摘 要

摘　要：中國(guó)頁(yè)巖氣資源量巨大，但頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率極低，為了有效開發(fā)頁(yè)巖氣藏，通常采用體積壓裂技術(shù)以增大滲流面積，但頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂后普遍存在著壓裂液返排率低的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，全

摘　要：中國(guó)頁(yè)巖氣資源量巨大，但頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率極低，為了有效開發(fā)頁(yè)巖氣藏，通常采用體積壓裂技術(shù)以增大滲流面積，但頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂后普遍存在著壓裂液返排率低的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，全面分析了頁(yè)巖的組分及其與水的力學(xué)作用機(jī)理；設(shè)計(jì)了頁(yè)巖粉末膨脹和巖心吸水實(shí)驗(yàn)，分別研究了頁(yè)巖對(duì)蒸餾水、地層水、壓裂液A和壓裂液B的吸水能力；同時(shí)運(yùn)用縫網(wǎng)滲流能力等效原理，推導(dǎo)了頁(yè)巖吸水強(qiáng)度的計(jì)算公式，概算了頁(yè)巖氣井體積壓裂后的吸水百分比。研究結(jié)果表明：頁(yè)巖受表面水化力、滲透水化力、氫鍵力及范德華力作用的水分子難以返排，而受重力和毛細(xì)管壓力作用的水分子在一定條件下可以返排；壓裂液能夠有效抑制頁(yè)巖的吸水能力，有助于壓裂液的返排；通過(guò)改變壓裂液組分提高壓裂液返排率是可行的。該研究成果為認(rèn)識(shí)頁(yè)巖儲(chǔ)層體積壓裂液返排的內(nèi)在機(jī)理以及壓裂規(guī)模與返排率的關(guān)系，提供了較為翔實(shí)的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖  體積壓裂  吸水膨脹實(shí)驗(yàn)  壓裂液  返排率  吸水機(jī)理  壓裂規(guī)模

Water absorption characteristics of gas shale and the fracturing fluid flowback capacity

Abstract：Although shale gas resources are abundant in China but the extremely low permeability impedes its extraction from shale．In order to effectively develop shale gas reservoirs，SRV(stimulated reservoir volume)fracturing is generally adopted to expand the seepage area；however，in most cases，the fracturing flowback rate is low．To solve this problem，we analyzed the gas shale components and their mechanical behaviors in water．Specifically，we firstly designed the experiments on shale powder expansion and corewater absorption，and studied the water absorption capacity of the shale to distilled water，formalion water，fracturing fluids A and B．Moreover，according to the principle of equivalent network seepage capacity，we derived the formula for calculating the shale¢s water absorption intensity，and estimated the water absorption percentage after performing SRV fracturing to a shale gas well．The study results show that：on the shale surface，the water under surface hydration，osmotic hydration，hydrogen bond and Van Der Waals force is restrained from flowing back，while the water molecule under gravity and capillary Pressure，in certain circumstances，is able to flow back．In addition，the fracturing fluid capable of inhibiting the shale 7 s water absorption also benefits its flowback capacity．Therefore，it is feasible to improve the flowback rate by changing the fracturing fluid composition．The studv provides a relatively detailed and accurate theoretical basis for understanding the internal behavior of the SRV fracturing fluid flowback in shale reservoirs and the relationship between the fracturing scale and flowback rate．

Keywords：gas shale，SRV fracturing，water absorption and expansion experiment，fracturing fluid，flowback rate，water absorption behavior，fracturing scale

