游利軍，王陽，康毅力，唐際銳，劉江，楊東升

（西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都 610500）

中國目前已經(jīng)邁入非常規(guī)油氣時代，三大非常規(guī)天然氣中就探明儲量和技術(shù)實力而言，致密砂巖氣藏是最具現(xiàn)實勘探開發(fā)意義的非常規(guī)天然氣資源[1]。致密砂巖儲層具有低孔低滲、豐富黏土礦物、強非均質(zhì)、局部超低含水飽和度等特點，氣井完井后無自然產(chǎn)能或產(chǎn)能低于工業(yè)氣流下限。大型水力壓裂后壓裂液返排困難，返排率往往低于50%[2]。壓裂液滯留儲層裂縫產(chǎn)生水相圈閉損害，阻礙氣相流向井筒[3]。

儲層高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)FHT在1950s提出，旨在利用高溫蒸發(fā)儲層中的水相以解除水相圈閉損害，同時高溫還可以解除儲層黏土礦物膨脹損害并提高儲層滲透率，提高最終采收率[4?5]。ALBAUGH 等[6]在美國加利福尼亞州的一個廢棄油井中進(jìn)行了高溫?zé)崽幚淼V場試驗，通過放置在井底的一個電加熱裝置加熱近井帶儲層，使其溫度達(dá)到375 ℃，并穩(wěn)定6 d后進(jìn)行測試，結(jié)果表明儲層高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)有效地減輕了近井帶水相圈閉損害，并顯著地增加了近井帶的儲層滲透率。游利軍等[7]通過開展針對泥頁巖、致密砂巖、致密碳酸鹽巖室內(nèi)實驗，揭示了致密巖石孔隙度、滲透率等物性參數(shù)對不同高溫的響應(yīng)以及變化情況。陳明君等[8]明確了高溫?zé)崽幚硎覂?nèi)實驗評價方法，將致密型巖石加熱致裂劃分為孔縫水高溫蒸發(fā)、礦物脫水、礦物熱裂解、產(chǎn)生微裂縫4 個階段。WANG 等[9]通過數(shù)值模擬加熱致密砂巖儲層，具體以井筒為圓心（熱源）加熱井筒周圍儲層，用時3 d，最后結(jié)果表明，儲層最高溫度峰值點為853 ℃，并且解除了孔隙度在8 %～20 %范圍內(nèi)的水相圈閉損害。趙陽升等[10]在應(yīng)力加載條件下進(jìn)行了砂巖和花崗巖高溫?zé)崽幚韺嶒?，研究了軸壓6 MPa、圍壓5 MPa 下熱處理過程中滲透率的變化。邵天琛等[11]認(rèn)為在不同溫度、不同加熱時長、不同加熱方式條件下，隨時間的增加，在1 000℃以下，裂縫發(fā)育情況明顯改善，并互相溝通形成滲流網(wǎng)絡(luò)，在1 200 ℃左右時，由于巖石發(fā)生釉化現(xiàn)象，導(dǎo)致巖石內(nèi)部滲流情況變化不大，因此加熱時可以控制溫度在1 000 ℃左右。游利軍等[12]對巖石進(jìn)行了重復(fù)升溫?zé)峒嶒?。結(jié)果表明含水巖樣熱激更易創(chuàng)生裂縫，滲透率增幅更大，聲波速率降幅更大；滯留壓裂液在儲層中有著降低致裂閾值溫度的作用，使儲層在較低溫度下致裂增滲。

國內(nèi)外眾多學(xué)者在致密巖石高溫?zé)崽幚矸矫嬉呀?jīng)做了大量深入研究。然而，從FHT 技術(shù)提出后至今，除21世紀(jì)有現(xiàn)場應(yīng)用研究以外，最近二十年相關(guān)研究全都停留在實驗室以及數(shù)值模擬上并無工業(yè)應(yīng)用。其原因主要是不同儲層之間物性條件差異太大，一項技術(shù)難以適應(yīng)所有的儲層；此外，目前也并無方法可以判斷一個儲層是否適用熱激的方法（技術(shù)）進(jìn)行改造。上述兩點原因?qū)е铝瞬糠脂F(xiàn)場使用熱激改造后并無明顯增產(chǎn)效果，進(jìn)而影響該技術(shù)的進(jìn)一步研究和推廣。

