页岩气储层吸水特性及其对渗透率的影响

姜桂芹，王国勇

（1.中国石油集团长城钻探工程有限公司博士后科研工作站，北京 100101；2.中国石油集团长城钻探工程有限公司能源事业部，辽宁 盘锦 124010）

0 引言

页岩气是一种重要的非常规天然气资源，近年来引起了国内外的极大关注。中国的页岩气资源储量非常丰富，具有巨大的勘探开发潜力和价值［1-4］。页岩气储层的孔隙度和渗透率往往超低，需要采取大规模的水力压裂增产措施来提高其单井产量，而页岩气储层通常具有含水饱和度超低的特点，并且通常发育较多的微纳米孔隙，从而导致压裂液的返排率不高，压裂施工后会有大量的压裂液滞留在储层中［5-7］。压裂液中的水含量较高，而页岩又具有较强的吸水能力，页岩吸水后不仅会改变储层中原始气、水的赋存状态，还会对储层渗透率产生一定的影响［8-13］。因此，有必要针对页岩气储层的吸水特性及其对渗透率的影响开展深入研究。

涪陵地区某页岩气区块部分页岩气井采取水力压裂增产措施后，压裂液的返排率普遍低于30%，并且初期产气量较低，由此认为压裂液的滞留对页岩气储层造成了一定损害；但经过一段时间的关井操作后，产气量大幅提升，这与压裂液滞留造成储层污染的结论又不一致。针对页岩吸水对渗透率的影响研究，不同的学者提出了不同的观点：有人认为页岩的吸水作用会引起严重的水锁损害以及黏土矿物膨胀运移堵塞损害，从而大幅降低页岩的渗透率［14］；而又有人认为页岩吸水后会诱导地层产生大量新的微裂缝，这些微裂缝与原始裂缝沟通，疏通了气流通道，从而可以大幅提升页岩的渗透率［15-19］。因此，笔者以涪陵地区某页岩气区块龙马溪组储层段岩心为研究对象，分别考察了页岩伊/蒙混层质量分数（wm）、有机碳质量分数（TOC）、吸水方向及实验液体类型对吸水能力的影响，并评价了页岩岩心渗透率在吸水过程及液体扩散过程中的变化情况，为正确认识页岩气储层吸水特性及压裂液滞留对渗透率的影响提供一定的借鉴和参考。

1 实验

1.1 主要实验材料及仪器

实验材料：目标页岩气区块龙马溪组储层段天然岩心（基本物性参数见表1）；蒸馏水、3%KCl溶液（实验室配制）；现场压裂施工用滑溜水（经过过滤除去其中的固相颗粒）；高纯氮气（99.999%，郑州瑞安气体科技有限公司）。

表1 页岩岩心基本物性参数和实验影响因素

实验仪器：岩心吸水实验装置（主要包括精密电子分析天平、数据记录与处理系统、烧杯及鱼线等，实验室自制）；HKY-200型脉冲衰减渗透率测量仪（渗透率测量范围为10-8～10-2μm2，海安县石油科研仪器有限公司）；DHG-9070A型电热鼓风干燥箱（上海善志仪器设备有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 页岩吸水实验

1）将岩样打磨成长度为4.5 cm、直径为2.5 cm的柱状岩心，然后在105℃下干燥处理24 h，记录其吸水前的初始质量。

2）使用无弹性并且不吸水的鱼线将岩心悬挂，置于精密电子分析天平上，然后调节岩心与吸水实验液体之间的距离，使得岩心完全浸没在吸水实验液体中。

3）将分析天平与电脑相连，开启自动记录软件，开始页岩吸水实验。测定不同时间岩心吸水后的质量，并绘制吸水量与吸水时间的关系曲线，分析页岩岩心的吸水特性。

4）改变实验条件，重复上述实验步骤，考察不同实验条件对页岩岩心吸水能力的影响。

1.2.2 页岩岩心渗透率实验

1）将岩心在105℃下干燥处理24 h后，放入岩心夹持器中，使用HKY-200型脉冲衰减渗透率测量仪在室温条件下测定岩心的初始渗透率，测试流体为氮气。

2）将岩心分别放置在不同的实验液体中进行吸水，一定时间后取出，擦干表面液体，测定渗透率值，然后将岩心放入实验液体中再次吸水，不断重复上述操作，以此评价页岩岩心在吸水过程中渗透率的变化情况。

3）选择在不同实验液体中吸水1 h后的岩心，擦干表面液体，将其放入岩心夹持器中，每隔一段时间后测定岩心的渗透率值，评价页岩岩心吸水后渗透率在液体扩散过程中的变化情况，以此模拟页岩地层吸收一定的压裂液后向地层深部滤失的过程中对渗透率的影响。实验过程中，岩心一直放置在加压的渗透率测量仪中，确保外界条件始终稳定，以保证液体扩散是影响渗透率的唯一因素。

