页岩水化作用对支撑剂嵌入影响实验研究

页岩压裂改造过程中大量压裂液进入储层后滞留于孔隙或微裂隙中,滞留的流体与页岩发生复杂的物理-化学作用,会改变储层物性和力学性能,加剧压裂裂缝的支撑剂嵌入程度,从而影响压裂裂缝的导流能力。本文采用页岩自渗吸测试与支撑剂嵌入实验测试,明确了页岩自渗吸量变化特征以及吸水软化对支撑剂嵌入程度的影响。通过实验研究发现：1）页岩储层的自渗吸量与黏土矿物含量呈正相关,黏土矿物含量越高,单位体积页岩自渗吸量越大。滑溜水中的助排剂和防水锁剂能降低页岩与压裂液的表界面张力与毛细管力,导致页岩自渗吸量降低。2）页岩弹性模量越小,相同闭合应力条件支撑剂嵌入深度越大。页岩吸水导致弹性模量和强度降低,支撑剂嵌入深度大幅度提升。3）支撑剂嵌入深度与闭合压力线性相关,吸水后页岩的支撑剂嵌入深度与闭合应力关系的斜率大幅度提升。4）地应力对支撑剂嵌入的影响作用明显,围压增加,支撑剂嵌入深度大幅度降低。本文研究成果可为页岩压裂效果评价和压后产能评估提供参考和理论支撑。     

一种评价页岩储层压裂液吸收的新方法

压裂液在毛细管力作用下自发吸入地层是导致页岩储层体积压裂返排率普遍低于30%的主要原因之一,有效评价页岩储层对压裂液的吸收是体积压裂优化设计、返排制度建立以及水锁伤害程度评估的基础,目前国内外尚未发现有效的评价方法。针对渝东北下寒武统鲁家坪组典型页岩和三种不同的致密储层岩石开展自发渗吸对比实验,并对比研究了3种常用的渗吸表征方法,提出了评价页岩储层压裂液吸收的方法和参数。通过实验研究发现,无因次法和Olafuyi法可用于评价页岩储层压裂液吸收能力,在表征吸收速率和规律方面尚有不足;Makhanov法可用于表征压裂液吸收速率和规律,在评价储层吸收能力方面尚有不足。新方法采用自吸能力、初期自吸速率和后期自吸速率三参数对压裂液的吸收进行定量表征,很好地反映出压裂液吸收规律。压裂液吸收可分为三个阶段:初期渗吸段、过渡段和后期渗吸段,其中初期渗吸段是压裂液吸收的主要阶段;压裂液吸收的驱动力主要为毛细管力和黏土吸附力;黏土含量越高,压裂液自吸能力越强,伊蒙混层和蒙脱石的存在可以大大提高页岩自吸能力。新方法能够评价页岩压裂液吸收的快慢、总量和规律,可以用于不同地层之间的对比评价,且直观可靠,有利于在页岩气或致密气现场推广应用。     

页岩裂缝网络水相自吸试验

水平井分段压裂形成的裂缝网络使页岩气藏经济开发,但也为压裂液大量滤失和进入页岩基块深部提供了通道和途径,削弱了压裂改造效果。开展页岩基块、单一裂缝、"T"型裂缝网络水相自吸试验,并与致密砂岩水相自吸试验进行对比分析。结果表明:与单一基块、裂缝相比,页岩裂缝网络在增大水相赋存空间的同时,也为裂缝-基块间自吸创造有利供给条件,增加了水相自吸侵入深度;致密砂岩水相自吸呈现活塞式均匀推进,且未产生新裂缝,而页岩水相自吸优先沿页理发生,因侵入流体与页岩发生水-岩作用萌生页理缝,进一步增加页岩缝网密度,扩大水相自吸范围。通过优选压裂液配方,利用滞留压裂液与页岩相互作用,发挥滞留压裂液对储层缝网的积极改造作用,可以达到改善页岩储层渗流通道、强化页岩气解吸-扩散-渗流传质能力的目的。     

