頁巖儲層壓裂液滲吸及返排機理研究進展

屈亞光 鞏旭 石康立 劉一凡 馬國慶 王嘯

摘? ? ? 要：中國頁巖氣可采資源量排名世界前列，但由于頁巖氣存在于致密的儲層中，很難使用常規技術將其開采，需要經過大規模的壓裂才可以得到較為可觀的產量。一般而言，頁巖氣的產量應與壓裂液的返排量呈正相關。然而，實際生產過程中普遍出現“萬方液，千方砂”，甚至返排率越低產量越高的現象，這與理論分析結果相差較大。通過調研前人文獻，發現其主要是利用不同TOC含量的巖樣在常溫常壓下進行壓裂液的滲吸與返排實驗，并通過分析實驗數據得出了儲層巖石的含水飽和度、毛管壓力、流體物性、潤濕性等因素均會對壓裂液的滲吸與返排產生不同程度的影響。若能揭示壓裂液在不同頁巖儲集層中的滲吸和返排機理，將會對優化頁巖水平井設計和提高頁巖氣產量有很好的指導意義。

關? 鍵? 詞：頁巖氣;壓裂;滲吸;返排

中圖分類號：TE349? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）11-2532-04

Research Progress of Imbibition and Backflow Mechanism of

Fracturing Fluids in Shale Reservoirs

QU Ya-guang， GONG Xu， SHI Kang-li， LIU Yi-fan， MA Guo-qing， WANG Xiao

（College of Petroleum Engineering， Yangtze University， Wuhan 430100， China）

Abstract： China ranks top in the world in terms of recoverable shale gas resources. However， shale gas exists in tight reservoirs， making it difficult to extract using conventional techniques and requiring extensive fracturing to produce significant production. The yield of shale gas should be positively correlated with the backflow rate of fracturing fluid. In the actual production process， there is a general phenomenon of “ten thousand of liquid， thousands of sands "， and even the lower the flowback rate， the higher the output， which is quite different from the theoretical analysis results. On the basis of researching the literatures， it was found that permeability and flowback experiments of fracturing fluids were always carried out by using rock samples with different TOC contents， and the experimental data analysis has proved thatwater saturation， capillary pressure， fluid property， wettability and other factors all can affect the imbibition and backflow mechanism of fracturing fluidsto some extent. If the mechanism of percolation and flowback of fracturing fluids in different shale reservoirs can be revealed， it will be of great significance to optimize the design of horizontal shale wells and increase shale gas production.

Key words： Shale gas; Fracturing; Imbibition; Backflow

頁巖氣儲層與常規油氣層相比具有低孔、低滲、難開采的特點。目前最有效的開采方法為水平井多級壓裂[1]，即依靠大量壓裂液將儲層巖石壓裂，產生錯綜復雜的裂縫網絡，以提高頁巖氣的產量，達到商業化開采的目的。我國頁巖氣總儲量規模在世界上居于前列，但由于地質條件、開采技術等多方面的因素目前并未實現大規模的開發利用，如何實現對頁巖氣儲層進行高效開發，以滿足我國對能源的需求和促進清潔能源的廣泛應用，仍是我們目前需要面對的問題。

1? 壓裂液滲吸與返排研究現狀

國內外的頁巖儲層在壓裂施工過程中均出現了大量壓裂液注入地層后返排率普遍低于30%的現 象[2]，有些甚至小于5%[3]。例如涪陵頁巖氣區，我國第一個具備商業性開發的大型頁巖氣田[4]，探明儲量極大，但壓裂液返排率只有4.7%[5]。壓裂液進入儲層后，對巖石進行壓裂，形成人工裂縫使得壓裂液滲入裂縫中。在壓裂施工完成之后，氣井進入排液階段，頁巖氣便沿裂縫向外逸出，并推動壓裂液返排，理論上頁巖氣的產量和壓裂液的返排率應呈現正相關的關系[6]。但實際生產過程中的數據表明，壓裂液的返排率雖低，但頁巖氣的產量并未受到較大影響，甚至出現了返排率越低，產量越高的現象[7-8]，與之前的認識不符。

實際生產數據表明壓裂液由裂縫向儲層基質中的滲吸機理尚不清晰，并且由于不同巖樣的TOC含量、含水飽和度、毛管半徑、潤濕性等因素均與壓裂液的滲吸和返排有關，但其影響機理并不明確，巖樣與真實地層也存在著較大的差異。目前國內外并未形成壓裂液滲吸與返排機理的統一認識，因此研究壓裂液的滲吸及返排機理，并分析其對頁巖氣的產出有何影響對指導實際生產具有重要意義。