2 结果与讨论

2.1 页岩岩心吸水能力影响因素

参照1.2.1中的实验方法，考察了伊/蒙混层质量分数、有机碳质量分数、吸水方向及实验液体类型对页岩岩心吸水能力的影响。其中，伊/蒙混层质量分数、有机碳质量分数及吸水方向对页岩岩心吸水量的影响实验中，使用的液体类型均为滑溜水。

2.1.1 伊/蒙混层质量分数

图1为不同伊/蒙混层质量分数的页岩岩心吸水实验结果。从图1可以看出：黏土矿物中伊/蒙混层质量分数对页岩岩心吸水能力的影响较大，伊/蒙混层质量分数越高，吸水量越大，并且随着吸水时间的延长，页岩岩心吸水量逐渐增大。当伊/蒙混层质量分数为8.6%时，页岩岩心最大吸水量为0.011 2 g/cm2；而当伊/蒙混层质量分数增大至23.9%时，页岩岩心最大吸水量升高至0.035 1 g/cm2，吸水量增大2倍以上。这是由于黏土矿物中的伊/蒙混层具有相对较大的微孔隙体积及比表面积，并且黏土矿物之间的连通性较好，能够为水分子提供较大的赋存空间，所以页岩岩心具有较强的吸水能力。

图1 伊/蒙混层质量分数对页岩岩心吸水能力的影响

2.1.2 有机碳质量分数

图2为不同有机碳质量分数的页岩岩心吸水实验结果。从图2可以看出：随着页岩中有机碳质量分数的不断增大，岩心吸水量逐渐增大，当有机碳质量分数从1.08%增大至7.09%时，岩心最大吸水量从0.009 8 g/cm2增大至0.024 2 g/cm2。这是由于页岩中有机碳质量分数越高，有机孔的发育程度就越成熟，从而增大了页岩中孔隙的数量和体积，使得页岩孔隙之间具有很好的连通性，为水分子的吸附提供了更大的空间。此外，有机质表面通常存在一些亲水位点，可以通过与水分子之间的氢键等相互作用力来吸收水分，形成水膜，把水分子牢牢束缚在页岩孔隙中。

图2 有机碳质量分数对页岩岩心吸水能力的影响

2.1.3 吸水方向

为评价不同吸水方向对页岩岩心吸水能力的影响，分别对岩心进行了不同的处理：将岩心上、下底面使用环氧树脂进行封固，以评价垂直层理方向的影响；将岩心四周侧面使用环氧树脂进行封固，以评价平行层理方向的影响。

图3为平行层理方向及垂直层理方向的页岩岩心吸水实验结果。从图3可以看出，平行层理方向的页岩岩心吸水量明显大于垂直层理方向，平行层理方向的2块页岩岩心最大吸水量为0.012 g/cm2，而垂直层理方向的2块页岩岩心最大吸水量均小于0.004 g/cm2。这是由于垂直层理方向时水沿径向吸入，而平行层理方向时水沿轴向吸入，吸水面积更大，吸入路径更短，所以吸水量更大。另外，岩心吸水后产生的诱导裂缝通常平行于层理方向，这也会在一定程度上促进岩心吸水量的增大。

图3 吸水方向对页岩岩心吸水能力的影响

2.1.4 实验液体类型

图4为使用不同液体类型时页岩岩心的吸水实验结果。从图4可以看出，实验液体类型对页岩岩心吸水能力的影响较大。其中：岩心在蒸馏水中的吸水量最大，最终吸水量达到了0.037 3 g/cm2；在3%KCl溶液中的吸水量次之，最终吸水量为0.024 1 g/cm2；在滑溜水中的吸水量最小，最终吸水量为0.015 8 g/cm2。这是由于页岩岩心吸水的主要驱动力是毛细管力，滑溜水中含有较多的表面活性剂，具有良好的界面活性，能够降低毛细管力，使得页岩岩心的吸水能力较弱；此外，滑溜水能降低页岩表面的亲水性，使其更加疏水，并且滑溜水还具有一定的抑制黏土水化膨胀的作用，从而降低了页岩的吸水量。因此，与蒸馏水相比，页岩岩心在滑溜水中的吸水量会大幅降低。3%KCl溶液中，K+能够压缩页岩黏土颗粒的双电层，减小页岩黏土晶层间的吸水空间，从而在一定程度上减弱了页岩的吸水能力，所以页岩岩心在3%KCl溶液中的吸水量明显小于蒸馏水。

