何頌根 ，冉旭 ，于丹 ，王峻峰 ，鄒楓

（1.中國石化西南油氣分公司油氣開發(fā)管理部，四川 成都 610041；2.中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院，四川 德陽 618000；3.中國石化中原油田分公司采油氣工程服務中心，河南 濮陽 457001）

0 引言

頁巖氣的開發(fā)利用是油氣領域的一次重大革命，已成為國內(nèi)天然氣的重要增長點［1-5］。將幾萬立方米的滑溜水壓裂液注入地層，對頁巖進行大規(guī)模體積壓裂，是有效動用頁巖氣的技術關鍵［6-9］。大量的水基壓裂液注入地層后對頁巖微觀孔隙的影響，業(yè)已成為重要的研究熱點［10］。目前已有的大量文獻研究表明，頁巖壓后返排存在返排率低［10］、產(chǎn)量與返排率呈現(xiàn)負相關［11］、燜井后產(chǎn)氣量增加［12-13］等不同于常規(guī)儲層的特征，因而在明確頁巖孔隙吸水的影響之前，首先需要明確其機理。

相對于砂巖儲層，由于組分多元，頁巖具有多重礦物組分孔隙（簡稱多重孔隙）特征，不同類型孔隙的吸水機理存在顯著差異。盡管已有一些針對頁巖水相自吸的研究，包括不同自吸方式［14］、液體類型［15-16］和礦物類型［17］，各向異性［18］、誘導裂縫［19］、滲透壓［19］和人工裂縫［20］條件下的自吸實驗［13-15］，但都基于宏觀分析，尚未將頁巖多重孔隙進行分別研究。在自吸模型研究方面，主要包括毛細管力作用下的自吸解析模型［21-22］、多孔介質(zhì)自吸數(shù)值模擬［23］、頁巖氣藏返排動態(tài)模擬［11］等，但均未結合孔隙類型及作用力差異來研究頁巖的水相自吸。

本文研究了不同頁巖孔隙的特征和物理性質(zhì)差異，進行了多重孔隙劈分，建立了頁巖水相自吸評價模型，分析了不同頁巖孔隙的自吸能力差異。

1 頁巖的多重孔隙特征

1.1 頁巖多重孔隙分類

頁巖孔隙的分類方法較多，主要有按照孔徑大小、產(chǎn)狀及結構、賦存礦物、孔隙連通性、孔隙成因等分類方法。頁巖礦物組分包含有機質(zhì)、脆性礦物（石英、白云石、方解石、黃鐵礦等）、黏土礦物（簡稱黏土），根據(jù)孔隙賦存的礦物組分［24］頁巖基質(zhì)孔隙可以劃分為有機孔、脆性礦物孔和黏土孔（見圖1）。

1.2 頁巖多重孔隙特征對比

1.2.1 孔隙尺寸差異

以W區(qū)塊龍馬溪組某井下巖心為例。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）可以觀測頁巖的微觀形貌特征，借助圖像處理技術，可定量提取不同類型孔隙的尺寸分布及特征。統(tǒng)計結果表明，孔隙直徑由大到小依次為脆性礦物孔（長軸163.3 nm、短軸61.7 nm）、有機孔（長軸 89.2 nm、短軸 46.7 nm）、黏土孔（長軸 81.7 nm、短軸 22.4 nm）。Kuila等［25］也得到了相似的結果，碳酸鹽礦物孔和脆性礦物孔直徑最大，其次為黏土層間孔，黏土層內(nèi)孔和有機孔相對最小。

1.2.2 孔隙形態(tài)差異

采用正圓度統(tǒng)計對比黏土孔、脆性礦物孔、有機孔的孔隙形態(tài)。正圓度由小到大依次為黏土孔（0.345）、脆性礦物孔（0.442）、有機孔（0.527），即黏土孔更狹長，有機孔圓度最高，脆性礦物孔居中。

