摘 要

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

摘　要：中國頁巖氣資源量巨大，但頁巖儲層滲透率極低，為了有效開發(fā)頁巖氣藏，通常采用體積壓裂技術(shù)以增大滲流面積，但頁巖儲層壓裂后普遍存在著壓裂液返排率低的問題。針對該問題，全面分析了頁巖的組分及其與水的力學(xué)作用機理；設(shè)計了頁巖粉末膨脹和巖心吸水實驗，分別研究了頁巖對蒸餾水、地層水、壓裂液A和壓裂液B的吸水能力；同時運用縫網(wǎng)滲流能力等效原理，推導(dǎo)了頁巖吸水強度的計算公式，概算了頁巖氣井體積壓裂后的吸水百分比。研究結(jié)果表明：頁巖受表面水化力、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巖的吸水能力，有助于壓裂液的返排；通過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)識頁巖儲層體積壓裂液返排的內(nèi)在機理以及壓裂規(guī)模與返排率的關(guān)系，提供了較為翔實的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：頁巖  體積壓裂  吸水膨脹實驗  壓裂液  返排率  吸水機理  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

頁巖氣是一種儲量巨大的非常規(guī)天然氣資源，它已成為北美天然氣資源的重要來源^[1-7]，因而近年來國內(nèi)許多學(xué)者逐漸把目光投向頁巖氣這一具有巨大資源潛力的氣藏^[8-12]。頁巖氣儲層孔隙度、滲透率極低^[13]，以常規(guī)氣藏的生產(chǎn)方式進行生產(chǎn)無法獲得到工業(yè)氣流，所以在開發(fā)頁巖氣時必須依靠大規(guī)模壓裂來獲得可觀的工業(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。國外頁巖氣井生產(chǎn)l年后壓裂液返排率平均為35％～62％^[14]，這說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巖氣能否有效開發(fā)需要關(guān)注的一個重要問題，由于頁巖壓裂的壓裂液中水含量一般都大于90％^[15]，水的存在對于頁巖氣的流動以及頁巖氣的解吸都會有影響，所以從機理上認(rèn)識水在頁巖中的存在方式可以為提高壓裂液返排率以及提高頁巖氣的產(chǎn)氣能力提供理論依據(jù)。

1　水在頁巖中受力分析和返排特征

1．1　毛細管力

在有兩相或者多相流體存在的時候，孔隙中由于界面張力的存在會產(chǎn)生毛細管力，毛細管力計算公式如下：

 

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

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

1．2　重力

重力本質(zhì)上是由地心萬有引力產(chǎn)生的，由于頁巖儲層較厚，壓裂液返排過程中毛細管力與重力同時以阻力的性質(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，存在一個毛細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別的弱作用力。氫鍵的本質(zhì)^[16]，強極性鍵(A-H)上的氫核與電負(fù)性很大的、含孤電子對并帶有部分負(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，而遠小于通?；瘜W(xué)鍵的強度”。黏土礦物一般都帶有負(fù)電，壓裂液中的水分子會與帶負(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，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，返排需要氣體達到一定的臨界流速，但是由于頁巖氣流速有限，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)生的吸水勢能。儲層埋藏愈深，溫度和壓力愈大，結(jié)晶水散失越多，吸水勢能愈大，它劇烈地需要從外界吸附水分來恢復(fù)平衡。表面水化可使黏土層間距增加4個水分子層的厚度(約為lnm)，使黏土體積膨脹1倍。

頁巖儲層含有大量的黏土?xí)诒砻姘l(fā)生水化作用，尤其當(dāng)壓裂液返排時，縫網(wǎng)內(nèi)壓力降低，吸水勢能增加，表面水化作用會進一步加強，可達上百兆帕，最終導(dǎo)致壓裂液無法返排。

