不同含水饱和度对页岩渗流能力影响实验研究

吴 康, 熊 伟, 胡志明, 高树生

(1.中国科学院大学 工程科学学院，北京 100049；2.中国科学院 渗流流体力学研究所，河北 廊坊 065007；3.中国石油勘探开发研究院 廊坊院区, 河北 廊坊 065007)

0 引 言

页岩气是一种储量巨大的非常规天然气资源，近年来，许多国家的石油工作者、专家致力于页岩气资源的研究与开发，全球掀起了一场轰轰烈烈的“页岩气绿色革命”[1-3]。页岩储层是超低渗储层[4-5]，因而水力压裂技术是页岩气开发的主要方式[6-7]。与常规储层不同，页岩储层经过压裂后，压裂液的返排率很低，大量的压裂液都被基质吸收或滞留在储层中[8-10]，根据水锁伤害理论分析[11]，压裂液的滞留会严重抑制页岩气的开发，然而分析国内外页岩气井的生产状况发现，有些压裂液返排率低的页岩气井，其产量并不低，甚至高于压裂液返排率高的井[12-13]。压裂液的主要成分是水，页岩储层的初始含水饱和度极低[14-16]，压裂液的滞留和吸收会改变页岩储层的含水饱和度，从而影响页岩气的流动，因此设计物理模拟实验，建立不同含水饱和度的页岩岩心，模拟压裂前后储层含水饱和度变化，通过测量其流态曲线，探究页岩不同含水饱和度对页岩气流动的影响。

由于压裂后大部分压裂液被页岩基质吸收或滞留在储层中，从而改变页岩储层的含水饱和度，严重影响页岩气的流动。本文实验评价页岩不同含水饱和度对页岩气渗流的影响。实验首先对选取的岩心建立一定的含水饱和度以模拟压裂后页岩储层不同含水饱和度，然后以甲烷为介质测量其流态曲线。比较实验前后岩心的质量变化，即饱和度的变化，分析水被吸收和赋存状态，同时比较不同含水饱和度下页岩渗流能力的大小，来评价含水饱和度对页岩渗流能力的影响。

1 页岩不同含水饱和度下甲烷流态曲线测量

1.1 岩心选取及制备

实验选取渝东南黔江区域龙马溪组页岩岩样，该层位页岩有机碳丰度高，类型好，成熟度适中，是目前较有利的页岩气发育层位。地层的连通性差，渗透率低，孔隙度一般为3%左右，渗透率小于0.001 mD。

1.2 页岩含水饱和度的建立

1.2.1原理

页岩的水蒸气吸附和解吸实验原理主要是根据页岩中水分浓度与外界水分浓度的平衡关系。将干燥页岩样品放在一个湿度恒定的环境中，当页岩中水分湿度小于外界环境湿度，页岩就会发生水蒸气扩散吸附，页岩中水分含量增加。在这段时间内页岩的质量变化，根据质量变化量计算出含水饱和度。

1.2.2方法

首先用电子游标卡尺测量实验岩心的长度和直径(见图1)，然后将岩心放入105 ℃的烘箱烘48 h，再用天平称其质量，最后测试孔隙度，所得数据如下：长度4.053 cm，直径2.512 cm，干重54.009 7 g，视密度2.69 g/cm3，孔隙度3.106%。

图1 实验岩心

将实验样品放入烘箱升温至105 ℃烘24 h后用保鲜膜包紧放入双层密封袋内，冷却后，用天平称出密封袋内实验样品的质量为m1，同时向体积为1 L的中间容器内放入100 mL蒸馏水，带上密封手套(防止手与样品直接接触影响样品质量)，用细线捆绑样品，并将捆有细线的样品固定在中间容器盖子下面,样品与盖子的距离不要太远，以防止碰到中间容器下端的蒸馏水(见图2)，拧紧中间容器的盖子，然后将中间容器放入105 ℃的烘箱中烘t1小时后取出，将样品用保鲜膜包紧放入双层密封袋内，在室内放置3 h待样品冷却至室温，用天平称出密封袋内实验样品的质量为m2。重复以上步骤，t1分别为1,2,4,6,8,10,12，14,16,18,20,22 h。根据得到的12个结果分别计算出页岩样品在恒温(105 ℃)不同时间下对应的含水饱和度(见图3)。

图2 页岩岩心建立含水饱和度装置图

图3 烘烤时间与建立的含水饱和度的关系曲线

(1) 按图4组装实验装置，检查装置气密性。

(2) 将建立好一定含水饱和度(约50%)的岩心称重，计算具体的含水饱和度，然后放入岩心夹持器，开始测量流态曲线。

图4 实验装置图

(3) 实验开始时，增加围压到50 MPa，入口压力40 MPa，围压与入口压力的差为10 MPa，待出口流量稳定后，测量出口端流量。

(4) 改变围压(50～10.01 MPa)和入口压力(40～0.01 MPa)大小，围压与入口压力差值固定为10 MPa，重复步骤(3)，记录数据,实验温度控制在25 ℃。

