富有机质页岩高温热激增渗机理实验研究

杨东升，康毅力，吴 简，游利军，宋 鑫，张 冰，李鑫磊

(1.西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500； 2.川庆钻探长庆井下技术作业公司，陕西 西安 710065)

引 言

页岩储层具有基块孔隙度极低、渗透率极低、纳米孔十分发育[1]的特征，为了实现商业开采，目前普遍采用大规模水力压裂技术[2]。利用水力压裂产生新的裂缝网络，连通天然裂缝，一定程度上提高了页岩气开发效率，但随着所开发页岩气藏地质条件愈发复杂，其优势受到一定限制。页岩气井在水力压裂作业后，压裂液返排率仅为10%～50%[3]，大量压裂液滞留会产生水相圈闭损害[4]。此外，由于页岩储层中黏土矿物含量高，极易吸收压裂液中的水分，从而发生水化膨胀或微粒运移[5]，堵塞裂缝网络，降低页岩气藏采收率。

储层高温热处理技术能够很好地解决与“水”相关的储层损害。储层高温热处理不仅能减少近井带水相造成的储层损害[6]，且对近井带进行高温热处理，会使岩石孔隙中的水蒸发，增加孔喉体积、渗流通道横截面积。高温也会使页岩中的某些矿物，如黏土矿物、有机质、石英等发生结构或相态改变，从而产生微裂缝网络，增加了流体在页岩多尺度孔隙-裂缝网络结构中的输运能力。

为了更大程度地发挥水力压裂技术在页岩气藏开发过程中的优势，抑制其不利因素，可以尝试在水力压裂后采用储层高温热处理技术。目前，国内外学者的研究多侧重于干岩样热处理后力学性能的研究，没有将水这一重要因素考虑在内，也没有区别干燥页岩和含水页岩高温热处理后增渗带产生的机理。因此，通过对比干燥页岩与含水页岩高温热处理后增渗效果的差异，明确两者的增渗机理，这将为页岩气藏的高效开发和高温热处理技术的现场应用提供更客观依据。

1 实验样品与方法

1.1 实验样品

以四川盆地龙马溪组露头页岩为研究对象。矿物组成主要为石英、长石、黄铁矿、黏土矿物，各矿物质量分数依次为41.1%、8.7%、3.8%、28.5%。黏土矿物以伊利石为主，伊利石平均占42.7%，其次为伊/蒙间层矿物和绿泥石，平均相对含量分别为20.73%和14.34%，伊/蒙间层矿物的间层比为10%～20%。由于其沉积环境属于典型的还原性深水陆棚相[7]，TOC>2.0%[8]，属于富有机质页岩。实验制取代表性岩样4块，长度约为50 mm，直径约为25 mm，64 ℃烘干24 h后分别测量4块岩样的直径、长度、质量、渗透率、孔隙度等基础参数(表1)。

表1 页岩样品基础物性参数

1.2 实验方法

为了对比干燥页岩样和含水页岩样高温热激后增渗效果的差别，对LM-1和LM-2岩样不进行其他处理，而对LM-3和LM-4岩样进行模拟地层水预处理。配制3%的KCl溶液，用纸巾浸湿后包裹，再密封于阴凉处静置24 h后解封，表面水分蒸发完后测量其基础物性参数(表2)。渗透率测试采用三轴孔渗仪，围压3.0～3.5 MPa，入口端压力1.5～2.5 MPa，回压1.0 MPa。

表2 LM-3、LM-4页岩样品地层水处理后基础物性参数

对4块页岩岩样进行高温热激，高温热激仪器为SK-G06123K型气氛管式电热炉。仪器使用电阻丝加热，最高加热温度为1 200 ℃，最大升温速率为60 ℃/min，控温精度±1 ℃。实验步骤如下：

(1)将岩样装入载物舟，放入气氛加热炉石英管中；

(2)打开石英管两端阀门，以5 L/min流量通入氮气约2～3 min，排出管内空气；

(3)打开SK-G06123K气氛管式加热炉操作界面，设置页岩岩样高温热激参数，包括初始温度为25 ℃、升温速率5 ℃/min；

(4)热激温度的设置根据干燥页岩和含水页岩的阈值温度。干燥页岩的阈值温度在500～600 ℃，即LM-1、LM-2热激温度为500 ℃和600 ℃；含水页岩的阈值温度为200～300 ℃，即LM-3、LM-4热激温度为200 ℃、300 ℃，热稳定时间2 h；