考虑氧化作用的富有机质页岩吸附水量

页岩气井大型水力压裂后压裂液返排率普遍较低,滞留压裂液可能诱发页岩产生裂缝,但在水力裂缝与天然裂缝中占据有效气体传输通道,影响压裂效果。选取四川盆地龙马溪组典型富有机质页岩,采用填砂管与粒状页岩模拟体积改造的页岩气层,开展了蒸馏水与氧化液体积改造后页岩气层吸附水量的对比实验,明确了氧化对压裂液渗吸分散到裂缝附近基块孔隙的作用与机理。结果表明,与蒸馏水相比,氧化作用可以增强页岩渗吸分散水相作用,降低页岩孔隙空间内的自由水量,增加页岩吸附水量;富有机质页岩氧化作用消耗有机质,分解有机黏土复合体,裂缝与孔喉壁面更多的黏土矿物接触压裂液,增加黏土矿物吸附水量,降低裂缝面及基块孔隙含水饱和度,释放渗流空间。建议根据具体工程地质特征,优选氧化性流体的加入时间及用量,充分发挥滞留氧化性压裂液的造缝能力,促进压裂液渗吸分散,实现压裂液少返排或零返排,增大气体在裂缝中有效渗流通道。     

页岩储层渗吸特性的实验研究

页岩含有大量黏土矿物,遇水会导致页岩中黏土矿物水化、膨胀,为研究页岩吸水特性及探究页岩气井返排率的影响因素。开展了页岩动态渗吸及静态渗吸实验;并对实验结果进行了详细的分析。研究表明:页岩水化作用主要发生在页岩与水或水基溶液接触的表层附近,液体侵入深度十分有限;不同的液体介质下页岩的吸水能力各不相同;页岩吸水量由表面水化吸水量、渗透水化吸水量和毛管吸水量组成,而且水化吸水量基本无法排出,在一定程度上降低了页岩气井压裂液的返排率;相同的成藏条件下页岩的渗透水化吸水量及表面水化吸水量相同;页岩水化能力及压裂效果是影响返排率的主控因素。     

页岩储层压裂液吸收能力及其影响因素研究

研究发现：人工裂缝壁面的压裂液渗吸是导致页岩储层返排率普遍低于30%的主要原因。针对四川盆地页岩样品开展室内自发渗吸实验,并与鄂尔多斯的致密砂岩和松辽盆地致密火山岩进行对比。结果表明：页岩储层压裂液吸收的驱动力为毛细管力和粘土吸附力。页岩中压裂液的空间为孔隙空间和粘土晶格空间,富粘土页岩的粘土吸水体积会明显超过气测孔隙体积。页岩的自吸能力与粘土含量及类型有关,粘土含量越高,自吸能力越强。伊利石和伊蒙混层的存在会大大提高自吸能力。此外,阳离子表面活性剂通过改变毛细管力进而降低压裂液自吸能力,Kcl溶液通过抑制粘土膨胀进而降低压裂液自吸能力。研究页岩基质自吸能力有助于确定压裂液用量、优化返排制度以及分析低返排对页岩气产出的影响。     

鄂尔多斯盆地长7页岩储层压裂液渗吸规律及原油微观动用特征

为揭示鄂尔多斯盆地长7页岩油藏压裂液渗吸排油规律,评价渗吸阶段原油微观动用特征,选取典型的互层状页岩和厚层状页岩岩心样品,利用低场核磁共振技术结合室内高温高压渗吸模拟装置,开展页岩油藏压裂液渗吸排油室内动态模拟实验,定量评价页岩油藏压后渗吸阶段,不同尺度孔喉的压裂液渗吸速度、渗吸采收率及原油微观动用特征。结果表明,页岩油藏压裂液渗吸过程可分为高速渗吸阶段和稳定渗吸阶段,渗吸作用前6 h是高效渗吸阶段,此时的渗吸速率最高可以达到3.08%/h;互层状页岩储层的较小孔喉的渗吸速率及渗吸采收率显著高于较大孔喉,较小孔喉对渗吸采收率的贡献程度可达到81.18%;厚层状页岩压裂液在不同尺度孔喉中的渗吸采收率接近。在页岩油藏压裂阶段,页岩储层渗透率和黏土矿物含量是影响压裂液渗吸效果的主要控制因素,相关成果及认识可为页岩油藏压裂方案优化提供理论支撑。     

致密气藏中防水锁剂的筛选方法及其微观机理

致密气藏物性差,只有通过水力压裂才能获得工业产能。在压裂过程中,水相压裂液侵入储层后会产生水锁现象,对储层造成伤害,严重影响致密气藏的产量。在压裂液中添加防水锁剂可以有效降低水锁带来的伤害。为了揭示防水锁剂降低水锁提高产量的机理,本文以DME稀释微乳液为例,首先通过表面张力实验,测试了DME稀释微乳液的表面张力随浓度的变化关系,并得到最佳的添加浓度;然后通过接触角实验评价了DME稀释微乳液的改变润湿性作用;之后结合自发渗吸和渗透率恢复率实验证明了DME稀释微乳液的降水锁功能;同时借助核磁共振研究了渗吸过程中水相进入不同大小孔喉的顺序以及渗吸采收率。本文还建立了一种有效评价防水锁剂的方法,为现场施工筛选此类添加剂提供了指导。     

