫中,以微裂縫與無機(jī)質(zhì)孔吸水為主[22];上升趨緩階段(L1巖樣自吸時(shí)間為1 720~3 450 min;L2巖樣自吸時(shí)間為1 040~3 790 min),壓裂液向深層基質(zhì)孔隙中擴(kuò)散,流動(dòng)阻力增大,微裂縫與無機(jī)質(zhì)孔吸水減少,以黏土礦物吸水為主[23-24];趨于穩(wěn)定階段(L1巖樣自吸時(shí)間大于3 450 min,L2巖樣自吸時(shí)間大于3 790 min),L1巖樣自吸量在0.83 g附近起伏波動(dòng),L2巖樣自吸量在1.03 g附近起伏波動(dòng),此時(shí)巖樣基本被水飽和。

由圖7、圖8可知,L1巖樣孔徑小于20 nm的孔隙占比高,孔徑小,毛管力大,初期自吸作用相對(duì)較強(qiáng),但擴(kuò)散能力不足,水分子易堵塞孔隙通道形成水鎖;L2巖樣孔徑大于20 nm孔隙占比高,孔徑大,初期自吸作用相對(duì)較弱,壓裂液向基質(zhì)孔隙中擴(kuò)散的能力較強(qiáng),儲(chǔ)集層水鎖后具有一定的自我解除能力。

綜上所述,黏土礦物不同,水化應(yīng)力、應(yīng)變特征也不同:伊利石層間作用力主要由雙電層斥力控制,只進(jìn)行表面水化作用[13],水化應(yīng)力高、應(yīng)變小、水化平衡時(shí)間短[25];蒙脫石水化過程主要由壓裂液與孔隙流體間滲透壓差控制,表面水化之后繼續(xù)吸水進(jìn)行滲透水化作用,可以產(chǎn)生數(shù)十倍層間距的長程膨脹,水化應(yīng)力小、應(yīng)變大、水化平衡時(shí)間長[25]。宏觀表現(xiàn)為黏土礦物組成不同的頁巖水化特征有差異:L2巖樣蒙脫石含量高,易水化膨脹,水化不均勻膨脹程度高,微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化明顯,儲(chǔ)集層物性改善潛力大;L1巖樣伊利石含量高,不易水化膨脹,分散性低,以微裂縫擴(kuò)展為主,改善孔隙結(jié)構(gòu)能力有限。

頁巖水化微觀結(jié)構(gòu)變化形式具有時(shí)間效應(yīng),變化程度與黏土礦物組成有關(guān)。水化作用通過影響頁巖孔隙結(jié)構(gòu)控制氣體在頁巖中的流動(dòng)能力。黏土水化可以增強(qiáng)頁巖微納米級(jí)有機(jī)質(zhì)孔與無機(jī)質(zhì)孔間連通性并擴(kuò)大孔隙空間,有利于提升頁巖氣滲流能力。壓裂施工后,通過適當(dāng)時(shí)間的燜井,可一定程度上改善儲(chǔ)集層物性。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

四川長寧地區(qū) A井區(qū)龍馬溪組頁巖伊利石含量高,取樣巖心為L1,推薦最佳燜井時(shí)間為5 d;B井區(qū)蒙脫石含量高,取樣巖心為L2,推薦最佳燜井時(shí)間為10 d。分別選取A、B井區(qū)內(nèi)相鄰兩井(A-1井與A-2井、B-1井與B-2井)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),相同井區(qū)內(nèi)所選兩井物性參數(shù)、施工參數(shù)與礦物組分均較為相似(見表2)。A-1井實(shí)際燜井5 d,A-2井實(shí)際燜井10 d;B-1井實(shí)際燜井10 d,B-2井實(shí)際燜井15 d。

表2 壓后燜井效果對(duì)比表

從實(shí)際效果來看,A-1井按照最優(yōu)燜井時(shí)間關(guān)井5 d,A-2井則延長燜井時(shí)間至10 d,A-1井壓裂段數(shù)少于A-2井,但實(shí)測產(chǎn)量卻大致相同;B-2井壓裂段多、水平段長,但因?qū)嶋H燜井時(shí)間長于最優(yōu)燜井時(shí)間,其實(shí)測產(chǎn)量比B-1井低25.9%。這說明蒙脫石含量高的井,最優(yōu)燜井時(shí)間較長;伊利石含量高的井,最優(yōu)燜井時(shí)間較短。采用最優(yōu)燜井時(shí)間關(guān)井有助于充分改善儲(chǔ)集層物性,提高頁巖氣井產(chǎn)量;延長燜井時(shí)間并無好的效果。

4 結(jié)論

頁巖水化特征與黏土礦物組成密切相關(guān),伊利石含量高則分散性低,不易水化膨脹,以微裂縫擴(kuò)展為主,改善頁巖孔隙結(jié)構(gòu)能力有限;蒙脫石含量高則分散性強(qiáng),易水化膨脹,改善頁巖孔隙結(jié)構(gòu)潛力較大。

頁巖伊利石含量高,小孔徑孔隙占比高,毛細(xì)管力大,初期自吸作用相對(duì)較強(qiáng),但擴(kuò)散能力不足,水分子易堵塞孔隙通道形成水鎖;頁巖蒙脫石含量高,較大孔徑孔隙占比高,初期自吸作用相對(duì)較弱,壓裂液進(jìn)入大孔道后向中小孔滲吸,擴(kuò)散能力較好,儲(chǔ)集層水鎖后具有一定的自我解除能力。

頁巖存在最佳水化時(shí)間,此時(shí)微觀孔隙結(jié)構(gòu)最發(fā)育,儲(chǔ)集層物性最好;水化時(shí)間過長,則對(duì)頁巖儲(chǔ)集層物性有較大的傷害,伊利石含量高的頁巖最佳水化時(shí)間比蒙脫石含量高的頁巖短。

無機(jī)陽離子可以抑制黏土礦物吸水膨脹,對(duì)伊利石的抑制作用更強(qiáng),K+抑制黏土水化膨脹效果最好。蒙脫石含量高的儲(chǔ)集層可以通過降低壓裂液陽離子含量促進(jìn)黏土水化作用;伊利石含量高的儲(chǔ)集層可注入高K+離子含量的壓裂液抑制水化作用。

符號(hào)注釋:

mi——自吸量,g;p——低溫N2吸附實(shí)驗(yàn)壓力,MPa;p0——飽和蒸汽壓,MPa;r——孔隙半徑,nm;ti——自吸時(shí)間,min;VG——單位重量巖樣孔隙體積,mL/g。

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