1．5　滲透水化力

頁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產(chǎn)生的擴散作用。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，引起黏土的進一步膨脹。由滲透水化而引起的膨脹可使黏土層間距達到12nm^[21]。頁巖原始水礦化度與壓裂液礦化度存在差異會引起頁巖發(fā)生滲透水化作用，從而導(dǎo)致頁巖吸水膨脹，難以返排。

1．6　水在頁巖中的受力分析與返排特征

壓裂液在進入貞巖之后，其返排過程大致可以分為以下3個階段(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，由于壓裂液與巖石的綜合壓縮能，壓裂液會少量攜帶游離氣返排出來，此時反排難度最?。坏诙A段，當(dāng)pf<pi時，此時處于生產(chǎn)初期，裂縫中為氣液兩相流動，氣體會驅(qū)替液體返排，此過程反排難度較??；第三階段，當(dāng)pf<pi時，此時處于生產(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氣體大于臨界攜液流速才能帶走。

 

表1總結(jié)了水在頁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管壓力和重力影響的那部分水，與致密砂巖相比，頁巖的孔隙更小、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巖最終返排率的大小。

 

2　頁巖吸水實驗以及實驗結(jié)果分析

2．1　頁巖吸水膨脹實驗

Chenevert利用Mancos頁巖、Willington頁巖及Pierre頁巖巖心，對泥頁巖在不同水活動度溶液中的膨脹動力學(xué)過程進行了全面深入的研究，實驗證明，泥頁巖的膨脹百分比與其所吸的水分重量百分比成正比^[22-23]。頁巖膨脹是水化的結(jié)果，故可以用膨脹的程度來說明水化程度。先測干頁巖的體積，再測頁巖與試液接觸一定時間后的體積。膨脹率的大小表征頁巖水化的強弱，膨脹率愈大說明水化愈嚴(yán)重。因此通過頁巖膨脹性實驗可以定性研究頁巖在不同液體中的吸水能力。

實驗使用瓦氏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l00目篩后烘干(100℃)48h制成實驗樣品，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％。全巖分析測定表明，黏土為25％，石英為56％，鉀長石為3％，斜長石為8％，方解石為2％，白云石為3％，黃鐵礦為3％。該頁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。

 

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

 

2．2　頁巖靜態(tài)吸水能力實驗

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

頁巖樣品實驗裝置如圖4所示，實驗方法如下：為了統(tǒng)一實驗標(biāo)準(zhǔn)，將頁巖磨成如圖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，將頁巖薄片懸掛在天平上，沉入測試的液體中，記錄頁巖吸水后質(zhì)量隨時間的變化。

 

 

實驗過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。實驗結(jié)果如圖6所示，頁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。這與頁巖粉末樣品吸水膨脹能力測試的結(jié)果一致，說明實驗所用壓裂液能夠有效抑制頁巖的吸水。

 

從頁巖吸水的力學(xué)機制來看，由氫鍵力、范德華力、滲透水化力以及表面水化力作用的頁巖吸水很難返排，而在本實驗中，綜合考慮了氫鍵力，范德華力以及表面水化力的作用影響，實驗結(jié)果可以定量反映由于這幾個因素所造成不能返排的液量。

2．3　頁巖吸水量實例概算

頁巖氣有效開發(fā)的前提就是頁巖儲層的大規(guī)模壓裂(體積壓裂)，目的是形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，大大改善頁巖儲層的滲流能力。假設(shè)圖7所示的裂縫網(wǎng)絡(luò)等效整體壓裂后頁巖儲層的實際裂縫網(wǎng)絡(luò)，壓裂裂縫寬度為w(m)，小頁巖塊的長、寬、高均為a(m)，則每個小頁巖塊的表面積為S＝6a²(m²)，每個頁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，則每個小頁巖塊吸水百分比為：

 

式中p為吸水自+分比；r為壓裂液密度，g／cm³；Vm為實驗過程中頁巖在壓裂液中的單位面積最大吸水量，m³／m²。

 

