水岩作用对页岩岩石物理性质的影响——以四川盆地下志留统龙马溪组页岩为例

熊 健 李羽康 刘向君 梁利喜 丁 乙 侯连浪

1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学 2.页岩气评价与开采四川省重点实验室

0 引言

2015年，美国能源信息署发布的页岩气资源评价成果报告指出，中国页岩气的技术可采资源量为31.57×1012m3[1]，中国已在四川盆地下志留统龙马溪组页岩气的勘探开发中获得巨大成功[2]，成为世界上第3个页岩气商业化开发的国家。页岩的岩石矿物组成复杂，主要包括石英、长石、碳酸盐岩和黏土矿物等，其中黏土矿物主要以伊利石和伊/蒙混层为主[3]。页岩气储层因其低孔低渗特点，水平井和压裂体积改造成为页岩气高效开发的关键技术。当水基钻井液或水基压裂液（滑溜水）与页岩气储层接触时，岩石与水发生相互作用，产生一系列的物理化学变化，导致岩石的物理性质发生改变，如页岩在微观、细观及宏观尺度上发生结构改变，导致页岩力学性能弱化。页岩与水接触后发生的相互作用被称为水岩作用[4]。由于页岩中黏土矿物主要以伊利石和伊/蒙混层为主，水敏膨胀性矿物含量少，页岩与水接触后，易发生水化致裂而不易发生膨胀分散，而水敏膨胀性泥岩易发生水化膨胀分散，两者的水岩作用机制存在较大差异，宏观表现差异较明显。水敏性泥岩地层遇水基钻井液后易发生井壁垮塌现象较严重[5]，页岩地层遇水基钻井液后易发生井壁垮塌现象[6]，但页岩地层遇水基压裂液后地层发生致裂有利于地层中缝网体积改造，提高压裂改造效果[7]。因此，对于页岩气储层，水岩作用在页岩气勘探开发过程中有其弊，但也有其利。

目前，水岩作用对页岩气储层的影响主要集中在力学性能、微观孔隙结构等方面。水岩作用对岩石力学性能弱化的影响已有较多学者开展了研究工作，袁和义等[8]研究了不同钻井液浸泡后页岩层理面抗剪强度的变化规律，认为页岩抗剪强度随水岩作用时间增加而降低；贾利春等[9]基于直剪试验发现水岩作用对页岩抗剪强度特性的弱化效应；腾俊洋等[10]发现水岩作用会导致页岩抗拉强度的降低；刘向君等[11]基于三轴力学实验，发现水岩作用会导致岩石抗压强度和弹性参数的降低；杨海等[12]基于巴西劈裂实验，研究了水岩作用下页岩抗拉强度及张性破坏模式。关于水岩作用对页岩微观孔隙结构的影响，前人也进行了大量的实验研究，并取得了较显著的成果。石秉忠等[13]采用CT扫描结合扫描电镜等手段，揭示了硬脆性泥页岩水岩过程中裂缝的发展规律和破坏作用；薛化庆等[14]利用扫描电镜和微米CT扫描等方法，发现水岩作用后裂缝发育程度对孔隙度和渗透率均有影响；Ma等[15]利用CT扫描研究了水岩作用下页岩中裂缝的演化规律；隋微波等[16]应用场发射扫描电镜研究了页岩水岩作用前、后的微观孔隙变化，讨论了矿物成分及排列方式对页岩水岩作用的影响，认为矿物颗粒沿平行层理面排列压实时，垂直层理样品产生的溶蚀孔密度、孔数量将多余平行层理样品，碳酸盐类矿物含量高可能有助于水化后微裂缝的形成；曾凡辉等[17]应用低温氮气吸附、高压压汞等方法，研究了水岩作用对页岩微观结构的影响。郭春礼等[18]通过二氧化碳吸附法等方法，为定量表征页岩水岩作用前后的孔隙发育特征提供了思路。蔡潇等[19]提出了一种定量表征页岩有机孔与无机孔的方法，该方法可用于定量表征水岩作用对这两种孔的影响。以上研究成果多是从单一角度来分析或指导分析水岩作用的影响，缺乏系统分析水岩作用对页岩岩石物理性质的影响。

