页岩油储层层理缝渗吸机制和渗吸模式

谢建勇，袁珍珠，代 兵，吴承美，贾 春，许 锋，罗 群，崔 倩

(1.中国石油新疆油田分公司，新疆 乌鲁木齐 831700；2.中国石油大学(北京)，北京 102249；3. 四川省地质矿产勘查开发局，四川 宜宾 644002；4. 四川省地质矿产勘查开发局，四川 成都 610100)

0 引 言

中国准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组地层页岩油丰富，为典型的源储一体油藏，截至2019年，估算探明储量为10×108t[1-6]。芦草沟组页岩油储层致密，地层压力系数偏低，为1.05～1.20[7]。目前中国页岩油开发主要采用水平井分段压裂形成构造缝的方式实现，但芦草沟组地层构造缝不发育，层理缝发育，密度可达2.7条/m以上，严重制约了人工构造缝的延展；但层理缝作为页岩油气渗流的重要通道，具有易开启、横向延展广的特点[8-11]。因此，如何合理利用层理缝来提高页岩油的开发效率成为重要研究课题。通过电阻率法及岩心CT扫描实验，探究层理缝中压裂液是否可以通过渗吸置换储层中的原油，并对比其与构造缝渗吸效率的差异，最终明确了在层理缝发育区，采用直井压裂可充分利用构造缝渗吸置换原油并有效地开启和制造层理缝，提高了层理缝中压裂液渗吸置换页岩油储层孔隙中原油的效率。

1 露头样品渗吸模拟实验

1.1 实验准备及渗吸效率计算方法

由于页岩油储层层理和层理缝发育[12-13]，岩心样品在实验中容易破碎，因此，采用露头中的大尺度新鲜样品。露头样品来源于矿区芦草沟组露头页岩油储层致密砂岩，样品坚硬、体积大、不易破碎，实测孔隙度约为3.6%，平行层理缝渗透率为1.3×10-3mD，垂直层理缝渗透率为0.7×10-3mD。将露头岩心切割，制作成4块10 cm×8 cm×2 cm的长方体岩心。先对岩心用饱和油进行72 h抽真空饱和，然后在27 MPa、80 ℃的环境下(模拟地层条件)加压饱和72 h，直至岩样质量基本不再变化，通过称量前后质量变化，计算饱和程度约为80%。将4块岩心拼接成2组模型，在指定位置埋设电极，钻取进水孔及出水孔，制作防水层，使用环氧树脂进行胶铸。48 h后环氧树脂完全凝固，再使用焊锡枪将模型与仪器进行连接并制作防水层(图1)。将模型置于压力釜中，进行升温、加压，模拟地层的温压环境，在27 MPa、80 ℃的条件下，裂缝中的压裂液与基质中的原油发生渗吸置换反应，随着反应的进行，模型质量逐渐增加，并且电极之间的含油饱和度逐渐下降，电阻逐渐降低。待电阻曲线平稳后，认为反应基本停止。

图1 大尺度渗吸模型示意图Fig.1 The schematic diagram of the large-scale imbibition model

计算渗吸效率的方法为 ：①通过称量反应前后岩心的质量，换算渗吸效率；②通过电极测量岩石的电阻，根据阿尔奇公式将电阻变化转化为含油饱和度变化，进一步换算渗吸效率。

渗吸效率的计算方法为：

(1)

(2)

(3)

式中：V置换为油水渗吸置换体积，mL；M1为反应前模型质量，g；M2为反应后模型质量，g；ρw为水的密度，g/mL；ρo为油的密度，g/mL；So为反应后含油饱和度，%；So′为反应前含油饱和度，%，ΔSo为含油饱和度变化，%；V总孔隙为总孔隙体积，mL；η为渗吸效率，%。

含油岩石的电阻率大小取决于含油饱和度、地层水电阻率以及岩石物性参数，含油饱和度计算方法为：

(4)

式中：Rt为含油岩石电阻率，Ω/m；R0为完全含水岩石电阻率，Ω/m；b、n分别为芦草沟组岩电参数，取值分别为1、2。

1.2 实验结果及分析

测量岩心样品反应前后的质量变化，经过换算，双缝(构造+层理缝)模型渗吸效率为61.6%，单缝(构造缝)模型渗吸效率为57.5%(表1)，因此，在构造缝开启的情况下，开启层理缝，渗吸效率增加4.1个百分点。