页岩自吸实验及其在返排分析中的应用

人工复杂缝网壁面压裂液自发吸入页岩基质是导致页岩储层压裂返排率普遍较低的一个重要原因,目前尚未发现有效的评价压裂液返排率的方法。针对渝东南下志留龙马溪组页岩开展自发渗吸实验,深入分析页岩层理、KCL溶液和阳离子表面活性剂对自吸速率和能力的影响,并提出了一种基于自吸速率预测页岩储层压裂液返排率的方法。结果显示,页岩平行于层理方向的自吸速率明显高于垂直于层理方向的自吸速率;质量分数为10%的KCL溶液对粘土有较好的抑制性,能够降低自吸速率和自吸能力;阳离子表面活性剂通过改变溶液的表面张力和润湿性,从而降低自吸速率和自吸能力。此外,页岩气井闷井期间的压裂液吸收主要与压裂液性质、人工缝网表面积和闷井时间有关。压裂液的吸入量随着闷井时间增加而增加,初期20 d压裂液吸收速度较快,后期慢慢变平缓;压裂过程中形成的人工缝网表面积越大,则闷井期间的压裂液吸入量越高,返排率越低。该项研究对于页岩气井产能预测、压裂液选型以及返排措施制订具有重要意义。     

盐间页岩盐离子扩散对自发渗吸驱油的影响--以潜江凹陷潜江组页岩为例

潜江凹陷盐间页岩富含石盐矿物,遇到水后迅速发生盐溶解、扩散,目前对于盐离子扩散对自发渗吸驱油的影响尚不清楚。以潜江凹陷的钙芒硝质盐间页岩、白云质盐间页岩和泥质盐间页岩样品为研究对象,开展页岩油储层逆向自发渗吸实验,采用低场核磁共振测试仪监测盐间页岩的渗吸过程中的油相变化。实验结果显示渗吸水进入盐间页岩后,将孔隙中的油以油滴的形式置换、排驱出来,具有小孔吸水、大孔排油的特征。初期小孔原油排出速率较高,大孔或微裂缝中的原油含量基本不变,但随着小孔原油排出速率的下降,新生的大孔或微裂缝中原油逐渐减少。此外,渗吸过程中,骨架结构中石盐矿物迅速溶解,产生大量的溶孔、裂缝。然而,量纲分析结果表明渗吸速率与石盐矿物含量具有负相关关系,石盐矿物含量越高,渗吸速率越低。石盐矿物的溶解引起颗粒崩落,堵塞基质孔隙,对储层产生了伤害作用,反而不利于孔隙中原油向新生溶孔、裂缝中迁移。研究了盐间页岩油储层中的盐的溶解、扩散机制及其对油动态迁移特征的影响,对盐间页岩的压裂液返排制度的建立和提高页岩油产出具有重要意义。     

压裂液侵入对页岩储层导流能力伤害

大规模水力分段压裂是页岩气等非常规资源高效开发的关键技术。页岩气井返排率一般较低,大量的压裂液长期滞留地层对储层岩石、支撑剂强度等造成一定的伤害,影响页岩储层压裂改造长期效果。针对该问题,通过室内试验模拟研究现场压裂前后气测导流的变化规律,对压裂液伤害程度进行表征。结果表明:压裂液侵入降低了支撑剂、页岩岩石强度,导致支撑剂破碎率、岩石嵌入程度加剧,导流能力伤害达到60%以上;使用大粒径支撑剂、较高铺砂浓度,优选破胶性能好、低残渣、防膨性强的压裂液,能有效提高导流能力,降低压裂液伤害程度。研究结果对页岩地层压裂设计,降低压裂液伤害提高产量提供参考。     

低渗透储层水锁伤害机理核磁共振实验研究

客观准确地评价低渗透储层的水锁伤害是入井流体优选、增产改造措施和水锁防治解除措施合理运用的基础.对孔隙介质中水的赋存状态、储层伤害原因、黏土吸水伤害和水锁伤害微观机理进行了深入分析;利用低磁场核磁共振T2谱技术,结合常规流动实验手段,对同一性质岩心开展了黏土吸水伤害和水锁伤害实验,提出了水锁伤害核磁共振实验评价方法.通过实验,准确给出了水锁伤害程度;建立了束缚水增加量与黏土吸水伤害程度、可动水相滞留量与水锁伤害程度之间的对应关系;从而对引起水锁伤害的原因做出更精确的判断,实现了对水锁伤害的客观评价.     

