页岩开发实验技术研究初探

李　珊

（华东分公司石油勘探开发研究院实验中心，江苏扬州225007）

页岩开发实验技术研究初探

李珊*

（华东分公司石油勘探开发研究院实验中心，江苏扬州225007）

国内外针对页岩开发实验技术未形成成熟的理论体系，国内页岩气资源勘探开发处于起步阶段。在调研国内外页岩气研究成果的基础上，通过对P区块L层位页岩进行储层流体敏感实验和分散性膨胀性实验，探寻页岩存在的特殊流体敏感特征和分散稳定性。实验结果表明，外来液体进入页岩地层后不可避免导致粘土矿物的膨胀、运移和分散；页岩样品具有较强的敏感性，工作液体系对高粘土矿物含量岩芯具有较好的抑制性能；样品初期膨胀量较大，后期稳定，变化趋势基本一致。

页岩；敏感性；分散性；膨胀性

1　概述

常规砂岩油气开发实验建立在储层的孔隙结构等物性基础上，依托现代科技发展，经过长期的研究积累已经形成成熟的开发机理、储层伤害机理等理论依据和标准规范。页岩气开发起步晚，探索时间短，研究积累不足，与常规油气储层相比，天然页岩岩芯非常致密、孔隙度极低、渗透率极低，造成开发实验难以开展［1］。页岩开发技术包括页岩敏感性评价、页岩分散稳定性评价、开发模拟实验等方面。

2　页岩流体敏感性实验

2.1页岩人工制样

页岩储层富含粘土矿物，外来液体进入地层时不可避免造成影响，需要进行敏感性损害研究。现有的常规敏感性行业标准评价气测渗透率小于1×10-3μmm2的致密储层时，存在对设备性能要求极高、测试流程长、实验误差大等问题。人造页岩平行样装置见图1。人造页岩平行样压制室见图2。

图1　人造页岩平行样装置

与常规砂岩的骨架颗粒不同，页岩基质孔隙度低、连通性差，仅发育少量微裂缝。尝试减小基质颗粒尺寸，增大基质的比表面积，压制成人造页岩样品，减少实验仪器精度限制带来的实验误差，扩大实验指示效果，进行条件实验，探索页岩开发实验中规律。

取P区块L层位页岩为样本，矿物以粘土和石英为主要组成矿物，含少量长石、方解石等碎屑矿物和自生矿物本样品粘土含量35.6%。以渗透率为指标进行衡量，研究确定颗粒目数、胶结物类型及含量、加压应力、加压时间等因素对实验结果影响的主次顺序和变化趋势，提高岩芯制作稳定性，提供评价载体。

2.2水敏性实验

选取样品，开展储层水敏性评价实验。依次注入标准盐水、50%标准盐水和蒸馏水，累计完成70倍孔隙体积，结果见图3。

实验结果表明，岩样水敏损害率63.2%，水敏损害程度中等偏强。

图2　人造页岩平行样压制室

图3　页岩水敏图

2.3盐敏性实验

选取样品，开展储层盐敏性评价实验。逐渐降低盐水浓度，测得渗透率变化率，结果见图4。

图4　页岩盐敏曲线图

实验结果表明，临界盐度为60000mg/L，盐敏损害率：59.0%，盐敏损害程度中等偏强。

2.4酸敏性实验

选取样品，开展储层酸敏性评价实验。对比岩样在酸处理前后标准盐水渗透率，结果见图5。

图5　页岩酸敏实验曲线

实验结果表明，酸敏损害率17.0%，酸敏损害程度弱。

2.5碱敏性实验

选取样品，开展储层碱敏性评价实验。随着pH值增大，渗透率变化结果见图6。

图6　页岩碱敏实验曲线

实验结果表明，临界pH值为8.5，碱敏损害率为98.6%，碱敏损害程度强。

水敏、盐敏、酸敏、碱敏具有明显变化，认为通过人造页岩岩芯的方式开展敏感测试可行，判断趋势。

3　页岩分散及膨胀性特征

页岩通常含有一定比例的粘土矿物，大液量、大排量压裂施工可能导致粘土矿物膨胀、水化分散，目前开展的实验研究未建立起相关评价体系。分散及膨胀性研究可为页岩气藏井壁稳定性、压裂方案优化设计、压裂液优选提供参考。

