水力压裂过程中页岩渗透渗吸作用实验研究摘要：水力压裂技术已经广泛应用于页岩储层以显著提高产量。

然而，据钻井人员汇报大量压裂液流失于地下不能回收，滞留压裂液对页岩组成的影响机制尚不清晰，滞留压裂液可被页岩基质、微裂缝和裂缝表面吸收，本文旨在研究渗吸作用对页岩基质渗透性、微裂缝渗透性和裂缝渗透性的影响，首次探究页岩渗透性变化与页岩渗吸作用二者之关系，并提供大量水力压裂过程中页岩伴随渗吸作用渗透性增减结果。

本文实验采用压力恢复法测定岩样渗透率，采用失重法进行渗吸实验，样品来源于Niobrara、HornRiver及Woodford地区页岩地层。

实验结果表明，滞留压裂液会损害页岩基质渗透性，使其渗透率大为降低，样品吸收液体越多，基质渗透率降低越显著，渗吸作用造成张开裂缝渗透率减小，但减小量不及基质渗透率，此外，润滑作用使页岩样品微裂缝再次张开，导致渗吸作用过程中微裂缝渗透率提升。

渗透率这一指标决定着页岩地层长期产气量，本文研究水力压裂过程中渗吸作用影响下页岩渗透率变化情况，观察得到渗吸作用不仅损害页岩组成，还会通过张开闭合或密封天然裂缝增加渗透率而对页岩组成造成潜在影响。

1.简介随着水力压裂技术在页岩和其他非常规地层的成功应用，预计到2020年，美国原油的产量将从2008年的5百万桶/日增加至10.6百万桶/日；同时页岩和其他低渗储层的石油产量将增长到全国原油总产量的一半。

从2008年开始美国页岩气产量预计将增长近9倍（EIA，2015）。

水力压裂技术的一般程序主要分为5个步骤，包括垫注，凝胶浆注射，冲洗注射，注井和水回收。

水回收是该井投入生产前水力压裂处理的最后一步。

这一步在水力压裂过程中很重要和必要，因为它可以控制和最小化压裂液的损伤。

不过，很多操作人员报道注入页岩储层的压裂液只有不到50％可以回收（Alkouh和Wattenbarger，2013）。

这个可能是因为水力压裂后页岩储层系统能量较低。

一般来说，裂缝较为常规、较不复杂时系统能量较高。

能量越高，会导致回收液体流流量越大、流速越高。

但是页岩储层的裂缝很复杂，导致裂缝回收液体占比很少，需要花费几周来完成回流，比常规页岩储层长得多（King，2010；Wu等，2010）。

在页岩中，如此大量的剩余液体对产量的影响成为一个问题。

因为许多研究发现剩余压裂液可以被页岩和裂缝表面吸收（Roychaudhuri等，2011;Makhanov等，2012;Yao等，2012;Zhou等，2014）。

渗吸作用是在多孔介质中一种液体被另一种不混溶的液体替换的过程。

这种替换是富粘土页岩储层中粘土严重损坏的主要原因。

除了粘土损坏之外，在大面积水力压裂过程中吸入的水也会在致密气储层中产生水堵（秦，2007）。

水力压裂引起的渗吸作用会导致粘土在页岩层中膨胀（Ghanbari等，2014）。

膨胀可以不同程度地发生在所有粘土矿物中，绿泥石和混层伊利石可以膨胀到原来的20倍体积（Hayatdavoudi，1999）。

然而，很难确定粘土膨胀是有害的还是有益的。

Dutta等人（2012）发现在富粘土地区更多的液体被吸收，由于粘土膨胀，气体的流动性减小。

另一方面，Morsy和Sheng（2014）认为由于渗吸作用而导致的粘土膨胀可产生沿着页岩地层层面的裂缝，从而有望提高渗透率和产油量。

当水和其他液体被捕获在多孔介质中并阻碍气体产生时，就会发生水堵（Charoenwongsa，2011）。

滞后和不连续毛细管压力使注入的液体极困难产生效果。

此外，生产后，入侵区液体饱和度可以降低至残留饱和度使液体不能置换。

因此，由于来自被捕液体的额外气体阻力，天然气渗透率和天然气产会大大减少（HadleyandHandy，1956;Land，1968;Ehrlich，1970）。

以前的研究发现水堵只能暂时降低渗透率。

只要压差足够高，渗透率就会恢复，（Holditch，1979;Abrams和Vinegar，1985;Mahadevan和sharma，2003;Bazin等，2009）。

然而，一些研究表明水堵产生永久性的渗透率损坏，这是因为致密地层中压差很难达到足够高（Penny等，1983;Soliman和Hunt，1985）。

另外一些数字模型显示，当岩石基质吸收了裂缝中的液体时，入侵带气体的相对渗透率降低。

在生产过程中，吸入的液体首先产出。

然后随着水堵区域气体相对渗透率的升高，天然气开始从入侵区域流入裂缝（Barati等，2009;Charoenwongsa，2011;Putthaworapoom等，2012；Zhang等，2014）。

