页岩多重孔隙水相自吸能力评价

2022-10-10 08:30何颂根冉旭于丹王峻峰邹枫
断块油气田 2022年5期
关键词:润湿性毛细管脆性

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。

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