页岩水化及水锁解除机制

2021-07-20曾凡辉张蔷郭建春曾波张宇何颂根

石油勘探与开发 2021年3期

曾凡辉，张蔷，郭建春，曾波，张宇，何颂根

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500；2.中国石油西南油气田公司页岩气研究院，成都 610056；3.中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院，成都 618000）

0 引言

页岩气作为常规油气重要的接替资源，影响着各国能源战略格局，页岩气开发得到了越来越广泛的关注[1-2]。页岩由细粒沉积物构成，富含黏土矿物与有机质，广泛发育微纳米孔隙，储集层非均质性强。基于毛细管力的自发渗吸驱气是提高页岩气井产量的重要机理[3-4]。压裂施工过程中，压裂液侵入导致近井地带含水饱和度增加，孔隙中气水界面的毛细管阻力增加，贾敏效应增强，压裂液流动不畅，易发生水锁效应[5]，但水锁是一种瞬态现象。页岩自吸作用强烈，压裂液扩散能力良好。在亲水小孔隙的毛细管力作用下，原本滞留在页岩气流动通道中的压裂液将扩散进储集层基质，流动通道逐步开放，即水锁解除[6]。张磊等[7]通过格子Boltzmann模型模拟微纳米级孔隙中气驱水，发现气体在大孔道形成连续相后难以驱替小孔道内的水，形成水锁伤害，阻碍页岩气产出；Cheng等[8]认为压裂液自吸进入基质孔隙中，可逆向渗吸置换出气体。由此可见，页岩丰富的微纳米孔隙结构具有一定的自吸能力和扩散能力，这决定了水锁解除的潜力。而页岩的吸水特性很大程度上受微纳米孔隙的数目、尺寸、体积、孔缝连通性等因素的影响[9]。

压裂液浸入页岩储集层后，页岩将发生水化作用并改变内部微观结构。目前关于水化对页岩物性参数是否具有有利影响尚无一致认识：隋微波等[10]应用场发射扫描电镜定点研究了页岩水化前后的微观结构变化，发现页岩水化后出现溶蚀孔隙和矿物脱落，平均孔径变大，微裂缝不断发展并相互贯通；但 Hower[11]指出压裂液浸入页岩后，地层溶液离子浓度发生变化，黏土矿物吸水膨胀，导致微粒分散运移，堵塞页岩孔道。Farah等[12]等认为因页岩孔径细小，毛细管力巨大，水化后黏土膨胀，堵塞孔喉，孔隙结构连通性降低。综上可以看出：充分利用页岩水化作用，诱发微裂缝萌生，可以形成复杂裂缝网络沟通微纳米孔隙[4]；但页岩自吸压裂液可能形成水锁伤害，降低气相渗透率。因此，研究页岩水化对孔隙结构的影响以及压裂液侵入后页岩的物性参数的变化，对压裂参数优化设计和提高页岩气井产量具有重要意义。

本文选取富有机质、微纳米孔隙发育的四川盆地下志留统龙马溪组页岩样品，在前人研究基础上，综合应用电镜扫描、CT扫描、高压压汞、低温N2吸附、水化自吸等实验方法，分析对比水化作用强烈的蒙脱石、伊利石水化特征，从微观机理、宏观过程揭示页岩水化过程中孔隙结构的演变机制，分析影响页岩吸水及水锁解除能力的主控因素，揭示孔隙结构与水锁解除能力的对应关系，为优选压裂液配方、确定合理焖井工作制度提供技术支持。

1 单黏土矿物水化实验

黏土矿物晶体由含水的层状硅铝酸盐面接触堆积而成，单元晶层表面带有负电荷，在负电荷作用下，黏土晶层吸附水合阳离子并在表面形成水化膜。压裂液的浸入改变了原始孔隙流体离子类型和浓度分布，进而影响黏土矿物表面及晶层间离子类型和离子浓度分布，导致黏土矿物发生一系列物理化学反应。因此页岩水化的核心是黏土矿物水化[13]，水化应变、应力则是评价水化作用强度的关键参数。