針對目前儲層熱激方法（技術(shù)）難以推廣應(yīng)用的現(xiàn)狀，以庫車凹陷、惠民凹陷、冀東凹陷地區(qū)的不同物性致密砂巖為研究對象，考慮水力壓裂技術(shù)以及壓裂液返排情況，開展了基于不同物性巖樣的高溫室內(nèi)實驗。此外，在過往研究只考慮單一滲透率或者孔隙度的基礎(chǔ)之上，首次將儲層品質(zhì)系數(shù)RQI引入作為儲層的綜合物性條件，并以此揭示了含水致密砂巖儲層適用于熱激方法進(jìn)行改造的物性條件。

1 實驗樣品與方法

1.1 實驗樣品

為確保本實驗的研究結(jié)論適用于廣泛的致密砂巖儲層，分別選用庫車凹陷侏羅系、惠民凹陷三疊系、冀東凹陷三疊系典型致密砂巖儲層的巖樣，并測量其全部的孔隙度滲透率。測量選用HKS?Ⅱ孔滲聯(lián)測儀（圖1），該儀器采用氣測原理可以同時測量孔隙度滲透率，此外，測量時將圍壓設(shè)置為15 MPa可以模擬巖樣的原地應(yīng)力狀態(tài)。

圖1 實驗用HKS-Ⅱ孔滲測定儀原理示意圖Fig.1 HKS-Ⅱschematic diagram of principle of porosity and permeability measuring instrument

測量完成后，從3 個地區(qū)各選取8 塊巖樣作為實驗樣品，共計24塊。其中，冀東凹陷沙河街儲層致密砂巖巖樣的編號為JD?1 至JD?8，塔里木盆地侏羅系阿合組致密巖屑砂巖巖樣的編號為DB?1 至DB?8，惠民凹陷沙河街儲層致密砂巖巖樣的編號為HA?1至HA?8。實驗巖樣的滲透率范圍為（0.020～0.899）×10?3μm2，孔隙度范圍為3.99%～17.99%（表1）。

表1 實驗樣品初始物性參數(shù)Table 1 Initial physical parameters of experimental samples

1.2 實驗方法

為模擬壓裂液滯留儲層，將實驗巖心加壓飽和3%KCL 溶液72 h，然后開展高溫?zé)峒嶒?。將巖樣JD?1、JD?2、DB?1、DB?2、HA?1、HA?2 從室溫加熱至100 ℃；將巖樣JD?3、JD?4、DB?3、DB?4、HA?3、HA?4 從室溫加熱至200 ℃；將巖樣JD?5、JD?6、DB?5、DB?6、HA?5、HA?6 從室溫加熱至300 ℃；將巖樣JD?7、JD?8、DB?7、DB?8、HA?7、HA?8 從室溫加熱至400 ℃。加熱結(jié)束后保溫2 h，加熱采用控溫精度為±1 ℃的SK?G06123K 型氣氛管式電熱爐（圖2），升溫速率為2 ℃/min。

圖2 實驗用SK-G06123K型氣氛管式電熱爐Fig.2 SK-G06123K atmosphere tube electric furnace

熱激實驗具體步驟如下：①將巖心放入載物裝置，然后放入加熱爐的石英管中加熱；②將石英管兩端的閥門打開，向石英管內(nèi)以3 L/min 為流速通以95%純度的氮氣持續(xù)5 min 排出管內(nèi)的殘余空氣；③開啟電熱爐，并在操作界面設(shè)置熱激相關(guān)參數(shù)，包括初始溫度20 ℃、升溫速率2 ℃/min、熱激目標(biāo)溫度、保溫時間2 h 等；④開啟加熱程序，熱激結(jié)束后，等待巖心冷卻1 h 后取出；⑤更換巖心，重復(fù)上述步驟①至④。

