摘  要  頁巖通常含有一定比例的黏土礦物，大液量、大排量壓裂施工可能導(dǎo)致黏土礦物膨脹、水化分散，而目前開展的研究工作還沒有建立起相關(guān)的評價體系。為此，在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用自吸實驗法、吸水膨脹實驗法、X射線衍射(XRD)礦物成分分析等方法對其膨脹、分散特征進行了大量的實驗研究。結(jié)論認為：①對于烴源頁巖而盲，自吸實驗、吸水膨脹實驗等可作為頁巖氣藏膨脹和分散特征評價的有效方法；②具備生、儲烴能力的頁巖雖然具有較高的黏土含量，但膨脹和分散特征明顯不同于常規(guī)的泥頁巖及黏土含量較高的砂巖；③巖心CST(毛細管吸入時間)實驗結(jié)果及膨脹實驗結(jié)果表明，對于頁巖氣藏而言，如何有效抑制初期的自吸及膨脹應(yīng)該引起高度的重視；④對四川盆地的頁巖氣藏而言，完井及壓裂過程中由于化學(xué)原因?qū)е碌捻搸r膨脹、分散特征等不屬于井壁穩(wěn)定性及壓裂方案設(shè)計考慮的主要因素。

關(guān)鍵詞  四川盆地  頁巖氣藏  壓裂  黏土礦物  膨脹性  分散特征  自吸實驗  吸水膨脹實驗

具備生、儲烴能力的頁巖必須通過大規(guī)模體積壓裂才能獲得工業(yè)開采價值。因此，上萬立方米的壓裂液使用量成為頁巖氣藏壓裂有別于常規(guī)氣藏壓裂的特點之一。與國外頁巖氣藏類似，在中國西南地區(qū)分布的四川盆地頁巖氣藏通常具有較高的黏土礦物含量。如某井含氣量最高的頁巖層段，其黏土礦物含量范圍在34.1％～45.9％之間，存在膨脹和分散的可能性。而頁巖所特有的致密、滲透率極低等特點，往往使人們認為外來液體幾乎沒有侵人頁巖的可能。同時頁巖所特有的致密特點，使得在采用常規(guī)方法，希望通過滲透率的變化來定量描述黏土礦物膨脹、分散等特征對頁巖氣藏壓裂的影響時，收效甚微。這樣的結(jié)果，也使得在進行的頁巖氣藏壓裂設(shè)計、壓后評估中很少考慮頁巖中黏土礦物膨脹性和分散性特征產(chǎn)生的影響。

在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用不同的分析方法對頁巖膨脹性特征以及分散特征進行研究，分析對比了不同工作液介質(zhì)可能導(dǎo)致的頁巖膨脹、分散特征，為頁巖氣藏鉆井過程中的井壁穩(wěn)定性、壓裂方案的優(yōu)化設(shè)計、壓裂液的優(yōu)選、壓后產(chǎn)量評估等提供有力的技術(shù)支撐。

1  自吸特征對頁巖分散性特征的影響

分別采用巖粉CST(毛細管吸入時間)法、巖心CST法、巖心層理面或人工縫的CST法來評價不同工作液介質(zhì)作用下頁巖的水化分散特征、吸收外來液體的特征以及不同裂縫特征下頁巖吸收外來液體的特征。

1.1巖粉CST實驗

在高速攪拌器中測定體積分?jǐn)?shù)為l5％的頁巖巖漿(過100目篩)^[1]在剪切不同時間后^[2-3]的濾失時間，用以表示頁巖分散特性。通常將頁巖巖漿在CST儀器的特性濾紙上運移0.5 cm所需的時間稱為巖粉CST值。根據(jù)實驗結(jié)果可繪制CST值與剪切時間的關(guān)系曲線，可用式(1)表示頁巖分散特性Ⅲ：

    Y=mx+b    (1)

式中Y為CST值；m為頁巖的水化分散速度；x為剪切時間；b為瞬時形成膠體顆粒數(shù)目。m值越大，水化分散速度越快；b值越大，瞬時破裂的膠體顆粒越多^[1]。

巖粉CST實驗中分別使用了蒸餾水、2％KCl液體以及添加有降阻劑和防膨劑的滑溜水體系(A號)，對3個不同取心深度的巖粉進行了實驗。其主要礦物成分含量見表l。1號巖樣的黏土含量24％；2號巖樣的黏土含量18％；3號巖樣的黏土含量l4％。3個不同取心深度的樣品CST結(jié)果對比見表2。圖l顯示了3種液體介質(zhì)下l號樣品的CST擬合直線。2號和3號樣品的擬合直線變化規(guī)律同1號樣品。

從表2可以看出：①l號樣品測試結(jié)果中，2％KCl的頁巖的水化分散速度(m)值最小，瞬時形成膠體顆粒數(shù)目(b)值也最?。欢锼?span lang="EN-US">A號兩項參數(shù)均最高。②2號和3號樣品測試結(jié)果與l號樣品結(jié)果規(guī)律一致。

測試結(jié)果表明，在巖粉狀態(tài)下，2％KCl液體抑制頁巖水化分散的性能最好，而滑溜水A號的抑制性能最差。同時，結(jié)合巖粉的礦物成分測試結(jié)果，對巖粉CST實驗結(jié)果與黏土礦物含量相關(guān)性進行了分析。