黏土矿物种类不同水化特征也不同，绿泥石的晶体结构相对稳定且具有亲油性，高岭石吸水性弱，均不具有膨胀性[14]；蒙脱石和伊利石水化作用强烈，本文以伊利石与蒙脱石的水化特征为重点研究对象。

1.1 实验样品、方法

实验样品：选用0.075 mm（200目）伊利石粉与蒙脱石粉，采用抽提法提纯后，各取4 g样品分别放入圆柱形试样筒内。

测试过程：①对试样筒施加1.5 MPa外界压力压实，施压10 min后记录样品的初始高度；②将样品固定在NP-3型黏土膨胀仪样桶内，分别加入去离子水、浓度为1.0 mol/L的CaCl2、NaCl、KCl溶液；③在常温常压环境下浸泡，记录不同时刻样品的高度；④对样品施加一定外压，保证体积不变，测量水化应力。

1.2 实验结果

伊利石、蒙脱石在去离子水中的水化膨胀应力、水化膨胀高度曲线分别如图1、图2所示。可以看出：①蒙脱石的最大水化膨胀应力略高于伊利石，但伊利石水化膨胀应力增大速度远大于蒙脱石，且增大速度基本不变，达到平衡的时间为0.17 h；蒙脱石水化膨胀应力增长缓慢，达到平衡的时间为1.0 h；②当膨胀应力达到平衡状态时，伊利石、蒙脱石体积还在继续增大，其变化明显滞后于水化应力；③蒙脱石的吸水膨胀能力远高于伊利石，水化膨胀较慢；④伊利石膨胀体积较小，水化反应速率非常快，短时间内就达到平衡状态。由此可见伊利石颗粒表面水化强度更高，水化作用更快速、剧烈。

图1 去离子水中伊利石、蒙脱石水化膨胀应力曲线

图2 去离子水中伊利石、蒙脱石膨胀高度曲线

蒙脱石与伊利石样品在不同溶液中线性膨胀率如图3所示。可以看到，伊利石与蒙脱石在无机盐溶液中的线性膨胀率均小于在去离子水中的线性膨胀率，说明无机阳离子可以抑制黏土矿物吸水膨胀，且对伊利石的抑制作用更强，其中K+抑制黏土水化膨胀的效果最好。

图3 不同溶液中伊利石、蒙脱石线性膨胀率

黏土矿物水化膨胀应变滞后于水化应力，水化作用同时具有积极与消极作用：一方面黏土矿物水化应力对矿物颗粒起拉伸作用[14]，同时膨胀应力对周围不膨胀部分形成挤压，降低岩石胶结强度，诱发微粒崩解分散，张性裂缝延伸扩展，孔缝连通性增强。随水化时间延长，水化应力达到平衡，但膨胀应变仍继续增大，水化应力在裂缝面上产生的拉应力不足以支撑微裂缝继续扩展，黏土矿物吸水膨胀则会占据部分孔隙体积，减小裂缝尺度，降低孔缝连通性[15]。

2 页岩水化前后微观结构表征实验

蒙脱石与伊利石水化特征差异较大，对页岩水化微观结构的改变能力及压裂液的扩散能力影响不同。本文采用扫描电镜、微米CT扫描、高压压汞、低温N2吸附、水化自吸实验等手段，对比黏土矿物组成不同的两套页岩样品在水化过程中颗粒形态、孔径分布等孔隙结构的变化，分析页岩水化的主控因素、黏土矿物对页岩水化微观结构的影响及水锁自我解除能力。

2.1 实验设计

实验样品：实验岩心采自四川长宁地区下志留统龙马溪组两个相邻井区——A井区与 B井区，样品编号L1、L2。利用XRD（X射线衍射）测定页岩的矿物组成与总有机碳含量（见表1），矿物组成以石英、黏土矿物为主。两种样品黏土矿物总量相似但黏土矿物组成差别较大，样品L1以伊利石为主，含量为22.1%；样品L2以蒙脱石为主，含量为23.3%。