测量岩石基质中的电阻，通过阿尔奇公式，换算不同电极之间的含油饱和度。经过计算，单缝(构造缝)模型平均渗吸效率为50.3%，双缝(构造+层理缝)模型平均渗吸效率为54.7%(表2)，即在开启构造缝的基础上，开启层理缝渗吸效率可提高4.4个百分点。

表1 单缝模型与双缝模型渗吸效率对比Table 1 The comparison of imbibition efficiency between single-fracture model and double-fracture model

对上述2种计算方法得到的渗吸效率取平均值，得到在构造缝开启的情况下，再开启同样面积的层理缝，渗吸效率可增加约4.3个百分点。

表2 反应前后含油饱和度变化对比Table 2 The comparison of changes in oil saturation before and after reaction

2 常温常压下致密岩心纵横裂缝的水自然渗吸实验

2.1 实验准备

实验采用吉木萨尔凹陷芦草沟组JHW043井油浸泥质粉砂岩岩心，岩心润湿性表现为亲水，气测孔隙度约为14.0%，加工成边长为2 cm的立方体。由综合铸体薄片观察可知，岩心层理缝及纹层发育，纹层厚度为0.1～3.0 mm，属于薄纹层(图2a)，沿层理方向发育微裂缝，开度为10～20 μm，长度为200～400 μm(图2b)。实验用液体为返排液，使用精度为80 μm的多层螺旋CT扫描仪。

图2 JHW043井芦草沟组典型岩心铸体薄片Fig.2 The casting slice (reflecting bedding fractures and laminae) of typical core of Lucaogou Formation in Well JHW043

2.2 实验过程与分析

分别取2组相邻的岩性以及层理发育基本一致的立方体岩心a与b、c与d，样品a、c分别为b、d相邻的切块，肉眼观察岩性以及层理发育与b、d基本一致，样品a和c分别作为b和d的实验对照组(认为a与b物性相同、c与d物性相同)，样品a与b制成构造缝样品，样品c与d制成层理缝样品。先将样品用乙醚洗油7 d，然后烘干处理。烘干完毕冷却至室温后，样品a、c作为对照组不再处理，b组构造缝面朝下与水接触，d组层理缝面朝下与水接触，吸水24 h后与a、c组一同进行CT扫描，得到CT扫描图像(图3)，在扫描图像中，颜色由浅到深，代表了孔隙度由大变小，即颜色越红，孔隙度越小，经分析得到渗吸前后样品平均孔隙度变化(表3)。

图3 CT扫描图像Fig.3 The CT scintigram

由表3可知，构造缝样品反应后(图3b)颜色加深，平均孔隙度由15.4%降至6.4%，孔隙度损失比例达58.4%；层理缝样品反应后(图3d)，整体颜色不均匀，上部颜色浅、孔隙度大，下部颜色深、孔隙度小，下部孔隙度损失明显，平均孔隙度由12.6%降至4.6%，孔隙度损失比例高达63.5%。

表3 渗吸反应前后样品平均孔隙度变化Table 3 The average porosity change of the sample before and after imbibition reaction

根据构造缝样品b与层理缝样品d渗吸后的CT扫描图，绘制出岩心渗吸后的孔隙度曲线图(图4)。由图4可知，构造缝样品渗吸高度约为1.5 cm，层理缝样品渗吸高度约为1.0 cm。产生这一现象的原因为：渗吸效果不仅受毛管力作用，还受重力影响，构造缝吸水样品由于沿层理方向发育大量孔隙，连通性较好，喉道较大，这部分孔隙渗吸毛管力相对较小，受重力影响明显，吸水高度较低；但是层理缝渗吸高度以下的基质孔隙度基本完全损失，从而导致层理缝渗吸整体效果好于构造缝。

图4 渗析后构造缝、层理缝样品CT扫描孔隙度图Fig.4 The porosity CT scintigram of tectonicand bedding fractures after imbibition

由于实验条件限制，CT扫描分析未能完全模拟储层油水渗吸过程，但在一定程度上说明，层理缝渗吸效果并不比构造缝差，甚至在考虑重力条件、不考虑油水渗吸置换物性下限的情况下优于构造缝模型。