因此，为了系统地揭示水岩作用对页岩气储层岩石物理性质的影响规律，以四川盆地龙马溪组页岩为例，开展高压甲烷等温吸附实验、基础物性测试、超声波测量、力学测试（单轴压缩试验和断裂韧性测试）与低压氮气吸附测试，剖析水岩作用对页岩吸附性能、基础物性、声波特性、力学特性的影响。在此基础上，定量研究水岩作用过程中页岩微观孔隙结构的变化规律，以期解释页岩水化产生的宏观结构以及物理特性变化的内在原因，为页岩储层井壁稳定和储层改造提供理论支持。

1 实验样品与实验方法

笔者所在的课题组对龙马溪组页岩水岩作用及其作用机制做了大量研究，并取得了一些认识[20-22]。前期的研究结果[20]认为，不同地区龙马溪组页岩水岩作用程度不同，水岩作用差异明显。实验中一部分样品破裂成碎块，一部分样品表面分布宏观裂缝但保持其完整性，还有部分样品表面无明显宏观裂缝。为了便于系统研究水岩作用对页岩气储层岩石物理性质的影响规律，选择水岩作用下岩样表面无明显宏观裂缝的龙马溪组页岩样品作为笔者本次研究的实验样品，进一步阐述水岩作用对页岩致裂程度的影响。笔者本次研究开展了页岩矿物组成测试、总有机碳含量（TOC）测试、孔隙结构分析、高压甲烷等温吸附测试、基础物性测试（孔隙度和渗透率）、声波测试、力学测试（单轴压缩测试和断裂韧性测试），实验样品统计如表1所示。

表1 水岩作用实验样品统计表

X射线衍射和总有机碳含量（TOC）测试实验样品6个，取自四川盆地南部地区N203井龙马溪组页岩，测试结果如表2所示。从表2中可看到龙马溪组页岩样品TOC较高，矿物组成较复杂，含有多种矿物成分，且矿物含量的分布范围广，矿物成分以石英、黏土矿物为主，黏土矿物又以伊利石和绿泥石为主。页岩微观孔隙结构观察采用场发射扫描电镜，观察样品4个，结果发现，龙马溪组页岩样品的纳米级孔隙发育，其中微孔隙和微裂缝均较发育（图1），在钻井压差以及毛细管压力作用下，这会为流体进入页岩地层内部空间提供渗流通道。反映了页岩岩石的矿物组成和孔隙结构为页岩与水相互作用提供了条件。

表2 N203井龙马溪组页岩TOC和矿物组成数据表

图1 N203井龙马溪组页岩微观特征照片

按照实验目的，分别制取120目颗粒、圆柱体、40～60目颗粒用于不同类型实验，其中120目颗粒样进行干燥和平衡水条件下高压甲烷等温吸附实验，圆柱体进行不同浸泡时间下（0 d、1 d、5 d、10 d）基础物性测试、超声波测量、力学测试（单轴压缩试验和断裂韧性测试），40～60目颗粒样进行不同浸泡时间下（0 d、1 d、5 d、10 d）根据标准《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》（GB/T 19587—2004）[23]和《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度第2部分：气体吸附法分析介孔和大孔》（GB/T 21650.2—2008）[24]，使用Quadrasorb™SI表面积分析仪和孔径分析仪在相对压力（即平衡压力/饱和蒸汽压力）范围介于0.010～0.995、温度为77 K的低温环境下进行低压氮气吸附/解吸，获取孔隙结构参数，其中浸泡时间模拟水岩作用时间，且浸泡时间为累积时间。在实验过程中，浸泡流体为去离子水，每次浸泡完后的样品需进行低温（40 ℃）烘干48 h。基于低压氮气吸附测试，获取不同浸泡时间下的低压氮气吸附—脱附曲线。根据De Bore提出的吸附回线类型[25]和国际纯化学与应用化学联合会（IUPAC）推荐的吸附回线分类[26]对孔隙的开放程度和孔隙结构进行定性评价。在相对压力介于0.05～0.30范围内利用Brunauer-Emmett-Teller（BET）吸附模型[27]计算比表面积。选用Barrett-Joiner-Halenda（BJH）圆柱孔模型[28]对氮气的吸附—脱附曲线进行处理，计算样品孔径分布特征、累计孔隙体积（总孔容）、累计比表面积分布曲线等。最后，采用分形维数进一步描述孔隙结构的复杂性。基于Frenkel-Halsey-Hill（FHH）模型[29]分形维数理论得到分形维数计算公式[30-32]：