表1 页岩样品L1、L2总有机碳含量与矿物组成

实验设备：①Quanta450环境扫描电镜，用于观测分析岩样的微观结构，其二次电子高真空模式分辨率为3～8 nm，背散射电子分辨率为4 nm，可以测定孔隙类型、尺寸、数量和微裂缝发育情况[16]；②MicroXCT-400型CT机，X射线空间分辨率高达1.5 μm，用于进行岩样端面扫描；③Poremaster 60GT压汞仪，最高进汞压力413.7 MPa，样品孔径最佳范围20～1 500 nm，用于高压压汞实验；④自动孔隙测定系统，用于低温N2吸附实验；⑤赛多利斯QUINTIX224-1CN型分析天平，量程220 g，精度±0.000 1 g，用于水化自吸实验。

实验步骤：①分别从2组全直径岩心（L1、L2）的相邻位置钻取多个直径约2.54 cm，长约5.00 cm的标准圆柱样；分别从L1、L2标准圆柱样同一端面取相邻的4小块边长为1 cm的立方体岩样用于电镜扫描实验；将标准圆柱样打磨成直径2.50 cm、高2.83 cm与直径1.00 cm、高1.00 cm的圆柱岩样分别用于微米CT扫描与高压压汞；再将部分标准岩柱样研磨成粒径0.250～0.425 mm（40～60目）的颗粒状样品用于氮气吸附实验；②由于无法做到同一岩样浸泡 4次，将两组岩心4种尺寸样品各4份在温度为90 ℃条件下，分别浸泡0，5，10，20 d，压裂液配方与现场一致：0.1%降阻剂+0.1%防膨剂+1%助排剂；③将立方体岩样表面进行氩离子抛光和喷镀碳膜后，在 60 ℃低温烘干处理，采用扫描电镜观测岩样微观结构；④将未水化岩心柱沿直径方向剖垂直缝，模拟压裂裂缝，并采用CT机沿岩样端面扫描，随后将岩心柱置于驱替装置夹持器中，采用实验压裂液进行驱替，模拟地下页岩压裂过程，设置驱替压力7.5 MPa，驱替流量由2.0 mL/min逐步降至0.2 mL/min，驱替10 d后再沿岩样端面扫描，观察岩样内部水化微裂缝以及孔隙连通性；⑤采用Poremaster 60GT压汞仪测试中孔及大孔的孔径分布；⑥将颗粒状岩样在150 ℃下脱气5 h预处理，随后在77 K温度下用静态体积法测量、计算样品的等温吸附、脱附曲线；⑦取边长为1 cm的立方体岩样，放置烘箱内干燥10 h，再放入压裂液中监测样品质量随时间的变化值，每2 min记录一次。

2.2 实验结果分析

2.2.1 页岩端面颗粒表面形态变化

图4、图5分别为L1、L2岩样不同水化时间下微观结构的变化情况。扫描电镜图像显示，岩样浸泡前，黏土矿物中孔隙及黏土层间微裂缝较发育，形态呈狭缝状，局部张开但未贯通，L2岩样初始微裂缝更为发育（见图4a、图5a）。

L1岩样浸泡后，页岩水化过程主要存在3种变化形式：①水浸后黏土矿物膨胀不明显，岩样以层理缝的张开及初始裂缝扩展为主，水化诱导微裂缝主要为平行层理方向的黏土层间缝的张开及连通（见图4b）；②黏土矿物吸水膨胀，颗粒边缘逐渐钝化，黏土富集区域具有较高的膨胀势，在较大的膨胀应力挤压下，周围不膨胀颗粒崩解分散，并填充于孔隙中，微裂缝趋于闭合（见图4c）；③大量颗粒、条带状聚合物粘附于岩石表面，溶蚀孔增多，总体结构转化为多孔疏松，岩样胶结强度降低（见图4d）。L2岩样具有与L1岩样相似的变化趋势（见图5），不同的是：水化10 d后在该岩样中还观测到明显的裂缝扩展行为；水化20 d时，微粒分散程度远高于L1岩样。