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

目前頁巖氣藏通常采用“低砂比”體積壓裂，裂縫寬度相對更小，因此頁巖氣藏返排時間長，返排率低是客觀必然。表2是某頁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，壓裂規(guī)模越大，返排率越低。這與上面認(rèn)識一致，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)水的存在會影響頁巖的吸附解吸特征，同時會影響頁巖氣的擴散和滲流特征從而影響頁巖的產(chǎn)氣能力，因此如何提高壓裂液的返排率以及返排速度對頁巖氣的生產(chǎn)至關(guān)重要。

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

3)頁巖氣井壓裂規(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。適合的壓裂液對頁巖的吸水具有抑制作用，實驗所用壓裂液B可降低吸水能力超過50％，通過改變壓裂液組分提高壓裂液返排率是可行的。

 

參考文獻

[1]SCOTT L M，DANIEL M J，KENT A B，et al．Mississippian Barnett Shale，Fort Worth Basin，north central Texas:Gas shale play with multi-trillion cubic foot potential[J]．AAPG Bulletin，2005，89(2)：155-175．

[2]MARTINEAU D F．History of the Newark East field and the Barnett Shale as a gas reservoir[J]．AAPG Bulletin，2007，91(4)：399-403．

[3]胡文瑞，鮑敬偉．探索中國式的頁巖氣發(fā)展之路[J]．天然氣工業(yè)，2013，33(1)：1-7．

HU Wenrui，BAO Jingwei．To explore the way of Chinesestyle shale gas development[J]．Natural Gag Industry，2013，33(1)：1-7．

[4]張金川，林臘梅，李玉喜，等．頁巖油分類與評價[J]．地學(xué)前緣，2012，19(5)：322-331．

ZHANG Jinchuan，LIN lamei，LI Yuxi，et al．Classification and evaluation of shale oil[J]．Earth Science Frontiers．2012，19(5)：322-331．

[5]張金川，金之鈞，袁明生．頁巖氣成藏機理和分布[J]．天然氣工業(yè)，2004，24(7)：l5-18．

ZHANG Jinchuan，JIN Zhijun，YUAN Mingsheng．Reservoiring mechanism of shale gas and its distribution[J]．Natural Gas Industry，2004，24(7)：15-18．

[6]熊偉，郭為，劉洪林，辭．頁巖的儲層特征以及等溫吸附特征[J]．天然氣工業(yè)，2012，32(1)：113-116．

XIONG Wei，GUO Wei，LIU Honglin，et al．Shale reservoir characteristics and isothermal adsorption properties[J]．Natural Gas Industry，2012，32(1)：ll3-116．

[7]李延鈞，劉歡，劉家霞．頁巖氣地質(zhì)選區(qū)及資源潛力評價方法[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，33(2)：28-34．

LI Yanjun，LIU Huan，LIU Jiaxia．The method of shale gas geological constituency and resource potential evaluation[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science & Technology Edition，2011，33(2)：28-34．

[8]李新景，胡素云，程克明．北美裂縫性頁巖氣勘探開發(fā)的啟示[J]．石油勘探與開發(fā)，2007，34(4)：392-400．

LI Xinjing，HU Suyun，CHENG Keming．Suggestions from development of fractured shale gas in North America[J]．Petroleum Exploration and Development，2007，34(4)：392-400．

[9]張金川，徐波，聶海寬，等．中國頁巖氣資源勘探潛力[J]．天然氣工業(yè)，2008，28(6)：l36-140．

ZHANG Jinchuan，XU Bo，NIE Haikuan，et al．Exploration potential of shale gas resources in China[J]．Natural Gas Industry，2008，28(6)：136-140．

[10]胡文瑞．中國石油非常規(guī)油氣業(yè)務(wù)發(fā)展與展望[J]．天然氣工業(yè)，2008，28(7)：5-7．

HU Wenrui．Unconventional oil and gas business development and prospects of PetroChina[J]．Natural Gas Industry，2008，28(7)：5-7．