圖2顯示了頁巖的水化分散速度(m)與黏土礦物含量的關(guān)系。2％KCl及蒸餾水在高黏土礦物含量下，具有較好的抑制性能，而在低黏土礦物含量下，其抑制性能對黏土礦物含量的變化不敏感；而滑溜水的抑制性能相對較差，但其抑制性能與黏土含量相關(guān)。圖3顯示了瞬時形成膠體顆粒數(shù)目(b)值與黏土礦物含量的關(guān)系。3種液體都顯示出在高黏土礦物含量情況下，抑制性能較好。

1.2巖心CST實驗

用模擬地層水利用毛細管自吸法建立初始含水飽和度，并記錄巖樣吸水前的重量和電阻；將巖心放置在自吸液中浸泡；直到巖樣重量不再發(fā)生變化(至少2h)。根據(jù)實驗結(jié)果可繪制巖心吸液量與時問的關(guān)系曲線，比較不同工作液介質(zhì)下巖心的自吸特征。

選取兩個不同層段的巖心進行了CST實驗，兩個巖心的主要礦物成分見表3，圖4、5顯示了不同層段頁巖的巖心自吸實驗結(jié)果。

從圖4、5中可以看出：①總的吸液量極少，均表現(xiàn)為初期的吸液量最大，在前3 min吸液速率相對較大，而3 min后自吸曲線趨于平直，吸液量基本趨于零。②對于5號頁巖層，3％KCl的自吸量最大，7％KCl及未加任何添加劑的蒸餾水巖心自吸量最小；對于6號頁巖層，未加任何添加劑的蒸餾水自吸量最大，3％KCl和7％KCl的自吸量最小。③不同層段的頁巖吸液量具有明顯的差異，與黏土礦物含量相關(guān)，黏土礦物含量較高的5號巖心吸液量高于含量較低的6號巖心。

1.3巖心層理面或人工縫的巖心自吸實驗

頁巖基質(zhì)自吸特征不明顯；而層理或天然縫發(fā)育的巖心以及人工造縫巖心，均具有一定的沿層理或裂縫的自吸特征，人工縫自吸速率高于天然縫，且在自吸過程中存在微粒脫落、掉塊等現(xiàn)象。

人工縫及天然縫的自吸速率對比見圖6。

2  吸水膨脹特征對頁巖膨脹性的影響

通過將人工制備的巖心放置在工作筒中，測試不同工作液介質(zhì)下巖心的軸向線膨脹率，根據(jù)實驗結(jié)果可繪制巖心線膨脹率與時間的關(guān)系曲線，比較不同工作液介質(zhì)下巖心的膨脹特征。

實驗結(jié)果表明，頁巖巖心2 h的膨脹率與16 h的膨脹率基本相同，表明頁巖遇外來液體將產(chǎn)生膨脹，但隨時間的推移，膨脹趨于穩(wěn)定。不同工作液介質(zhì)下頁巖膨脹率與時間關(guān)系見圖7。對頁巖線膨脹率與黏土礦物成分的相關(guān)性進行了對比分析(圖8)。

通過對實驗結(jié)果的綜合分析，認為頁巖的膨脹性與黏土礦物含量存在一定的相關(guān)性，當(dāng)黏土礦物含量變化較大時，頁巖的膨脹率與黏土礦物含量關(guān)系更為密切。

3結(jié)論

就目前所開展的實驗研究工作而言，雖然還未徹底揭示出頁巖膨脹以及分散的特征和規(guī)律，但通過實驗，得到了如下認識：

1)對于烴源頁巖而言，采用常規(guī)的測量滲透率變化來表征其膨脹及分散特征是不可行的，而自吸實驗、吸水膨脹實驗等可作為此類頁巖氣藏評價的有效方法。

2)具備生、儲烴能力的頁巖雖然具有較高的黏土含量，但各種方法的實驗結(jié)果表明，其總吸液量、吸液速率及線膨脹率均很小，而初期的吸液量高，可解釋為表面潤濕特征。其膨脹和分散特征明顯不同于常規(guī)的泥頁巖及黏土含量較高的砂巖。

3)巖粉CST實驗結(jié)果表明，工作液體系對高黏土礦物含量巖心已具有較好的抑制性能，而巖心CST實驗結(jié)果及膨脹實驗結(jié)果表明，無論黏土礦物含量高低，雖然數(shù)量上有差異，但均表現(xiàn)為初期自吸和膨脹量較大，而后期很小，且變化趨勢基本趨于一致。因此對于頁巖氣藏而言，如何有效抑制初期的自吸及膨脹應(yīng)該引起高度重視。

綜上所述，初步認為外來液體進入頁巖地層后所導(dǎo)致的黏土礦物膨脹和運移、分散是不可避免的，但就四川盆地的頁巖氣藏而言，完井及壓裂過程中由于化學(xué)原因?qū)е碌捻搸r膨脹、分散特征等不屬于井壁穩(wěn)定性及壓裂方案設(shè)計考慮的主要因素。由于頁巖組成及成分非常復(fù)雜，對其他類型的頁巖氣藏仍需進行單獨評價，但本文所述的方法可作為借鑒。

參考文獻

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本文作者：付永強  曾立新  馬發(fā)明  黃玲  黃成惠  何亞銳

作者單位：中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院