1.2.3 潤濕性（親水性）差異

在頁巖氣藏中，無機礦物——如石英、硅酸鹽、碳酸鹽、鋁硅酸鹽——表面均親水，其潤濕性由強到弱依次為黏土、石英、石灰石、白云石、長石。對于有機質(zhì)孔隙的潤濕性，傳統(tǒng)上均認為親油不親水，但近來一些實驗證明干酪根中含有水分［26］。分子動態(tài)模擬表明，不同的成熟度和羧基鏈分布方式下，干酪根潤濕性差異較大，可能親水（潤濕性較強），也可能疏水（潤濕性較弱）［27］。

對于多組分介質(zhì)，Cassie等［28］提出了一個表征混合介質(zhì)表面潤濕性和單組分潤濕性的模型：

頁巖無機礦物組分頁巖表面的潤濕接觸角（簡稱接觸角）見表1。

表1 頁巖無機礦物組分的接觸角 （°）

基于式（1），在無機礦物（脆性礦物、黏土礦物）潤濕性及頁巖組分已知的條件下，有機質(zhì)接觸角θOM可以根據(jù)式（2）進行反算：

根據(jù)表2中的基礎參數(shù)，運用式（2）即可計算出該頁巖有機質(zhì)的接觸角，其潤濕性為弱（接觸角越大，潤濕性越弱）。從潤濕性角度，說明水相能夠進入該區(qū)有機孔，但進入能力弱于無機礦物孔隙。

表2 頁巖接觸角為60.50°時的有機質(zhì)接觸角計算

1.3 多重孔隙巖石物理模型

基于有機孔、脆性礦物孔、黏土孔的三元分類，多重孔隙的自吸能力評價需要劈分出各類孔隙的孔隙度占比（簡稱多重孔隙度占比）。王玉滿等［24］基于頁巖孔隙賦存組分建立了有機孔、脆性礦物孔、黏土孔的巖石物理表征模型，可用于孔隙度的劈分：

通過對巖石密度、全巖礦物組分及組分孔隙度測試，采用式（3），即可求解出脆性礦物、黏土礦物、有機質(zhì)的孔容及整個井段多重（或三重）孔隙度占比，實現(xiàn)孔隙度劈分（見圖2）。

2 頁巖多重孔隙水相自吸能力評價

頁巖孔隙水相自吸能力（簡稱自吸能力）主要體現(xiàn)在孔隙的水相自吸體積多少，而孔隙自吸作用力是自吸的動力，主要包括孔隙的毛細管力和滲透壓。

2.1 頁巖多重孔隙自吸作用力

所有多孔介質(zhì)在水潤濕情況下，均會產(chǎn)生毛細管力。由于頁巖中的黏土片是平行的，類似平板，且其表面都帶負電荷，黏土片之間就會產(chǎn)生可降低水相中離子流動能力的半透膜作用（雙電子層效應），黏土孔受此影響，加上地層高礦化度與壓裂液低礦化度差異的作用，因此，其表面會產(chǎn)生滲透壓［29］；而非黏土孔（脆性礦物孔、有機孔），由于其表面不帶電荷，故無滲透壓。

2.1.1 非黏土孔的自吸作用力

根據(jù)脆性礦物孔和有機孔的形狀特征，可將毛細管簡化為橢圓管，其對應的毛細管力模型為

2.1.2 黏土孔的自吸作用力

頁巖黏土片之間的孔隙（黏土孔）形態(tài)常呈疊書式、紋層狀、片架狀，黏土片長寬比較大，可用平板條件下的毛細管力模型描述黏土孔所受的毛細管力：

實際應用中，常采用范特霍夫公式計算黏土孔表面的滲透壓［30-31］：

綜合式（5）、式（6），可得黏土孔的自吸作用力 Δp：

2.2 頁巖多重孔隙水相自吸模型

2.2.1 非黏土孔

針對非黏土孔，采用橢圓形態(tài)表征毛細管形態(tài)，在圓管內(nèi)Hagen-Poiseuille流動方程的基礎上，通過橢圓極坐標轉(zhuǎn)換，即可得到橢圓毛細管流量方程［32］：

