页岩储层黏土矿物对裂缝导流能力伤害的影响

2020-02-24石富坤赵逸清葛洪魁

科学技术与工程 2020年1期

杨柳, 石富坤, 赵逸清, 葛洪魁, 周彤

(1.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083；2.中国石油大学(北京) 非常规天然气研究院,北京 102249； 3.新疆油田公司勘探开发研究院开发所,克拉玛依 834099； 4.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京 100083)

页岩储层的开发存在很大潜力,但对比中外在页岩气的开发效果发现,对于页岩气的高效开发开发利用仅能达到30%[1]。分析发现,对于页岩气储层的开发,不仅与复杂裂缝的分布有关,还与裂缝网络的导流能力有直接关系,支撑剂作为维持裂缝网络的导流能力,起到了非常重要的作用,但同时支撑剂的嵌入也可能大幅度降低裂缝网络的导流能力,同时还会引起页岩裂缝壁的碎块剥落,造成更严重的导流能力伤害[2-4]。

对于人工裂缝导流能力的研究引起世界的广泛关注,针对于此,中外学者开展了大批的实验研究。Darin等[5]针对支撑剂开展实验研究,假定支撑剂嵌入,理论推导证实单层支撑剂能够获得较高的裂缝导流能力；Cooke[6-7]指出了在不同温度的盐溶液,闭合压力等作用下对裂缝导流能力的影响；研究了压裂液对裂缝导流能力的影响,发现瓜胶液体的残渣运移是裂缝导流能力下降的重要原因,同时也指出裂缝导流能力的下降受支撑剂浓度和支撑剂嵌入裂隙的程度影响；Reed[8]和Parker等[9]等指出温度、压裂液的滤饼和添加剂也影响裂缝的导流能力；Fredd等[10]对砂岩样品进行实验,比较低密度支撑剂对裂缝的导流能力影响,得出错位裂缝可以形成良好的自支撑导流能力。

页岩储层受外部压力压裂之后,压裂液进入页岩储层。压裂液进入页岩储层会如何影响裂缝导流能力,目前中国在这方面的研究较少。一般观点认为,裂缝导流能力的下降也与水进入页岩基质有关[11]。水进入页岩的主要方式包括黏土的渗吸[12],水分子的扩散运动,毛细作用；同时还存在裂缝与基质之间的压力差造成水分的少量吸入,这种原因引起的水分吸入非常少,页岩富含黏土矿物[13],黏土与支撑剂接触反应,导致人工裂缝壁表面的脱落,造成裂缝导流能力的下降；支撑剂嵌入人工裂缝的同时,水分会沿着支撑剂形成的微裂缝渗入,进一步降低裂缝壁的强度,降低裂缝的导流能力。但是,目前中外关于页岩储层人工裂缝导流能力的研究较少。

实验采用龙马溪组、鲁家坪组、须家河组和五峰组的露头页岩等地岩样,进行人工裂缝导流能力实验,并与长7段致密砂岩及常规露头砂岩进行对比,研究支撑剂对人工裂缝导流能力的影响,为以后深入了解支撑剂嵌入对人工裂缝导流能力伤害程度及机理提供现实借鉴意义。

1 实验装置及方法

1.1 样品及材料

4种页岩样品取自龙马溪组、鲁家坪组、须家河组和五峰组,并与长7段致密砂岩和延长组常规砂岩进行对比实验。一般地,岩样的平行层理相较于垂直层理更易于压裂液的吸收,且吸收速率前者高于后者,考虑这一因素,保证实验结果的可靠性,我们采用所有的样品面与岩石层理相平行。砂岩和页岩均属于沉积岩,页岩比砂岩强度低,黏土含量高,且石英、长石、白云石等矿物成分相比砂岩来说更低[14],页岩岩样储层信息如表1所示。

对于要实验的岩样,考虑导流槽的形状及大小,岩样两端加工成半圆形状,所有岩样的长宽高分别为17.7、3.8、2 cm。从层理上观察,页岩多含有明显的层理走向；从颜色上可以看出,砂岩多呈褐色或红色,颜色较明亮；对于页岩来说,多呈灰色或黑色,颜色暗淡,如图1、图2所示。

