龙马溪组页岩的渗吸特征及其影响因素

熊 健,陈守松,梁利喜,肖彦英,谌 丽, 杨林朋

(1.西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都 610500;2.中石油长庆油田分公司 第十采油厂,甘肃 庆阳 745100)

0 引 言

随着我国油气消费快速增长, 我国天然气对外依存度快速攀升, 2018年天然气对外依存度高达45.3%[1], 这不利于我国能源安全保障体系的构建, 且环保因素也将推动我国天然气需求量进一步增加。 2015年美国能源信息署(EIA)发布了包含美国在内的46个国家的页岩气资源评价成果报告[2], 指出全球页岩气的技术可采资源量为214.49×1012m3, 其中中国页岩气的技术可采资源量为31.57×1012m3, 数据显示了我国页岩气资源开发潜力巨大。 页岩气藏不同于常规油气藏, 其具有特低孔特低渗的特点, 也具有自生自储的特点。 因此, 页岩气藏的高效开发需要采用激励措施来提高页岩储层的渗透率, 而水力压裂技术广泛应用于页岩储层体积改造[3-4]。 在页岩储层进行水力压裂改造过程中, 压裂液因黏土矿物的水化作用[5]和毛细管效应作用[6]自发地进入页岩岩石内部, 从而占据页岩岩石内部孔隙空间。 同时, 现有页岩气藏压裂施工表明, 页岩储层压后压裂液返排率普遍低于30%, 其中美国Haynesvile页岩气区, 压后返排率甚至低于5%[7]。 大量的压裂液滞留在页岩地层中, 会引起压裂缝壁面附近地层区域的含水饱和度上升, 将影响气液两相流动, 造成页岩中气体流动能力降低, 这与页岩对压裂液的渗吸能力有关。 因此, 研究页岩渗吸能力对页岩气藏的勘探开发有重要的意义。

目前, 国内外学者已经对于页岩的渗吸能力进行了大量的研究。 Roychaudhuri等[8-9]研究表明, KCl、 表面活性剂在一定程度上降低了页岩的渗吸能力; Dehghanpour等[10]研究了Horne River 盆地页岩对油、 水的渗吸特性, 发现页岩对水和KCl溶液渗吸能力大于油; Mirchi等[11]研究表明, 表面活性剂和NaCl在一定程度上降低了页岩渗吸能力; Lan等[12]研究了加拿大Monteny and Horne River盆地的页岩对油、 水渗吸规律, 发现页岩对水的渗吸速度大于油的渗吸速度; Sun等[13]的研究结果表明Marcellus页岩的自吸分为两个阶段, 也发现表面活性剂降低了页岩对水的渗吸能力; Makhanov等[14]研究表明, 阴离子表面活性剂降低页岩的表面张力从而降低页岩对水的渗吸速率, 在表面活性剂中加入KCl后, 水的渗吸速率显著降低; Ge等[15]研究了页岩和致密砂岩对水的渗吸规律, 发现对于黏土含量高的岩石, 黏土矿物类型和含量是影响渗吸能力的重要因素; 刘向君等[16]研究了长宁地区龙马溪组页岩对油、 水的渗吸能力, 发现龙马溪组页岩对水的渗吸能力大于油的; 任凯等[17]研究表明, KCl溶液和阳离子表面活性剂降低了渝东南下志留系龙马溪组页岩渗吸速率和自吸能力; 杨柳等[18]、 申颍浩等[19]研究了页岩和致密砂岩的渗吸规律, 发现表面活性剂、 KCl溶液将降低岩石的渗吸能力。

以上研究成果有助于我们认识富有机质页岩渗吸能力及其影响因素,但不同阳离子类型对富有机质页岩渗吸能力的影响,并未开展系统研究;此外,对于川南地区下志留系龙马溪组页岩气层岩石的渗吸特性及其影响因素还缺少系统研究。因此,本文以川南地区下志留系龙马溪组含气页岩为研究对象,对页岩进行渗吸实验,研究龙马溪组气层页岩岩石的渗吸特征,并讨论页岩层理、阳离子类型(无机盐类型)对页岩渗吸能力的影响。在此基础上,讨论了页岩对油、水的渗吸特征。