可以看出，當橢圓長短軸相等，即a=b，τ=1時，式（9）即退化為經(jīng)典的LW自吸模型：

2.2.2 黏土孔

針對黏土孔，采用平行平板毛細管進行描述，平行平板毛細管流量方程為

綜合式（7）、式（10），參照非黏土孔自吸模型的推導過程，考慮微觀孔隙迂曲度，即可得到黏土孔單根橢圓毛細管自吸長度模型：

2.2.3 頁巖多重孔隙自吸模型

根據(jù)式（3），頁巖總孔隙度可以劈分為有機孔、脆性礦物孔、黏土孔的孔隙度，則頁巖累計水相總自吸體積為有機孔、脆性礦物孔、黏土孔自吸體積之和。因而可得頁巖多重孔隙自吸模型：

2.3 頁巖多重孔隙自吸能力對比

基于頁巖多重孔隙自吸模型（式（13）），結合頁巖的多重孔隙表征模型（式（3）），開展自吸能力對比分析。巖樣及流體基礎參數(shù)分別見表3、表4。

表3 巖樣基礎參數(shù)

表4 測試流體基礎參數(shù)

基于表 3、表 4 中的基礎參數(shù)，運用式（4）、式（7），即可計算出黏土孔、脆性礦物孔、有機孔的自吸作用力。從計算結果（見圖3）來看，三者的自吸作用力分別為14.41，3.18，0.81 MPa，其中黏土孔自吸作用力中，滲透壓為7.93 MPa，毛細管力為6.48 MPa。黏土孔由于尺寸較小、潤濕性較強、滲透壓差較大，其自吸作用力最大；有機孔由于潤濕性較弱，其自吸作用力較弱。

運用式（3）、式（9）、式（12）和式（13），即可計算不同孔隙的自吸長度和自吸體積。圖4為頁巖不同孔隙的自吸長度和自吸體積對比，可以看出，黏土孔均遠遠大于脆性礦物孔和有機孔。

3 實例分析

以川南2個不同頁巖氣區(qū)塊的單井——W1井、Y1井為例，對壓裂后頁巖孔隙的自吸能力進行對比評價。

3.1 壓裂裂縫的復雜性

壓裂裂縫面積可以通過裂縫復雜性評價來判斷（見表5）。從可壓性來看，相比W1井，Y1井應力差更大、天然裂縫相當、力學脆性指數(shù)相當、礦物脆性指數(shù)更低，說明Y1井可壓性更差，儲層更難以壓裂；從壓后評估來看，Y1井壓降速率更低、G函數(shù)曲線（一種施工壓力擬合分析曲線，其波動次數(shù)可反映裂縫復雜程度）的平均波動次數(shù)更少，說明裂縫復雜程度更低。綜合來看，Y1井壓裂后吸水面積更小。

表5 W1井、Y1井儲層壓裂裂縫復雜性評價

3.2 吸水（自吸）能力分析

3.2.1 孔隙及礦物特征

W1井黏土孔、脆性孔、有機孔占比分別為48.97%，16.05%，34.98%，而Y1井占比分別為46.80%，9.10%，44.10%。從礦物組分來看，W1井脆性礦物質(zhì)量分數(shù)為59.5%，其中硅質(zhì)礦物質(zhì)量分數(shù)為36.9%，鈣質(zhì)礦物質(zhì)量分數(shù)為18.9%；黏土礦物質(zhì)量分數(shù)為36.2%，其中以吸水性不強的伊利石（相對質(zhì)量分數(shù)為75.2%）為主，伊/蒙混層相對質(zhì)量分數(shù)僅13.0%。Y1井脆性礦物質(zhì)量分數(shù)為46.4%，其中硅質(zhì)礦物質(zhì)量分數(shù)為38.2%，鈣質(zhì)礦物質(zhì)量分數(shù)為4.6%；黏土礦物質(zhì)量分數(shù)為43.5%，其中以吸水性較強的伊/蒙混層（相對質(zhì)量分數(shù)為61.4%）為主；蒙皂石陽離子交換容量為70～130 mmol/100 g，伊利石僅為10～40 mmol/100 g——伊/蒙混層的陽離子交換容量更高，半透膜效率更高，滲透壓也更高，因此，其孔隙自吸力作用更強。

