基于核磁共振技术研究页岩自发渗吸过程
2015-02-17蒙冕模葛洪魁纪文明高启超
蒙冕模,葛洪魁,纪文明,高启超,任 凯
(1.油气资源与探测国家重点实验室 中国石油大学,北京 102249;2.中国石油大学,北京 102249)
基于核磁共振技术研究页岩自发渗吸过程
蒙冕模1,2,葛洪魁1,2,纪文明1,2,高启超1,2,任 凯1,2
(1.油气资源与探测国家重点实验室 中国石油大学,北京 102249;2.中国石油大学,北京 102249)
页岩储层水力压裂初期形成水锁,导致压裂液返排率低,关井一段时间后水锁自动解除。运用低磁场核磁共振技术,研究压裂液在页岩自发渗吸过程中的分布特征。结果表明:砂岩和火山岩T2谱均存在3个峰,随自发渗吸时间的增加,核磁信号振幅均匀增加,表明砂岩和火山岩自发渗吸过程中,所有孔隙均匀吸水;但页岩T2谱具有双峰特征,且自发渗吸过程中核磁信号振幅增加具有不对称特征,右峰(大孔隙和裂缝)在自发渗吸初期被迅速充满,随自发渗吸时间的增加,左峰的左翼振幅逐渐重合,表明液体优先充满微孔隙,右翼振幅逐渐增加,稍大孔隙逐渐被液体充填,且右翼整体向右移动,表明页岩中出现了大量的新孔隙,新增孔隙是吸水膨胀产生的微裂缝。
自发渗吸;核磁共振;页岩;水力压裂
0 引言
页岩气开采过程中,必须对页岩储层实施大规模水力压裂,才能形成工业产能。页岩储层压裂过程中压裂液返排率极低[1-4],大量压裂液滞留于储层中,但关井一段时间后,产能增加,引起了业界人士的广泛关注[5]。前人主要应用自发渗吸实验来探讨页岩储层中压裂液的滞留原因[6-7],但针对压裂液在页岩储层中的自发渗吸过程尚未展开深入研究。低磁场核磁共振分析仪具有无损检查、速度快、对样品无规则要求等特点,已广泛应用于石油领域的研究[8-10]。为了研究页岩水力压裂过程中压裂液在储层孔隙中的自发渗吸过程,采用低磁场核磁共振技术即时监测蒸馏水在页岩自发渗吸过程中的分布特征。实验中,砂岩和火山岩作为对比岩心,砂岩孔径分布比较均匀,火山岩孔隙非均质性很强。页岩非均质极强,该特征与火山岩具有相似性,与砂岩差距明显,且页岩富含有机质和原始微裂缝。油气田开发中,砂岩储层和火山岩储层水力压裂后,返排率越高,产能往往越高,但页岩储层开采过程中,闷井时间长、压裂液返排率低的压裂井,产能往往高于闷井时间短、返排率高的压裂井。为此,通过不同岩性对比,研究页岩水力压裂后返排率低、产能高的机理。
1 实验样品和实验过程
1.1 实验样品
页岩样品取自于重庆地区下志留统龙马溪组地层,火山岩样品取自于吉林英台地区下白垩统营城组地层,砂岩样品取自于大庆长垣地区下白垩统登娄库组地层。重庆页岩储层开采过程中,出现典型的气井压裂液返排率低,产能高的现象。因此,选取了该地区页岩作为研究样品。吉林火山岩储层和大庆砂岩储层分别是各自岩性较好的油气储层。因此,选为对比岩样。实验前将样品放在65℃恒温条件下烘烤,直到质量不变,样品基本物性参数见表1。岩样孔隙度由氦气孔隙度测定仪(KXD-Ⅲ型)测定,3类岩样的孔隙度比较接近。测定岩样脉冲渗透率仪器为超低渗透率测量仪(YRDCP200),仪器工作流体:液体施加围压,气体施加孔压。测定条件:室温25℃,围压8 MPa,孔压5MPa。页岩Y2孔隙度小于页岩Y1,然而其脉冲渗透率远大于页岩Y1,这可能是由于页岩Y2孔隙连通性好,火山岩和砂岩的脉冲渗透率处于2块页岩脉冲渗透率之间。
表1 岩样特性及物性参数
1.2 实验过程
核磁共振实验中样品大孔隙中的流体T2横向弛豫时间长,小孔隙T2弛豫时间短,以此区分不同孔隙大小分布,同时T2振幅大小反映某一直径孔隙总含氢核量,以此研究岩样孔径分布特征[11]。实验仪器为上海钮迈科技公司MicroMR23-025V低磁场核磁共振分析仪,磁场主频率为23 MHz,信号叠加次数为64次,回波间隔为0.116 ms。实验环境温度为25℃,实验液体为蒸馏水。
实验步骤:①开启低磁场核磁共振分析仪,开机预热30 min后进行实验,同时打开分析天平(精度0.000 1 g);②使用分析天平称量干岩样质量,并使用低磁场核磁共振分析仪测定其核磁T2谱;③在烧杯中加入一定量蒸馏水,将岩样放入烧杯中,使烧杯中的蒸馏水能完全覆盖岩样,待自发渗吸一定时间后,取出岩样,用吸水纸擦干表面蒸馏水,称量自发渗吸后的岩样质量,同时测量其核磁T2谱;④重复实验步骤③,岩样初期浸泡时间间隔短,后期浸泡时间间隔长,原因为前期自发渗吸速率远远大于后期吸水速率。