3 层理缝与构造缝的渗吸模式

通过薄片观察与镜下照片可知(图2)，研究区芦草沟组储层纹层发育，水平方向孔隙连通性较好，纵向渗透性比横向渗透性差，由于压实等作用颗粒成椭圆状。结合模拟实验，构建出渗吸模型骨架，以此模拟不同类型的裂缝对岩石基质中原油的渗吸效果及其渗吸模式。在层理缝渗吸模式(图5a)中，水相沿垂直方向的孔喉进入储层基质，渗吸置换其中的原油。层理缝渗吸的通道孔隙喉道较窄，水相进入与油相排出的路径较长，并且较为曲折。由于纵向上部分喉道受压实与胶结作用影响形成闭合，导致层理缝渗吸存在死孔隙，死孔隙中没有渗吸过程发生。

在构造缝渗吸模式(图5b)中，可以看出水相沿层理方向进入储层，置换其中的油相。渗吸反应主要发生在连通性较好的水平方向的孔隙中，反应通道平直，渗吸主要通道为层理方向的孔隙或微裂缝中[14-17]。层理缝渗吸模式中的死孔隙在构造缝渗吸中仍可进行。

图5 层理缝与构造缝渗吸模式图Fig.5 The diagram of the imbibition pattern of bedding and tectonic fractures

其中，在构造缝渗吸模式中，如果存在较粗的微裂缝或层理缝(图6)，左侧构造缝中的水相在较小毛管力作用下无法克服重力影响，因而无法发生渗吸反应。右侧的构造缝中的水相由于毛管力和重力同向，因而可以置换微裂缝或者层理缝中的原油[18-22]。

图6 重力(浮力)作用影响渗吸反应的示意图

在渗吸过程中，储层致密，孔喉结构较小，毛细管力较高，毛细管力与重力比值较大，并且致密储层可认为是一个封闭环境，原油无法向外扩散。因此，渗吸过程属于在毛细管力支配下，水进入基质的方向与油的运移方向相反的逆向渗吸。

对比层理缝与构造缝渗吸模式可知，层理缝渗吸通道更加曲折，但是由于层理缝渗吸通道较窄，毛管力较大，导致层理缝与构造缝在渗吸时间上无明显差异。层理缝渗吸过程中存在部分死孔隙，导致层理缝最终渗吸效率略低于构造缝，但因层理缝发育的储层中纵向渗吸的孔隙相对于构造缝小，孔隙毛管力较大，加上层理缝发育的密度比构造缝高，因此，层理缝中压裂液仍然可以发挥很好的渗吸置换原油的作用，使得层理缝的综合渗吸效果好于构造缝。

4 层理缝对于页岩油开发的意义

目前页岩油的开发主要利用水平井分段压裂开发方式，水平井压裂的目的是开启和制造纵向裂缝，为纵向裂缝中压裂液渗吸置换页岩油储层中的原油创造条件。但实际上，页岩油储层中的纵向缝(构造缝)往往没有层理缝发育，如果改变开发方式，即在层理缝发育区，采用直井压裂，在充分利用构造缝渗吸置换原油的同时，可以更有效地开启和

制造层理缝(使闭合的层理缝开启，使层理破裂形成层理缝)，这将大大提高层理缝中压裂液渗吸置换致密页岩油储层孔隙中原油的效率，有利于页岩油更高效开发。

5 结 论

(1) 渗吸实验表明层理缝、构造缝中的压裂液均可渗吸置换基质中的原油；在开启构造缝的基础上，增开层理缝渗吸效率可提高4.3%左右。

(2) 由于纵横向孔喉结构差异以及油水密度差导致的重力影响，层理缝在渗吸所需时间上与构造缝渗吸差别不明显，渗吸深度略低于构造缝，但渗吸效率基本与构造缝相同。

(3) 根据露头样品渗吸模拟实验及常温常压下致密岩心纵横裂缝的水自然渗吸实验，构建了层理缝与构造缝渗吸模式。层理缝渗吸模式中，水相沿垂直方向的孔喉进入储层，渗吸置换原油。构造缝渗吸模式中，水相沿层理方向进入储层，渗吸置换原油。研究表明，在构造缝渗吸的基础上，充分利用层理缝的渗吸作用，可较大提高页岩油的开发效率。

(4) 在层理缝发育的页岩油区，采用直井压裂，可有效开启和制造层理缝(使闭合的层理缝开启，使层理破裂形成层理缝)，这将有效提高层理缝中压裂液渗吸置换储层原油的效率，有利于页岩油高效开发。