图4 L1岩样不同浸泡时间下的微观结构

图5 L2岩样不同浸泡时间下的微观结构

L1、L2两种岩样水化微观结构演变特征具有较大差异，L1岩样以水化诱导微裂隙发育为主，L2岩样黏土矿物颗粒膨胀与微粒分散程度高；对比图4与图5还可以看到，页岩蒙脱石含量高则分散性强，易水化膨胀；伊利石含量高则分散性低，不易水化膨胀，以微裂缝扩展为主[10]。

2.2.2 页岩端面裂缝及孔隙分布特征

由前述可知，L2岩样水化10 d后层理缝扩展明显，故对干燥岩样与驱替10 d后的L2岩样端面进行微米CT扫描，直观地对比微裂缝及孔隙的平面分布变化特征。从岩样端面CT扫描结果（见图6）可以看到：①岩样具有1条人工裂缝及明显的层理缝（1号区域与2号区域），在黏土水化作用下，1号区域与3号区域均有明显的扩展行为，微裂缝连通性增强；②2号区域由绿色变为玫红色，层理缝体积明显增大；③人工裂缝周围小尺度的离散微裂缝（图中蓝色的离散点）显著增多。

图6 干燥岩样与驱替10 d后岩样端面微观结构

综上可知，岩样水化前小尺度孔缝呈零散分布，水化后黏土膨胀，微裂缝开启，小尺度孔缝密集分布，微观上局部相互连通，增强了裂缝、有机质孔和无机质孔间的连通性，提高储集层渗透率，有利于压裂液扩散[17]。

2.2.3 自吸后孔径分布

2.2.3.1 高压压汞实验

根据实验测试进汞压力曲线计算L1、L2岩样浸泡前后孔隙分布比例如图7、图8所示。分析可知，L1岩样浸泡5 d与未浸泡相比，2～10 nm孔隙消失，10～20 nm孔隙占比提高1.25倍，20～40 nm孔隙占比略有下降，大于100 nm孔隙开始出现；浸泡10 d与浸泡5 d相比，2～10 nm孔隙仍为消失状态，10～20 nm孔隙占比大幅降低，20～40 nm孔隙占比大幅升高，大于100 nm孔隙占比小幅升高；浸泡20 d与浸泡10 d相比，2～10 nm孔隙基本重新回到未浸泡时的状态，10～20 nm孔隙占比小幅升高，20～40 nm孔隙占比大幅降低，大于100 nm孔隙占比大幅降低。

图7 L1岩样浸泡前后孔隙分布频率对比

图8 L2岩样浸泡前后孔隙分布频率对比

L2岩样浸泡5 d与未浸泡相比，2～10 nm孔隙基本消失，10～20 nm孔隙占比提高近31.4倍，20～40 nm孔隙占比下降78.5%，大于100 nm孔隙基本持平；浸泡10 d与浸泡5 d相比，2～10 nm孔隙仍为消失状态，10～20 nm孔隙占比大幅降低，20～40 nm孔隙占比大幅升高，大于100 nm孔隙占比小幅升高；浸泡 20 d与浸泡10 d相比，2～10 nm孔隙基本重新回到未浸泡时的状态，10～20 nm孔隙占比小幅升高，20～40 nm孔隙占比大幅降低，大于100 nm孔隙基本消失。

可以看到，适当的浸泡可以改善岩样孔隙结构，提高岩样渗流能力，但浸泡时间并非越长越好，浸泡5 d时10～20 nm孔隙占比大幅升，大于100 nm微裂缝开启；浸泡10 d时20～40 nm孔隙占比大幅升高，大于100 nm微裂缝仍保持开启；浸泡20 d时，10～40 nm孔隙多数堵塞，大于100 nm微裂缝基本封闭。总体结果为L1岩样浸泡5 d、L2岩样浸泡10 d时孔隙结构最发育，此时岩样渗流能力最强。