式中V表示平衡压力为p时所吸附气体的体积，m3；p表示平衡压力，MPa；p0表示饱和蒸汽压压力，MPa；D表示分形维数；C为常数。

2 实验结果与讨论

2.1 吸附性能

笔者所在课题组的前期研究结果[33]认为，页岩中无机孔隙表面对水分子的吸附能力强于对甲烷分子的吸附能力，水分子优先吸附在无机孔隙表面；有机质孔隙中的水分子优先吸附在有机质含氧官能团附近，水分子占据页岩孔隙中甲烷分子的吸附位和吸附空间，造成对甲烷吸附能力降低，使处于吸附相的甲烷向游离相转换，从而导致甲烷的解吸。不同湿度状况下的页岩等温吸附线如图2-a所示，处于干燥条件下的页岩的甲烷绝对吸附量大于处于平衡水条件下的页岩，即页岩对甲烷的吸附量随着岩样湿度增加而降低，说明水相的存在导致页岩对甲烷吸附能力的降低。同时，基于课题组建立的龙马溪组页岩干酪根分子结构模型[34]，采用分子模拟方法可得到不同含水率（即孔隙中的水重量/干酪根的总重量）条件下龙马溪组页岩干酪根中甲烷分子的等温吸附线如图2-b所示。随着含水量增加，甲烷的绝对吸附量呈下降趋势，这是因为孔隙中水分子部分吸附在干酪根分子表面的含氧团能团附近，占据了甲烷分子吸附空间所致，且水分子数量越多，占据的甲烷分子吸附空间越大。当含气页岩遇水后，水相不仅进入页岩无机孔隙中，也会吸附在有机质的含氧官能团附近，水分子会置换表面处于吸附状态的甲烷分子，占据甲烷分子的吸附空间，降低页岩对甲烷的吸附能力，从而促进甲烷解吸。

图2 不同条件下龙马溪组页岩/干酪根中甲烷分子的等温吸附线图（60 ℃）

2.2 孔隙度和渗透率

孔隙度与渗透率在西南石油大学国家重点实验室采用HKGP—3型致密岩心气体渗透率孔隙度测定仪测定，页岩岩样的孔隙度测量采用气体等温膨胀法，渗透率测量采用压力脉冲法，参照国家标准《页岩氦气法孔隙度和脉冲衰减法渗透率的测定》（GB/T 34533—2017）[35]。不同浸泡时间下页岩岩样的孔隙度和渗透率变化规律如图3所示。从图中可看出，随着浸泡时间增加，岩样的孔隙度和渗透率呈现先快速上升后缓慢上升，其中浸泡时间达到10 d时，页岩样品的孔隙度增加约1.4倍，渗透率增加约11倍，页岩渗透率的增大幅度明显大于孔隙度。浸泡后，页岩岩样因水岩作用生成微裂缝，导致页岩岩样的渗透率和孔隙度增大，会在一定程度上改善页岩中气体的渗流阻力，有利于页岩中气体的流动。薛华庆等[14]也认为水岩作用后岩样的孔隙度和渗透率呈增大趋势，渗透率的增长倍数明显大于孔隙度；水岩作用后岩样形成的裂缝对岩样渗透率影响较大，对岩样孔隙度影响幅度较小。