2? 頁巖儲層滲吸特性

2.1? 不同含水飽和度對頁巖滲流能力產生的影響 頁巖儲層不同于其他常規儲層，其初始含水飽和度極低，壓裂液攜水進入裂縫中后，改變了巖石的孔隙中的含水飽和度分布，從而影響到頁巖氣在裂縫中的流動。吳康等在實驗室中采用將相同的巖心飽和不同含量的水，模擬壓裂后不同含水飽和度的巖石儲層，然后以甲烷氣體作為實驗介質，測定其流態曲線，根據測定的流量數據及巖樣相關數據計算出巖樣的滲透率，繪制出不同含水飽和度的巖石在不同壓力下的滲透率[9]。見圖1。

從圖中曲線變化趨勢可以看出，無論處于高壓還是低壓狀態下，巖樣的視滲透率均隨著壓力的增加而降低，并且當巖樣的含水飽和度低于30%時，其變化對氣體流動能力的影響較小;但當含水飽和度高于30%時，其變化則會對氣體的流動能力產生較大的影響。

一般認為，油氣藏是油氣驅替出儲層孔隙中原有的水而形成的，在其形成過程中，由于有些水存在于極其細小毛管半徑的孔隙中，由于孔隙中毛管力極大儲層中原有的水無法被油氣驅替從而成為束縛水。當巖樣的含水飽和度低于30%時，其中的水大部分被微毛細管吸入成為束縛水，并未處于氣體的滲流通道之上，因此對于氣體的滲流造成的影響較小;但當含水飽和度高于30%時，由于微毛細管孔隙體積小于水的體積，而不能使水全部被吸入，未被微毛細管孔隙吸收的水以自由水的形態存在于氣體滲流通道中，造成通道堵塞，對氣體的滲流產生較大的影響。

2.2? 液體在頁巖薄片中的滲吸特性

對頁巖氣儲層采用水平井多級壓裂，從而制造出人工裂縫以改變頁巖儲層滲透率低的問題，進而達到提高頁巖氣產量的目的。然而在壓裂施工的過程中，壓裂使用的大量壓裂液會進入到地層形成的裂縫中，在氣井投產后壓裂液會部分滯留在裂縫中，不能夠完全排出。從較多的頁巖氣井生產數據可以看出，壓裂液返排量較低的現象仍然較普遍[10]。針對這些問題，有些學者設計了頁巖薄片吸水實驗，將頁巖巖心薄片浸沒在盛水的燒杯中，并在不同時刻記錄巖心薄片的質量，然后與干巖心質量求差得到某一段時間內巖心薄片的吸水量，得到巖心薄片吸水量隨時間變化的關系曲線[11]。見圖2。

從圖中看出，吸水量和吸水曲線的實驗數據明顯可以分成3段，曲線的斜率變化反映了頁巖薄片的滲吸規律?？梢缘贸?，滲吸初期由于頁巖薄片具有一定的親水性，水分子大量且迅速地附著在頁巖薄片的表面，使頁巖薄片質量迅速增加;滲吸中期，水開始進入裂縫，在毛管力的阻礙作用下，滲吸速率急劇下降;滲吸后期，水沿著微裂縫滲吸，由于孔隙的半徑更加細微，毛管力更大，水更難進入，因此滲吸速率進一步降低。

2.3? 巖樣在不同液體介質中的滲吸量

由于頁巖儲層中的黏土礦物成分含量較多，而且部分黏土礦物具有水敏性，遇水或者水基鉆井液時會發生水化現象。為探究巖樣在不同液體介質中的吸液能力的大小，分別將飽和鹽水和未飽和鹽水的巖樣與蒸餾水、壓裂液A、壓裂液B接觸，記錄不同時刻下的巖樣質量增加量即吸液量。分析實驗數據，得到在不同液體介質中頁巖的滲吸特性[12]。

圖3中曲線表明無論巖樣處于哪種液體介質中，就單位面積吸液量來說，總是未飽和鹽水中的大于飽和鹽水中的。出現這種現象的原因主要是由于頁巖儲層含有豐富的納米級毛細管孔隙[13]，而且在其形成過程中往往會有高礦化度的孔隙水存留在里 面[14]，處于這種環境下的頁巖儲層與在實驗過程中處于飽和鹽水的巖樣較為相似，因此在頁巖油氣藏形成的過程中，若成藏條件相似度較高，那么儲層的滲透水化吸水量也應該近似相等，影響其吸水量的因素只有表面水化作用。由于吸收的水大部分參與了水化反應，導致了頁巖氣井壓裂液返排率低。

