余致理，郭高峰，余 恒，李 慶，張艷玲

(中國(guó)石油西南油氣田分公司 重慶氣礦，重慶 400021)

引 言

水力壓裂技術(shù)大幅提高了頁(yè)巖氣藏的開(kāi)發(fā)效率，但頁(yè)巖氣井壓裂后低返排率的現(xiàn)象導(dǎo)致大量壓裂液滯留儲(chǔ)層[1-2]；加之頁(yè)巖儲(chǔ)層孔喉細(xì)小且黏土礦物含量高，壓裂液容易自吸進(jìn)入頁(yè)巖，并與頁(yè)巖發(fā)生水化反應(yīng)。水化后的黏土礦物顆粒出現(xiàn)體積膨脹，并產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，在膨脹應(yīng)力的作用下會(huì)造成裂縫擴(kuò)展，并改變頁(yè)巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)[3-5]。嚴(yán)重時(shí)頁(yè)巖水化還會(huì)導(dǎo)致孔隙度增加、內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松、微裂縫擴(kuò)展，降低巖石顆粒骨架的膠結(jié)強(qiáng)度，引起井筒收縮、坍塌、破裂等事故[6-7]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)泥頁(yè)巖水化前后的巖石物性、黏土礦物和孔隙結(jié)構(gòu)的變化特征開(kāi)展了大量研究。冒海軍等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黏土礦物是引發(fā)頁(yè)巖水化的主要物質(zhì)，定向排列的黏土礦物水化程度要比無(wú)序排列的黏土礦物更為顯著。隋微波等[9]采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡定點(diǎn)對(duì)比了水化前和水化不同時(shí)間后頁(yè)巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)水化后頁(yè)巖中出現(xiàn)了新的溶蝕孔和礦物脫落的現(xiàn)象。馬天壽等[10]采用CT掃描技術(shù)觀察了頁(yè)巖水化過(guò)程中微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化和裂縫擴(kuò)展特征，并分析了潤(rùn)濕性對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響。楊斌[11]采用核磁共振方法探討了利用T2譜估算微裂縫寬度的可行性。

核磁共振(NMR)技術(shù)能夠在無(wú)損樣品的前提下直觀反映頁(yè)巖樣品中孔隙和流體的分布特征，并能用于監(jiān)測(cè)頁(yè)巖在順流和逆流驅(qū)氣中的自吸過(guò)程[12-14]。然而，利用核磁共振評(píng)價(jià)壓裂過(guò)程中頁(yè)巖水化引起傷害的研究并不多。因此，筆者選取渝西地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖樣品，通過(guò)掃描電鏡、低場(chǎng)核磁共振和單黏土礦物水化實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同浸泡時(shí)間下頁(yè)巖顆粒形態(tài)和T2譜分布特征進(jìn)行研究，并在建立水化傷害程度指標(biāo)的基礎(chǔ)上，定量評(píng)價(jià)了水化過(guò)程中微觀孔隙的傷害程度，為優(yōu)化頁(yè)巖氣井壓裂施工方案提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

頁(yè)巖樣品取自四川盆地渝西地區(qū)龍馬溪組。從所取巖心柱上鉆取若干根直徑為25 mm，長(zhǎng)度為70 mm左右的小巖心柱塞，分別開(kāi)展X射線衍射實(shí)驗(yàn)、低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)和掃描電鏡實(shí)驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果表明，目標(biāo)儲(chǔ)層頁(yè)巖有機(jī)碳質(zhì)量百分?jǐn)?shù)介于1.4%～3.6%，礦物類型主要為石英(均值39.4%)、長(zhǎng)石(均值16.8%)和黏土(均值36.4%)，其中黏土礦物以伊利石為主，其次為伊/蒙混層。從所有巖心中分別選取2塊黏土礦物含量相差較大的頁(yè)巖樣品作為實(shí)驗(yàn)巖心(表1)。

表1 實(shí)驗(yàn)頁(yè)巖基本參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器包括布魯克D8 Discover X射線衍射儀(工作電流和壓力分別為40 mA和40 kV)、環(huán)境掃描電子顯微鏡Quanta 200FEG型、低場(chǎng)核磁共振掃描儀MacroMR12-150H-I(江蘇紐邁)，共振頻率2.38 MHz，回波間隔0.6 ms，等待時(shí)間為6 s，回波數(shù)為2 048，掃描數(shù)為128。智能高溫高壓頁(yè)巖膨脹儀PCY型(最高壓力10 MPa，位移分辨率1 μm，精度0.1%)。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)

