压裂液对页岩吸附与膨胀性能评价方法研究

2018-06-13王海燕郭丽梅刘萍胥云管保山吴家全薛延萍

钻井液与完井液 2018年2期

王海燕，　郭丽梅，　刘萍，　胥云，　管保山，　吴家全，　薛延萍

（1.中国石油勘探开发研究院，北京 065007；2.天津科技大学化工与材料学院，天津 300457）

水力压裂体积改造技术是页岩气藏开发中常采用的手段之一，经过水力压裂生成大量诱导裂缝，与天然裂缝连通，形成发达的裂缝网络，为页岩气高效开发提供通道[1-2]，压裂液一般采用滑溜水和活性水[3-4]，但页岩气藏黏土含量高，渗透率低，含水饱和度差异大，压裂返排率普遍偏低[5-7]。页岩气藏吸附气主要富集在纳米孔道的干酪根及黏土矿物形成的天然微裂缝中[8-10]，这部分气体是稳产的主要来源。由于大量工作液滞留在地层中，对页岩固有性质的影响以及是否伤害地层等进行研究，对页岩气高效稳产以及滞留工作液选择压裂液类型具有重要指导意义。以川南区块为研究目标，取威远、长宁和昭通地区的岩心，开展了不同压裂液对岩心吸附和膨胀性能评价方法的研究。

1　实验方法

1.1　红外光谱法

将1.00 g过筛孔为0.154 mm（100目）的页岩粉末和5 mL待检测溶液装入带盖塑料离心管中，室温静置24 h后于2 000 r/min下离心30 min，去除上清液，将页岩粉末放入真空干燥箱中，在40 ℃、0.090 MPa真空度下干燥48 h，用玛瑙研钵充分研磨，放入干燥器中平衡6 h后，测试红外光谱。

1.2　吸水率及溶出率

用锤子将样品凿成质量相近的小块，精确称量（m1）10.000 0 g，放入100 mL西林瓶中，加入60 mL液体，密封放入80 ℃水中，分别恒温浸泡1～7 d后，于3 000 r/min下离心2 min，去除岩心表面的水分，精确称量页岩的重量（m2），放入真空烘箱内烘干，在105 ℃下恒重5 h，测得页岩重量（m3），溶出率和吸附率计算公式如下。

溶出率=（m1-m3）/m1×100%（1）

吸水率=（m2-m3）/m1×100%（2）

1.3　黏土成分分析

按照SY/T 5163—1995对黏土成分进行测定。

1.4　黏土膨胀性XRD法

按岩心∶液体质量比为1∶20，将岩心浸泡在待测液体中，分别浸泡1、3、5、7 d后，取出，105 ℃烘干2 h，在XRD仪器上，限定扫描角度为7°～10°，观察1 nm峰位变化。

2　结果与讨论

2.1　页岩黏土矿物成分

超低孔渗是泥岩页岩气储层的特点，泥岩的矿物组成一般由脆性矿物、黏土矿物和少量自生矿物等组成，脆性矿物在外力作用下，能够形成大量的天然裂缝和诱导裂缝，为页岩气提供储集空间及流通通道，黏土矿物则是泥岩储层改造中的不稳定因素，尤其是膨胀性黏土，当含量高时，其溶解和膨胀易导致页岩产气裂缝通道堵塞，影响页岩气产出。在30 ℃下，伊利石和蒙脱石吸附甲烷的能力要高于高岭石，但是前2者在遇水的情况下吸附作用将大大降低[11]，而湿的高岭石吸附甲烷的能力变化不大，因此黏土矿物的含量对泥岩中甲烷的吸附能力影响很大。按照SY/T 5163—1995对3口井岩心进行黏土成分分析，结果见表1和图1。表1中只对2#岩样进行了全定量分析，1#、3#岩样为伊利石和伊蒙混层，3个岩心理论上均不会引起水敏膨胀分散。

表1　龙马溪组页岩黏土组成

由图1可知，0.99、0.49及0.33 nm峰为伊利石特征峰，1.38、0.7、0.47及0.35 nm峰为绿泥石特征峰，1.72 nm峰位置极度不明显，与噪音无差别，因此可以判断不存在蒙脱石的SS对，该页岩样品为I/S有序结构，由于伊利石1 nm峰宽化明显，可以确定含有伊利石和蒙脱石混层。

图1　昭通104井黏土XRD

2.2　不同工作液浸泡页岩膨胀性影响

2.2.1 XRD法检测

通常页岩含有蒙脱石时会发生吸水膨胀，这是由于蒙脱石的特殊结构导致，若页岩中含有蒙脱石的SS层间对，则会发生不同程度的吸水膨胀作用，吸水时，蒙脱石1.7 nm峰位衍射高度增加，积分强度增加，并会导致1 nm峰位宽化，峰强度降低，加上伊利石和蒙脱石混层本身对伊利石的1 nm峰有宽化影响，对伊利石1 nm峰进行积分强度分析以及膨胀系数测定[11-12]。

样品使用昭通104岩心，按照1.4方法处理，对浸泡1、3、5、7 d后的岩心进行低角度XRD扫描，扫描角度为5°～10°，由于5 d和7 d数据几乎重叠，作图省略了5 d的数据，XRD对比图谱见图2～图6。在5°～6°的1.7 nm处无明显吸收峰，可以再次判定页岩中无蒙脱石的SS层间对，图中只对1 nm处I/S进行比对。

