页岩储层吸水能力影响因素实验

2019-07-18廖如刚赵志红唐鹏程

天然气勘探与开发 2019年2期

廖如刚赵志红李婷张晗唐鹏程

1.中国石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司 2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学

0 引言

页岩储层压裂后返排率普遍低于30%，涪陵页岩中部核心区块压后返排率甚至低于5%。与常规油气藏相比，页岩返排率与产量之间无明显正相关，甚至为负相关；除此之外，页岩气压裂后经过长达几个月的闷井，气量显著增加，水量减少[1]。因此有必要通过室内实验开展影响页岩吸水因素的研究。

为了评价水对油气开发的影响，砂岩储层率先开展了自吸实验[2]，并取得了良好的应用效果。近年来由于页岩气开发的需要，国内外在页岩自吸方面做了大量的实验工作[3-18]。典型的页岩自吸曲线表现为吸水率随浸泡时间增加而先上升后趋于稳定。大量实验表明，影响页岩自吸能力的因素有很多：①页岩组构对页岩自吸吸水率的上升速率或幅度有重要影响[3]，与常规油气储层相比，页岩储层孔隙连通性较差，导致自发渗吸曲线斜率明显低于理论值[4]；②层理对页岩自吸有重要影响，平行层理面的页岩自吸速率远远高于垂直层理面的页岩的自吸速率，自吸量也是如此[4-6]；③自吸产生的诱导微裂缝会增加离子扩散速率，增加页岩自吸能力[7]。④页岩吸水量均高于吸油量[7-9]，水和油的摄入量之比远高于水和毛细管压力之比，说明页岩自吸驱动力不仅仅只有毛细管力[10]，还有渗透压力[11]；⑤不同的液体，页岩的自吸能力不同。压裂液能够有效抑制页岩的自吸作用，从而有助于压后返排[12]；质量分数为10%的KCl溶液对黏土有较好的抑制性，能够降低自吸速率和自吸能力[6]。关于页岩自吸后对页岩渗透率的影响，存在2种截然不同的认识，部分学者认为自吸作用导致页岩颗粒粉末运移及气流阻塞，从而会降低渗透率[13-15]，而另一部分学者认为页岩自吸会导致矿物溶解及诱导微裂缝，自吸后会增加渗透率[16-18]。

综上所述，目前国内外关于围压下的页岩自吸能力研究较少，关于页岩自吸后渗透率增加还是降低存在争议。因此，笔者在完善页岩自吸实验方法的基础上，开展了页岩渗透率各向异性、天然微裂缝和围压等因素对页岩自吸能力的研究，同时对比分析了不同液体类型自吸前后渗透率的变化，可为压裂方案的优化设计提供指导。

1 页岩自吸实验分析方法

自吸作用是指由于受到毛细管力、渗透压力等作用，液体自发的进入岩石微小孔道内的一种现象。本文的自吸作用实验测试方法主要分为无围压自吸实验测试以及围压自吸实验测试。

1.1 无围压自吸实验装置

基于称重法设计了无围压条件下的自吸实验装置。采用不浸水、无弹性的鱼线将完全浸入自吸液体中的样品悬挂在分析天平下端，监测样品质量随着时间的变化值，采样间隔为2 min。

1.2 带围压自吸实验装置

采用西南石油大学自行设计的围压下自吸实验装置，该装置基于体积法，利用岩心夹持器以及围压泵对样品进行围压控制，自吸液体与样品一端接触，并进入样品，通过计量管计量自吸量随时间的变化，自吸液体上方可加入少量油，以防止自吸液体挥发。

1.3 实验测试流程

1）制样。根据不同实验要求进行样品制备，其中小岩块自吸实验需要将样品制成1 cm3左右大小，其余实验样品尺寸均为标准岩心尺寸。

2）将样品置于烘箱内干燥10 h以上，无围压测试时，将烘干后的样品放入自吸液体中，并悬挂在分析天平下端；而围压测试时则将样品放入岩心夹持器中施加围压。

3）通过分析天平或计量管对自吸量随时间的变化进行测试分析。

1.4 实验数据分析方法

影响页岩自吸的因素很多，包括渗透率、微裂缝、液体类型等等。为了更好的研究不同因素对自吸的影响，需要对样品自吸实验数据进行归一化表征。定义页岩自吸能力为单位孔隙体积页岩吸水量，采用Olafuyi方法[19-20]对样品自吸量进行归一化处理，即液体的吸入体积与样品的孔隙体积的比值（R），从而通过求取该比值随时间的平方根变化情况，能更好地表征样品的自吸能力。即