熱激實驗完成后，再次測量并記錄所有實驗巖心的孔隙度滲透率。

實驗結(jié)果從以下2個方面進(jìn)行評價分析：

1）通過對比同一熱激溫度下巖樣實驗前平均滲透率以及實驗后平均滲透率的變化評價增滲效果。

2）以同一熱激溫度下熱激前后的滲透率增加倍數(shù)I評價增滲幅度：

式中：I為高溫?zé)峒嶒炃昂髱r樣氣測滲透率增長倍數(shù)；K2為高溫?zé)峒嶒灪髱r樣氣測滲透率，10?3μm2；K1為高溫?zé)峒嶒炃皫r樣氣測滲透率，10?3μm2。

2 實驗結(jié)果

2.1 熱激溫度與巖樣增滲效果

100 ℃熱激前后巖樣平均滲透率變化如圖3所示。圖3中JD?12滲透率為JD?1與JD?2滲透率的平均值，同理DB?12 與HA?12 均為平均值。由圖3可知，在100 ℃的熱激溫度下各地區(qū)巖樣的滲透率變化不明顯，僅是將巖樣內(nèi)部的水相蒸發(fā)，緩解了巖樣的水相圈閉損害，并未引起巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。

圖3 100 ℃熱激前后巖樣平均滲透率對比Fig.3 Comparison of average permeability of tight sandstone samples before and after thermal stimulation at 100 ℃

200 ℃熱激前后巖樣平均滲透率變化如圖4所示。圖4中JD?34滲透率為JD?3與JD?4滲透率的平均值，同理DB?34 與HA?34 均為平均值。由圖4可知，實驗巖樣在經(jīng)過200 ℃的熱激后其滲透率對比初始滲透率，不但沒有升高反而有所降低。

圖4 200 ℃熱激前后巖樣平均滲透率對比Fig.4 Comparison of average permeability of tight sandstone samples before and after thermal stimulation at 200 ℃

300 ℃熱激前后巖樣平均滲透率變化如圖5所示。圖5中JD?56滲透率為JD?5與JD?6滲透率的平均值，同理DB?56 與HA?56 均為平均值。由圖5可知，當(dāng)熱激溫度來到300 ℃后，巖樣的滲透率變化相較于熱激溫度為100 ℃時滲透率明顯增大。

圖5 300 ℃熱激前后巖樣平均滲透率對比Fig.5 Comparison of average permeability of tight sandstone samples before and after thermal stimulation at 300 ℃

400 ℃熱激前后巖樣平均滲透率變化如圖6所示。圖6中JD?78滲透率為JD?7與JD?8滲透率的平均值，同理DB?78 與HA?78 均為平均值。由圖6可知，400 ℃熱激后的巖樣平均滲透率增加幅度相比300 ℃更大，如JD?78、DB?78熱激后的滲透率是原本滲透率的數(shù)倍，但是也出現(xiàn)了部分巖樣的滲透率增幅不明顯的現(xiàn)象如HA?78。

圖6 400 ℃熱激前后巖樣平均滲透率對比Fig.6 Comparison chart of average permeability of tight sandstone samples before and after thermal stimulation at 400 ℃

2.2 RQI值與巖樣增滲幅度

單一滲透率或者孔隙度難以對儲層的物性特征進(jìn)行表征，其余可表征儲層物性的參數(shù)不易獲取。因此，綜合考慮滲透率以及孔隙度，引入表征儲層物性條件的儲層品質(zhì)系數(shù)RQI（式2）[13]，RQI值越大表明儲層巖石孔隙結(jié)構(gòu)越好；RQI值越小表明儲層巖石孔隙結(jié)構(gòu)越差，并以此結(jié)合巖樣熱激后滲透率變化來分析巖石是否適合熱激增滲改造。