1 实验样品与实验方法

1.1 实验样品

四川盆地南部地区的龙马溪组整体处于深水陆棚沉积相, 富有机质黑色页岩发育, 厚度介于20～50 m, 为主要的产气层段。 川南龙马溪组页岩以高TOC、 高含气量、 高成熟度、 高脆性、 埋深适中为特征。 目前先后在川南地区建成了长宁威远页岩气田、荣威气田、昭通页岩气示范区等商业生产区,日产气超过2 000万m3。本文主要以四川盆地南部地区下志留系龙马溪组下部黑色页岩为研究对象,页岩样品采自四川省宜宾市双河镇,岩样采集完后研磨成粉末,采用X’Pert PRO全自动粉末X-射线衍射仪分析样品的矿物组成,结果见图1。页岩的矿物组成主要以石英和黏土矿物为主,其中黏土矿物以伊利石为主,不含有蒙脱石和高岭石等膨胀性矿物。

按照要求制取试样,试样为Φ25 mm×5 mm的圆柱体,按照平行层理方向和垂直层理方向制取试样,其中岩心轴向与层理方向平行为平行层理方向,岩心轴向与层理方向垂直为垂直层理方向。先对试样进行24 h的低温(40 ℃)烘干处理, 再进行质量、 孔隙度、 渗透率等测试,获取相关参数, 实验页岩样品的基本特性如表1所示。

图1 页岩样品的矿物组成

表1 页岩样品的基础物性参数

1.2 实验方法

本实验对页岩渗吸特性的研究主要借助于页岩的自发渗吸原理,根据阿基米德浮力原理搭建合适的实验装置,建立的页岩自发渗吸的实验装置如图2所示,所需的设备主要包括高精度天平、计算机、烧杯、塑料绳。高精度的天平用来对渗吸过程中的岩心质量进行称量以保证数据的准确性;计算机记录天平数据；烧杯装实验用溶液,不透水的塑料绳可以保证绳子不会吸收溶液；防止其对岩心质量变化的影响。页岩样品的渗吸实验采用全浸泡渗吸方式进行。

为研究龙马溪组页岩的渗吸特征, 并讨论层理、 无机盐类型对页岩渗吸特征的影响, 分析龙马溪组页岩对油、 水渗吸能力, 设计实验方案如表2所示,每组实验设计一组平行实验, 即每组实验包含2块页岩样品。

图2 页岩自发渗吸的实验装置示意图

表2 实验方案设计

页岩自发渗吸实验的实验步骤包括:(1)将天平和电脑的线路连接好, 调节天平至水平位置; (2)用塑料绳一端将岩心系紧, 另一端挂在天平底部的挂钩上; (3)将实验所用溶液倒入烧杯中, 使液面能够完全没过岩心; (4)将岩心放入溶液中后, 快速打开天平数据采集软件, 将天平调至零点,记录天平读数(每10 s记录一次), 得到岩心的质量变化。

2 实验结果与讨论

2.1 页岩的渗吸特征

根据表2设计的实验方案对页岩进行渗吸实验, 结果如图3所示。渗吸特征如下：

(1)不同实验条件下页岩的自发渗吸曲线具有相同的整体特征,即页岩渗吸吸水率(单位质量的吸水量)随着实验时间增加而增加,直至达到平衡阶段; 页岩渗吸吸水率是随着时间而变化的, 即初期渗吸吸水率随时间增长较快, 随后上升速度慢慢变小, 直至趋于零。

(2)相近密度和渗透率的样品, 同在蒸馏水中, 垂直层理面页岩样品(3号)的渗吸吸水率要大于平行层理面的页岩样品(2号)。该研究结果与任凯等[17]的不一致, 可能是因为本文实验方法与其实验方法不一致所致, 文献[17]在渗吸实验过程中采用不透水的环氧树脂和固化剂将页岩样品封固, 只留一面与液体接触, 而本实验未做任何封固。一般而言, 页岩的基质较致密, 而层理面发育较多微裂纹, 层理面为水提供更多进入页岩内部的流动空间。因此, 本文实验过程中垂直层理面页岩样品与水接触时, 水沿着圆柱体侧面层理面进入页岩岩石内部空间, 而平行层理面页岩样品与水接触时, 水主要沿着圆柱体两个端面进入页岩岩石内部空间, 因此, 水与垂直层理面页岩样品的接触面积明显大于平行层理面页岩样品, 造成了不同层理面页岩样品的渗吸能力存在差异。这说明了压裂过程中亲水压裂液流动方向与龙马溪组页岩的层理面平行时, 页岩地层对亲水压裂液的渗吸吸入量大, 或者层理面将加大页岩的渗吸吸入量。