(5)开始启动热激程序，等热稳定时间结束后，关闭电源，使页岩样自然冷却；

(6)待岩心冷却至室温后，关闭氮气瓶，取出岩心；

心有静气，才能客观看待人事，沉着思考问题。反之，心有怒气，整个人就会沦为情绪的奴隶，辨不清是非真假，自然容易出乱子。

(7)测量高温热激后页岩岩样的基础物性参数。

为了准确地评价高温热处理页岩后的增渗效果，采用增渗指数

Iht=lg(Ki/K0)

(1)

来评价。式中：Iht为增渗指数；K0为高温热处理前页岩岩心渗透率，10-3μm2；Ki为高温热处理后页岩岩心渗透率，10-3μm2。

根据页岩高温热处理后增渗带多尺度特征(微小喉道的扩张、微裂缝的萌生与贯通、大尺度裂缝的产生)，将增渗效果评价指标分为6个等级，见表3。

表3 页岩高温热处理增渗效果评价标准

2 富有机质页岩高温热激增渗机理

2.1 干燥页岩高温热激增渗机理

对LM-1、LM-2两块干岩样热激后，其表观颜色发生了明显变化。对LM-1号岩样进行500 ℃高温热激后，岩样表面成灰白色，是该温度下有机质被热解后呈灰色。对LM-2号岩样进行600 ℃高温热激后，岩样表面成红棕色，是该温度下，页岩中还原性组分黄铁矿被氧化。

表4为干燥页岩样的质量、孔隙度、渗透率测试结果。结果表明：两块岩样在高温热激后都表现为质量减小，孔隙度增加，渗透率增加。其中LM-1号岩样质量由81.902 8 g减少为80.272 8 g，减少了1.99%，孔隙度增加了0.84%，渗透率增加47.14%；LM-2号岩样质量由65.187 8 g减少为64.145 3 g，减少了1.59%，孔隙度增加了1.73%，渗透率增加了134.44%，经过计算，LM-1、LM-2号岩样的增渗指数分别为0.16、0.37，增渗效果弱。

表4 干燥页岩岩样热激后基础物性参数

龙马溪组页岩有机质含量高，在高温热激时，有机质热解[9]产生气态烃及其他可燃气体，主要有CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、H2等[10]，挥发后增加了页岩基块的孔隙度，页岩中的矿物组分加快了这一进程。首先是黏土矿物对有机质的热解也起到了一定的催化作用，如伊利石在整个热激阶段都起到催化有机质热解的作用，但是效果不明显，随着温度的升高，其催化作用也会随之增强。当热激温度超过350 ℃时，伊利石的催化作用开始大于高岭石的催化作用[11]，当热解温度为500 ℃，伊利石加速有机质中C—C长链断裂，且使得羟基(—OH)、醛基(—CHO)官能团含量下降，羧基(—COOH)已完全反应。对芳香烃而言，热解会使芳香烃脱去H原子，芳香度升高。

黄铁矿及其衍生产物Fe2O3也会催化有机质的裂解[12]。黄铁矿中的Fe、S都会催化芳香烃H原子的取代，过量黄铁矿还会使苯环的取代方式发生改变。随着热激的进行，黄铁矿生成Fe2O3，由于Fe2O3中的Fe原子是过渡金属，含有未成对的电子，容易替换C—OH、—COOH中的H原子，形成C—O—Fe、C—O—O—Fe的过渡物质，这些产物也会降低反应活化能，催化有机质中多环芳香烃的分解。页岩中有机质的热解，使得固态有机质以气态的形式被移除，会生成300 nm左右的微纳孔隙(图1(b))，输运能力得到了提高。

图1 干燥富有机质页岩高温热激前后扫描电镜(SEM)照片

2.2 含水页岩高温热激增渗机理

对LM-3、LM-4块含水岩样热激后，其表观颜色未发生明显变化，但其表面微裂缝发育。LM-3含水页岩样200 ℃高温热激后，其表面出现肉眼可见的微裂缝，且有较少碎屑剥落。对LM-4含水页岩样300 ℃高温热激后，其表面裂缝较LM-3岩样更为发育，且两端有明显的碎屑剥落。

表5为含水页岩样的质量、孔隙度、渗透率测试结果。结果表明：两块岩样在高温热激后都表现为质量减小，孔隙度增加，渗透率增加，且变化幅度大于干燥页岩热激，尤其是渗透率增加了11 307倍。其中，LM-3号岩样质量由80.423 1 g减少为77.325 8 g，减少了3.85%，孔隙度增加了5.28%，渗透率增加11 307倍；LM-4号岩样质量由67.439 8 g减少为62.314 5 g，减少了7.60%，孔隙度增加了7.79%，渗透率增加47 591倍，经过计算，LM-3、LM-4号岩样的增渗指数分别为4.05、4.66，增渗效果极强。