3.1分散性

采用CST（毛细管吸收时间）在页岩胶体分散性研究中，一般是指不同试液或泥浆与页岩颗粒配置的一定比例的配浆渗过特制滤纸5mm距离所需的时间。CST可以突破常规敏感性实验难以开展的障碍，研究页岩在不同试剂中的分散特征，判断不同配比入井液对页岩的伤害性，优选分散抑制性聚合物试剂，针对性配制入井液，制定相应压裂排采方案，保证页岩气排采过程中的孔道通畅。

CST技术于1970年起开始在国外污水处理、油田化学处理剂测试等多个领域应用。经Wilcox［2-3］、Osisanyas［4］、黄林基［5］等人的深入研究，已经达成共识，CST实验定量结果不易重复，需要将实验程序标准化，才能作为一种适用的评价方法。通过从电极接触、滤纸条件、取样均一、程序标准化这4个方面改进，提高CST平行性，误差由15.1%缩至1.99%。

在保证数据重复性基础上，进行了蒸馏水、2%KCl溶液不同试液对不同页岩样品的条件对比实验。样品1、样品2均选自X地区L层位泥页岩，其中样品1粘土矿物含量为31%，样品2粘土含量为55%。实验中分别对2种试液和2种样品进行了4组实验，每组实验进行3次重复性实验，选取CST平均值，误差均在5%以内，分别得出一次回归函数，如表3、图7所示。

表1　CST优化前（KCl溶液）

表2　CST优化后（KCl溶液）

表3　条件对比实验数据表

图7　CST条件对比实验曲线图

由图7可知，样品1粘土矿物含量较低，选用试液为蒸馏水或2%KCl溶液时，其瞬时分散的胶体粒子量与页岩颗粒在试液中的分散速度均小于样品2，分散性较差，储层稳定性更好。

样品1在蒸馏水、2%KCl溶液条件下，瞬时分散的胶体粒子量分别由50.561降低至36.203，降幅28.39%；样品2由52.250降低至37.091，降幅29.01%；页岩胶体在试液中的分散速度降幅分别为42.24%、72.05%。可以判断，2%KCl溶液对页岩分散抑制效果更好，对储层的稳定性伤害更小。其中，2%KCl溶液对粘土矿物含量较高的样品2的分散速度降低更多，分散抑制效果更好。

3.2膨胀性

采用线性膨胀仪研究页岩吸水膨胀特性，采用吸水膨胀实验法（量测定仪图见图8）。

图8　Fann LSM2100泥页岩线性膨胀量测定仪图

通过将人工制备的岩芯放置在工作筒中，测试工作液与清水条件下下岩芯的轴向线性膨胀率，根据实验结果绘制出岩芯线性膨胀率与时间的关系曲线。

实验结果表明，页岩岩芯2h的膨胀率与16h的膨胀率基本相同，表明页岩遇外来液体将产生膨胀，但随着时间的推移，膨胀趋于稳定。

图9　滑溜水与清水介质页岩膨胀率图

4　结论

（1）实验区块页岩具有较强水敏、盐敏、碱敏；酸敏程度偏弱。

（2）CST实验存在重复性不佳的问题，可以通过对仪器的电极接触条件及搅拌速度的完善，优化信号采集和取样均一性，减小实验误差，实现重复性。

（3）CST技术对页岩储层评价及开发过程中入井液的选择具有较好指示效果，可以利用其数据表征意义定性判断。

（4）实验发现，粘土矿物分散性与粘土含量成正相关；2%KCl溶液对页岩分散性起抑制作用；2%KCl溶液对粘土矿物含量较高的样品分散性抑制效果更好。

（5）页岩初期膨胀量较大，后期很小，变化趋势基本一致。

［1］赵群，王红岩，刘人和，等.世界页岩气发展现状及我国勘探前景［J］.天然气技术，2008，2（3）：12.

［2］Wilcox R，Fisk J.Tests Show Shale Behavior，Aid Well Planning［J］.Oil Gas J.；（United States），1983，81（37）.

［3］Wilcox R D，JV F，Corbett G E.Filtration Method Characterizes Dispersive Properties of Shales［J］.SPE Drilling Engineering，1987，2（2）：149-158.

［4］Osisanya S O，Chenevert M E.Rigsite Shale Evaluation Techniques for Control of Shale-related Wellbore Instability Problems［J］.SPE/IADC，1987，16054：51-66.

［5］黄林基，罗兴树.用CST仪评价聚合物抑制性实验方法的研究［J］.钻井液与完井液，1995，12（1）：1-5.

TE2

A

1004-5716（2016）07-0070-04

2015-11-02

2015-11-19

李珊（1982-），女（汉族），江苏扬州人，助理工程师，现从事入井液伤害评价及储层保护技术研究工作。