頁(yè)巖氣是一種儲(chǔ)量巨大的非常規(guī)天然氣資源，它已成為北美天然氣資源的重要來(lái)源^[1-7]，因而近年來(lái)國(guó)內(nèi)許多學(xué)者逐漸把目光投向頁(yè)巖氣這一具有巨大資源潛力的氣藏^[8-12]。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙度、滲透率極低^[13]，以常規(guī)氣藏的生產(chǎn)方式進(jìn)行生產(chǎn)無(wú)法獲得到工業(yè)氣流，所以在開發(fā)頁(yè)巖氣時(shí)必須依靠大規(guī)模壓裂來(lái)獲得可觀的工業(yè)氣流，但是，與致密砂巖氣藏相比其普遍存在壓裂液返排率低的現(xiàn)象。國(guó)外頁(yè)巖氣井生產(chǎn)l年后壓裂液返排率平均為35％～62％^[14]，這說(shuō)明有大量的壓裂液依舊殘留在地層中。殘留的壓裂液去向是頁(yè)巖氣能否有效開發(fā)需要關(guān)注的一個(gè)重要問(wèn)題，由于頁(yè)巖壓裂的壓裂液中水含量一般都大于90％^[15]，水的存在對(duì)于頁(yè)巖氣的流動(dòng)以及頁(yè)巖氣的解吸都會(huì)有影響，所以從機(jī)理上認(rèn)識(shí)水在頁(yè)巖中的存在方式可以為提高壓裂液返排率以及提高頁(yè)巖氣的產(chǎn)氣能力提供理論依據(jù)。

1　水在頁(yè)巖中受力分析和返排特征

1．1　毛細(xì)管力

在有兩相或者多相流體存在的時(shí)候，孔隙中由于界面張力的存在會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)管力，毛細(xì)管力計(jì)算公式如下：

 

式中pc為毛細(xì)管力，Pa；s為界面張力，N／m；r為毛細(xì)管半徑，m；q為潤(rùn)濕接觸角，(°)。

這說(shuō)明在氣水界面張力相同的情況下，孔隙半徑越小，毛細(xì)管壓力越大，吸水性能就越強(qiáng)。頁(yè)巖的孔隙主要為納米級(jí)孔隙^[16]，頁(yè)巖裂縫網(wǎng)絡(luò)的深處由于缺乏支撐劑，裂縫開度也很小。因此，頁(yè)巖中毛細(xì)管壓力很大，當(dāng)頁(yè)巖孔隙由于毛細(xì)管壓力吸水以后，水的返排難度很大。

1．2　重力

重力本質(zhì)上是由地心萬(wàn)有引力產(chǎn)生的，由于頁(yè)巖儲(chǔ)層較厚，壓裂液返排過(guò)程中毛細(xì)管力與重力同時(shí)以阻力的性質(zhì)發(fā)生作用。假設(shè)裂縫寬度為w，高度為h，壓裂液與頁(yè)巖的表面張力為s，接觸角為q，壓裂液的密度為r，存在一個(gè)毛細(xì)管壓力與重力接近的臨界寬度w，即

 

若q＝45°、r＝1×10³kg／m³、s＝7.275×10^-2N／m、裂縫高度h＝50m，則w＝2lnm。由于壓裂裂縫的縫寬度一般大于2lnm，因此裂縫壓裂液受重力的影響。

1．3　氫鍵力與范德華力

氫鍵力是一種廣泛存在的分子級(jí)別的弱作用力。氫鍵的本質(zhì)^[16]，強(qiáng)極性鍵(A-H)上的氫核與電負(fù)性很大的、含孤電子對(duì)并帶有部分負(fù)電荷的原子B之間的靜電引力，是范德華作用力的5～10倍，而遠(yuǎn)小于通?；瘜W(xué)鍵的強(qiáng)度”。黏土礦物一般都帶有負(fù)電，壓裂液中的水分子會(huì)與帶負(fù)電的黏土礦物形成氫鍵吸附在黏土礦物表面，由于氫鍵的作用力較強(qiáng)，由于這種力的作用而吸附在黏土表面的水分子極難返排。

范德華力(又稱分子作用力)產(chǎn)生于分子或原了之間的靜電相互作用，包括極性分子間的定向力、極性分子與非極性分子間的誘導(dǎo)力、非極性分子間的色散力^[18]。水分子與不帶電的裂縫網(wǎng)絡(luò)表面產(chǎn)生范德華力作用，返排需要?dú)怏w達(dá)到一定的臨界流速，但是由于頁(yè)巖氣流速有限，所以由于范德華力產(chǎn)生的吸附水也難以返排。