(1)從小頁(yè)巖柱上切割一塊長(zhǎng)度為10 mm的頁(yè)巖切片，對(duì)其切片表面進(jìn)行氬離子拋光和噴鍍碳膜處理；

(2)將處理后的頁(yè)巖切片放置于裝有壓裂液的燒杯中，在恒溫箱67 ℃(地層條件)浸泡0.5 h、2 h、20 h、72 h、120 h和168 h后取出切片，將頁(yè)巖切片擦拭干凈后再放入掃描電鏡樣品倉(cāng)中觀測(cè)水化前后頁(yè)巖微觀孔隙形態(tài)的變化特征。

1.3.2 單黏土礦物水化實(shí)驗(yàn)

頁(yè)巖富含多種黏土礦物，其中綠泥石具有親油性且晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，水化傷害小。高嶺石吸水性差且不具有膨脹性。而伊利石和蒙脫石是所有黏土礦物中遇水后具有明顯膨脹能力的礦物，且本實(shí)驗(yàn)中所用頁(yè)巖伊利石和伊蒙混層含量很高。因此，針對(duì)伊利石和蒙脫石分別開(kāi)展單黏土礦物水化實(shí)驗(yàn)。

(1)分別篩選出粒徑為200目的伊利石粉末和蒙脫石粉末各6 g，放入頁(yè)巖膨脹儀的試樣筒中加壓1.4 MPa壓實(shí)粉末，并測(cè)量壓實(shí)后的樣品高度；

(2)在67 ℃恒溫條件下分別向試樣筒中加入蒸餾水、氯化鈣溶液(濃度5 g/L)、和氯化鉀溶液(濃度5 g/L)，記錄不同浸泡時(shí)間下樣品的膨脹高度。并對(duì)膨脹后的樣品施加一定壓力使樣品恢復(fù)初始高度，通過(guò)測(cè)量樣品膨脹應(yīng)力的變化來(lái)反映樣品的水化程度。

1.3.3 低場(chǎng)核磁共振實(shí)驗(yàn)

根據(jù)核磁共振原理[15-16]可知，當(dāng)頁(yè)巖飽和含氫流體時(shí)，核磁共振測(cè)量的是流體的弛豫信號(hào)，而不是頁(yè)巖基質(zhì)的弛豫信號(hào)。當(dāng)流體處于大孔隙時(shí)，核磁共振T2弛豫時(shí)間大于小孔隙中流體的弛豫時(shí)間，即大孔隙中流體的弛豫時(shí)間長(zhǎng)，小孔隙中流體的弛豫時(shí)間短。此外，弛豫信號(hào)的振幅反映了孔隙中流體的賦存量，當(dāng)流體賦存量越大時(shí)，弛豫信號(hào)的振幅越大。因此，基于核磁共振T2譜可以定量評(píng)價(jià)頁(yè)巖孔隙半徑分布特征及孔隙內(nèi)流體的賦存量。因此，可以使用核磁共振T2譜定量評(píng)價(jià)頁(yè)巖在自發(fā)滲吸過(guò)程中微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化特征。

(1)將切割后剩余小頁(yè)巖柱清洗烘干后，用分子真空泵抽真空12 h，然后浸沒(méi)在恒溫67 ℃裝有壓裂液的燒杯中；

(2)在浸泡不同時(shí)間(0.5 h、2 h、20 h、72 h、120 h和168 h)后，將頁(yè)巖樣品取出、擦干放置于核磁共振巖心分析單元內(nèi)，對(duì)不同飽和水狀態(tài)下的頁(yè)巖進(jìn)行核磁共振T2譜采樣，并分析頁(yè)巖T2譜分布的變化特征。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 黏土礦物顆粒形態(tài)

通過(guò)對(duì)不同水化時(shí)間下的1#頁(yè)巖切片進(jìn)行掃描電鏡定點(diǎn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在浸泡之前(圖1(a))，頁(yè)巖樣品平行層理發(fā)育，有機(jī)碳含量較低，礦物顆粒邊界明顯，并發(fā)育有一定數(shù)量的礦物粒間孔。當(dāng)頁(yè)巖樣品浸泡20 h后(圖1(b))，礦物顆粒邊緣的區(qū)域(紅色圓框)出現(xiàn)了新的溶蝕孔和礦物顆粒脫落的現(xiàn)象，但產(chǎn)生的新孔數(shù)量不多，孔隙半徑也較小。當(dāng)浸泡120 h后(圖1(c))再次觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在浸泡20 h時(shí)產(chǎn)生的微小溶蝕孔開(kāi)始進(jìn)一步溶蝕，并造成顆粒松動(dòng)和脫落，導(dǎo)致孔隙半徑進(jìn)一步增大，最大新孔半徑能夠達(dá)到5.3 μm(黃色方框)，而脫落的顆粒又會(huì)造成孔隙的堵塞。這是由于黏土礦物中的某種礦物在水化作用下形成水化膜，使黏土體積膨脹，并發(fā)生脫落，降低了巖樣膠結(jié)強(qiáng)度，導(dǎo)致顆粒發(fā)生溶蝕或分散運(yùn)移。