2.2.3.2 低温N2吸附实验

脱附、吸附曲线不重合形成滞回环，在相对压力较高处（p/p0＞0.45）滞回环变宽。根据滞回环形状可以确定孔隙的形态[16]。Boer等[18]提出滞回环可分5类（A—E型），国际纯化学与应用化学联合会（IUPAC）在此基础上推荐分为4类（H1—H4型）[19]，分别表示圆柱形孔、墨水瓶孔、一端或两端开口的楔形孔和裂缝形孔。

L1、L2岩样氮气吸附/脱附曲线如图9、图10所示。L1岩样未浸泡时滞回环与H2型回线接近兼有H3型回线特征，孔隙结构由墨水瓶孔和楔形孔混合而成；浸泡5 d与未浸泡相比，中等压力范围内（0.45≤p/p0＜0.80），脱附曲线抬高，滞回环变宽，与Boer脱附回线 B型相近兼有 H4型特征，具有裂缝形孔特征；浸泡10 d与浸泡5 d相比，较高压力范围内（0.8≤p/p0＜1.0），滞回环变窄，呈H3型特征，孔隙形态又转化为楔形孔；浸泡20 d与浸泡10 d相比，滞回环变宽，H2型特征变明显。

图9 L1岩样等温脱附、吸附曲线

图10 L2岩样等温脱附、吸附曲线

L2岩样在浸泡0 d到浸泡5 d再到浸泡10 d的过程中，滞回环变化规律相似，即滞回环逐渐变宽，形态由H2型逐渐向Boer滞回环B型转化，B型特征逐渐明显；浸泡20 d时，滞回环宽度极小，岩样以封闭性孔为主。

可以看到，岩样在浸泡过程中滞回环形态先由H2型向Boer滞回环B型转化，再变为H3型，表征孔隙形态由墨水瓶孔向裂缝形孔转化，再向楔形孔转化，即孔隙开放程度整体上先增大后减小。这说明页岩存在最佳水化时间，此时微观孔隙结构最发育，储集层物性最好，浸泡时间过长，则会产生不利影响，实验结果显示L1岩样浸泡5 d、L2岩样浸泡10 d时孔缝连通性最强，压裂液扩散能力也最强。

采用图9、图10数据，根据BJH模型[20]分别计算L1、L2岩样的孔径分布，采用单位质量岩样孔隙体积对孔隙半径的微分来反映孔径分布的变化趋势，以消除采样间隔的影响（见图11、图12）。

图11 L1岩样孔径分布变化

图12 L2岩样孔径分布变化

对比L1岩样的4条浸泡曲线的位置可知，浸泡5 d时曲线基本处于最高位，说明该条件下的孔隙体积最大，而浸泡10，20 d时曲线则基本位于未浸泡曲线下方；同样对比可知，L2岩样浸泡5，10 d时曲线位于未浸泡曲线上方，浸泡20 d时曲线则基本位于未浸泡曲线下方，其中浸泡10 d时曲线处于最高位，该条件下的孔隙体积最大。同样说明适当的浸泡可以改善储集层物性，而时间过长，对页岩储集层物性有较大的伤害。

2.2.4 水化自吸实验

水化自吸实验可以衡量压裂液在页岩中的运移情况。Hu等[21]研究表明，双对数坐标系下的自吸曲线通常至少含有两段直线：初期直线段被称为自吸段，末期直线段被称为扩散段，自吸段结束的时间为拐点。为了描述压裂液在孔隙网络中的扩散能力，将扩散能力定义为扩散段的自吸量与最终自吸量的比值[21]。将岩样自吸量随浸泡时间的变化数据绘制在双对数坐标系中（见图13），可以发现：L1岩样自吸1 720 min后进入扩散段，计算扩散能力为0.36；L2岩样自吸1 040 min后进入扩散段，计算扩散能力为0.47，为L1岩样的1.32倍。