1．4　表面水化力

頁(yè)巖的表面水化力^[19]是黏土晶格間缺乏結(jié)晶水而產(chǎn)生的吸水勢(shì)能。儲(chǔ)層埋藏愈深，溫度和壓力愈大，結(jié)晶水散失越多，吸水勢(shì)能愈大，它劇烈地需要從外界吸附水分來(lái)恢復(fù)平衡。表面水化可使黏土層間距增加4個(gè)水分子層的厚度(約為lnm)，使黏土體積膨脹1倍。

頁(yè)巖儲(chǔ)層含有大量的黏土?xí)诒砻姘l(fā)生水化作用，尤其當(dāng)壓裂液返排時(shí)，縫網(wǎng)內(nèi)壓力降低，吸水勢(shì)能增加，表面水化作用會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)，可達(dá)上百兆帕，最終導(dǎo)致壓裂液無(wú)法返排。

1．5　滲透水化力

頁(yè)巖的滲透水化力是在地層水與壓裂液之間存在礦化度差異時(shí)產(chǎn)生的擴(kuò)散作用。2種不同含鹽量的溶液之間的滲透壓力為^[20]：

p＝RT(q1m1e1-q2m2e2)  　　　　　  (3)

式中p為滲透壓力，atm(9.8atm＝lMPa)；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度，K；q為鹽溶液的滲透系數(shù)；m為溶液的含鹽濃度；e為每摩爾溶質(zhì)的離子數(shù)。

在滲透壓力作用下水分子可不斷深入基質(zhì)中，引起黏土的進(jìn)一步膨脹。由滲透水化而引起的膨脹可使黏土層間距達(dá)到12nm^[21]。頁(yè)巖原始水礦化度與壓裂液礦化度存在差異會(huì)引起頁(yè)巖發(fā)生滲透水化作用，從而導(dǎo)致頁(yè)巖吸水膨脹，難以返排。

1．6　水在頁(yè)巖中的受力分析與返排特征

壓裂液在進(jìn)入貞巖之后，其返排過(guò)程大致可以分為以下3個(gè)階段(圖1)：第一階段，水力壓裂裂縫中壓裂液的壓力(pf)大于原始地層壓力(pi)時(shí)，由于壓裂液與巖石的綜合壓縮能，壓裂液會(huì)少量攜帶游離氣返排出來(lái)，此時(shí)反排難度最??；第二階段，當(dāng)pf<pi時(shí)，此時(shí)處于生產(chǎn)初期，裂縫中為氣液兩相流動(dòng)，氣體會(huì)驅(qū)替液體返排，此過(guò)程反排難度較??；第三階段，當(dāng)pf<pi時(shí)，此時(shí)處于生產(chǎn)中后期，裂縫中自由水已經(jīng)被大量返排，而殘留在裂縫表面的水需要?dú)怏w大于臨界攜液流速才能帶走。

 

表1總結(jié)了水在頁(yè)巖中的受力種類及其返排情況。能返排出去的水主要為受毛細(xì)管壓力和重力影響的那部分水，與致密砂巖相比，頁(yè)巖的孔隙更小、黏土礦物更多，因此壓裂液返排率普遍都低于致密砂巖氣井。由氫鍵力、范德華力、滲透水化力以及表面水化力作用控制的那部分水很難返排，因此這部分水含量的多少直接決定了頁(yè)巖最終返排率的大小。

 

2　頁(yè)巖吸水實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2．1　頁(yè)巖吸水膨脹實(shí)驗(yàn)