式中Vi表示自吸液体体积，cm3；pc表示毛管压力，Pa；Ac表示自吸截面积，cm2；Swf表示前缘饱和度，小数；φ表示孔隙度，小数；L表示样品长度，m；K表示渗透率，mD；μw表示液体黏度，Pa·s；t表示自吸时间，s。

2 页岩性质对自吸能力的影响

2.1 渗透率各向异性的影响

图1为平行于层理面和垂直于层理面岩样自吸后照片，可见平行于层理面的岩样自吸作用后产生了大量明显的诱导微裂缝，而垂直于层理面的岩样自吸作用后未产生明显的诱导微裂缝。

图1 自吸后的岩样照片

图2 各向异性页岩自吸能力曲线图

页岩自吸能力曲线图（图2）表明，由于产生的诱导微裂缝平行于层理，会促进液体进入页岩，导致平行于层理面的岩样自吸能力远远大于垂直于层理面岩样的自吸能力。平行于层理面的岩样在自吸过程中出现了两个明显的急剧上升点，说明岩样在这2个点出现了诱导微裂缝，导致孔隙空间扩大，自吸量从而迅速增加。

2.2 天然微裂缝的影响

采用无水乙醇进行标记。将岩样放置无水乙醇中浸泡一天，然后放置空气中，由于无水乙醇具有高挥发性，且在微裂缝中挥发速度比样品表面的挥发速度慢，因此能够较直观地显现岩样是否含有微裂缝。据此选取外观含有天然微裂缝和不含微裂缝的岩样进行自吸实验，自吸实验后岩样如图3所示。

图3 发生自吸后的岩样照片

自吸后岩样表明，产生了大量的诱导微裂缝。采用Olafuyi法对自吸量进行归一化处理，并对自吸时间进行平方处理，从图4中可以看出，含微裂缝的岩样的自吸能力为89.03%，而不含初始微裂缝的岩样的自吸能力只为55.13%，明显低于大量初始微裂缝的岩样。

图4 不同比例微裂缝岩样的自吸能力曲线图

2.3 岩样围压的影响

从不同围压下自吸前后岩样变化可以看出，岩样均产生了明显的诱导微裂缝（图5）。

不同围压下页岩自吸能力有较大的差异，在3天时间点处，2 MPa下岩样的自吸能力为150.12%，4 MPa下岩样的自吸能力为93.99%，6 MPa下岩样的自吸能力为70.13%，8 MPa下岩样的自吸能力为44.67%，10 MPa下岩样的自吸能力为35.34%（图6）。围压越小，自吸产生微裂缝的体积越大，吸水就越多，围压越大则反之，表明围压对岩样的自吸能力有一定的抑制作用。

3 液体类型对自吸的影响

3.1 液体类型对自吸能力的影响

在相同位置分别取样，分别在蒸馏水、2%KCl溶液和煤油中开展页岩自吸实验，结果表明，蒸馏水的自吸能力（即单位孔隙体积自吸量）最大，为92.94%左右；而煤油的自吸能力最小，为8.76%左右；2%KCl溶液的单位孔隙体积自吸量居中，为34.07%左右（图7）。

页岩中的孔隙主要分为非黏土孔和黏土孔2类，非黏土孔隙（脆性矿物孔、有机孔）中自吸作用力主要是毛管力、重力。黏土孔隙中自吸作用力主要为毛管力、渗透压、重力。

由于煤油主要进入非黏土孔，且缺少渗透压力，因此自吸能力最小，而蒸馏水与页岩的矿化度差异最大，渗透压力也最大，吸水能力最强；2%KCl溶液矿化度差异稍小，自吸能力比蒸馏水稍差。

图5 不同围压下页岩自吸前后的岩样照片

图6 不同围压下页岩自吸能力曲线图

图7 Olafuyi法表征不同液体的自吸曲线图

3.2 液体类型对页岩渗透率的影响

页岩水相自吸后渗透率均有大幅改善，煤油则充填部分孔隙后渗透率略有下降，表明页岩吸水后有利于储层物性的改善；渗透率的增加倍数，最高为蒸馏水，其次为滑溜水，然后为线性胶和2%KCl溶液，最后为煤油（图8）。其中破胶液测试稍有异常，这是因为该岩样初始渗透率较高，含有微裂缝，吸水有更易张开，同时破胶液本身的自吸能力也比较强，因此增加倍数较高。