圖1 不同浸泡時(shí)間下1#頁(yè)巖切片SEM照片(放大400倍)

2.2 單黏土礦物水化特征

2.2.1 體積膨脹特征

圖2為伊利石與蒙脫石粉末在蒸餾水中膨脹高度對(duì)比。從圖中可知，當(dāng)伊利石與蒸餾水接觸的瞬間，伊利石的體積即會(huì)發(fā)生快速膨脹，浸泡3 h后膨脹高度達(dá)到最大，為3.4 mm。而蒙脫石與蒸餾水接觸后膨脹高度增加相對(duì)緩慢，但反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到23 h時(shí)，蒙脫石體積仍在緩慢增加，膨脹高度為7.2 mm，是伊利石膨脹高度的一倍以上。這主要是因?yàn)槊擅撌c伊利石具有不同的晶片形狀，當(dāng)晶片堆積形成晶層后，其晶層表面帶有的負(fù)電荷容量也不同，在不同容量負(fù)電荷作用下，吸附的陽(yáng)離子量也不同。通常，伊利石的陽(yáng)離子吸附量為20～40 mmol/100g，而蒙脫石的陽(yáng)離子吸附量能夠達(dá)到80～130 mmol/100g，也就是說(shuō)當(dāng)黏土礦物的陽(yáng)離子吸附量越大時(shí)，其晶層能夠吸附的水合陽(yáng)離子容量也就越多，體積膨脹得也越大。

圖2 伊利石與蒙脫石在蒸餾水中膨脹高度對(duì)比

圖3為伊利石與蒙脫石在蒸餾水、氯化鈣溶液和氯化鉀溶液中線性膨脹率的對(duì)比。從圖中可以看出，伊利石與蒙脫石在蒸餾水中的線性膨脹率遠(yuǎn)大于在氯化鈣和氯化鉀溶液中的線性膨脹率，說(shuō)明無(wú)機(jī)鹽對(duì)伊利石與蒙脫石的水化膨脹效果具有一定的抑制作用，其中從線性膨脹率降低幅度可以看出，無(wú)機(jī)鹽對(duì)伊利石的抑制效果大于蒙脫石。這主要是因?yàn)樵跓o(wú)機(jī)鹽溶液中含有大量的金屬陽(yáng)離子，這些陽(yáng)離子能夠與黏土礦物表面的負(fù)電荷進(jìn)行離子交換吸附，導(dǎo)致原來(lái)在顆粒表面形成的雙電層結(jié)構(gòu)被壓縮，從而抑制伊利石和蒙脫石的膨脹。

圖3 伊利石與蒙脫石在不同溶液中線性膨脹率對(duì)比

2.2.2 膨脹應(yīng)力特征

圖4為伊利石與蒙脫石在不同溶液中膨脹應(yīng)力對(duì)比。從圖中可以看出，伊利石在3種不同溶液中的膨脹應(yīng)力變化規(guī)律基本相似，即在浸泡初期的0.2 h內(nèi)，膨脹應(yīng)力急速增加，而后趨于穩(wěn)定，其中伊利石與蒸餾水作用產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力最大，為4.74 kN。蒙脫石在3種溶液中膨脹應(yīng)力的增速則相對(duì)緩慢，但反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到1 h時(shí)，蒙脫石產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力才基本趨于穩(wěn)定，其中與蒸餾水作用產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力最大，為4.86 kN，略高于伊利石。由此可以看出，膨脹應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間遠(yuǎn)小于體積膨脹達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間，即當(dāng)膨脹應(yīng)力不再增大時(shí)，黏土礦物的體積卻還在膨脹，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致孔隙及微裂縫由擴(kuò)展延伸逐漸轉(zhuǎn)向閉合。此外，無(wú)機(jī)鹽離子不但會(huì)抑制黏土礦物體積膨脹，還能夠抑制膨脹應(yīng)力的增加，鉀離子的抑制效果好于鈣離子。