(3)页岩样品对无机盐溶液的渗吸吸水率低于页岩样品对水的渗吸吸水率, 说明了无机盐将对页岩渗吸吸水能力产生影响, 或无机盐将在一定程度上抑制页岩渗吸吸水能力。 该研究结果与Dehghanpour等[10]、 Mirchi等[11]、 Makhanov等[14]、 任凯等[17]、 杨柳等[18]、 申颍浩等[19]等研究结果具有相似性, 研究结果表明, KCl或NaCl降低了页岩渗吸吸水能力。 这可能是因为页岩对水的渗吸能力除了受到毛管效应作用的影响外, 还受到黏土矿物水化作用引起黏土矿物对水的吸附力作用和渗透压差的影响, 无机盐的加入将对页岩中黏土矿物水化作用产生抑制作用, 同时将减小渗透膜两侧的初始浓度差, 进而降低页岩的水化作用和初始渗吸动力, 最终降低页岩的渗吸吸水能力。 进一步可观察到, 页岩对3种无机盐溶液的渗吸吸水率存在差异, 说明了3种无机盐对页岩渗吸吸水能力的抑制作用存在差异, 相同质量分数下的3种阳离子对页岩的渗吸抑制强弱关系为: K+>Na+>Ca2+。 据李健鹰等[20]研究结果, K+水化能低, 黏土单元晶层—K+—黏土单元晶层之间的静电引力较大, 故抑制黏土分散能力较好; Ca2+有较大的水化能, 且其本身所带电荷比K+多1倍, 故黏土单元晶层—Ca2+—黏土单元晶层之间的静电引力较大, 黏土颗粒也不易分散; Na+水化能大, 带电又少, 故对黏土水化膨胀抑制力较低。在离子平衡过程中, 溶液中K+、Na+和Ca2+会进入黏土矿物晶层, 替代部分原始黏土矿物中K+, 造成黏土矿物水化膨胀能力改变。 结合页岩渗吸吸水率随时间变化的关系曲线发现Na+抑制力比Ca2+高, 说明相同质量分数条件下, 高浓度低抑制力的Na+对页岩渗吸能力的降低程度要强于低浓度高抑制力的Ca2+。 因此, 综合以上因素, K+降低页岩渗吸能力大于其余两者, Na+降低页岩渗吸能力大于Ca2+。

图3 页岩渗吸吸水率随时间的变化关系

2.2 页岩对油的渗吸特征

页岩渗吸吸油率随时间的变化关系如图4所示。 实验过程中,页岩渗吸吸油率(单位质量的吸油量)随着时间增加而增加, 直至达到平衡阶段; 页岩渗吸吸油率是随着时间而变化的, 即初期渗吸吸油率随时间增长较快, 随后上升速度慢慢变小, 直至趋于零。 页岩对油、 水都表现出一定的渗吸量, 即油、 水能进入页岩内部孔隙, 这说明页岩孔隙中有亲油孔隙,也存在亲水孔隙, 页岩润湿性表现为既亲水又亲油, 或非均匀润湿性。 这可能是因为页岩孔隙分为有机质孔隙和非有机质孔隙[16-21], 其中有机质孔隙表现为亲油性(图5), 暗色区域是有机质, 且有机质区域颜色更深的就是有机孔隙, 油主要进入这类孔隙。同时, 从图4中还可看出页岩对白油的渗吸能力小于页岩对水的渗吸能力。 该研究结果与文献[10-16, 21]的研究结果一致, 都表明富有机质页岩对水的渗吸能力大于油的。 这可能是因为白油分子直径比水分子大得多, 其能进入的孔隙范围有限, 且渗吸动力小, 油分子进入孔隙的阻力大, 同时水分子被黏土矿物(图6)吸附, 也会在一定程度上加快页岩的渗吸吸水率 。除此之外, 页岩吸水性还受到黏土吸附力作用的影响, 即页岩对水的渗吸能力受到毛细管效应和黏土矿物吸附力共同作用的影响, 而页岩对油的渗吸能力仅仅受到毛管力效应作用的影响。 因此, 由以上综合因素造成了页岩对油的渗吸能力要小于对水的渗吸能力。 基于页岩自吸实验结果, 页岩润湿性具有两亲性,表现为亲油性和亲水性, 且页岩水湿程度要好于油湿程度, 即更倾向于水湿。 这与Mirchi等[11]、 刘向君等[16]、 Yang等[22]基于接触角法实验测试的结果不一致, 他们研究结果表明页岩润湿性具有两亲性, 但页岩更倾向于油湿。 页岩自吸实验结果与接触角法实验结果的差异原因可能是水分子直径小于油分子和水空气界面张力小于油空气界面张力, 即使是相同毛管力作用下, 水、 油进入页岩内部的体积是存在差异的; 同时, 水进入页岩内部, 还会受到黏土矿物吸附力作用的影响, 也将造成水进入页岩内部的体积增多, 综合结果造成了水的渗吸能力大于油。 这也说明目前润湿性的评价方法对于富有机质页岩存在一定局限性。