3? 頁巖儲層特殊性質對返排率和產能的影響

3.1? 儲層滲透率盲區的影響

SHANLEY[15]等曾提出了滲透率盲區的概念，指出在上覆巖層的高應力作用下，處于致密孔隙中的流體的流動狀態將會受到很大的影響，具體表現為在兩相共滲區油、水的滲透率都極小，甚至出現為0的現象（圖4）。

處于強相滲盲區的頁巖儲層，由于有外加壓力的作用會使部分壓裂液侵入靠近裂縫面的儲層表面，但儲層內部幾乎不會吸入壓裂液，原因是此時兩相共滲區水相的滲透率幾乎為0。對比實際情況和圖中所得結論得到：強相滲盲區的產氣量極少，弱相滲盲區儲層的產氣、產水量與礦產實際接近[16]，無相滲盲區幾乎不產水，通過三者與實際生產過程中的數據進行對比，可以確定弱相滲盲區的相對滲透率曲線更適合頁巖儲層[17]。

3.2? 儲層水濕性強弱的影響

目前關于儲層巖石水濕性強弱是如何影響壓裂液返排的問題，國內外的觀點并未達成一致。巖石潤濕性和TOC及黏土含量有關[18]。較為普遍的觀點是如果儲層具有較強的水濕性，那么在水相吮吸進入小孔隙之后形成的毛管水會因為超高毛管力的作用而無法流動，進而堵塞氣體滲流通道，造成嚴重的水鎖傷害[19]。但是，從表1中的數據中可以看出，水濕性越強的儲層，累積產氣率越高。分析認為，在強水濕儲層中，近裂縫壁面的壓裂液在強毛管力的作用下被迅速吸入遠儲層[20]，近裂縫面含水飽和度下降，水鎖傷害降低;同時壓裂液侵入遠儲層驅替其中的氣體進入裂縫中，使裂縫中的含氣飽和度增加，二者共同作用導致產氣量更高，返排率更低。對弱水濕儲層來說，壓裂液雖然可以進入儲層，但是巖石的水濕性較弱，水侵入巖石的能力減弱，置換出的氣體少，壓裂液的返排量增加。

3.3? 儲層基質毛管力的影響

儲層基質毛細管力決定著儲層吸入壓裂液的多少。在開井初期，產氣量的多少和毛管力的大小呈現正相關的關系，而和累計產氣量呈現負相關的關系。產生此現象的原因是由于高毛管力的滲吸置換作用強，在開井初期，由于高毛管力的作用，大量壓裂液被置換成氣體，在初期氣產量增大的同時基質的含水飽和度迅速上升，后期吸入的壓裂液會因無法進入基質而滯留在氣體通道上，造成堵塞，不利于氣體的進一步流動，導致后期產量降低。而低毛管力儲層與其恰恰相反，因此會出現開井初期產氣量低，累計產氣量高的現象。見表2。

4? 存在的問題

1）目前國內外關于滲吸與返排的實驗研究大都是在常溫常壓下進行的，與頁巖氣在地下所處的高溫高壓狀態有較大的差異，應嘗試使用耐高溫高壓的實驗器材進行實驗。

2）壓裂液在滲吸過程中由人工裂縫向基質孔隙的滲吸機理尚不十分清楚。

3）由于頁巖儲層在巖石性質等方面與常規儲層存在著較大的差異，實驗所用材料也應盡量與實際情況下的巖樣相符合，否則可能會造成較大的誤差。

5? 結論與認識

水濕性較強的儲層裂縫中含氣飽和度較高，產氣量高，而頁巖巖心的含水飽和度以30%為界限，多出的水將會占據氣體通道，影響氣體滲流。頁巖薄片對水的滲吸過程可大致分為吸附階段、裂縫滲吸階段、微裂縫滲吸階段。由于巖石表面飽和高礦化度水，因而表面水化作用較強，吸附階段的吸水量最大。同強相滲盲區和無相滲盲區相比，弱相滲盲區更適用于頁巖儲層。高毛管力儲層產氣初期由于滲吸置換作用強，產氣量高，但后期壓裂液阻塞氣體通道使得總產氣量小于低毛管力儲層。

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