实验过程中要保持岩石和实验材料的干燥,测试用到的实验材料干氮气和石英砂。干燥的氮气用于风干岩石样品表面,测试岩板导流能力变化。本实验中,采用蒸馏水代替压裂液开展实验。蒸馏水活度较高,与页岩存在强相互作用,能够更好地显示压裂液对导流能力的影响[15]；石英砂为40～60 目,对岩板进行支撑,模拟人工支撑裂缝。

1.2 实验仪器及测试原理

使用的导流能力测试仪(FCES—100)为美国Core-Lab公司生产。实验温度上限为150 ℃,闭合压力上限为120 MPa,能够满足各种岩石样品导流能力测试要求。实验中,温度恒为60 ℃。液测导流能力公式可以进一步表示为

表1 全岩矿物分析结果Table 1 Result of whole rock mineral analysis

图1 不同储层岩石的导流板Fig.1 Samples for fracture conductivity experiments

图2 样品的大小形状与导流槽的匹配关系Fig.2 Samples shaped to fit into the conductivity cell

(1)

式(1)中，k为支撑裂缝渗透率,μm2；wf为充填裂缝缝宽,cm；μ为流体黏度,mPa·s；Q为裂缝内流量,cm3/s；Δp为测试段两端的压力差,kPa。

因此,实验过程中只需要测定流量和岩板两端的压差即可获得支撑裂缝的导流能力。

整个的实验装置分为五个单元:注气单元、注液单元、导流槽、闭合应力加压单元1 000 Teledyne ISCO泵,泵入速率为0.1～408 mL/min,工作压力0～14 MPa,实验过程中采用的闭合压力为50 MPa。

实验进行前要保持样品的干燥,通入干氮气,保持时间1 d,测定压裂液注入前,裂缝导流能力的变化曲线。然后采用ISCO以2.5 mL/min的速度向岩板间注入压裂液,记录导流能力的变化,测定时间5 d。压裂液注入结束后,继续向裂缝中通入干氮气,风干岩板表面,保持时间1 d,测量裂缝导流能力。对比两次干燥氮气测试的导流能力,用于评估流体对支撑裂缝的伤害程度。实验结束之后,观察支撑剂的嵌入情况。

2 实验结果

2.1 页岩储层裂缝表面变化

图3所示为实验后不同页岩和致密岩石岩板表面变化情况。对比图2可知,实验前的岩石样品表面光滑,无裂缝出现；实验后岩石样品受到不同程度的伤害,出现大小不同的裂缝,岩石样品表面出现脱落现象,光滑程度受到不同程度影响,比较岩石样品受到伤害的程度,得到的结果为XJ>LM>L>ZS>WF>S。本组实验中以须家河、龙马溪、五峰组受到损伤严重,其中须家河和龙马溪样品的表面出现密集软物质颗粒,这与支撑剂嵌入程度有关。

图3 实验后不同岩石的岩板表面Fig.3 The rock plate surface of different rocks after experiments

2.2 页岩储层裂缝导流能力伤害

图4 不同岩石支撑裂缝导流能力变化曲线Fig.4 Variation in fracture conductivity for different rocks

图4所示为不同页岩和致密岩石的导流能力变化曲线。对比发现,虽然6 种岩石样品的性质各有不同,但其导流变化曲线确有相似之处。根据导流曲线分为三个部分,第一阶段为注入蒸馏水之前,通入干氮气的时间为24 h,这个过程中岩样在受到50 MPa的闭合压力,岩样开始蠕变,支撑剂慢慢嵌入岩样裂缝中,随着干氮气注入时间的增加,岩样的导流能力出现轻微下降；第二阶段,停止通入干氮气,开始把蒸馏水注入岩样裂缝中,初始阶段(24～60 h),导流能力出现明显下降,说明伤害程度较严重,之后导流能力趋缓,说明伤害程度进一步加深不明显,此过程共进行120 h；第三阶段,停止注入蒸馏水,开始通入干氮气,在通入氮气初期,导流能力再次下降,很快上升,且上升程度远超下降程度,整个过程用时较短。分析原因,这可能与裂缝中残留蒸馏水有关,蒸馏水迟滞了氮气的流通造成的,随着通入时间的增加,裂缝中的水被氮气驱替,导流能力上升,继续导入干氮气,导流能力继续恢复,氮气流通速度稳定后,导流能力趋于稳定,但导流能力不能恢复到蒸馏水注入之前的程度。比较第一阶段和第三阶段,观察蒸馏水注入前后,裂缝导流能力的变化程度,定量分析蒸馏水对裂缝导流伤害能力。

