水力压裂中支撑剂对黔北页岩孔隙结构的影响*

陈刘瑜，李希建，毕 娟，张 培，魏泽云，华攸金

水力压裂中支撑剂对黔北页岩孔隙结构的影响*

陈刘瑜1,2,3，李希建1,2,3，毕 娟1,2,3，张 培1,2,3，魏泽云1,2,3，华攸金1,2,3

(1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.复杂地质矿山开采安全技术工程中心，贵州 贵阳 550025；3.贵州大学 瓦斯灾害防治与煤层气开发研究所，贵州 贵阳 550025)

为获得黔北页岩水力压裂过程中使用支撑剂对页岩孔隙结构（孔喉和孔径）的影响，以贵州省凤冈风参1井（FC-1）页岩样品为研究对象，分别在不同浓度支撑剂配比的压裂液下进行页岩水力压裂实验，并分析页岩的孔隙结构随支撑剂压裂液浓度的变化规律。实验结果表明：清水压裂后页岩孔隙的大孔喉变化很小，小孔喉分布增多，压裂对孔隙孔径的影响较小；清水+支撑剂压裂液压裂后孔喉分布主要都集中在小孔径位置，无论是孔隙的孔喉还是孔径，使用清水+1%陶粒支撑剂压裂后，大孔喉和大孔径的占有率均较高，页岩渗透率最大；清水+1%陶粒支撑剂压裂效果较理想，可以作为黔北地区页岩气开采水力压裂过程中的目标压裂液。

页岩气；水力压裂；陶粒支撑剂；孔隙结构

页岩气作为一种新型能源，表现出赋存潜力大、自生自储能力强、低渗透性等特点[1]。在资源日益困乏的当下，想要保证能源满足市场需求，必需提高页岩气的开采能力。目前，世界各油气田的页岩气开采主要以水力压裂技术为主[2-3]。针对页岩储层多以微米和纳米级孔隙为主的特点[4]，其作为页岩气储集的主要场所，也是页岩气的运移通道，对页岩气的吸附、解吸和渗流起着重要的作用[5-6]。水力压裂体积改造技术致使页岩孔隙和裂缝网等页岩气的运移通道发生变化，进而达到提升页岩气采收率的目的[7]。

然而，在水力压裂的过程中，单纯的用清水压裂很可能会造成一系列的问题，如压裂效果差，产生严重的水锁效应等。因此考虑如何配比压裂液对页岩进行压裂，已成为页岩水力压裂抽采的关键。对水力压裂过程中支撑剂对页岩孔隙结构改造的研究不仅对页岩气提高采收率有实际意义，而且可以为其他地方的页岩气开采提供理论参考。

1 试 验

1.1 试验物料

（1）试验样品。页岩样品取自贵州省凤冈县风参1井，样品属于牛蹄塘组黑色有机质页岩，参照GB/T19145-2003为检测依据在贵州省煤田地质局进行矿物质参数测定，页岩标号及参数见表1。

（2）试验设备。水力压裂设备主要是由增压系统、记录仪和压裂系统构成，增压系统是为整个压裂过程中提供中心压力和围压。水力压裂装置框架如图1所示。

（3）支撑剂选择。本试验支撑剂选择从强度高、化学稳定性好、性价比高等方面考虑，选取烧结陶粒作为支撑剂。

图1 水力压裂装置框架图

1.2 试验方案

（1）页岩样品水力压裂前/后在贵州省煤田地质局进行核磁共振物性实验[8]，测试仪器为MesoMR23-060H-I。进行渗透率物性测试[9]，测试仪器为美国岩心公司的PoroPDP。

（2）水力压裂过程中压裂液分清水压裂液和（清水+不同浓度支撑剂）混合压裂液。

（3）试验共分为4组：第1组为清水压裂，第2组为清水+0.5%陶粒支撑剂压裂液、第3组为清水+1%陶粒支撑剂压裂液、第4组为清水+2%陶粒支撑剂压裂液。

1.3 水力压裂试验步骤

（1）将制备好的页样浸泡于12%的盐酸中12 h[8-11]，取出页样并擦拭中心孔内及表面的酸液，对页样封胶处理后静置12 h后，把其装入腔体内，使用螺旋装置固定页样，在中间容器中加入目标压裂液，升高温度至55℃，使整个样品处于模拟地层条件下的温度。