圖4 伊利石與蒙脫石在不同溶液中膨脹應(yīng)力對(duì)比

2.3 頁(yè)巖核磁共振T2譜分布

圖5為不同浸泡時(shí)間下頁(yè)巖T2譜分布的變化。從圖中可以看出，在浸泡初期(0.5 h)，兩塊頁(yè)巖的T2譜分布(黑線)基本相似，呈現(xiàn)出典型的左峰高于右峰的不連續(xù)型雙峰形態(tài)，此時(shí)的頁(yè)巖由于浸泡時(shí)間短，可以近似地認(rèn)為T(mén)2譜分布主要反映的是頁(yè)巖中孔隙結(jié)構(gòu)的分布特征，受水化作用影響較小。根據(jù)大部分學(xué)者對(duì)頁(yè)巖孔隙和微裂縫的識(shí)別方法[13-15,17]，可以將左峰定義為孔隙(0.01 ms

由圖5可知，隨著浸泡時(shí)間的增加，1#頁(yè)巖的左峰面積不斷增大，并會(huì)在原左波峰的右側(cè)形成一個(gè)連續(xù)的新波峰，說(shuō)明水進(jìn)入孔隙后會(huì)與黏土礦物發(fā)生水化作用，導(dǎo)致黏土礦物水化膨脹，孔隙擴(kuò)展增大孔隙半徑，這也與掃描電鏡觀測(cè)到的結(jié)果一致。而原右峰在不斷向右移動(dòng)的同時(shí)面積也會(huì)不斷增加，但當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到72 h后，右峰向右移動(dòng)速度變緩，甚至出現(xiàn)了向左收縮的趨勢(shì)，面積也在逐漸減小。這說(shuō)明在浸泡初期水不但進(jìn)入了微裂縫，還會(huì)在水化作用下使微裂縫不斷延伸(對(duì)應(yīng)弛豫時(shí)間不斷增加)。而當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到72 h后，右峰面積收縮并減小可能是因?yàn)槲⒘芽p發(fā)生了閉合，導(dǎo)致含水飽和度下降。2#頁(yè)巖的T2譜分布隨浸泡時(shí)間的變化與1#頁(yè)巖存在一定的差異。這是因?yàn)?#頁(yè)巖黏土礦物含量較低，導(dǎo)致相應(yīng)的水化程度相對(duì)較弱，左波峰持續(xù)增大，但波峰對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)間卻未增加，說(shuō)明孔隙半徑并未增大，只是孔隙中的含水飽和度在不斷增加。而右峰面積對(duì)應(yīng)的變化規(guī)律與1#頁(yè)巖右峰面積變化規(guī)律相似。肖文聯(lián)等[18]認(rèn)為，裂縫的T2弛豫時(shí)間與裂縫寬度有關(guān)，而裂縫代表波峰峰值的位置和大小的變化則與樣品中裂縫寬度和密度變化有關(guān)。

圖5 不同浸泡時(shí)間下頁(yè)巖T2譜分布

2.4 頁(yè)巖水化傷害程度評(píng)價(jià)

2.4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)核磁共振原理可知，核磁共振橫向弛豫時(shí)間T2與孔隙半徑成正比，因而T2譜分布不但能夠直觀反映不同孔徑孔隙的分布特征，還能描述微裂縫的密集程度。為了定量分析水化作用下頁(yè)巖的傷害程度，基于核磁共振T2譜分布，建立“水化傷害程度”這一指標(biāo)來(lái)定量評(píng)價(jià)頁(yè)巖微觀孔隙的傷害程度[2]。

假設(shè)一維空間中某一單元體(r，r+Δr)內(nèi)微裂縫密度變量可以表示為

(1)

式中，η(r,t)為微裂縫密度分布，η為單位體積(r，r+dr)內(nèi)微裂縫的數(shù)量。

頁(yè)巖水化過(guò)程中產(chǎn)生的傷害D可以用微裂縫密度的變化來(lái)表示，即

(2)

由核磁共振原理可知，

(3)

式中，T2為橫向弛豫時(shí)間，ms；T2S為頁(yè)巖的表面橫向弛豫時(shí)間，ms；ρ為頁(yè)巖表面弛豫強(qiáng)度，無(wú)因次；S為巖石孔隙表面積，cm3；V為巖石孔隙體積，cm3；Fs為孔隙形狀因子，與孔隙半徑有關(guān)，無(wú)量綱；

將式(3)帶入式(2)可以得到

(4)

當(dāng)頁(yè)巖發(fā)生水化后，T2譜分布面積隨水化傷害程度的增加而增大，在Δt時(shí)間內(nèi)微裂縫擴(kuò)展增加的面積S可以表示為

(5)