实验结束后,在同一坐标系中绘制出同一岩样不同自发渗吸时间的核磁T2谱,同时绘制出岩样自发渗吸量和T2谱面积增量随时间的变化图。
定义自发渗吸量=自发渗吸后的质量-干岩样质量,T2谱面积增量=T2谱面积(湿样)-T2谱面积(干样)。
2 结果与分析
图1 砂岩和火山岩自发渗吸T2谱
2.1 砂岩和火山岩
砂岩S和火山岩L自发渗吸过程中的核磁T2谱变化特征见图1。砂岩S核磁T2谱具有3个峰特征,3个峰连续分布,且左峰面积远远大于中峰,中峰面积大于右峰。自发渗吸前期,T2谱迅速增加,自发渗吸80 min后,T2谱面积基本稳定,随着时间增加,T2谱在全孔径范围内均匀增加。表明砂岩自吸过程中,液体在所有孔隙中均匀增加,未出现部分孔隙优先渗吸现象。火山岩L的T2谱也存在3个峰现象(左峰面积远远大于中峰,中峰面积大于右峰),且3个峰孤立分布。自发渗吸前期,T2谱增加较快,后期较慢,自发渗吸饱和时间长,自发渗吸80 min,T2谱面积依然逐渐增加。且随自发渗吸时间增加,其峰两翼对称性增加,核磁T2谱在全孔径范围内均匀增加。
2.2 页岩
图2为页岩自发渗吸T2谱。由图2可知,页岩自发渗吸过程中核磁T2谱变化特征具有特殊性。页岩T2谱呈孤立的双峰特征(左峰面积远大于右峰面积)。自发渗吸前期,T2谱增加较快,自发渗吸80 min后,自吸量依然逐渐增加。其左峰的左翼随自发渗吸时间延长逐渐重合,表明微孔隙首先被充填;其左峰的右翼振幅逐渐增加,表明其稍大孔隙中水量逐渐增加;同时左峰的右翼逐渐向右移动,表明样品中产生了新孔隙。自发渗吸实验过程中,发现页岩样品表面微裂缝逐渐增加。因此,新产生的孔隙主要为大量微裂缝。页岩T2谱右峰面积基本无变化,表明大孔或裂缝在自发渗吸初期瞬间被充满。
图2 页岩自发渗吸T2谱
2.3 实验可信度
图3为岩样自发渗吸量和峰面积变化量随时间变化规律。由图3可知,所有样品T2谱面积增量和自发渗吸量随时间变化趋势具有一致性,其中砂岩S自发渗吸量在80 min时,基本达到了稳定;火山岩L、页岩Y1和页岩Y2在80 min时,自发渗吸量依然增加,表明低磁场核磁共振分析仪对自发渗吸量监测结果是可靠的。
2.4 讨论
砂岩和火山岩自发渗吸过程中,T2谱面积均匀增加,其主峰具有明显的对称性,表明液体均匀渗吸进入全部孔隙内。砂岩孔径较大,吸水速度快,渗吸很快达到了稳定,而火山岩吸水达到饱和时间较长,这是由于火山岩微纳米孔隙发育。与火山岩相似,页岩储层中也发育大量微纳米孔隙,自发渗吸饱和时间长,但页岩在自发渗吸过程中,具有特殊性。页岩自发渗吸初期,液体首先迅速填满大孔隙或大裂缝,随后优先渗吸进入极微孔隙中,且逐渐将其充填满,稍大孔隙自发渗吸量缓慢增加,且左峰的右翼逐渐向右移动,表明出现了新的微裂缝(图2)。微裂缝中毛管力大,能够吸入大量压裂液,且返排压力往往小于该毛管力,微裂缝中大量压裂液无法返排,导致压裂液返排率低,大量滞留于页岩储层。关井一段时间后,压裂液沿微裂缝运移,在毛管力作用下,吸水膨胀产生大量新的微裂缝,降低原裂缝中的含水饱和度,增加了气体的渗流通道,导致压裂初期页岩储层水锁能够自我解除,从而增加页岩气产能。
图3 岩样自发渗吸量和峰面积变化量随时间变化规律
3 结论
(1)砂岩和火山岩核磁T2谱呈3峰分布,砂岩T2谱3峰连续,火山岩T2谱3峰孤立,随自发渗吸时间增加T2谱均匀增加,火山岩自发渗吸饱和时间远远大于砂岩。
(2)页岩核磁T2谱具有孤立的双峰特征。随自发渗吸时间增加,液体首先瞬间充满大孔隙和裂缝,随后液体优先进入极微孔隙,稍大孔隙中液体随着自发渗吸时间逐渐增加。T2谱左峰的右翼逐渐向右移动,表明页岩自发渗吸过程中产生大量的微裂缝。
(3)页岩储层水力压裂后,微裂缝吸收是导致压裂液滞留的重要原因。关井一段时间后,在毛管力的作用下,页岩中原有微裂缝吸水扩张,并不断形成新的微裂缝,新微裂缝大量吸水,降低原裂缝中含水饱和度,气体渗流通道增多,从而使页岩气产能增加。
