摘  要  頁(yè)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(kāi)展的研究工作還沒(méi)有建立起相關(guān)的評(píng)價(jià)體系。為此，在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用自吸實(shí)驗(yàn)法、吸水膨脹實(shí)驗(yàn)法、X射線衍射(XRD)礦物成分分析等方法對(duì)其膨脹、分散特征進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)論認(rèn)為：①對(duì)于烴源頁(yè)巖而盲，自吸實(shí)驗(yàn)、吸水膨脹實(shí)驗(yàn)等可作為頁(yè)巖氣藏膨脹和分散特征評(píng)價(jià)的有效方法；②具備生、儲(chǔ)烴能力的頁(yè)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(yè)巖及黏土含量較高的砂巖；③巖心CST(毛細(xì)管吸入時(shí)間)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于頁(yè)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(duì)四川盆地的頁(yè)巖氣藏而言，完井及壓裂過(guò)程中由于化學(xué)原因?qū)е碌捻?yè)巖膨脹、分散特征等不屬于井壁穩(wěn)定性及壓裂方案設(shè)計(jì)考慮的主要因素。

關(guān)鍵詞  四川盆地  頁(yè)巖氣藏  壓裂  黏土礦物  膨脹性  分散特征  自吸實(shí)驗(yàn)  吸水膨脹實(shí)驗(yàn)

具備生、儲(chǔ)烴能力的頁(yè)巖必須通過(guò)大規(guī)模體積壓裂才能獲得工業(yè)開(kāi)采價(jià)值。因此，上萬(wàn)立方米的壓裂液使用量成為頁(yè)巖氣藏壓裂有別于常規(guī)氣藏壓裂的特點(diǎn)之一。與國(guó)外頁(yè)巖氣藏類似，在中國(guó)西南地區(qū)分布的四川盆地頁(yè)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(yè)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(yè)巖所特有的致密、滲透率極低等特點(diǎn)，往往使人們認(rèn)為外來(lái)液體幾乎沒(méi)有侵人頁(yè)巖的可能。同時(shí)頁(yè)巖所特有的致密特點(diǎn)，使得在采用常規(guī)方法，希望通過(guò)滲透率的變化來(lái)定量描述黏土礦物膨脹、分散等特征對(duì)頁(yè)巖氣藏壓裂的影響時(shí)，收效甚微。這樣的結(jié)果，也使得在進(jìn)行的頁(yè)巖氣藏壓裂設(shè)計(jì)、壓后評(píng)估中很少考慮頁(yè)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(duì)頁(yè)巖膨脹性特征以及分散特征進(jìn)行研究，分析對(duì)比了不同工作液介質(zhì)可能導(dǎo)致的頁(yè)巖膨脹、分散特征，為頁(yè)巖氣藏鉆井過(guò)程中的井壁穩(wěn)定性、壓裂方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、壓裂液的優(yōu)選、壓后產(chǎn)量評(píng)估等提供有力的技術(shù)支撐。

1  自吸特征對(duì)頁(yè)巖分散性特征的影響

分別采用巖粉CST(毛細(xì)管吸入時(shí)間)法、巖心CST法、巖心層理面或人工縫的CST法來(lái)評(píng)價(jià)不同工作液介質(zhì)作用下頁(yè)巖的水化分散特征、吸收外來(lái)液體的特征以及不同裂縫特征下頁(yè)巖吸收外來(lái)液體的特征。

1.1巖粉CST實(shí)驗(yàn)

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

    Y=mx+b    (1)

式中Y為CST值；m為頁(yè)巖的水化分散速度；x為剪切時(shí)間；b為瞬時(shí)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(shí)破裂的膠體顆粒越多^[1]。

巖粉CST實(shí)驗(yàn)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(hào))，對(duì)3個(gè)不同取心深度的巖粉進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。其主要礦物成分含量見(jiàn)表l。1號(hào)巖樣的黏土含量24％；2號(hào)巖樣的黏土含量18％；3號(hào)巖樣的黏土含量l4％。3個(gè)不同取心深度的樣品CST結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。圖l顯示了3種液體介質(zhì)下l號(hào)樣品的CST擬合直線。2號(hào)和3號(hào)樣品的擬合直線變化規(guī)律同1號(hào)樣品。

從表2可以看出：①l號(hào)樣品測(cè)試結(jié)果中，2％KCl的頁(yè)巖的水化分散速度(m)值最小，瞬時(shí)形成膠體顆粒數(shù)目(b)值也最小；而滑溜水A號(hào)兩項(xiàng)參數(shù)均最高。②2號(hào)和3號(hào)樣品測(cè)試結(jié)果與l號(hào)樣品結(jié)果規(guī)律一致。

