页岩微裂缝模拟实验评价

刘卫东， 朱晓虎， 蒋文海， 樊 萍， 王悦和， 都炳锋

(1克拉玛依市富城能源集团有限公司 2新疆金戈壁油砂矿开发有限责任公司)

在钻井过程中，90%以上的井壁失稳问题均发生在泥页岩井段[1]。其原因在于泥页岩微裂缝发育丰富，黏土遇水后发生水化膨胀[2]，水化作用将使微裂缝不断沿裂缝方向发展扩张，最后导致井壁出现宏观裂缝，井壁失稳甚至垮塌[3]。解决该难题的关键在于高效钻井液封堵材料对微裂缝进行封堵，防止钻井液滤液入侵，起到稳定井壁，保护储层的作用[4]。对于钻井液封堵剂的评价方法，尤其是针对裂缝封堵的评价方法，国内外还没有形成一个有效的统一的标准[5]。目前用于泥页岩微裂缝模拟封堵实验的方法主要有裂缝钢片封堵实验，劈裂岩样人造裂缝模拟封堵实验，劈裂岩样结合钢块套筒法等[6]。这些方法都可以很好的直接模拟岩石裂缝，并且能进行钻井液封堵剂的封堵性能做基本的评价。但是这些方法都存在操作复杂，实验重现性差，实验成本高等缺点[7]。笔者总结了各种方法优缺点后，在前人研究方法基础上加以改进，开拓新的思路，提出一种利用滤饼简单高效可重复性高的泥页岩微裂缝封堵性模拟评价方法。

一、 模拟泥页岩低渗透性滤饼制备

若要对泥页岩微裂缝真实情况进行模拟，首先要建立泥页岩所处物理环境，从封堵性角度来说是对低渗环境的模拟，即制作渗透率在10-3～10-5mD范围的低渗滤饼。

1.低渗滤饼的制备

实验主要材料及仪器：膨润土，API重晶石粉，1 250目和2 200目碳酸钙，聚丙烯酰胺PAM，聚丙烯酸钠PAAS。电子天平，42型高温高压失水仪，JC101型电热鼓风干燥箱。

制作步骤：

(1)首先制备养护基浆，取适量自来水于容器中，加入适量膨润土和碳酸钙，进行充分搅拌后静置24 h来养护。

(2)取适量经过养护后的8%基浆300 mL于容器中，同时加入75%的钻井液用重晶石粉，50%毫微重晶石粉，20%的1 250目和5%的2 200目碳酸钙，1%聚丙烯酰胺和5%聚丙烯酸钠，然后在高速搅拌器13 000 r/min条件下搅拌25 min。再用普通低速扇叶搅拌器，600 r/min条件下搅拌2 h，使其能够分散均匀。

(3)将制备好的滤浆倒入高温高压滤失仪器中，在压力为3.5 MPa状态下滤失30 min，然后打开仪器将上层清液倒出，取出滤饼放入电热鼓风干燥箱中风干。

2.人造低渗滤饼与天然天然页岩岩心对比

以上述方法制备的人造低渗滤饼与来自长宁地区龙马溪组的天然页岩岩心进行比较。经试验测得实验室所制备的滤饼渗透率最小可达9.80×10-4mD，而龙马溪组页岩岩心经测得其渗透率为3.853×10-4mD。通过SEM环境电镜扫描制备滤饼和天然岩心表面，实验室制备的滤饼表面的最大裂缝宽度为13.28 μm，而天然岩心表面裂缝的最大宽度为10.51 μm。比较可知二者的最大裂缝宽度相差不多，但是由实验室制备的滤饼孔缝数量要多于天然岩心孔缝数量，故这是制备滤饼比天然岩心渗透率大的原因之一。但由于实验室制备滤饼渗透率接近天然岩心，且裂缝宽度在同一数量级，故可认为实验室制备滤饼可用于替代天然岩心来进行微裂缝的模拟与封堵性评价实验。

二、泥页岩微裂缝实验室模拟研究

实验室一般采用直接取心和实验室制备岩心来进行模拟孔隙和裂缝实验，但对于微裂缝发育的泥页岩来说还没有有效的实验室模拟方法[8]。为此，考虑泥页岩本身特性，本文通过在低渗滤饼上进行人工插针造缝。即通过该手段达到控制裂缝宽度和孔隙，从而接近真实泥页岩渗透环境的目的。