式中：K為滲透率，10?3μm2；φe為有效孔隙度。

100 ℃與200 ℃熱激實驗后巖樣滲透率增大倍數(shù)I與RQI值的關(guān)系見圖7，300 ℃與400 ℃熱激實驗后巖樣滲透率增大倍數(shù)I與RQI值的關(guān)系見圖8。由圖7和圖8可知，在同一熱激溫度下，巖樣滲透率增大倍數(shù)I與巖樣RQI值整體成反比關(guān)系，即在同一熱激溫度下RQI值越小，巖樣的滲透增大倍數(shù)越大，而且部分RQI值小的巖樣其熱激增滲幅度大于RQI值大的巖樣在更高熱激溫度下的增滲幅度。

為準(zhǔn)確地得出巖樣適合熱激增滲的RQI閾值點，根據(jù)熱激實驗后巖樣滲透率增大倍數(shù)I與RQI值的關(guān)系圖（圖7、圖8）可知，當(dāng)RQI值大于0.25 后，無論熱激溫度為多少，巖樣均未出現(xiàn)有明顯的滲透率增大，因此致密砂巖適合熱激增滲的RQI臨界值為0.25。

圖7 100 ℃與200 ℃熱激后巖樣滲透率增大倍數(shù)與RQI值的關(guān)系Fig.7 Relation between permeability increase multiple and RQI value of tight sandstone samples after thermal stimulation at 100 ℃and 200 ℃

圖8 300 ℃與400 ℃熱激后巖樣滲透率增大倍數(shù)與RQI值的關(guān)系Fig.8 Relation between permeability increase multiple and RQI value of tight sandstone samples after thermal stimulation at 300 ℃and 400 ℃

3 結(jié)果與討論

3.1 熱激溫度對增滲效果的影響

高溫?zé)峒ぶ旅苌皫r時，其內(nèi)部礦物會發(fā)生一系列的物理或者化學(xué)變化，如黏土礦物的脫水、膨脹、分解，石英相變產(chǎn)生不同程度的剝落破碎[14]，表2根據(jù)文獻(xiàn)收集歸納了一部分礦物在不同高溫下會發(fā)生的反應(yīng)。

表2 部分礦物熱激后發(fā)生的反應(yīng)（數(shù)據(jù)引自參考文獻(xiàn)[15]）Table 2 Reaction of some minerals after thermal stimulation（data quoted from reference[15]）

實驗中，熱激溫度為100 ℃時，巖樣的滲透率并無明顯變化，其主要原因是100 ℃僅能將巖樣中的孔隙水加熱，黏土礦物等并未發(fā)生明顯膨脹，巖樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)改變較小，因此，對儲層增滲并無明顯效果。

熱激溫度為200 ℃時，巖樣從20 ℃到200 ℃的過程經(jīng)歷了部分孔隙水蒸發(fā)到部分內(nèi)部礦物脫水的過程，該過程使得流體通道變得通暢有利于巖石滲透率提升。但是，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)致密巖石在加熱到180 ℃后，巖石內(nèi)部的黏土礦物將由“惰性”黏土礦物轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎钴S性”黏土礦物，此時黏土礦物由于受熱會發(fā)生局部膨脹或形變從而堵塞孔喉。例如,細(xì)長伊利石在此溫度下易折斷，導(dǎo)致對巖樣中的有效孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了負(fù)面影響，使其有效孔隙結(jié)構(gòu)變差導(dǎo)致巖樣滲透率降低。所以，工程上對致密砂巖儲層熱激增滲時應(yīng)避免儲層處于180～200 ℃區(qū)間范圍。

熱激溫度為300 ℃時，吸附水以及層間水已經(jīng)蒸發(fā)脫出，“活躍性”黏土礦物局部膨脹對巖樣滲透率的負(fù)面影響也隨之消失，因為高溫和熱應(yīng)力導(dǎo)致巖樣內(nèi)大部分黏土礦物完全脫水膨脹，脫羥基形成了新的礦物此時巖石的脆性程度變大，滲透率明顯上升[16]。