3.2.2 吸水能力對比

W1井返排率為52.9%，而Y1井返排率僅14.7%，返排率差異顯著，說明Y1井的地層吸水能力顯著強于W1井。結合其他因素來看，Y1井孔隙度略高于W1井，含水飽和度略低于W1井，壓力系數(shù)略低于W1井，地層水礦化度二者大體相當，這幾個因素影響程度相對有限（見表6）。從裂縫面積來看，W1井大于Y1井；從孔隙類型占比來看，黏土孔占比相當。二者的主要差異在于黏土孔分布的黏土礦物不同，所以，其滲透壓大小不同——這也是造成Y1井和W1井返排率差異的主要原因。

表6 W1井、Y1井儲層主要影響因素對比

4 結論

1）頁巖具有多重孔隙特征，按其礦物組分可以劃分為有機孔、脆性礦物孔、黏土孔，該3類孔隙在孔隙占比、孔隙形狀、孔徑尺寸、潤濕性方面具有顯著差異。

2）有機孔和脆性礦物孔的自吸作用力主要為毛細管力；黏土孔由于存在滲透壓作用，自吸作用力包括毛細管力和滲透壓2種作用力。

3）頁巖的不同類型孔隙自吸作用力不同：黏土孔最強，其次為脆性礦物孔，最弱為有機孔；黏土孔又因黏土礦物的組分相對質(zhì)量分數(shù)不同，其自吸作用力也存在顯著差異。

5 符號注釋

θapp為頁巖表面的潤濕接觸角（可通過表面潤濕性測試獲?。?，（°）；i為除有機質(zhì)外的組分；fi為組分 i的表面積百分比（可通過全巖礦物測試獲取），%；θi為組分i的接觸角（可通過純無機礦物巖石的潤濕性測試獲?。?，（°）；fOM為有機質(zhì)表面積百分比（可通過有機質(zhì)體積分數(shù)測試獲?。?，%；?為頁巖總孔隙度（可由氦氣法等實驗測試獲得），%；?b，?c，?o分別為脆性礦物、黏土礦物、有機質(zhì)的孔隙度，%；ρ為巖石密度（可通過巖石物理學實驗測試獲得），g/cm3；wb，wc，wo分別為脆性礦物、黏土礦物、有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)（可通過全巖分析獲得），%；Vb，Vc，Vo分別為脆性礦物、黏土礦物、有機質(zhì)的孔隙容積（孔容），cm3/g；pc為毛細管力，Pa；σ 為表面張力，N；θ為水相潤濕接觸角，（°）；a，b 分別為橢圓管長軸和短軸的長度，m；b′為黏土孔縫寬（短軸長度），m；pos為滲透壓，Pa；ε為溶質(zhì)電離后的離子數(shù)量（如溶質(zhì)為NaCl時，其值為2）；Eos為半透膜效率（表征實際壓差與理想滲透壓的比值，可采用Fritz模型進行計算，其值在 0～1）；R 為氣體常數(shù)，L·Pa/（mol·K）（其值為 8 314.5 L·Pa/（mol·K））；T 為地層溫度，K；Csh，Cf分別為頁巖和壓裂液水相的濃度，mol/L；q為毛細管流量，m3/s；μ為水相黏度，mPa·s；L為非黏土孔單根橢圓毛細管自吸長度，cm；τ為孔隙迂曲度；d為毛細管（或圓管）直徑，m；B為平板的側面長度，m；Vim為頁巖孔隙總自吸體積，m3；Vimo，Vimb，Vimc分別為有機孔、脆性礦物孔、黏土孔的自吸體積，m3；Af為水相與頁巖的接觸面積 （壓裂縫面積），m2。