1.裂缝的制备

实验用品：经过烘干且静置后的低渗滤饼，金属银针(直径0.25 mm)。

制备步骤：

(1)经过一段时间后，从电热鼓风干燥箱中取出放置的滤饼，然后在室温下静置，待滤饼成型干燥后，用金属银针以设计好的插入角度来对滤饼进行穿刺操作。

(2)将穿刺后的滤饼在室温下静置1.5～3 h，然后取出金属银针，这样具备裂缝的滤饼制备完毕。

2.裂缝开度的精确确定

在利用金属银针进行穿刺造缝时，所造人工裂缝宽度会受多种因素影响，使其在滤饼成型的过程中发生改变，现对人工裂缝宽度进行深一步的研究与确定。

图1 裂缝微观放大示意图

如图1所示，记制备的滤饼面积为A，人工裂缝的开度为d，滤饼厚度(即人造裂缝深度)为h，假设裂缝长度与宽度不随裂缝改变，液体流经裂缝时为稳定渗流，且在滤饼人工造缝后滤饼渗透率的增加值全部来自裂缝提供，即滤饼渗流为孔—缝二重介质渗流，那么有：

(1)

式中：d—裂缝缝长，m；Vf—通过裂缝渗透的液体体积，m3；μ—滤液流体黏度，mPa·s；h—裂缝深度，m；n—裂缝条数。

3.微裂缝模拟穿透性研究

3.1 烘干时间对裂缝的影响

在用金属银针对实验室制备滤饼进行穿刺造缝的过程中，滤饼是否成型将会影响裂缝模拟成功与否。如果滤饼还处于未完全干燥的状态，表面湿润，这时滤饼的强度与韧性不足，将会导致在金属银针穿插过后滤饼将穿刺部分重新闭合，故考虑到上述因素，将对制备的滤饼在电热鼓风干燥箱中进行加热与风干操作。

表1 烘干时间与滤饼清水渗透率

注：为了避免由于长时间高温条件下对制备滤饼本身结构与性质造成破坏与影响，加热温度不超过50℃为宜，这里取加热温度为50℃。所用金属银针直径0.25 mm，所造裂缝数量为10个，插孔排列方式为直线型垂直裂缝。

通过上述实验数据(表1)和图2可知，滤饼在进行加热和风干操作时，滤饼成型受加热时间影响较大，如果加热时间较短时，滤饼未能干燥成型，若加热时间过长，则滤饼会凝固龟裂。由表1可以得知，在50℃条件下，加热时间控制在1～2 h为宜。

(a)加热时长为0.5 h滤饼 (b)加热时长3 h的滤饼图2 加热不同时长的滤饼形状

3.2 裂缝闭合与时间的关系

通过实验发现，在穿插造缝后进行滤饼清水渗透率测试的环节中，因为滤饼裂缝还未完全成型，结果在3.5 MPa压力条件下，滤饼上的裂缝会由于清水的连续冲刷而闭合，从而导致滤饼的渗透率降低[9]。故依据上文所述，进行清水渗透率测试的滤饼选择经过加热1～2 h的，且为了考察裂缝闭合与时间二者的关系，测量多组时间点的滤饼清水滤失量。

图3 不同加热时间的滤饼30 min内的失水情况

由图3可看出，在加热时间为1 h和1.5 h时，滤饼的第一次失水量比较大，但是随着时间的延长，滤饼的清水滤失量越来越少，逐步接近滤饼在造缝前的清水滤失量，表明滤饼上的裂缝在滤失过程的后面发生堵塞现象。表格数据显示滤饼在加热2 h后其在造缝后的清水渗透率显著提高，这反映出滤饼裂缝在滤失过程的后期未发生堵塞现象。故把最佳加热时间确定为2 h。

4.微裂缝对滤饼渗透率影响研究

现在为了更加深入地研究裂缝对滤饼渗透率的影响，现在从裂缝数量，插针倾角，插针的排列方式三个方向来分别进行研究。

4.1 裂缝数量对滤饼渗透率的影响

进行人工造缝操作，排列方式为直线型，以滤纸中心为起始造缝点，然后沿直线作用两边各每隔5 mm且插孔方向为90°垂直来进行造缝操作，造缝的数量分别为5，9，13，17，20，随后再测其滤饼清水渗透率。结果如表2所示。

