页岩多重孔隙水相自吸能力评价

何颂根 ，冉旭 ，于丹 ，王峻峰 ，邹枫

（1.中国石化西南油气分公司油气开发管理部，四川 成都 610041；2.中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院，四川 德阳 618000；3.中国石化中原油田分公司采油气工程服务中心，河南 濮阳 457001）

0 引言

页岩气的开发利用是油气领域的一次重大革命，已成为国内天然气的重要增长点［1-5］。将几万立方米的滑溜水压裂液注入地层，对页岩进行大规模体积压裂，是有效动用页岩气的技术关键［6-9］。大量的水基压裂液注入地层后对页岩微观孔隙的影响，业已成为重要的研究热点［10］。目前已有的大量文献研究表明，页岩压后返排存在返排率低［10］、产量与返排率呈现负相关［11］、焖井后产气量增加［12-13］等不同于常规储层的特征，因而在明确页岩孔隙吸水的影响之前，首先需要明确其机理。

相对于砂岩储层，由于组分多元，页岩具有多重矿物组分孔隙（简称多重孔隙）特征，不同类型孔隙的吸水机理存在显著差异。尽管已有一些针对页岩水相自吸的研究，包括不同自吸方式［14］、液体类型［15-16］和矿物类型［17］，各向异性［18］、诱导裂缝［19］、渗透压［19］和人工裂缝［20］条件下的自吸实验［13-15］，但都基于宏观分析，尚未将页岩多重孔隙进行分别研究。在自吸模型研究方面，主要包括毛细管力作用下的自吸解析模型［21-22］、多孔介质自吸数值模拟［23］、页岩气藏返排动态模拟［11］等，但均未结合孔隙类型及作用力差异来研究页岩的水相自吸。

本文研究了不同页岩孔隙的特征和物理性质差异，进行了多重孔隙劈分，建立了页岩水相自吸评价模型，分析了不同页岩孔隙的自吸能力差异。

1 页岩的多重孔隙特征

1.1 页岩多重孔隙分类

页岩孔隙的分类方法较多，主要有按照孔径大小、产状及结构、赋存矿物、孔隙连通性、孔隙成因等分类方法。页岩矿物组分包含有机质、脆性矿物（石英、白云石、方解石、黄铁矿等）、黏土矿物（简称黏土），根据孔隙赋存的矿物组分［24］页岩基质孔隙可以划分为有机孔、脆性矿物孔和黏土孔（见图1）。

1.2 页岩多重孔隙特征对比

1.2.1 孔隙尺寸差异

以W区块龙马溪组某井下岩心为例。采用场发射扫描电子显微镜（FESEM）可以观测页岩的微观形貌特征，借助图像处理技术，可定量提取不同类型孔隙的尺寸分布及特征。统计结果表明，孔隙直径由大到小依次为脆性矿物孔（长轴163.3 nm、短轴61.7 nm）、有机孔（长轴 89.2 nm、短轴 46.7 nm）、黏土孔（长轴 81.7 nm、短轴 22.4 nm）。Kuila等［25］也得到了相似的结果，碳酸盐矿物孔和脆性矿物孔直径最大，其次为黏土层间孔，黏土层内孔和有机孔相对最小。

1.2.2 孔隙形态差异

采用正圆度统计对比黏土孔、脆性矿物孔、有机孔的孔隙形态。正圆度由小到大依次为黏土孔（0.345）、脆性矿物孔（0.442）、有机孔（0.527），即黏土孔更狭长，有机孔圆度最高，脆性矿物孔居中。

1.2.3 润湿性（亲水性）差异

在页岩气藏中，无机矿物——如石英、硅酸盐、碳酸盐、铝硅酸盐——表面均亲水，其润湿性由强到弱依次为黏土、石英、石灰石、白云石、长石。对于有机质孔隙的润湿性，传统上均认为亲油不亲水，但近来一些实验证明干酪根中含有水分［26］。分子动态模拟表明，不同的成熟度和羧基链分布方式下，干酪根润湿性差异较大，可能亲水（润湿性较强），也可能疏水（润湿性较弱）［27］。

对于多组分介质，Cassie等［28］提出了一个表征混合介质表面润湿性和单组分润湿性的模型：

页岩无机矿物组分页岩表面的润湿接触角（简称接触角）见表1。

表1 页岩无机矿物组分的接触角 （°）

基于式（1），在无机矿物（脆性矿物、黏土矿物）润湿性及页岩组分已知的条件下，有机质接触角θOM可以根据式（2）进行反算：

根据表2中的基础参数，运用式（2）即可计算出该页岩有机质的接触角，其润湿性为弱（接触角越大，润湿性越弱）。从润湿性角度，说明水相能够进入该区有机孔，但进入能力弱于无机矿物孔隙。