Chenevert利用Mancos頁(yè)巖、Willington頁(yè)巖及Pierre頁(yè)巖巖心，對(duì)泥頁(yè)巖在不同水活動(dòng)度溶液中的膨脹動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了全面深入的研究，實(shí)驗(yàn)證明，泥頁(yè)巖的膨脹百分比與其所吸的水分重量百分比成正比^[22-23]。頁(yè)巖膨脹是水化的結(jié)果，故可以用膨脹的程度來(lái)說(shuō)明水化程度。先測(cè)干頁(yè)巖的體積，再測(cè)頁(yè)巖與試液接觸一定時(shí)間后的體積。膨脹率的大小表征頁(yè)巖水化的強(qiáng)弱，膨脹率愈大說(shuō)明水化愈嚴(yán)重。因此通過(guò)頁(yè)巖膨脹性實(shí)驗(yàn)可以定性研究頁(yè)巖在不同液體中的吸水能力。

實(shí)驗(yàn)使用瓦氏WZ-l型膨脹儀(圖2)，由于該儀器在徑向上受到剛性約束，那么體積的變化只呈現(xiàn)在軸線方向。所以用其呵以測(cè)得一定精度的軸向線膨脹量和線膨脹百分?jǐn)?shù)(即膨脹率，膨脹高度與原始樣品高度之比)。將QJ某井段巖心柱碾碎并通過(guò)l00目篩后烘干(100℃)48h制成實(shí)驗(yàn)樣品，其黏土礦物組成：綠泥石為l2％，伊利石為37％，伊／蒙間層為51％，間層比為10％。全巖分析測(cè)定表明，黏土為25％，石英為56％，鉀長(zhǎng)石為3％，斜長(zhǎng)石為8％，方解石為2％，白云石為3％，黃鐵礦為3％。該頁(yè)巖中黏土礦物含量為25％，黏土礦物成分主要為伊利石和伊／蒙間層。

 

實(shí)驗(yàn)中使用的液體分別為蒸餾水、地層水、壓裂液A和壓裂液B，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。可以看到頁(yè)巖在蒸餾水中的膨脹率最高，接近20％；而壓裂液中頁(yè)巖的膨脹率比地層水和蒸餾水明顯低很多，說(shuō)明了壓裂液在抑制頁(yè)巖吸水膨脹方面效果不錯(cuò)。

 

2．2　頁(yè)巖靜態(tài)吸水能力實(shí)驗(yàn)

由于頁(yè)巖的吸水膨脹實(shí)驗(yàn)是在頁(yè)巖粉末壓實(shí)后的樣品上進(jìn)行的，因此它反映的是頁(yè)巖在不同液體中整體吸水的能力。而在實(shí)際地層情況下，頁(yè)巖是以致密巖石的形狀存在的，因此進(jìn)行頁(yè)巖儲(chǔ)層巖心吸水能力實(shí)驗(yàn)是研究頁(yè)巖儲(chǔ)層吸水能力的必要條件。

頁(yè)巖樣品實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，實(shí)驗(yàn)方法如下：為了統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，將頁(yè)巖磨成如圖5所示的大小均勻的薄片，薄片的厚度為3.45mm；然后將小薄片烘干(100℃)48h后冷卻，將頁(yè)巖薄片懸掛在天平上，沉入測(cè)試的液體中，記錄頁(yè)巖吸水后質(zhì)量隨時(shí)間的變化。

 

 

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的液體分別為蒸餾水、地層水、壓裂液A和壓裂液B。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，頁(yè)巖在蒸餾水中的吸水能力最大，最大單位面積吸液量為0.0158cm³／cm²；在地層水中的吸水能力次之，最大單位面積吸液量為0.0114cm³／cm²；在壓裂液B中的吸水能力最弱，最大單位面積吸液量為0.009cm³／cm²。這與頁(yè)巖粉末樣品吸水膨脹能力測(cè)試的結(jié)果一致，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所用壓裂液能夠有效抑制頁(yè)巖的吸水。

 