图13 L1、L2岩样自吸量随浸泡时间变化双对数曲线

自吸曲线基本可划分为快速上升、上升趋缓与基本平稳3个阶段：快速上升阶段（L1岩样自吸时间小于1 720 min，L2岩样自吸时间小于1 040 min），在渗透压差及毛细管力的综合作用下，压裂液优先自吸进入无机质孔隙及微裂缝中，以微裂缝与无机质孔吸水为主[22]；上升趋缓阶段（L1岩样自吸时间为1 720～3 450 min；L2岩样自吸时间为1 040～3 790 min），压裂液向深层基质孔隙中扩散，流动阻力增大，微裂缝与无机质孔吸水减少，以黏土矿物吸水为主[23-24]；趋于稳定阶段（L1岩样自吸时间大于3 450 min，L2岩样自吸时间大于3 790 min），L1岩样自吸量在0.83 g附近起伏波动，L2岩样自吸量在1.03 g附近起伏波动，此时岩样基本被水饱和。

由图7、图8可知，L1岩样孔径小于20 nm的孔隙占比高，孔径小，毛管力大，初期自吸作用相对较强，但扩散能力不足，水分子易堵塞孔隙通道形成水锁；L2岩样孔径大于20 nm孔隙占比高，孔径大，初期自吸作用相对较弱，压裂液向基质孔隙中扩散的能力较强，储集层水锁后具有一定的自我解除能力。

综上所述，黏土矿物不同，水化应力、应变特征也不同：伊利石层间作用力主要由双电层斥力控制，只进行表面水化作用[13]，水化应力高、应变小、水化平衡时间短[25]；蒙脱石水化过程主要由压裂液与孔隙流体间渗透压差控制，表面水化之后继续吸水进行渗透水化作用，可以产生数十倍层间距的长程膨胀，水化应力小、应变大、水化平衡时间长[25]。宏观表现为黏土矿物组成不同的页岩水化特征有差异：L2岩样蒙脱石含量高，易水化膨胀，水化不均匀膨胀程度高，微观孔隙结构变化明显，储集层物性改善潜力大；L1岩样伊利石含量高，不易水化膨胀，分散性低，以微裂缝扩展为主，改善孔隙结构能力有限。

页岩水化微观结构变化形式具有时间效应，变化程度与黏土矿物组成有关。水化作用通过影响页岩孔隙结构控制气体在页岩中的流动能力。黏土水化可以增强页岩微纳米级有机质孔与无机质孔间连通性并扩大孔隙空间，有利于提升页岩气渗流能力。压裂施工后，通过适当时间的焖井，可一定程度上改善储集层物性。

3 现场应用

四川长宁地区 A井区龙马溪组页岩伊利石含量高，取样岩心为L1，推荐最佳焖井时间为5 d；B井区蒙脱石含量高，取样岩心为L2，推荐最佳焖井时间为10 d。分别选取A、B井区内相邻两井（A-1井与A-2井、B-1井与B-2井）进行现场试验，相同井区内所选两井物性参数、施工参数与矿物组分均较为相似（见表2）。A-1井实际焖井5 d，A-2井实际焖井10 d；B-1井实际焖井10 d，B-2井实际焖井15 d。

表2 压后焖井效果对比表

从实际效果来看，A-1井按照最优焖井时间关井5 d，A-2井则延长焖井时间至10 d，A-1井压裂段数少于A-2井，但实测产量却大致相同；B-2井压裂段多、水平段长，但因实际焖井时间长于最优焖井时间，其实测产量比B-1井低25.9%。这说明蒙脱石含量高的井，最优焖井时间较长；伊利石含量高的井，最优焖井时间较短。采用最优焖井时间关井有助于充分改善储集层物性，提高页岩气井产量；延长焖井时间并无好的效果。