图4 页岩渗吸吸油(水)率随时间的变化关系

图5 龙马溪组页岩样品的有机质孔隙扫描电镜图

图6 龙马溪组页岩样品中微观结构

2.3 页岩渗吸曲线形态

基于岩石渗吸实验数据, 不同学者提出了多种岩石渗吸表征处理方法, 比较常用方法包括Mattax等[23]的无因次时间法、 Olafuyi等[24]引入吸入体积与岩石样品孔隙体积的比值、 Makhanov 等[25]引入单位表面积吸水量等。 这些方法受到样品的大小和形状的影响, 为此, 杨柳等[26]提出了评价页岩储层渗吸特征的新方法, 将岩石自吸能力定义为岩石样品单位体积吸水量, 计算公式为

(1)

式中:V吸为吸入液体的体积, cm3;t为渗吸时间，s;L为岩心长度cm;Ac为吸水横截面面积, cm2;Pe为毛细管力,Pa;φ为孔隙度, 小数;Swf为前缘含水饱和度;Swi为初始含水饱和度;μg和μw分别为气和水的黏度, Pa·s;kg和kw则分别为气和水的渗透率, mD。

图7 页岩单位体积的吸水量与的关系

图8 12号页岩渗吸曲线的三段式划分

对页岩渗吸曲线3个阶段分别进行线性拟合得到曲线斜率,该斜率代表了页岩岩石的渗吸速率,曲线的峰值代表了页岩岩石的渗吸能力,统计结果如表3所示,其中第3阶段的斜率非常接近零,因此,未统计该阶段的斜率数据。不同实验条件下，Ⅰ阶段曲线斜率均较大,页岩的渗吸速率较快;之后进入Ⅱ阶段,曲线变缓,且渗吸速率逐渐减小;而当其从Ⅱ阶段进入Ⅲ阶段后,渗吸曲线近乎平直,渗吸速率几乎为零。曲线斜率越大,表明页岩渗吸速率越高,初期渗吸速率的相对关系为页岩(水)>页岩(白油)、 页岩(水)>页岩(10%氯化钙)>页岩(10%氯化钠)>页岩(10%氯化钾); 曲线的峰值越大, 表明页岩渗吸能力越大, 渗吸能力的相对关系为页岩(水)>页岩(白油)、 页岩(水)>页岩(10%氯化钙)>页岩(10%氯化钠)>页岩(10%氯化钾)。这说明了无机盐将对页岩渗吸速率和渗吸能力产生影响,即无机盐将在一定程度上抑制页岩渗吸吸水能力，这可能与无机盐的加入将对页岩中黏土矿物水化作用产生抑制作用有关，说明页岩对水的渗吸除了受到毛细管效应作用外,还受到黏土矿物的水化作用的影响。半透膜两侧的盐度差会产生促使流体从低盐度溶液到高盐度溶液的渗透压[20],页岩中黏土矿物特殊的晶体结构使其成为离子交换过程中的半透膜,页岩基质中的含盐度很高,与流体之间的盐度差促使流体在渗透压作用下进入黏土晶层,并在黏土颗粒表面发生水化作用从而附着在黏土颗粒内部,该黏土矿物吸附力作用也将造成页岩渗吸速度增大。随着含水饱和度增加,半透膜两侧的盐离子浓度差异逐渐变小,造成其产生的渗吸动力也减小,在这个过程中毛细管效应作用和黏土矿物吸附力作用的减弱导致页岩渗吸速度逐渐降低。

表3 页岩渗吸数据曲线参数

3 结 论

(1)与页岩基质相比, 层理面将加大页岩的渗吸速度和渗吸能力。

(2)页岩表现为非均匀润湿性, 油主要进入有机质孔隙, 页岩对油的渗吸速度和能力明显小于水。

(3)根据页岩渗吸的动力学原理, 可将页岩渗吸分为3个阶段: 快速渗吸阶段、 渗吸过渡阶段、 后期渗吸阶段。

(4)阳离子可抑制黏土矿物吸附力作用从而降低页岩的渗吸能力, 且相同质量分数下的阳离子降低页岩渗吸能力的顺序为 K+>Na+>Ca2+。