從頁(yè)巖吸水的力學(xué)機(jī)制來(lái)看，由氫鍵力、范德華力、滲透水化力以及表面水化力作用的頁(yè)巖吸水很難返排，而在本實(shí)驗(yàn)中，綜合考慮了氫鍵力，范德華力以及表面水化力的作用影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以定量反映由于這幾個(gè)因素所造成不能返排的液量。

2．3　頁(yè)巖吸水量實(shí)例概算

頁(yè)巖氣有效開發(fā)的前提就是頁(yè)巖儲(chǔ)層的大規(guī)模壓裂(體積壓裂)，目的是形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，大大改善頁(yè)巖儲(chǔ)層的滲流能力。假設(shè)圖7所示的裂縫網(wǎng)絡(luò)等效整體壓裂后頁(yè)巖儲(chǔ)層的實(shí)際裂縫網(wǎng)絡(luò)，壓裂裂縫寬度為w(m)，小頁(yè)巖塊的長(zhǎng)、寬、高均為a(m)，則每個(gè)小頁(yè)巖塊的表面積為S＝6a²(m²)，每個(gè)頁(yè)巖塊所控制的裂縫體積約為V＝3a²w．忽略井筒中殘留的壓裂液，則每個(gè)小頁(yè)巖塊吸水百分比為：

 

式中p為吸水自+分比；r為壓裂液密度，g／cm³；Vm為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中頁(yè)巖在壓裂液中的單位面積最大吸水量，m³／m²。

 

以壓裂液A為例進(jìn)行計(jì)算，壓裂液A的最大吸水量為00097cm³／cm²，當(dāng)裂縫寬度為1mm時(shí)，頁(yè)巖吸水百分比為l6.2％；當(dāng)裂縫寬度為0.5mm時(shí)，吸水百分比為27.9％；當(dāng)裂縫寬度為0.2mm時(shí)，吸水百分比為49.2％。由此可知，裂縫的寬度越小，頁(yè)巖吸水的表面積越大，頁(yè)巖吸水量就越多，不能返排的壓裂液也就越多。

目前頁(yè)巖氣藏通常采用“低砂比”體積壓裂，裂縫寬度相對(duì)更小，因此頁(yè)巖氣藏返排時(shí)間長(zhǎng)，返排率低是客觀必然。表2是某頁(yè)巖氣藏氣井的壓裂液返排數(shù)據(jù)，可以看到商井的返排率最高，水平井水平段越長(zhǎng)，壓裂規(guī)模越大，返排率越低。這與上面認(rèn)識(shí)一致，即壓力規(guī)模小，壓裂液更集中在井底附近的大尺度網(wǎng)絡(luò)縫隙中，返排率相對(duì)較高；壓裂規(guī)模入，壓裂液更多地分散在小尺度縫網(wǎng)中，返排率更低。

 

3　結(jié)論及建議

1)水的存在會(huì)影響頁(yè)巖的吸附解吸特征，同時(shí)會(huì)影響頁(yè)巖氣的擴(kuò)散和滲流特征從而影響頁(yè)巖的產(chǎn)氣能力，因此如何提高壓裂液的返排率以及返排速度對(duì)頁(yè)巖氣的生產(chǎn)至關(guān)重要。

2)毛細(xì)管力、重力、氫鍵力、范德華力、滲透水化力和表面水化力是頁(yè)巖吸水的主要作用力，每種力的作用大小及對(duì)頁(yè)巖吸水的貢獻(xiàn)率均不同，受重力和毛細(xì)管力控制的水相對(duì)容易返排，而受其他力控制的水很難返排。

3)頁(yè)巖氣井壓裂規(guī)模越大，縫網(wǎng)面積越大，吸水量越多，返排率低是客觀必然。適合的壓裂液對(duì)頁(yè)巖的吸水具有抑制作用，實(shí)驗(yàn)所用壓裂液B可降低吸水能力超過(guò)50％，通過(guò)改變壓裂液組分提高壓裂液返排率是可行的。

 

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本文作者：高樹生  胡志明  郭為  左羅  沈瑞

作者單位：中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油上程學(xué)院

  中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院