表5 含水页岩岩样热激后基础物性参数

含水页岩岩样进行高温热激后，新增渗带的类型主要是微裂缝网络。页岩中脆性矿物含量高，这使得在地质作用下，页岩层理表面微裂隙发育，并充填黏土矿物(图2(a))，黏土矿物遇水膨胀(图2(b))，使原有的裂缝更加发育。

黏土矿物的水化作用主要有两种形式，首先是晶格的膨胀，构成黏土矿物六角形网格的O原子与水分子形成氢键，水分子再相互以氢键连接，使得黏土矿物表面膨胀；此外，阳离子交换也能使得黏土矿物晶格膨胀，其中蒙脱石阳离子交换量较大，膨胀也较明显。第二种形式是渗透膨胀，由于晶体中的阳离子浓度大于溶液中的离子浓度，在浓度差的作用下，水渗入晶层间，极大地增加了晶层间的距离，这种膨胀所导致的体积增加量要比晶格膨胀导致的大得多。黏土矿物体积膨胀使得页岩原生裂缝开度增加(图2(b))，并且水化作用使得层理间的胶结物强度降低，又产生了新的裂缝。含水页岩在经过高温热激后，随着水分的挥发，原本含水的黏土矿物脱水，体积收缩[13]，产生了200 nm左右的微裂缝(图3(b))，才导致页岩渗透率大幅度提高。

图2 高温热激促进黏土水化膨胀机理

图3 含水富有机质页岩高温热激前后扫描电镜(SEM)照片

含水页岩高温热激，水分蒸发形成热蒸汽，高温蒸汽与页岩组分发生反应，改变了页岩孔隙结构[14]，同时使得孔隙压力增大，二者使得微裂缝萌生和扩展。当热激温度在0～370 ℃时，页岩某些组分会发生溶蚀，如方解石溶解生成钙离子和碳酸根离子，黄铁矿溶解生成铁离子和硫酸根离子，从而萌生了新的孔隙。随着热激温度的升高，页岩孔隙中的水分由液相转变为气相，增大了孔隙压力，产生了向外扩张的作用力，使得微裂缝扩展、连通[15]。蒸汽也是热剥落的一个必要条件，热激过程中，岩样表面本就会产生较高的热应力，而当加热速率为2.5 ℃/min时，页岩局部孔隙压力可达4.0～8.0 MPa，而大多数岩石热剥落的临界加热速率在3.0 ℃/min以上，两者相互作用引起基块的剥落[16]。并且气体的流通将部分固体颗粒运移出岩样内部，疏通了微裂缝网络，增加了页岩基块渗透率。

3 讨 论

干燥页岩样与饱水页岩样高温热激后，增渗效果存在明显差异，2个岩样发生了不同的物理、化学反应。干燥页岩样在高温热激过程中，温度超过300 ℃时，页岩组分中的伊/蒙间层矿物开始脱水分解，结构也逐渐被破坏，黏土矿物中水分的移除产生了部分微小孔隙。高温也使得组分中有机质裂解生烃，原有结构复杂的固态有机质在高温下裂解为多种气态烃，如甲烷、乙烷、乙烯，挥发后又产生了部分微小孔隙，且黏土矿物的存在还会催化该反应的进行。因此，干燥页岩样高温热激后产生且扩张了孔隙、喉道，增渗指数一般小于1。

饱水页岩样中含有较多的自由水，高温热激使得液态水转化为蒸汽，体积急剧增大，孔隙压力升高，促使生成和扩展了新的裂缝网络。饱水页岩样在高温热激前，在3%KCl溶液中浸泡24 h，黏土矿物遇水发生水化膨胀，天然微裂缝更加发育。页岩微米—纳米级孔隙发育，温度上升，含水页岩孔隙中会产生蒸汽压提高孔隙压力，由于水的压缩性较低，低孔岩石中少量的水受热膨胀，孔隙压力便会显著增加，促进页岩发生热致裂。含水页岩高温热激后产生了微裂缝网络，增渗指数一般大于4.0。

4 结 论

(1)干燥页岩岩样和含水页岩岩样高温热激后都具有增渗效果，但强弱不同。干燥页岩在500～600 ℃高温热激后，增渗指数在0～1.0，含水页岩在200～300 ℃高温热激后增渗指数大于4.0。

(2)干燥页岩岩样高温热激增渗机理主要为岩石矿物组分改变和有机质热解导致微纳孔喉的增加，其增渗效果不明显。

(3)含水页岩高温热激增渗机理主要为黏土矿物水化膨胀和蒸汽增压作用导致微裂缝的萌生、贯通而形成大尺度裂缝。

(4)页岩气井水力压裂作业后进行储层高温热激，能够很好地降低甚至解除“水”导致的储层损害，大幅度改善储层物性。