水力壓裂過程中頁巖滲透滲吸作用實驗研究

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1、水力壓裂過程中頁巖滲透滲吸作用實驗研究摘要：水力壓裂技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于頁巖儲層以顯著提高產(chǎn)量。然而，據(jù)鉆井人員匯報大量壓裂液流失于地下不能回收，滯留壓裂液對頁巖組成的影響機制尚不清晰，滯留壓裂液可被頁巖基質(zhì)、微裂縫和裂縫表面吸收，本文旨在研究滲吸作用對頁巖基質(zhì)滲透性、微裂縫滲透性和裂縫滲透性的影響，首次探究頁巖滲透性變化與頁巖滲吸作用二者之關(guān)系，并提供大量水力壓裂過程中頁巖伴隨滲吸作用滲透性增減結(jié)果。本文實驗采用壓力恢復(fù)法測定巖樣滲透率，采用失重法進行滲吸實驗，樣品來源于Niobrara、HornRiver及Woodford地

2、區(qū)頁巖地層。實驗結(jié)果表明，滯留壓裂液會損害頁巖基質(zhì)滲透性，使其滲透率大為降低，樣品吸收液體越多，基質(zhì)滲透率降低越顯著，滲吸作用造成張開裂縫滲透率減小，但減小量不及基質(zhì)滲透率，此外，潤滑作用使頁巖樣品微裂縫再次張開，導(dǎo)致滲吸作用過程中微裂縫滲透率提升。滲透率這一指標(biāo)決定著頁巖地層長期產(chǎn)氣量，本文研究水力壓裂過程中滲吸作用影響下頁巖滲透率變化情況，觀察得到滲吸作用不僅損害頁巖組成，還會通過張開閉合或密封天然裂縫增加滲透率而對頁巖組成造成潛在影響。1.簡介隨著水力壓裂技術(shù)在頁巖和其他非常規(guī)地層的成功應(yīng)用，預(yù)計到2020年，美國原油的

3、產(chǎn)量將從2008年的5百萬桶/日增加至10.6百萬桶/日；同時頁巖和其他低滲儲層的石油產(chǎn)量將增長到全國原油總產(chǎn)量的一半。從2008年開始美國頁巖氣產(chǎn)量預(yù)計將增長近9倍（EIA，2015）。水力壓裂技術(shù)的一般程序主要分為5個步驟，包括墊注，凝膠漿注射，沖洗注射，注井和水回收。水回收是該井投入生產(chǎn)前水力壓裂處理的最后一步。這一步在水力壓裂過程中很重要和必要，因為它可以控制和最小化壓裂液的損傷。不過，很多操作人員報道注入頁巖儲層的壓裂液只有不到50％可以回收（Alkouh和Wattenbarger，2013）。這個可能是因為水力壓裂

4、后頁巖儲層系統(tǒng)能量較低。一般來說，裂縫較為常規(guī)、較不復(fù)雜時系統(tǒng)能量較高。能量越高，會導(dǎo)致回收液體流流量越大、流速越高。但是頁巖儲層的裂縫很復(fù)雜，導(dǎo)致裂縫回收液體占比很少，需要花費幾周來完成回流，比常規(guī)頁巖儲層長得多（King，2010；Wu等，2010）。在頁巖中，如此大量的剩余液體對產(chǎn)量的影響成為一個問題。因為許多研究發(fā)現(xiàn)剩余壓裂液可以被頁巖和裂縫表面吸收（Roychaudhuri等，2011;Makhanov等，2012;Yao等，2012;Zhou等，2014）。滲吸作用是在多孔介質(zhì)中一種液體被另一種不混溶的液體替換的過

5、程。這種替換是富粘土頁巖儲層中粘土嚴(yán)重?fù)p壞的主要原因。除了粘土損壞之外，在大面積水力壓裂過程中吸入的水也會在致密氣儲層中產(chǎn)生水堵（秦，2007）。水力壓裂引起的滲吸作用會導(dǎo)致粘土在頁巖層中膨脹（Ghanbari等，2014）。膨脹可以不同程度地發(fā)生在所有粘土礦物中，綠泥石和混層伊利石可以膨脹到原來的20倍體積（Hayatdavoudi，1999）。然而，很難確定粘土膨脹是有害的還是有益的。Dutta等人（2012）發(fā)現(xiàn)在富粘土地區(qū)更多的液體被吸收，由于粘土膨脹，氣體的流動性減小。另一方面，Morsy和Sheng（2014）認(rèn)為

6、由于滲吸作用而導(dǎo)致的粘土膨脹可產(chǎn)生沿著頁巖地層層面的裂縫，從而有望提高滲透率和產(chǎn)油量。當(dāng)水和其他液體被捕獲在多孔介質(zhì)中并阻礙氣體產(chǎn)生時，就會發(fā)生水堵（Charoenwongsa，2011）。滯后和不連續(xù)毛細(xì)管壓力使注入的液體極困難產(chǎn)生效果。此外，生產(chǎn)后，入侵區(qū)液體飽和度可以降低至殘留飽和度使液體不能置換。因此，由于來自被捕液體的額外氣體阻力，天然氣滲透率和天然氣產(chǎn)會大大減少（HadleyandHandy，1956;Land，1968;Ehrlich，1970）。以前的研究發(fā)現(xiàn)水堵只能暫時降低滲透率。只要壓差足夠高，滲透率就會恢

7、復(fù)，（Holditch，1979;Abrams和Vinegar，1985;Mahadevan和sharma，2003;Bazin等，2009）。然而，一些研究表明水堵產(chǎn)生永久性的滲透率損壞，這是因為致密地層中壓差很難達(dá)到足夠高（Penny等，1983;Soliman和Hunt，1985）。另外一些數(shù)字模型顯示，當(dāng)巖石基質(zhì)吸收了裂縫中的液體時，入侵帶氣體的相對滲透率降低。在生產(chǎn)過程中，吸入的液體首先產(chǎn)出。然后隨著水堵區(qū)域氣體相對滲透率的升高，天然氣開始從入侵區(qū)域流入裂縫（Barati等，2009;Charoenwongsa，20

8、11;Putthaworapoom等，2012；Zhang等，2014）。因此，水堵是暫時性的。總之，以前的研究顯示粘土膨脹可能損壞或提升地層產(chǎn)氣量;水堵對地層的破壞可能是永久性或臨時性的。然而，以前的研究沒有實驗數(shù)據(jù)回答壓裂液的滲吸作用是損壞還是提高頁巖儲層產(chǎn)量這一問題。這