（2）先通过环压、轴压泵增大压力，围压与轴压的施加大小为：0~5 MPa，5~10 MPa，10~12 MPa；使整个页岩样品处在模拟地层条件下的压力，假设四周的压力相等。再通过压裂泵从页岩样品的中心施加中心孔压，大小为：0~3 MPa，3~6 MPa，6~9 MPa，9~10 MPa，之后接着升高压力，然后把压力憋住持续12 h，一直到压裂为止，压裂压力记录仪记录整个压裂过程中的围压和中心孔压，当样品压裂后，围压和中心孔压都会下降。每增大1 MPa保持0.5 h。

（3）水力压裂完成后，对页岩样品进行核磁共振和渗透率的物性测试。

2 试验结果与分析

2.1 清水压裂对页岩孔隙结构的影响

图2为清水压裂前后孔喉/孔径分布图，从图 2（a）可以看出压裂前后的孔喉变化，在水力压裂前，孔喉主要分布在0~0.1 μm之间，占了76%；而0.1~0.16 μm之间只有16.2%，0.16~0.25 μm只有7%，1.6~10 μm之间总共才占了不到0.5%左右，分别是1.6~2.5 μm为0.036%，2.5~4 μm为0.19%，4~ 6.3 μm为0.38%，6.3~10 μm为0.08%。而水力压裂之后，孔喉分布主要都是在大孔喉处，0~0.1 μm的孔喉分布为68.5%，0.1~0.16 μm为18.7%，0.16~0.25 μm为11.6%；而对于小孔喉是增多了，主要存在于2.5~25 μm中，小孔喉分布占了9%左右，分别为2.5~4 μm为0.02%，4~6.3 μm为0.38%，6.3~10 μm为0.33%，10~16 μm为0.22%，16~25 μm为0.09%。说明压裂后大孔喉变化不是很大，但是小孔喉增多。从图2（b）得出孔径分布规律，水力压裂前/后孔径的分布主要都是集中在0.01~0.5 μm之间，水力压裂前后孔径分布的变化很小，几乎无法从肉眼看出来，从上述的孔径分布可以得到，压裂前后的孔径变化都是存在于小孔径的变化，所以，孔径的分布从宏观的角度上看，变化量不是很大。

图2 清水压裂前后孔喉/孔径分布

图3为清水压裂前/后页岩T2谱图。从图3中可以看出，水力压裂前后T2谱图的变化，从左往右出现了3个峰，第1个峰是由于在页岩样品的正中间制作了一个小孔满足压裂实验条件，造成核磁共振仪器误认为是天然的孔喉，所以出现了一个峰。核磁共振表征的是页岩样品中的可流动水和束缚水的含量多少，第1个峰对实验的结果并不造成影响，可以算成是束缚水的含量。第2个峰表示的是束缚水含量。第3个峰表示的是可流动水含量。从水力压裂前后的T2谱图看出，压裂前的束缚水含量为98.142%，而压裂后的束缚水饱和度为98.988%，束缚水饱和度增大了0.846%。