當(dāng)熱激溫度達(dá)到400 ℃后，黏土礦物的膨脹變得更加徹底[15]，石英等礦物開始發(fā)生相變，由α?石英向β?石英的轉(zhuǎn)化，熱能很快（約2～5 s）引起硅/氧原子重新排列形成β?石英，體積增大2.7 %[5]，巖石脆性程度大幅度上升。

巖石內(nèi)部各種黏土礦物由于各向異性以及熱膨脹系數(shù)的不同，導(dǎo)致膨脹量以及膨脹方向各不同。此外,在溫度達(dá)到400 ℃后巖石中的部分礦物（如：伊利石以及高嶺石）開始逐步分解形成新的礦物，這些新礦物比原有礦物更致密。加上晶格中的結(jié)構(gòu)水也脫出并蒸發(fā)，這種各向異性的膨脹加上晶格水的脫出改變了巖石內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)特征，巖石的滲透率也隨之發(fā)生改變。

綜上，高溫?zé)峒χ旅苌皫r的影響實質(zhì)上是按照圖9所示進(jìn)行的。

圖9 含水致密砂巖高溫?zé)峒じ脑爝^程Fig.9 High-temperature thermal stimulation transformation process of tight water-bearing sandstone

3.2 RQI值對熱激增滲幅度的影響

從整體上看巖樣的增滲效果隨著熱激溫度的升高而提升，但是不同巖樣的增滲幅度在同一熱激溫度時也有較大的差異。此外，也出現(xiàn)了400 ℃熱激時部分實驗巖樣滲透率變化不明顯，增滲幅度遠(yuǎn)小于300 ℃熱激巖樣的現(xiàn)象。實驗結(jié)果表明：實驗巖樣的增滲幅度和巖樣本身的RQI值呈現(xiàn)很好的單調(diào)相關(guān)性，RQI越小的巖樣在同一熱激溫度下其增滲幅度越大，在一定熱激溫度范圍內(nèi)RQI值對巖樣的增滲影響大于熱激溫度，因為RQI值表征了儲層巖石結(jié)構(gòu)性質(zhì)，RQI值大表明巖石內(nèi)部可能有兩種情況，即孔喉半徑相對較大、孔隙連通程度高，這兩種情況使得孔隙結(jié)構(gòu)性好，反之RQI值小則表示巖石的孔隙結(jié)構(gòu)相對較差[13,17]。

分析認(rèn)為，在熱激溫度從20 ℃上升至400 ℃的過程中（超過200 ℃后）會發(fā)生較強的水熱增壓現(xiàn)象，水熱增壓和儲層孤立程度、溫度、儲層整體孔隙結(jié)構(gòu)三者相關(guān)[18?19]。一個孤立的系統(tǒng)增壓幅度可以由克拉佩龍方程決定：

式中：PS為含水完全孤立系統(tǒng)加熱后的壓力，MPa；P1為含水完全孤立系統(tǒng)初始壓力，MPa；cl 為克拉佩龍常數(shù)，此處可取4 760；T1為初始溫度，K；TS為加熱后溫度，K。

郭志峰等[20]研究也表明砂巖孔隙流體的壓力和溫度具有非常高的相關(guān)性，封閉系統(tǒng)內(nèi)砂巖孔隙流體的壓力隨溫度升高以指數(shù)趨勢增加[21?22]，所以當(dāng)熱激溫度處于100～200 ℃時結(jié)合巖石本身孤立程度低所以水熱增壓現(xiàn)象不明顯，高于200 ℃后（巖石內(nèi)部仍有水）水熱增壓現(xiàn)象會逐漸增強，產(chǎn)生的高壓力對巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也會起到改變作用。致密儲層經(jīng)水力壓裂改造后孤立程度明顯降低，但通過克拉佩龍方程估算，加熱至400 ℃后水蒸氣如果沒有及時排出任會導(dǎo)致巖石孔隙內(nèi)部壓力上升；此外，致密砂巖儲層孔隙水蒸發(fā)的過程中水受熱增壓現(xiàn)象明顯高于其他非致密儲層，而且水受熱增壓現(xiàn)象隨著巖石的致密性增大而更加顯著[23]（圖10）。結(jié)合RQI值分析，RQI值較小的巖石孔隙結(jié)構(gòu)差其孤立程度要大于RQI值較大的巖石，發(fā)生水熱增壓后孔隙連通較差的部分會被壓力拓寬孔隙結(jié)構(gòu)得到明顯改善；而在RQI較大的巖石中其孔隙結(jié)構(gòu)較好相互之間連接通暢在發(fā)生水熱增壓后易于水蒸氣及時排出所以對孔隙結(jié)構(gòu)改善不明顯（圖11、圖12）。