(5) 测量完成后，取出岩心称重，接着开始建立40%,30%,20%,10%和0%含水饱和度，重复步骤(2)～(4)。

1.3 实验结果与分析

如表1所示为实验前后岩心质量与饱和度变化的数据表。

表1 实验前后岩心质量和含水饱和度变化表

从表1可以看出，含水饱和度为50%左右时，实验前后岩心质量变化为31.8 mg，含水饱和度变化为5.1%，这表明当含水饱和度为50%左右时，岩心中的部分水属于可动水，这部分水滞留在孔道和裂缝表面，易被流动的气体驱动而带出岩心；含水饱和度为40%左右时，实验前后岩心质量变化为14.1 mg，含水饱和度变化了2.2%，变化量比含水饱和度50%时要小，这表明含水饱和度50%比含水饱和度40%的岩心中可动水要多，即滞留在孔道和裂缝表面的水更多；当含水饱和度为30%，20%，10%和干岩心时，实验前后岩心质量变化很小，含水饱和度变化也很小，这表明这部分水被基质吸收成为了束缚水，不会被气体驱动而带出岩心。

根据实验测得的流量数据，可以算出不同压力下实验岩心的渗透率，绘制出不同含水饱和度下的流态曲线，如图5、6所示。

图5 平均压力与渗透率的关系曲线

图6 平均压力倒数与渗透率的关系曲线

从图5、6可以看出，无论在低压还是高压条件下，不同含水饱和度的页岩岩心渗流能力是不同的，含水饱和度越高渗流能力越差；反之，渗流能力越强。同时从图中可以看出，当含水饱和度在0～30%时，含水饱和度变化对页岩流动能力的影响很小，其中含水饱和度为20%、10%和干岩心的渗透率几乎一样；当含水饱和度高于30%时，含水饱和度对页岩流动能力的影响很大。分析认为，当页岩岩心的含水饱和度小于30%时，岩心中的水都被吸收成为束缚水，并未严重影响渗流通道，因此当含水饱和度低于30%时，含水饱和度对页岩流动能力的影响很小；当岩心的含水饱和度高于30%后，岩心的含水饱和度开始高于其束缚水饱和度，多余的水开始占用气体的渗流通道，从而严重影响了页岩的渗流能力。

2 分析讨论

结合实验结果分析认为，页岩储层的初始含水饱和度很低，当压裂液进入地层，受到表面水化力和渗透水化力作用，不断地被吸收进入基质，当这部分压裂液仅被基质吸收成为束缚水时，不会严重影响页岩气的产出通道，因此不会抑制页岩气的产出；同时进入基质的压裂液可以补给地层能量，促进和驱替基质吸附气的解吸，置换出基质的气体，从而可以提高页岩气的产量。而且这部分水被吸收成为了束缚水，不会随着页岩气的产出流动，从而会有大量的压裂液滞留在地层，导致页岩气藏压裂液返排率比砂岩气藏压裂液返排率低。因此在部分页岩气井压裂后，会出现压裂液返排率低而产量高的现象。所以，压裂液返排率高低不是决定页岩气井产能的绝对因素。

当压裂结束后，也有大部分的压裂液滞留在流通孔道和裂缝表面时，就会堵塞页岩气渗流通道，从而降低页岩储层的渗透率，抑制页岩气的流动，降低产能。在实际生产中，制定返排计划与措施时，提高流动孔道和裂缝表面压裂液的返排率对页岩气的生产至关重要。

页岩储层经过压裂之后，压裂液的滞留和吸收改变了页岩储层的含水饱和度。当压裂后页岩储层含水饱和度小于页岩储层的“束缚水饱和度”时，压裂液吸收进入储层对页岩气的产出没有抑制作用，相反会有一定的积极作用；反之，压裂液的滞留对页岩气的产出有抑制作用。各个页岩储层的初始含水饱和度不同，“饥渴”程度就不同，从而吸收压裂液成为束缚水饱和度的能力也就不同。因此，找出页岩储层的“束缚水饱和度”是页岩气井压裂液返排分析的关键所在，根据页岩储层的“束缚水饱和度”与压裂后实际含水饱和度做出合理的返排方案：当实际含水饱和度大于“束缚水饱和度”时，就要制定相应的措施提高压裂液返排率；反之，压裂液返排率高低不会产生不利影响。

3 结 语

(1) 当压裂后基质含水饱和度低于页岩储层“束缚水饱和度”时，吸收进储层的流体成为不可动水，不会严重影响页岩气的产出通道，反而可能会促进基质吸附气的解吸，从而提高页岩气产量。反之，当基质含水饱和度高于页岩储层“束缚水饱和度”时，部分流体滞留在孔道和裂缝表面，堵塞页岩气流通孔道，从而抑制气体产出，降低页岩气井产能。

(2) 找出页岩储层的“束缚水饱和度”是页岩气井压裂液返排分析的关键所在，根据页岩储层的“束缚水饱和度”与压裂后实际含水饱和度做出合理的返排方案：当实际含水饱和度大于“束缚水饱和度”时，就要制定相应的措施提高压裂液返排率；反之，压裂液返排率高低不会对气井产能造成明显不利影响。