压裂液作用后对页岩气体传质效率影响实验研究

页岩储层具有低孔、低渗特征。经压裂改造形成多裂缝网络,气体的产出流经致密基块-天然裂缝-水力裂缝等串并联耦合传质路径。压裂过程中压裂液的侵入会造成储层流体敏感性及水锁等损害,影响气体传质效率;因此有必要研究压裂液作用后对页岩气体传质效率的影响。设计实验,进行页岩岩样人工缝预处理,自行设计串、并联气体传质实验方法及装置,探讨了压裂液作用后对页岩气体传质效率的影响。结果表明,压裂液作用后,"串、并联"配置关系传质能力均下降,基块、裂缝岩样传质能力损害程度分别达到30%和80%左右;同时裂缝和基质孔喉分别对"并联"和"串联"配置传质效率起主导作用。因此,多裂缝网络中应以裂缝基质保护共举为目标,优化清洁压裂液,同时设计合理开发方案,提高气藏的最终采收率。     

临兴致密气压裂液全过程渗吸伤害规律

致密砂岩气作为重要的非常规天然气资源,需经过压裂改造才能实现有效开发。压裂施工中由于毛管力作用压裂液的渗吸现象会造成储层渗透率降低,从而降低采收率,因此开展压裂过程中压裂液渗吸伤害机理研究对储层保护和提高压后产能具有深刻意义。以临兴致密气区块为研究对象,通过室内渗吸实验模拟从压裂到返排整个过程中压裂液与储层之间的渗吸作用机理,探究了渗吸液相、压裂液黏度、岩心渗透率以及渗吸时间四种因素影响下的压裂液渗吸伤害规律,并利用灰色关联法量化分析各因素对渗吸伤害的影响程度。研究结果表明:压裂液黏度和压后焖井时间与储层伤害率呈正相关关系,与返排率呈负相关关系;岩心渗透率与伤害率呈负相关关系,与返排率呈正相关关系;压裂液渗吸对储层的伤害率较地层水大,返排率则低于地层水;各因素对致密砂岩气储层渗吸伤害的影响程度大小排序为:压裂液黏度压裂液渗吸时间岩心渗透率。研究结果为压裂施工现场的压裂液体系优选及焖井时间控制提供参考。     

页岩气储层工作液伤害机理研究现状

目前工作液对页岩气产出的影响和与之对应的页岩储层伤害机理研究较少, 而其与常规天然气储层伤害有着较大差异。为此,首先分析了页岩气储层伤害潜在因素以及深层页岩气储层伤害的特殊性,其次阐述了页岩气渗流伤害相关的页岩储层的敏感性和工作液伤害机理、返排时伤害解除及渗吸机理、工作液对页岩气吸附/解吸与扩散的伤害机理的研究现状和进展,最后提出该研究方向需要关注和亟待解决的问题。     

页岩气藏水力压裂渗吸机理数值模拟研究

针对页岩储层在水力压裂作业和生产中渗吸机理及作用规律不清的问题,开展了渗吸机理及其引起的地层伤害评估的研究。建立了考虑不同影响因素的页岩水力压裂渗吸数学模型,包括基质和裂缝流动,气体扩散和解吸,应力敏感效应和毛细管压力,然后,讨论了在压裂气藏和后续生产期间如何通过量化裂缝面表皮演变来评估由于渗吸机制导致的储层伤害现象。结果表明,（1）在试井以及生产阶段渗吸对储层特性有较大影响,极大的毛细管压力是导致渗吸现象和水力裂缝附近水封的主要原因;（2）对于实施了水力压裂增产措施的新井通过探测裂缝压力可以获得原始气体压力;（3）润湿相阻塞导致的储层伤害是影响致密气藏水力压裂井生产能力的主要来源之一。研究结果对于页岩气藏的渗流特性能够提供深刻的理解,尤其是为早期生产阶段降低由渗吸作用可能造成的储层伤害来优化生产提供理论依据。     