圖10 含水致密儲層與含水非致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)熱激前后對比Fig.10 Comparison of pore structure between water-bearing tight reservoir and water-bearing non-tight reservoir before and after thermal stimulation

圖11 RQI值較小的含水巖樣熱激前后對比Fig.11 Comparison of water-bearing rock samples with small RQI value before and after thermal stimulation

圖12 RQI值較大的含水巖樣熱激前后對比Fig.12 Comparison of water-bearing rock samples with large RQI value before and after thermal stimulation

此外，高溫會還使得砂巖內(nèi)部黏土礦物發(fā)生各向異性的膨脹和相變，增大巖石脆性，最后產(chǎn)生裂縫增大巖石的滲透率[24?27]，若巖樣的RQI值很小巖樣內(nèi)部的黏土礦物膨脹和相變很容易改變孔隙結(jié)構(gòu)，拓寬其孔喉半徑或者提升連通性孔隙連通性，反映到實驗上就是滲透率增加幅度較大，相反如果巖樣的RQI值大，孔隙結(jié)構(gòu)性較好那么其熱激增滲的可改造性就要弱于RQI值小的巖石。

張龍海等[10]研究也表明，RQI值與孔隙結(jié)構(gòu)之間呈單調(diào)函數(shù)關(guān)系,當(dāng)孔隙結(jié)構(gòu)由于孔隙曲折度增大導(dǎo)致連通性變差或孔喉半徑減小而變差時RQI值隨之減??；反之RQI值增大。所以，在工程上對致密砂巖儲層進(jìn)行熱激解水增滲改造時，首先應(yīng)當(dāng)明確儲層品質(zhì)系數(shù)RQI。以此對儲層進(jìn)行分選，判斷其可改造性的強弱，當(dāng)RQI值偏大可以通過提升熱激溫度來達(dá)到相應(yīng)的工程目標(biāo)。

4 結(jié)論

以致密砂巖儲層水力壓裂增產(chǎn)改造為工程背景，結(jié)合儲層熱處理技術(shù)難以推廣應(yīng)用的現(xiàn)狀。選取庫車凹陷、惠民凹陷、冀東凹陷地區(qū)不同物性的致密砂巖巖樣進(jìn)行飽和水熱激實驗。在考慮滲透率、孔隙度二者綜合因素的基礎(chǔ)上，首次采用儲層品質(zhì)系數(shù)RQI作為表征儲層的物性條件，以此判斷含水致密砂巖儲層是否適用于熱處理技術(shù)，并對工程上采用儲層熱處理技術(shù)提供指導(dǎo)性建議。最后得出以下結(jié)論。

1）當(dāng)熱激溫度為100 ℃時，僅能緩解水相圈閉損害，含水致密砂巖儲層熱激增滲溫度須大于250 ℃。

2）熱激溫度大于200 ℃后，對于儲層品質(zhì)系數(shù)相同的含水致密儲層熱激增滲幅度與熱激溫度呈單調(diào)遞增函數(shù)關(guān)系。

3）適合熱激增滲的含水致密砂巖儲層品質(zhì)系數(shù)應(yīng)小于0.25，在相同的熱激溫度下巖樣增滲幅度與RQI值呈單調(diào)遞減的函數(shù)關(guān)系。