图3 不同浸泡时间下龙马溪组页岩物性变化图

2.3 孔隙结构

不同浸泡时间下龙马溪组页岩岩样的低压氮气吸附—脱附等温线如图4所示，吸附—脱附等温线的曲线形态迥异表明页岩的孔隙结构参数存在差异，即水岩作用造成了页岩孔隙结构参数发生变化。当相对压力大于0.4时，页岩岩样的低压氮气吸附等温线和脱附等温线发生分离，形成吸附回线，或滞回环。根据De Boer分类法[25]和IUPAC分类法[26]，不同浸泡时间下龙马溪组页岩的等温曲线均可分为De Boer分类法的B型和IUPAC分类法的H2型，该类曲线反映出页岩孔隙形态呈开放性，主要以墨水瓶状孔为主，含有4边都开口的平行板状孔或两端开口圆筒状等。同时，从图4中还可看到，随着浸泡时间的增加，页岩的滞回环的形态并无明显改变，低压氮气吸附—脱附等温线的形态变化也不明显，反映水岩作用过程中页岩孔隙形态类型未发生较大变化，即水岩作用对页岩孔隙形态类型影响较小；但是低压氮气吸附—脱附等温线的曲线斜率逐渐变陡，表明在相同的相对压力下，液氮的吸附量或脱附量随着浸泡时间增加而呈增大趋势，反映了页岩的比表面积和总孔容随着浸泡时间增加而增大。基于低压氮气吸附—脱附曲线，将相对压力为0.99时的吸附量作为总孔容，采用BET吸附等温线方程计算比表面积，结果见表3。从表3中可看出，随着浸泡时间增大，岩样比表面积、总孔容呈增大趋势，平均孔径也呈增大趋势，这与前人研究成果存在差异[17,36]，曾凡辉等[17,36]研究认为水岩作用造成页岩比表面积总体上呈增大趋势，但随着浸泡时间增加，页岩比表面积先增大后减小，是水岩作用过程中页岩中膨胀软化的黏土矿物堵塞孔隙导致了比表面积减小。这种实验结果的差异可能与实验样品差异有关，本文参考文献[17,36]中实验样品的黏土矿物伊/蒙混层含量较高，含量介于7.45%～16.51%，而笔者本次实验样品中伊/蒙混层含量较低，含量介于1.09%～2.77%。一般认为，黏土矿物中蒙脱石水化膨胀性较高，伊利石水化膨胀性较低，伊/蒙混层的水化膨胀性居于两者之间[4,17,36]，龙马溪组页岩的水化膨胀性主要来源于伊/蒙混层矿物的膨胀。因此，水岩作用过程中，伊/蒙混层矿物的膨胀可能造成两者实验结果的差异。

图4 不同浸泡时间下龙马溪组页岩低压氮气吸附—脱附曲线图

表3 不同浸泡时间下龙马溪组页岩的孔隙结构参数和分形维数表

利用BJH法对页岩岩样的低压氮气吸附—脱附等温线中脱附分支曲线进行处理，可以得到孔径分布曲线、孔隙体积占比、累计孔隙体积（总孔容）分布图、累计比表面积分布图（图5）。从图5-a可知，随着浸泡时间增加，页岩的微孔对孔隙体积的贡献增大，中孔对孔隙体积的贡献降低；从图5-b可看出，不同浸泡时间下，龙马溪组页岩孔径主要集中在10 nm以内；从图5-c、d可发现累计孔隙体积、比表面积随着孔径增加而先快速上升后缓慢上升，且在孔径10 nm以内增加幅度较大；累计孔隙体积、累计比表面积整体上随浸泡时间增加而增大。水岩作用导致页岩内部产生了新的微孔隙和微裂缝，从而引起页岩的孔径分布、比表面积和孔隙体积随浸泡时间的变化而变化。