測(cè)試結(jié)果表明，在巖粉狀態(tài)下，2％KCl液體抑制頁(yè)巖水化分散的性能最好，而滑溜水A號(hào)的抑制性能最差。同時(shí)，結(jié)合巖粉的礦物成分測(cè)試結(jié)果，對(duì)巖粉CST實(shí)驗(yàn)結(jié)果與黏土礦物含量相關(guān)性進(jìn)行了分析。

圖2顯示了頁(yè)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(duì)黏土礦物含量的變化不敏感；而滑溜水的抑制性能相對(duì)較差，但其抑制性能與黏土含量相關(guān)。圖3顯示了瞬時(shí)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(shí)驗(yàn)

用模擬地層水利用毛細(xì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可繪制巖心吸液量與時(shí)問(wèn)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(gè)不同層段的巖心進(jìn)行了CST實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)巖心的主要礦物成分見(jiàn)表3，圖4、5顯示了不同層段頁(yè)巖的巖心自吸實(shí)驗(yàn)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(duì)較大，而3 min后自吸曲線趨于平直，吸液量基本趨于零。②對(duì)于5號(hào)頁(yè)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??；對(duì)于6號(hào)頁(yè)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(yè)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(hào)巖心吸液量高于含量較低的6號(hào)巖心。

1.3巖心層理面或人工縫的巖心自吸實(shí)驗(yàn)

頁(yè)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(guò)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(duì)比見(jiàn)圖6。

2  吸水膨脹特征對(duì)頁(yè)巖膨脹性的影響

通過(guò)將人工制備的巖心放置在工作筒中，測(cè)試不同工作液介質(zhì)下巖心的軸向線膨脹率，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可繪制巖心線膨脹率與時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，頁(yè)巖巖心2 h的膨脹率與16 h的膨脹率基本相同，表明頁(yè)巖遇外來(lái)液體將產(chǎn)生膨脹，但隨時(shí)間的推移，膨脹趨于穩(wěn)定。不同工作液介質(zhì)下頁(yè)巖膨脹率與時(shí)間關(guān)系見(jiàn)圖7。對(duì)頁(yè)巖線膨脹率與黏土礦物成分的相關(guān)性進(jìn)行了對(duì)比分析(圖8)。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的綜合分析，認(rèn)為頁(yè)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(shí)，頁(yè)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(kāi)展的實(shí)驗(yàn)研究工作而言，雖然還未徹底揭示出頁(yè)巖膨脹以及分散的特征和規(guī)律，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到了如下認(rèn)識(shí)：

1)對(duì)于烴源頁(yè)巖而言，采用常規(guī)的測(cè)量滲透率變化來(lái)表征其膨脹及分散特征是不可行的，而自吸實(shí)驗(yàn)、吸水膨脹實(shí)驗(yàn)等可作為此類頁(yè)巖氣藏評(píng)價(jià)的有效方法。

2)具備生、儲(chǔ)烴能力的頁(yè)巖雖然具有較高的黏土含量，但各種方法的實(shí)驗(yàn)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(rùn)濕特征。其膨脹和分散特征明顯不同于常規(guī)的泥頁(yè)巖及黏土含量較高的砂巖。

3)巖粉CST實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，工作液體系對(duì)高黏土礦物含量巖心已具有較好的抑制性能，而巖心CST實(shí)驗(yàn)結(jié)果及膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)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(shì)基本趨于一致。因此對(duì)于頁(yè)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(rèn)為外來(lái)液體進(jìn)入頁(yè)巖地層后所導(dǎo)致的黏土礦物膨脹和運(yùn)移、分散是不可避免的，但就四川盆地的頁(yè)巖氣藏而言，完井及壓裂過(guò)程中由于化學(xué)原因?qū)е碌捻?yè)巖膨脹、分散特征等不屬于井壁穩(wěn)定性及壓裂方案設(shè)計(jì)考慮的主要因素。由于頁(yè)巖組成及成分非常復(fù)雜，對(duì)其他類型的頁(yè)巖氣藏仍需進(jìn)行單獨(dú)評(píng)價(jià)，但本文所述的方法可作為借鑒。

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本文作者：付永強(qiáng)  曾立新  馬發(fā)明  黃玲  黃成惠  何亞銳

作者單位：中國(guó)石油西南油氣田公司采氣工程研究院