[1]Engelder T,Cathles L M,Bryndzia L T.The fate of residual treatment water in gas shale[J].Journal of Unconventional Oil and Gas Resources,2014(7):33-48.
[2]Lan Q,Ghanbari E,Dehghanpour H,et al.Water loss versus soaking time:spontaneous imbibition in tight rocks[J].Energy Technology,2014,2(12):1033-1039.
[3]Makhanov K,Habibi A,Dehghanpour H,et al.Liquid uptake of gas shales:a workflow to estimate water loss during shut-in periods after fracturing operations[J].Journal of Unconventional Oil and Gas Resources,2014(7):22-32.
[4]高树生,胡志明,郭为,等.页岩储层吸水特征与返排能力[J].天然气工业,2013,33(12):71-76.
[5]周德华,焦方正,贾长贵,等.JY1HF页岩气水平井大型分段压裂技术[J].石油钻探技术,2014,42(1):75-80.
[6]Roychaudhuri B,Tsotsis T T,Jessen K.An experimental investigation of spontaneous imbibition in gas shales[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2013 (111):87-97.
[7]Ghanbari E,Dehghanpour H.Impact of rock fabric on water imbibition and salt diffusion in gas shales[J].International Journal of Coal Geology,2015(138):55-67.
[8]Mitchell J,Chandrasekera T C,Holland D J,et al.Magnetic resonance imaging in laboratory petrophysical core analysis[J].Physics Reports,2013,526(3):165-225.
[9]李太伟,郭和坤,李海波,等.应用核磁共振技术研究页岩气储层可动流体[J].特种油气藏,2012,19(1): 107-109.
[10]毛伟,贾红兵,杜朋举.核磁共振技术在油水两相渗流特征研究中的应用[J].特种油气藏,2011,18(6): 103-105.
[11]Davies S,Packer K J.Pore-size distributions from nuclear magnetic resonance spin-lattice relaxation measurements of fluid-saturated porous solids.I.theory and simulation[J].Journal of Applied Physics,1990,67 (6):3163-3170.
编辑王 昱
TE357.1
A
1006-6535(2015)05-0137-04
20150423;改回日期:20150803
国家“973”课题“致密储层人工缝网形成与重复压裂改造控制机理”(2015CB250903);国家自然科学基金重大项目课题“多重耦合下的页岩油气安全优质钻井理论”(51490652)
蒙冕模(1987-),男,2011年毕业于中国地质大学(武汉)石油工程专业,现为中国石油大学(北京)油气井工程专业在读硕士研究生,现主要从事页岩储层开采方面的研究。
10.3969/j.issn.1006-6535.2015.05.031