图5 不同浸泡时间下10号页岩样品孔径、累计孔容、比表面积分布特征图

2.4 声波特性

不同浸泡时间下龙马溪组页岩样品的波速变化和声波衰减系数变化如图6所示。从图中可看出，随着浸泡时间的增加，页岩的声波速度降低、衰减系数增大，其中浸泡时间增加到10 d时，页岩样品的声波速度降低约0.1倍，衰减系数增加约5倍，衰减系数的增幅要明显大于波速降幅，说明水岩作用后龙马溪组页岩的声波衰减敏感度程度要大于波速敏感性程度。水岩作用产生新的微孔隙和新的微裂隙（图7），造成声波传播时在页岩中反射、折射和衍射次数增多，导致页岩的声波传播速度降低和声波衰减系数大幅增大。杨海等[12]、石秉忠等[13]、薛华庆等[14]、隋微波等[16]基于微CT和场发射扫描电镜研究发现水岩作用过程中页岩形成了新的微孔隙和微裂隙。这也表明水岩作用下龙马溪组页岩发生结构损伤，导致页岩岩石力学强度降低，且浸泡时间越长，声波速度下降幅度越大，结构损伤程度越大，岩石力学强度下降幅度越大。康毅力等[38]发现鄂尔多斯盆地上三叠统延长组7段页岩中水岩作用对声波时差的影响，页岩浸泡钻井液后的声波时差增大，浸泡蒸馏水后的声波时差增大幅度最大，浸泡白油后的声波时差无明显变化；王光兵等[39]发现鄂尔多斯盆地中二叠统石盒子组页岩浸泡水基钻井液后的声波速度降低，衰减系数增大；Liu等[40]发现渤海湾盆地古近系渐新统沙河街组泥岩浸泡水基钻井液后的声波时差呈增大趋势，并随着浸泡时间增加，增加幅度越大；万有维等[41]发现塔里木盆地下白垩统巴西改组泥岩浸泡水基钻井液后的声波时差、衰减系数呈增大趋势。以上研究成果都表明水岩作用会导致岩石发生结构损伤，进而引起岩石声波属性参数发生变化。

图6 不同浸泡时间下龙马溪组页岩声波速度和衰减系数变化图

图7 N203井龙马溪组页岩浸泡前后岩样的扫描电镜前后对比图（9号样品）

不同浸泡时间下龙马溪组页岩岩样的时域图和频域图如图8所示。从图8-a、b中可看出不同浸泡时间下页岩的声波时域图发生了变化，差异较明显，声波信号的尾波也较发育，说明声波信号在浸泡后页岩中发生折射、散射、反射等现象增多。随着浸泡时间增加，页岩声波速度下降，声波衰减系数增大，说明页岩与水接触后，在水岩作用下，页岩内部孔隙结构发生了变化，且随着浸泡时间增加，变化程度增加。王光兵等[39]发现，鄂尔多斯盆地石盒子组页岩浸泡钻井液后的声波时域信号发生改变；万有维等[41]发现，塔里木盆地巴西改组泥岩浸泡钻井液后的声波时域信号也发生改变。从图8-c、d中可看出浸泡时间对声波频谱曲线影响较明显。在相同激发信号下，随着浸泡时间增加，页岩岩样的主峰对应频率向低频方向偏移，说明随着浸泡时间增加，页岩声波信号能量集中区域逐渐由高频向低频偏移。王光兵等[39]发现鄂尔多斯盆地石盒子组页岩浸泡钻井液后的声波频域信号主频向左偏移；万有维等[41]发现塔里木盆地巴西改组泥岩浸泡钻井液后的声波频域信号主频向左发生偏移。因此，水岩作用会导致岩石的时域信号和频域信号发生改变，水岩作用下页岩内部的孔隙结构发生变化，微孔隙和微裂缝增多，孔隙结构变化导致了岩石对声波信号中不同频率成分吸收不同；在相同激发信号下，微裂缝增多致使岩石对声波信号中高频部分吸收增多，对低频部分吸收减少，造成声波信号中低频部分所占比例增加，从而导致主频降低。随着浸泡时间的增加，页岩内部孔隙结构的变化程度增大，导致声波信号的主频偏移幅度增大。综上所述表明，水岩作用会导致页岩声波属性参数发生较明显的变化，水岩作用后页岩的声波属性参数不能反映页岩地层原状条件下的物理特性。在钻井过程中，钻井液与页岩接触后，页岩的声波属性参数发生变化，声波测井获取的页岩声波信息不能反映页岩地层原状条件下的物理特性。因此，需要对页岩的声波测井曲线进行“去水化校正”，才能获取页岩地层原状条件的物理特性。