图4(a)所示为须家河组页岩的电导率变化曲线,原始的没有伤害的支撑裂缝导流能力为142.5 μm2·cm,通过水后明显的降低到0.06 μm2·cm。停止注入蒸馏水,通过干氮气发现导流能力有一定程度恢复,但恢复程度很小,仅能达到最初的2%,这与通过蒸馏水时,蒸馏水对岩样的裂缝导流能力伤害造成的；此外对比图1和图3(a)发现,支撑剂嵌入裂缝的程度较严重,分析原因发现,这与页岩表面的强度下降有关。Zhang等[16]指出在相同的实验条件下,前20 h导流能力能够降低20%。这与本实验得出的结论相差较大,这说明导流能力下降不仅围压作用下的页岩发生蠕变造成的,还同压裂液与页岩之间的相互作用,引起页岩导流能力下降有关。

2.3 黏土矿物对裂缝导流能力的影响

图5所示为不同页岩和砂岩的黏土矿物种类相对含量与导流能力变化曲线。可知，对于6种岩石来说,4种不同黏土矿物的相对含量不同,其导流能力变化曲线有差别。具体来说,由图5(a)～图5(c)可知，裂缝导流能力与伊利石、伊蒙混层、黏土相对含量负相关。

图5 不同黏土矿物对裂缝导流能力变化曲线Fig.5 Curves of fracture conductivity of different clay minerals

由图5可知,无论是比较黏土含量,还是对比页岩和砂岩中不同的黏土成分含量,不同岩石对裂缝导流伤害能力没有明显变化。具体而言,XJ、LM、L三种页岩的裂缝伤害能力最强,且从导流伤害为1,降到导流伤害为0.7左右,依次递减,这与黏土含量有明显关系,如图5(a)、图5(b)所示。砂岩ZS因其与页岩WF中黏土含量相差不大,且相比WF、ZS中含有较高的蒙脱石和伊利石,这使得ZS对裂缝的导流伤害能力略高于WF。总体来看,对于XJ、LM、L、WF四种页岩来说,黏土含量能明显影响裂缝的导流伤害能力,黏土含量越高,裂缝导流伤害能力越明显。

当页岩中通入蒸馏水时,蒸馏水引起页岩中的黏土发生膨胀,层间作用力降低,影响到土骨架强度降低,黏土的页岩中的气体不能完全被驱替,大量气体被锁定在小孔隙和有机质内,由于页岩的透水能力较弱,被锁定的孔隙压力很难进行传递,在靠近裂缝的位置会形成较大的孔隙压力,同时黏土自身的压力和毛细管力的存在都对孔隙压力的形成有促进作用,如图6所示。同时页岩的有效应力也会受到孔隙压力的影响而减弱,为微裂缝的产生创造了较好的条件,裂缝因为拉应力的降低而扩展,页岩的骨架强度降低,诱发支撑剂嵌入裂缝之中,造成更严重的导流伤害。同时,蒸馏水注入页岩之后,也会对页岩本身的单轴抗压强度等物理指标造成影响,导致其强度降低,岩样更易于破坏。

图6 支撑裂缝表面孔隙压力示意图Fig.6 Sketch of pore pressure in prop fracture surface

3 讨论

图7 单层支撑剂嵌入前后导流空间的变化Fig.7 The space variation before and after the monolayer proppant are embedded

实验在设计时采用支撑剂铺设层数为单层,这里讨论支撑剂铺设层数对导流能力伤害的影响。图7、图8为单层、双层支撑剂嵌入示意图,来比较铺设层数对页岩支撑裂缝的伤害程度。可以看出,在相同的嵌入深度下,铺设层数越少,导流能力伤害越严重。对比多组实验发现,支撑剂嵌入前期,裂缝导流能力下降明显,后期嵌入,对导流能力的伤害程度下降,这种现象的出现可能与支撑剂的密度有很大关系,不同密度的支撑剂嵌入裂缝的程度不同,对于导流能力的伤害程度不一样。双层支撑剂的铺设不同于单层支撑剂的铺设会明显受到密度因素的影响,因为两者嵌入的裂缝孔隙不同,双层支撑剂主要是作用颗粒之间的裂缝空间,而单层支撑剂对近裂缝壁面的作用较明显。如图7所示双层支撑剂嵌入示意图。