[11]馬文辛，劉樹根，黃文明，等．鄂西渝東志留系儲層特征及非常規(guī)氣勘探前景[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，34(6)：27-37．

MA Wenxin，LIU Shugen，HUANG Wenming，et al．Reservoir rocks characters of Silurian and its unconventional gas prospection in western H ubei and eastern Chongqing[J]．Journal of Southwest Petroleum Universitv：Science & Technology Edition，2012，34(6)：27-37．

[12]武景淑，于炳松，李玉喜．渝東南渝頁1井頁巖氣吸附能力及其主控因素[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，34(4)：40-48．

WU Jingshu，YU Bingsong，LI Yuxi．Adsorption capacity of shale gas and controlling factors from the well Yuve l at the southeast of Chongqing[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition,2012，34(4)：40-48．

[13]LUFFELD L，HOPKINS C W，SCHETTLER P D．Matrix permeability measurement of gas productive shales[C]//paper 26633-MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，3-6 October l993．Houston。Texas，USA．New York：SPE l993．

[14]HORN A D．Breakthrough mobile water treatment converts 75％of fracturing flowback fluid to fresh water and lowers CO2 emissions[C]//paper l21104-MS presentcd at the SPE American E&t’Environmental and Safety Conference，23-25 March 2009，San Antonio，Texas，USA．New York：SPE，2009．

[15J WILLBERG D M，STEINSTERGER N，HOOVER Roetal．Optimization of fracture cleanup using flowback analysis[C]//paper 39920 presented at the Rocky Mountain Regional／Low-Permeability Reservoirs Symposium，5-8 Aprill 1998，Denver，Colorado，USA．New York：SPE，1998．

[16]PHILIP H N．Pore throat sizes in sandstones，tight sand stones，and shales[J]．AAPG Bulletin，2009，93(3)：329-340．

[17]李東濤，李文，李保慶．煤中氫鍵研究的新進展[J]．化學(xué)通報，2001，l3(7)：411-415．

LI Dongtao，LI Wen，LI Baoqing．New research progress for the hydrogen bonds in coal[J]．Chemistry，2001，13(7)：411-415．

[18]JENNIFER L A，EDWARD J M，JOAN F B．Solubilities and thermodynamic properties of gases in the ionic liquid 1-n-Butyl-3methylimidazolium  hexafluorophosphate[J]．The Journal of Physical Chemistry B，2002，106(29)：7315-7320．

[19]梁大川，李健，楊柳．泥頁巖水化的定量分析[J]．鉆井液與完井液，l999，l6(2)：ll-l6．

LIANG Dachuan，LI Jian，YANG Liu．Quantitative analysis of shale hydration[J]．Drilling Fluid and Completion Fluid，1992，l6(2)：11-16．

[20]王平全，周世良．鉆井液處理劑及其作用原理[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2003：163-l68．

WANG Pingquan，ZHOU Shiliang．Drilling fluid and its interaction theory[M]．Beijing：Petroleum Industrv Press，2003：163-l68．

[21]JOSH M，ESTEBAN L，PIANE C D，et al．Laboratory characterization of shale properties[J]．Journal of Petroleunl Science＆．Engineerin9，2012，88(157)：107-l24．

[22J CHENEVERT M E．Shale control with balanced activityoil-continuous muds[J]．Journal of Petroleum Technology，l970，22(10)：l309-1316．

[23]CHENEVERT M E．Adsorption pore pressure of argilla ceous rocks[C]//paper 69-0599 presented at the 11^th U．S．Symposium on Rock Mechanics(USRMS)，l6-9 June，1969，Berkeley，California，USA．New York：SPE，l969．

 

本文作者：高樹生  胡志明  郭為  左羅  沈瑞

作者單位：中國石油大學(xué)(北京)石油上程學(xué)院

  中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院