图8 不同浸泡时间下龙马溪组页岩的时域图和频域图

2.5 力学特性

岩石声波测试获得的岩石声波属性参数可以反映出岩石力学特性信息，不同浸泡时间下岩石的声波属性参数变化，在一定程度上反映不同浸泡时间下岩石力学特性的变化。不同浸泡时间下龙马溪组页岩岩样的单轴抗压强度和断裂韧性的变化规律如图9-a、b所示。从图中可看出，随着浸泡时间的增加，页岩的单轴抗压强度和断裂韧性降低，这可能是水岩作用后，页岩内部的孔隙结构发生变化，微孔隙和微裂缝增多，造成页岩的岩石结构损伤，从而导致页岩样品的力学强度和断裂韧性降低。袁和义等[8]、贾利春等[9]、腾俊洋等[10]、刘向君等[11]、杨海等[12]研究结果也认为随着水基钻井液浸泡时间增加，页岩抗张强度、抗剪强度、抗压强度等力学强度均降低。水岩作用会导致岩石结构发生变化，进而引起岩石力学强度的弱化。在页岩气地层钻井过程中，水岩作用下的页岩岩石力学强度和断裂韧性降低，水岩作用在页岩中裂缝尖端处导致应力集中，造成页岩中裂缝尖端处应力强度因子增大（图9-c）。随着水岩作用时间的增加，页岩的岩石断裂韧性继续降低，页岩中裂缝尖端的应力强度因子持续增大，更易诱发页岩地层的井壁岩石掉块，对钻井带来挑战；在水力压裂过程中，水岩作用造成页岩中裂缝尖端处应力强度因子增大（图9-c），随着水岩作用时间的增加，更有利于页岩中裂缝延伸与扩展，有利于裂缝网络的形成，进一步提高页岩气的渗流能力。

图9 不同浸泡时间下龙马溪组页岩的力学参数变化图

水基流体与页岩接触后，因毛细管效应或压差作用，水相进入页岩内部，因页岩富含纳米级孔隙，毛细管力较大，原本滞留在页岩孔隙中的水相迅速扩散，降低了压裂区域的水相饱和度，渗流通道逐步开放，一定程度上减缓了水锁[42-43]。在不考虑页岩气储层中水锁影响时，当水与页岩接触后，一方面水分子可置换孔隙表面处于吸附态的甲烷分子，促进页岩气的解吸；另一方面，页岩与水之间发生相互作用，水岩作用增大页岩的孔隙度和渗透率，一定程度改善页岩的物性，降低页岩的岩石力学强度和断裂韧性，增加页岩中裂缝尖端处的应力强度因子，有利于页岩中裂缝的延伸与扩展，使页岩气的渗流阻力降低，有利于页岩气渗流速度加快，降低页岩气藏的压力，进一步促进页岩气解吸速率加快，从而提高页岩气单井产量，加快页岩气开发进度，缩短页岩气井的生命周期，提高页岩气开发的综合效益。

3 结论

1）页岩中水相的存在会降低甲烷的吸附量，导致页岩对甲烷吸附能力降低；随着浸泡时间的增加，页岩的孔隙度和渗透率呈增大趋势，且渗透率的增大幅度明显大于孔隙度。

2）随着浸泡时间的增加，页岩声波速度降低、衰减系数增大，且衰减系数的增幅要明显大于波速的降幅，说明水岩作用后页岩的声波衰减敏感度程度要大于波速敏感程度。

3）随着浸泡时间的增加，页岩的比表面积、总孔容、平均孔径呈增大趋势；较大孔隙（孔径大于5 nm）的分形维数随着浸泡时间的增加而增大，水岩作用后页岩的大孔隙的孔隙结构复杂化程度增大。

4）水岩作用会导致页岩的岩石强度和断裂韧性降低，诱发页岩气地层钻井过程中的井壁掉块，给钻井带来挑战；在水力压裂过程中，水岩作用会导致页岩中裂缝尖端处应力强度因子增大，有利于页岩中裂缝延伸与扩展并形成裂缝网络，这将加快页岩气渗流速度，促进页岩气解吸，提高页岩气产量和页岩气开发的综合效益。