从表2看出插孔造缝的数量与滤饼渗透率成正相关，表明裂缝发育程度对泥页岩的渗透率影响较大，在钻进泥页岩层系时，细微的裂缝也会造成钻井液侵入地层。根据实验结果，采用银针造缝的数量从5个增加到20个时，等效裂缝宽度范围从8.02×10-5m变化到4.12×10-5m，而当造缝插孔数为9个时，造缝后的失水量可以达到12.4 mL，则每条裂缝的宽度大约为5.51×10-5m。此时随造缝数量的增加，等效裂缝宽度变化幅度不大，故可视最佳造缝数量为9个。

表2 不同插孔数量滤饼失水情况

注：基础滤饼的平均厚度为4.5 mm，造缝针直径为0.25 mm，均为90°垂直插入，插孔排列方式均为直线型。

4.2 裂缝宽度对滤饼渗透率的影响

通过选用不同直径的金属银针来达到不同直径裂缝的目的，接下来以垂直方向进行插孔，数量为9个，随后测其各自条件下的滤饼清水渗透率。结果如表3所示。

表3 不同金属银针直径造缝后滤饼失水情况

注：基础滤饼的平均厚度为4.5mm，造缝数量为9个，均为90°垂直插入插孔排列方式均为直线型。

由表3数据观察可知，滤饼的失水量随着金属银针直径的增加而增大，即滤饼的渗透率会随裂缝直径的增大而增加，这与相关文献所得结论相符。

4.3 裂缝倾角对滤饼渗透率的影响

通过控制金属针插入的角度来改变倾角，采用直线型造缝，造缝数量均为9的90°、60°、45°和30°的裂缝，研究其对滤饼渗透率的影响。同时为了实验的有效性，将滤饼厚度控制在8 mm左右，实验结果如表4。

通过表4数据可以看出，在裂缝为90°时，滤饼的失水量最多，30°的失水量最少。这是因为裂缝倾角越小，水流经裂缝时的通道越长，水与裂缝间的摩擦阻力持续的时间也就越长，同时由于黏土的吸附作用，使得水与流经通道内黏土接触比表面积增大，使得黏土表面的表面自由能越大，使其产生强的吸附能力，结果导致裂缝通道变窄阻止水进一步通过，故会造成水分残留在裂缝中影响失水量。

表4 不同裂缝倾角造缝后滤饼失水情况

注：所用银针直径均选用0.25 mm，造缝数量为9个。

4.4 裂缝排列方式对滤饼渗透率的影响

在上述所做实验中，均是以裂缝为直线型来进行研究的，现在考察裂缝的不同排列方式是否会影响滤饼渗透率。故在此设计了四种排列方式来进行研究：直线型、矩阵型、圆周型和交叉型。其各自的排列标准如下：

直线型：以滤纸中心为初始造缝点，然后沿着同一直线方向上左右每隔5 mm进行造缝操作。

矩阵型：以滤纸中心为初始造缝点，随后沿着滤纸边缘部位以矩阵对角线方向每隔5 mm来进行造缝操作。

圆周型：以滤纸中心为圆心，沿着半径为15 mm的圆周上选取距离进行造缝操作。

交叉型：以滤纸中心为初始造缝点，随后沿着滤纸边缘部位以十字交叉的方向每隔5 mm来进行造缝操作。

随后测出各自滤饼的清水渗透率，结果如表5所示。

通过表5数据发现，在四种排列方式下，滤饼的失水量相差不大，其可能原因为：在裂缝长度适当情况下，裂缝流体在同一平面同一流向上互相之间的干扰并不大，故不存在类似井间渗流干扰现象。

表5 不同排列方式下滤饼失水情况

注：滤饼遭逢插孔数量均为9个，所用银针直径为0.25 mm，且基础滤饼的平均厚度为4.5 mm，均为90°垂直插入。

三、结论

(1)可通过实验室制备低渗透滤饼的方法，来模拟泥页岩低渗地层的真实渗透环境。在制备的低渗滤饼的基础上，通过金属银针来进行人工造缝，控制裂缝的宽度，从而来达到模拟真实裂缝的目的。

(2)裂缝对滤饼渗透率的影响因素主要有加热时间，裂缝数量和裂缝宽度，与裂缝的排列方式没有多大影响。

(3)本文推荐造缝数量9个，加热时间为2 h，裂缝倾角为90°且裂缝的排列方式为矩阵型来作为裂缝模拟评价标准。