图4 实验液体类型对页岩岩心吸水能力的影响

2.2 页岩岩心吸水对渗透率的影响

2.2.1 吸水过程中渗透率的变化情况

参照1.2.2中的实验方法，使用不同液体类型评价了页岩岩心在吸水过程中渗透率的变化情况，实验结果见图5。

图5 吸水过程中页岩岩心渗透率的变化趋势

从图5可以看出，随着页岩岩心在不同液体类型中吸水时间的不断延长，岩心渗透率均呈现先降低后升高，然后逐渐趋于稳定的趋势。在岩心吸水实验初期，渗透率迅速下降，以滑溜水为例，岩心初始渗透率为0.003 5×10-3μm2，吸水300 min后，渗透率降低至0.000 4×10-3μm2；随后，渗透率逐渐升高，吸水 2 400 min 后，渗透率升高至 0.007 8×10-3μm2，明显高于初始渗透率。分析其原因认为，页岩岩心在吸水过程中，渗透率的大小主要受黏土矿物吸水膨胀堵塞、水锁损害及诱导微裂缝扩展的影响。岩心在吸水初期渗透率急剧下降，是由于黏土吸水膨胀以及水锁效应堵塞了孔隙中的有效气流通道；而随着吸水时间的延长，岩心的抗拉强度有所降低，此时在毛细管力和化学渗透压的共同作用下，会产生大量的诱导微裂缝，增大了岩心的孔隙体积，并且由于储层发育有机质，这些新产生的微裂缝表面大多具有良好的憎水性，大部分孔隙表面不会被水分子覆盖形成水膜，致使新形成裂缝孔隙中的水具有较强的可动性，不会阻碍气体流动，从而使岩心渗透率大幅度提高。

图6为A-16岩心吸水实验前后的外观。从图6可以看出：岩心在吸水实验前表面平整，未见明显裂缝；而在滑溜水中吸水2 400 min后，表面产生了明显的微裂缝。由此可以说明，页岩岩心吸水一定时间后，渗透率会明显提高。

图6 岩心吸水实验前后的外观

2.2.2 液体扩散过程中渗透率的变化情况

参照1.2.2中的实验方法，使用不同液体类型评价了页岩岩心吸水1 h后渗透率在液体扩散过程中的变化情况，实验结果见图7。

岩心在不同液体类型中吸水1 h后，渗透率均低于初始状态，而随着扩散时间的延长，岩心的渗透率均呈现逐渐升高的趋势，并且在液体扩散初期，渗透率的升高幅度较大，而在液体扩散中后期，渗透率的变化幅度较小（见图7）。这主要是由于在液体扩散初期，页岩岩心大孔隙中的水会在毛细管力的作用下逐渐向小孔隙流动，从而促使小孔隙中的气相迁移至大孔隙，发生一定程度的水气交换，降低了大孔隙中的含水饱和度，扩大了气流通道，因此渗透率提升幅度较大；而在液体扩散中后期，水气流动主要发生在中小孔隙中，对渗透率的影响幅度较小，因此渗透率逐渐趋于稳定。

图7 液体扩散过程中页岩岩心渗透率的变化趋势

综合以上实验结果可以看出，页岩岩心在吸水过程和液体扩散过程中，渗透率均能得到有效提高。因此，在页岩气储层大规模水力压裂施工作业后，滞留在地层中的部分滑溜水压裂液除了可能产生水锁效应及黏土矿物膨胀运移堵塞等损害储层的情况外，还可以促使页岩吸水诱导产生大量的微裂缝，增大地层渗透率，并且压裂液进入地层后还能补充一定的地层能量，从而有助于提高页岩气井的产能。

3 结论

1）页岩岩心吸水实验结果表明：伊/蒙混层质量分数和有机碳质量分数越高，岩心的吸水能力就越强；平行层理方向的岩心吸水能力强于垂直层理方向的岩心；实验液体类型对页岩岩心吸水能力的影响较大，岩心在蒸馏水中的吸水能力最强，在3%KCl溶液中的吸水能力次之，在滑溜水中的吸水能力最弱。

2）页岩岩心吸水过程中，渗透率先迅速降低，然后逐渐升高，最后趋于稳定。在不同实验液体中吸水稳定后，页岩表面均产生明显的微裂缝，导致最终渗透率大于初始渗透率。页岩岩心吸水后，液体扩散过程中渗透率逐渐升高。

3）页岩气储层水力压裂施工后，未返排的部分滑溜水压裂液滞留在地层中，不仅可以补充地层能量，还能诱导储层产生大量的微裂缝，沟通气流通道，有利于页岩气井产能的提高。