图2 2%KCl浸泡不同天数岩心XRD

图3　蒸馏水浸泡不同天数岩心XRD

图4　防膨剂溶液浸泡不同天数岩心XRD

图5　滑溜水浸泡不同天数岩心XRD

图6　助排剂溶液浸泡不同天数岩心XRD

由此可知，助排剂主要成分为阴离子表面活性剂，防膨剂主要为有机阳离子聚合物，滑溜水为有机聚合物，经过7 d的浸泡，黏土矿物的1 nm峰宽和峰高没有规律性变化，只有蒸馏水差异较大，浸泡3 d以上峰高比原岩心略低，但峰宽未见明显改变，也不能证明发生了水合膨胀。

2.2.2 IR法检测

蒙脱石层间含水量是反映黏土水化的一个重要指标，红外光谱中3 400 cm-1处有一个吸收峰，归属于层间水分子的H—OH键的伸缩振动，同一来源的蒙脱石中，其Si—O—Si键的红外吸收不发生变化。在1 040 cm-1附近，归属于Si—O—Si键的不对称伸缩振动，2个吸收峰比值可以检验水化膨胀率[13]。采用蒙脱土对照，按照1.1方法对几种来源页岩进行工作液浸泡实验，考察浸泡后页岩膨胀情况，结果见表2。由表2可知，昭通101井露头伊蒙混层中含有一定量SS，在3 400 cm-1处有微弱吸收，即含一定的层间水，但无论清水还是助排剂浸泡，均不会增加层间水含量，即在实验条件下水浸泡不会引起膨胀，可能是其他几个岩心均未见层间水吸收峰，可以证明不含层间水，水不会进入黏土层间。结合XRD可以看出，水（工作液）进入页岩的黏土矿物分子层间，不会引起膨胀。

表2　工作液浸泡后页岩双峰比

2.3　工作液对页岩的吸附和溶解

由于川南为海相成岩，海相成岩压裂返排液中矿化度较高[14-15]，如果在成岩及生气过程中页岩气带水运移情况发生[16-17]，是否会存在可溶盐结晶在页岩中，如果页岩中较多可溶盐，压裂液经过会出现矿化度升高，以及页岩孔隙度增大的现象，采用蒸馏水、1%氯化钾水溶液、助排剂水溶液、滑溜水溶液以及防膨剂水溶液，以长宁201井岩心为样本，对页岩进行浸泡，观察溶出离子浓度，进行验证。

2.3.1工作液对页岩的吸附

按照1.2方法进行吸附实验，结果见表3。由表3可知，不同性质的液体在页岩上吸附量比较接近，纯水略少，KCl溶液吸附较其它大，应该是由于液体密度高，残留在外表面所致。

表3　液体对岩心吸附随时间的变化　　　%

由于页岩孔隙度低，比表面积小，粉碎会造成微粒分布不均，为了更接近实际验证吸液速度与外表面的关系，采用1.2方法造粒，取大小接近的不同粒度岩心颗粒进行吸液实验，结果见表4。在表4中，不排除页岩在敲碎过程中产生裂缝的不均质性。由表4可知，整体趋势为随粒径增大，吸水率呈下降趋势，而且下降趋势变化很大，在第5 d也基本达到平衡，蒸馏水和滑溜水对于整块岩心吸水率接近，说明当岩心路径足够长（或者不联通），在一定时间内，表面张力对水的铺张促进作用表现不显著。实验结果间接证明水在一定时间内侵入岩心的深度（微孔隙）有限，主要发生在外表面[17]。

表4　不同粒度岩心吸水率　　　　%

2.3.2工作液对页岩的溶出

按照1.2方法进行溶出实验，结果见表5。由表5可知，各种工作液对岩心中可溶物的溶解率基本相同，在0.5%～0.6%左右，对溶出物进行矿物分析，阳离子主要为钾和钠，微量的钙，阴离子主要为氯离子。但溶出量有限，应该对致孔作用没有明显贡献。

表5　工作液对页岩的溶出率　　　%

2.4　工作液对页岩孔隙度的影响

从表5数据看出，各种液体对页岩的可溶盐溶出率影响不大，设计实验采用蒸馏水进行，长宁201井岩心（0.154 mm）用液体在室温浸泡30 min，取出，冷冻干燥18 h，孔隙度等指标的变化见表6，孔径变化见图7。

表6　液体浸泡岩心前后变化

图7　吸水前后页岩孔径分布

由表6和图7可知，在实验时间内，液体进入岩心不深，孔容主要由相对大孔贡献，大孔表面形成了水膜，孔容和孔径减少了，而可溶盐由于溶出量较少，没有明显的致孔作用（见表6中水浸泡的数据）。比表面主要由微孔贡献，如果在实验条件下微孔由水膜占据，比表面会大幅度减少，实验条件下，比表面基本不变，说明没有进入到微孔。

考虑到岩心的亲水性，足够长时间水是否会渗透到微孔中，浸泡时间延长，升高温度加快渗透效率，将岩心（0.154 mm）在80 ℃水浴中，分别放置3 d和7 d，冷冻干燥18 h，BET检测其孔径的变化，未检测到孔径数据。由于毛细现象进而占据孔越深入，结合表6可以看出，随着吸附时间的延长水的吸附量增大，测定孔径时氮气不足以将其替换，说明水已经进入到微孔，同时由于仪器灵敏度关系，在实验条件下页岩测不出孔径，在微孔表面形成水膜。