表2 页岩接触角为60.50°时的有机质接触角计算

1.3 多重孔隙岩石物理模型

基于有机孔、脆性矿物孔、黏土孔的三元分类，多重孔隙的自吸能力评价需要劈分出各类孔隙的孔隙度占比（简称多重孔隙度占比）。王玉满等［24］基于页岩孔隙赋存组分建立了有机孔、脆性矿物孔、黏土孔的岩石物理表征模型，可用于孔隙度的劈分：

通过对岩石密度、全岩矿物组分及组分孔隙度测试，采用式（3），即可求解出脆性矿物、黏土矿物、有机质的孔容及整个井段多重（或三重）孔隙度占比，实现孔隙度劈分（见图2）。

2 页岩多重孔隙水相自吸能力评价

页岩孔隙水相自吸能力（简称自吸能力）主要体现在孔隙的水相自吸体积多少，而孔隙自吸作用力是自吸的动力，主要包括孔隙的毛细管力和渗透压。

2.1 页岩多重孔隙自吸作用力

所有多孔介质在水润湿情况下，均会产生毛细管力。由于页岩中的黏土片是平行的，类似平板，且其表面都带负电荷，黏土片之间就会产生可降低水相中离子流动能力的半透膜作用（双电子层效应），黏土孔受此影响，加上地层高矿化度与压裂液低矿化度差异的作用，因此，其表面会产生渗透压［29］；而非黏土孔（脆性矿物孔、有机孔），由于其表面不带电荷，故无渗透压。

2.1.1 非黏土孔的自吸作用力

根据脆性矿物孔和有机孔的形状特征，可将毛细管简化为椭圆管，其对应的毛细管力模型为

2.1.2 黏土孔的自吸作用力

页岩黏土片之间的孔隙（黏土孔）形态常呈叠书式、纹层状、片架状，黏土片长宽比较大，可用平板条件下的毛细管力模型描述黏土孔所受的毛细管力：

实际应用中，常采用范特霍夫公式计算黏土孔表面的渗透压［30-31］：

综合式（5）、式（6），可得黏土孔的自吸作用力 Δp：

2.2 页岩多重孔隙水相自吸模型

2.2.1 非黏土孔

针对非黏土孔，采用椭圆形态表征毛细管形态，在圆管内Hagen-Poiseuille流动方程的基础上，通过椭圆极坐标转换，即可得到椭圆毛细管流量方程［32］：

可以看出，当椭圆长短轴相等，即a=b，τ=1时，式（9）即退化为经典的LW自吸模型：

2.2.2 黏土孔

针对黏土孔，采用平行平板毛细管进行描述，平行平板毛细管流量方程为

综合式（7）、式（10），参照非黏土孔自吸模型的推导过程，考虑微观孔隙迂曲度，即可得到黏土孔单根椭圆毛细管自吸长度模型：

2.2.3 页岩多重孔隙自吸模型

根据式（3），页岩总孔隙度可以劈分为有机孔、脆性矿物孔、黏土孔的孔隙度，则页岩累计水相总自吸体积为有机孔、脆性矿物孔、黏土孔自吸体积之和。因而可得页岩多重孔隙自吸模型：

2.3 页岩多重孔隙自吸能力对比

基于页岩多重孔隙自吸模型（式（13）），结合页岩的多重孔隙表征模型（式（3）），开展自吸能力对比分析。岩样及流体基础参数分别见表3、表4。

表3 岩样基础参数

表4 测试流体基础参数

基于表 3、表 4 中的基础参数，运用式（4）、式（7），即可计算出黏土孔、脆性矿物孔、有机孔的自吸作用力。从计算结果（见图3）来看，三者的自吸作用力分别为14.41，3.18，0.81 MPa，其中黏土孔自吸作用力中，渗透压为7.93 MPa，毛细管力为6.48 MPa。黏土孔由于尺寸较小、润湿性较强、渗透压差较大，其自吸作用力最大；有机孔由于润湿性较弱，其自吸作用力较弱。

运用式（3）、式（9）、式（12）和式（13），即可计算不同孔隙的自吸长度和自吸体积。图4为页岩不同孔隙的自吸长度和自吸体积对比，可以看出，黏土孔均远远大于脆性矿物孔和有机孔。

3 实例分析

以川南2个不同页岩气区块的单井——W1井、Y1井为例，对压裂后页岩孔隙的自吸能力进行对比评价。

3.1 压裂裂缝的复杂性

压裂裂缝面积可以通过裂缝复杂性评价来判断（见表5）。从可压性来看，相比W1井，Y1井应力差更大、天然裂缝相当、力学脆性指数相当、矿物脆性指数更低，说明Y1井可压性更差，储层更难以压裂；从压后评估来看，Y1井压降速率更低、G函数曲线（一种施工压力拟合分析曲线，其波动次数可反映裂缝复杂程度）的平均波动次数更少，说明裂缝复杂程度更低。综合来看，Y1井压裂后吸水面积更小。