結(jié)合式(4)和式(5)，可以獲得基于T2譜分布的水化傷害程度DT的表達(dá)式

(6)

式中，S1為頁(yè)巖發(fā)生水化傷害之前T2譜分布的面積(可近似等于頁(yè)巖飽和水初期測(cè)得的T2譜面積)；S2為頁(yè)巖水化傷害后T2譜分布的面積。

在初始狀態(tài)下，可以認(rèn)為S1≈S2，此時(shí)水化傷害程度DT≈0。當(dāng)頁(yè)巖在水中浸泡時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，認(rèn)為S2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于S1，此時(shí)S1/S2≈0，水化傷害程度DT≈1。

2.4.2 水化傷害程度分析

表2為2塊頁(yè)巖水化傷害程度實(shí)驗(yàn)對(duì)比，從表中可以看出，隨著浸泡時(shí)間的增加，1#和2#頁(yè)巖的水化傷害程度均不斷增大，而1#頁(yè)巖由于黏土礦物含量大于2#頁(yè)巖，導(dǎo)致其水化傷害程度也大于2#頁(yè)巖。在1#頁(yè)巖中，當(dāng)浸泡時(shí)間小于72 h時(shí)，水化傷害程度快速增加，代表微裂縫的右峰面積占比也不斷增加，說(shuō)明微裂縫在水化作用下不斷擴(kuò)展。當(dāng)浸泡時(shí)間大于72 h后，水化傷害程度的增幅明顯降低，同時(shí)右峰面積占比也急速下降。2#頁(yè)巖雖然黏土礦物含量低，也表現(xiàn)出相似的規(guī)律，即當(dāng)浸泡時(shí)間大于20 h時(shí)，代表微裂縫的右峰面積占比也急速下降。這是因?yàn)閿U(kuò)展延伸的微裂縫開(kāi)始趨于閉合所造成的右峰面積下降，并導(dǎo)致基質(zhì)中蒙脫石和伊利石的吸水面減小所致。

表2 水化過(guò)程中頁(yè)巖T2譜面積及水化傷害程度隨浸泡時(shí)間的變化

圖7為1#頁(yè)巖在不同浸泡時(shí)間下核磁共振成像圖。從圖中可以看出，隨著浸泡時(shí)間的增加，頁(yè)巖基質(zhì)中含水飽和度逐漸增加，表明水化傷害不斷擴(kuò)展，這也與傷害程度DT的變化規(guī)律一致。值得注意的是，圖中紅色虛線圓框的區(qū)域在浸泡時(shí)間20 h、72 h和168 h的成像中呈現(xiàn)出含水飽和度先增加后降低的現(xiàn)象，這是由于此區(qū)域內(nèi)的孔隙及微裂縫由擴(kuò)展延伸逐漸向閉合轉(zhuǎn)變所致。而圖中黑色虛線方框區(qū)域的含水飽和度從浸泡時(shí)間20 h至72 h過(guò)程中快速增大，而浸泡時(shí)間從72 h至168 h過(guò)程中變化幅度較小，這一現(xiàn)象也與水化傷害程度DT的變化規(guī)律相符。結(jié)合成像信息也可以進(jìn)一步說(shuō)明基于核磁共振T2譜計(jì)算出的水化傷害程度DT能夠準(zhǔn)確定量評(píng)價(jià)水化作用對(duì)頁(yè)巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

圖7 不同浸泡時(shí)間下1#頁(yè)巖核磁共振成像

3 結(jié) 論

(1)頁(yè)巖中的蒙脫石和伊利石在水化作用后，易于在晶體表面形成水化膜，降低巖石骨架顆粒間的引力與膠結(jié)強(qiáng)度，造成顆粒松動(dòng)、脫落和運(yùn)移，在產(chǎn)生新的溶蝕孔和增大孔隙半徑的同時(shí)也會(huì)堵塞孔隙產(chǎn)生傷害。

(2)蒙脫石水化后的膨脹體積、膨脹應(yīng)力和線性膨脹率均大于伊利石，而膨脹應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間小于體積膨脹，會(huì)導(dǎo)致孔隙及微裂縫由擴(kuò)展延伸轉(zhuǎn)向閉合。無(wú)機(jī)鹽離子能夠有效抑制黏土礦物水化膨脹，且鉀離子的抑制效果好于鈣離子。

(3)基于T2譜分布所確定的水化傷害程度隨浸泡時(shí)間的增加，呈現(xiàn)先快速增加后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，而代表微裂縫的右峰面積占比也呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，說(shuō)明水化作用下的微裂縫會(huì)出現(xiàn)先擴(kuò)展延伸后趨于閉合的變化。