图3 清水压裂前/后页岩孔隙T2谱图

2.2 清水+支撑剂对页岩孔隙结构影响

清水+支撑剂压裂实验压裂后的孔喉/孔径分布如图4所示。从图4（a）中可以看出，在清水+0.5%支撑剂压裂中，孔喉分布主要还是在孔喉半径比较小的位置，0~0.1 μm占了79.099%，0.1~0.16 μm占了14.3%，0.16~0.25 μm占了5.433%，0.63~4 μm稍大的孔喉半径中占了大约1%左右，主要集中在1~2.5 μm之间。而在清水+1%支撑剂压裂中，孔喉分布规律和清水+0.5%支撑剂压裂基本一致，主要分布在孔喉半径较小的位置，0~0.1 μm占了93.3%，0.1~0.16 μm占了2.07%，0.4~6.3 μm稍大孔径中占了4.45%，主要集中在0.63~4 μm之间。在清水+2%支撑剂压裂中，孔喉分布规律和前两者的规律大体一致，0~0.1 μm占了94.86%，0.1~0.16 μm占了0.005%，0.25~4 μm稍大孔喉半径中占了4.86%，主要集中在0.4~2.5 μm之间。三者的孔喉分布主要都集中在小孔径位置，但是，在大孔喉区域，清水+1%支撑剂占有率最高。

图4 清水+支撑剂压裂后页岩孔隙孔喉/孔径分布

从图4（b）中可以看出，在清水+0.5%支撑剂压裂中，孔径分布主要集中在0.01~0.5 μm，少部分集中在1~5 μm之间。在清水+1%支撑剂压裂中，孔径分布主要集中在0.01~0.2 μm，少部分集中在0.7~7 μm之间。而清水+2%支撑剂压裂中，孔径的分布和上述两者规律相似，主要是集中在0.005~0.1 μm之间，少部分集中在0.5~5 μm之间。孔径分布主要都集中在小孔径之间，但是在大孔径中，清水+1%支撑剂的孔径分布占有率最高。

清水+支撑剂压裂实验压裂后的页岩T2谱如图5所示。由图5（a）可知，在清水+0.5%支撑剂压裂中，可流动水含量为3.486%，束缚水含量为96.514%。由图5（b）得在清水+1%支撑剂压裂中，可流动水含量为5.395%，束缚水含量为94.605%。由图5（c）可看出清水+2%支撑剂压裂中，可流动水含量为4.015%，束缚水含量为95.985%。可流动水含量大小为（清水+1%支撑剂）＞（清水+2%支撑剂）＞（清水+0.5%支撑剂）。

图5 清水+支撑剂压裂后页岩孔隙T2谱图

通过渗透率物性实验，清水+0.5%支撑剂压裂后的渗透率为0.26328 md；清水+1%支撑剂压裂后的渗透率为0.40746 md；清水+2%支撑剂压裂后的渗透率为0.30323 md。

综上所述，采用渗透率和核磁共振物性试验结果进行对比，通过测试压裂后页岩渗透率结果和使用孔喉/孔径等表征出来的结果存在一致性，验证了试验的合理性。得出清水+1%支撑剂作为混合压裂液对页岩压裂效果较为理想。因此，文中得出的清水+1%陶粒支撑剂混合压裂液可作为今后黔北地区页岩气开采过程中进行水力压裂的目标压裂液。

3 结 论

（1）使用清水压裂时，页岩孔隙的大孔喉变化很小，而小孔喉分布增多，压裂对孔隙孔径的影响较小。

（2）清水+支撑剂压裂液压裂后孔喉分布主要集中在小孔径位置，无论是孔隙孔喉还是孔径，使用清水+1%支撑剂压裂后，大孔喉和大孔径的占有率均较高，页岩渗透率最大。在水力压裂中合适的支撑剂可以增大页岩的渗透率。

（3）清水+1%支撑剂压裂液压裂页岩效果较理想，可以作为黔北地区页岩气开采水力压裂过程中目标压裂液。

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(2018-11-22)

陈刘瑜(1991—)，男，贵州毕节人，硕士研究生，从事煤矿瓦斯治理及矿井通风网络优化，Email：1533941266 @qq.com。

李希建(1967—)，男，湖南张家界人，博士，教授，博士生导师，从事煤矿安全技术、煤矿瓦斯治理及煤层气和页岩气开发等，Email：575914635@qq.com。

国家自然科学基金资助项目（51874107）；贵州省科技计划资助项目（黔科合平台人才[2018]5781号）；贵州省重大应用基础研究项目（黔科合JZ字[2014]2005）.