表5 W1井、Y1井储层压裂裂缝复杂性评价

3.2 吸水（自吸）能力分析

3.2.1 孔隙及矿物特征

W1井黏土孔、脆性孔、有机孔占比分别为48.97%，16.05%，34.98%，而Y1井占比分别为46.80%，9.10%，44.10%。从矿物组分来看，W1井脆性矿物质量分数为59.5%，其中硅质矿物质量分数为36.9%，钙质矿物质量分数为18.9%；黏土矿物质量分数为36.2%，其中以吸水性不强的伊利石（相对质量分数为75.2%）为主，伊/蒙混层相对质量分数仅13.0%。Y1井脆性矿物质量分数为46.4%，其中硅质矿物质量分数为38.2%，钙质矿物质量分数为4.6%；黏土矿物质量分数为43.5%，其中以吸水性较强的伊/蒙混层（相对质量分数为61.4%）为主；蒙皂石阳离子交换容量为70～130 mmol/100 g，伊利石仅为10～40 mmol/100 g——伊/蒙混层的阳离子交换容量更高，半透膜效率更高，渗透压也更高，因此，其孔隙自吸力作用更强。

3.2.2 吸水能力对比

W1井返排率为52.9%，而Y1井返排率仅14.7%，返排率差异显著，说明Y1井的地层吸水能力显著强于W1井。结合其他因素来看，Y1井孔隙度略高于W1井，含水饱和度略低于W1井，压力系数略低于W1井，地层水矿化度二者大体相当，这几个因素影响程度相对有限（见表6）。从裂缝面积来看，W1井大于Y1井；从孔隙类型占比来看，黏土孔占比相当。二者的主要差异在于黏土孔分布的黏土矿物不同，所以，其渗透压大小不同——这也是造成Y1井和W1井返排率差异的主要原因。

表6 W1井、Y1井储层主要影响因素对比

4 结论

1）页岩具有多重孔隙特征，按其矿物组分可以划分为有机孔、脆性矿物孔、黏土孔，该3类孔隙在孔隙占比、孔隙形状、孔径尺寸、润湿性方面具有显著差异。

2）有机孔和脆性矿物孔的自吸作用力主要为毛细管力；黏土孔由于存在渗透压作用，自吸作用力包括毛细管力和渗透压2种作用力。

3）页岩的不同类型孔隙自吸作用力不同：黏土孔最强，其次为脆性矿物孔，最弱为有机孔；黏土孔又因黏土矿物的组分相对质量分数不同，其自吸作用力也存在显著差异。

5 符号注释

θapp为页岩表面的润湿接触角（可通过表面润湿性测试获取），（°）；i为除有机质外的组分；fi为组分 i的表面积百分比（可通过全岩矿物测试获取），%；θi为组分i的接触角（可通过纯无机矿物岩石的润湿性测试获取），（°）；fOM为有机质表面积百分比（可通过有机质体积分数测试获取），%；ϕ为页岩总孔隙度（可由氦气法等实验测试获得），%；ϕb，ϕc，ϕo分别为脆性矿物、黏土矿物、有机质的孔隙度，%；ρ为岩石密度（可通过岩石物理学实验测试获得），g/cm3；wb，wc，wo分别为脆性矿物、黏土矿物、有机质的质量分数（可通过全岩分析获得），%；Vb，Vc，Vo分别为脆性矿物、黏土矿物、有机质的孔隙容积（孔容），cm3/g；pc为毛细管力，Pa；σ 为表面张力，N；θ为水相润湿接触角，（°）；a，b 分别为椭圆管长轴和短轴的长度，m；b′为黏土孔缝宽（短轴长度），m；pos为渗透压，Pa；ε为溶质电离后的离子数量（如溶质为NaCl时，其值为2）；Eos为半透膜效率（表征实际压差与理想渗透压的比值，可采用Fritz模型进行计算，其值在 0～1）；R 为气体常数，L·Pa/（mol·K）（其值为 8 314.5 L·Pa/（mol·K））；T 为地层温度，K；Csh，Cf分别为页岩和压裂液水相的浓度，mol/L；q为毛细管流量，m3/s；μ为水相黏度，mPa·s；L为非黏土孔单根椭圆毛细管自吸长度，cm；τ为孔隙迂曲度；d为毛细管（或圆管）直径，m；B为平板的侧面长度，m；Vim为页岩孔隙总自吸体积，m3；Vimo，Vimb，Vimc分别为有机孔、脆性矿物孔、黏土孔的自吸体积，m3；Af为水相与页岩的接触面积 （压裂缝面积），m2。