页岩储层离子扩散特征及影响因素分析

页岩储层压裂返排液中矿化度有明显升高,这与页岩储层离子扩散能力有关。目前,对于尚没有定量表征页岩储层离子扩散能力的方法。本文提出了一种评价页岩离子扩散能力的方法,并分析其影响因素。结果显示页岩储层中黏土矿物含量越高,离子扩散速度越快,持续时间越长。尤其是蒙脱石,其孔隙结构遇水发生反应,盐离子迅速扩散,会引起储层中压裂液矿化度的升高;盐溶液和表面活性剂也会对页岩储层的离子扩散能力有明显影响,但影响方式有诸多不同,Na⁺ 和K⁺通过压缩黏土扩散双电层厚度来降低页岩在溶液中的离子扩散能力,此外,K⁺还能进入页岩硅氧四面体中,阻止盐离子扩散;活性剂会引起溶液分子间作用力的改变,降低页岩在溶液中的离子扩散能力。通过页岩储层离子扩散实验对认识页岩储层裂缝发育程度和页岩储层性质具有重要的工程意义。     

陆相与海相页岩水相润湿渗吸特征

针对鄂尔多斯盆地延长组陆相页岩和四川盆地龙马溪组海相页岩开发现状,研究了不同沉积环境下各层位页岩水相作用特征。实验选取了西北地区富页、延页和云页等页岩气探井岩心,对比涪陵气田焦石地区钻井岩心,进行了矿物组分分析、自然孔隙观察和岩石力学测试,探索了页岩表面水相接触角和基质自发渗吸。实验结果表明：陆相页岩黏土矿物含量更高,易水敏导致储层伤害;涪陵地区海相页岩气储层基质较为致密,裂隙形态简单,填充物少,微裂隙和微孔隙较陆相延长组发育更充分;脆性矿物含量高导致涪陵地区页岩杨氏模量和泊松比较大,利于提高改造体积和裂缝复杂度;页岩表面表现为强亲水性,不同层位页岩水相润湿性存在差异,不同类型表面活性剂对页岩润湿性作用效果不同;通过调整减阻剂、粘土稳定剂和表活剂能够促进水相对页岩基质的浸润。研究可见不同层位页岩与水相作用差异明显,需研究开发具有针对性液体体系。     

基于灰色关联的压裂液渗吸主控因素分析

渗吸作用是影响致密储层开发效果的重要因素,明晰压裂液渗吸机理及影响因素作用规律对于评价致密储层压后生产特征意义重大。本文基于新疆致密砂岩储层岩心,采用体积法开展了饱和油致密岩心压裂液渗吸实验,研究了压裂液体系、岩心渗透率、实验温度、岩心长度和原油粘度对渗吸速率及渗吸采收率的影响,并基于灰色关联度对渗吸因素进行了影响程度评价。研究表明：渗吸采收率与渗透率、实验温度成正相关关系,与压裂液质量分数、岩心长度和原油粘度呈负相关关系,渗吸速率呈现出初始较快,随后迅速下降;各渗吸因素对渗吸采收率的影响程度排序为：压裂液体系>原油粘度>实验温度>岩心长度>岩心渗透率,致密储层压裂后应对储层性质及注入流体性质进行综合评价,为压后生产特征分析提供依据。     

缝网页岩储层非线性耦合渗流模型研究

页岩气藏裂缝发育,流体渗流机理复杂,认识流体在缝网页岩储层中的流动规律是准确评价气藏产能的关键科学问题.本文建立多重连续/离散裂缝模型描述水力压裂后的页岩储渗空间,建立了综合考虑吸附气非线性非平衡解吸附、表面扩散,自由气黏性流和Knudsen扩散机理的非线性耦合渗流数学模型.模型认为吸附气在有机质表面发生表面扩散,并与无机质基质孔之间发生非平衡解吸附,无机质基质孔内存在黏性流和努森扩散,而天然裂缝和压裂形成的水力裂缝内只有黏性流.通过压裂水平井的数值模拟结果,揭示了缝网页岩储层中吸附气净解吸附速率的时空演变规律,发现了最大净解吸附速率由缝网逐渐向基质扩散的现象.通过多重压力系统分析,发现了裂缝中自由气、基质无机质孔隙中自由气、有机质中吸附气依次滞后的浓度扩散现象;通过对天然裂缝渗流场的分析,发现离散缝网区域包络线外的流动形式随时间依次出现:椭圆径向流、线性流和缝间干扰产生的非线性流.本文研究揭示了缝网页岩储层的渗流机理,为页岩气藏的开发提供了科学基础.