因此，水堵是暂时性的。

总之，以前的研究显示粘土膨胀可能损坏或提升地层产气量;水堵对地层的破坏可能是永久性或临时性的。

然而，以前的研究没有实验数据回答压裂液的渗吸作用是损坏还是提高页岩储层产量这一问题。

这些问题即页岩地层的渗吸作用是损坏还是提高长期产量。

另外，如果渗吸作用产生负面影响，是永久的还是暂时的？在本文中，渗透率作为研究这种影响的标准。

通过实验，本文研究了页岩在各种压裂液的渗吸作用下渗透率的变化。

这是第一次将渗透率的定量变化作为页岩渗吸作用的函数。

此外，本文的结果还可以解释滑溜水压裂是如何增加页岩储层产量的。

2.实验渗透率变化与液体渗吸作用存在函数关系，其测定为本文实验主要任务，因此实验可分为渗透率测定和液体渗吸实验两部分，下文将详细阐述。

每种样品进行实验之前，首先通过渗透率测试确定样品原始渗透率，再将样品浸入测试液进行渗吸实验，一或两天后再次测试样品渗透率，测完后放回原测试液继续渗吸实验，渗透率测试重复进行，渗吸实验亦紧随其后重复进行，重复实验通常持续一周，有时一月，最终记录表明，在渗吸作用过程中不同渗透率值表现为时间的函数。

2.1.渗透率测试页岩样品渗透率测试采用压力恢复法，一种高效低渗岩石渗透率测试方法。

2.1.1.测试原理压力恢复法原理在于，单一封闭页岩样品进气压力高于排气压力，流体泵入样品中时，测试记录并分析排气压力增加速率，压力恢复法测试流体为氮气，岩样渗透率数值通过以下方程获得。

标准条件及测试条件下气体密度由式（2.1）（2.2）计算。

gs gs gs gsP MRT Z r =（2.1） gt gt gt gt P MRT Z r =（2.2）ρgs ，ρgt 分别为标准条件及实验条件下气体密度；P gs ，P gt 分别为标准压力及实验压力；T gs ，T gt 分别为标准温度及实验温度；Z gs ，Z gt 分别为标准条件及实验条件下压缩因数；M 为气体摩尔质量，R 为理想气体系数。

因此，实验条件下气体密度可表示为式（2.3）。

gs gt gs gs gtgs gt gt T Z P P T Z r r =（2.3）取Z gs =1。

一维气体连续性方程如式（2.4）()()gt gt t c 秗n 秊r =-禼?（2.4）νχ为x 方向速度；φ为孔隙度；t 为时间。

将气体密度方程带入气体连续性方程得式（2.5）()gt gt gt gt g gt gt P P P P C P Z Z t骣抖秊琪=琪禼m 禼k ?桫（2.5） μ为气体粘度；κ为渗透率；C(P)为气体压缩系数；C(P)=1/P-1/ZdZ/dP引入P ´定义如下gt 2gt1'2P gt gt P g gt P P dP Z =m ò（2.6）()2212121''gt gt g gt P P P P Z -=-m （2.7） 因此，气体连续性方程可表示为式（2.8）'1'P P K t 骣抖?琪=琪禼禼?桫（2.8） 式中K=φC(P)μg /κ本气体连续性方程与Oort 提出用于描述页岩样品液体渗透率方程相似，二者唯一区别在于本方程将Oort 方程中压力换为P ´，因此，经过Oort 的发展气体连续性方程有类似结果如下''22'22ln ln ()()'()()inlet initial inlet initial g d g d inlet outlet inlet outlet P P P P C P V L C P V L P P t P P t A t A t骣骣--琪琪D D 琪琪m m --桫桫k ==D D （2.9） V d 为下游储液器体积；L 为样品长度；A 为样品横截面积；P inlet 为进气压力；P initial 为初始孔隙压力；P outlet 为排气压力2.1.2.测试装置页岩样品渗透率测定由专门设计用于合成样品渗透率测试Model6100合成反应测试仪进行（图2.1），最大泵送压力及围限压力分别为5500psi 、6000psi ，岩心夹持器直径1英寸，长至6英寸。

2.1.3.测试步骤压力恢复法分四步进行第一步，打开所有阀门，以一定压力将氮气冲满包括上下游储液器在内所有系统空间，使样品进气压力等于排气压力。

第二步，关闭除与气体注射器连接外所有阀门以隔离下游储液器，此时只有进气压力可使排气压力变化，进气压力将在下一步骤升高。

第三步，迅速升高进气压力并持续一段时间。

第四步，记录排气压力升高速率，由式（2.9）根据瞬时排气压力算得样品渗透率。

2.2.渗吸实验本文渗吸实验采用悬挂法进行（图2.2），此种方法是将样品悬挂在天平之下，天平自动记录样品重量随时间变化，此种变化是渗吸作用引起岩石内外液体发生置换导致。

本实验使用7%KCL 及0.07%降阻剂两种测试液体广泛用作油田水力压裂处理液。

为了便于不同岩石样品测试结果进行比较，将天平记录数据换算为渗吸液饱和度，换算过程基于液体浓度、岩样体积及孔隙度。

（见式2.10）=W Imbibed Liquid Saturation V 1jD r （2.10） ΔW 为样品重量变化；ρ1为液体浓度；V 为样品体积；φ为孔隙度。

3.页岩样品 样品是从HornRiver ，和Niobrara 页岩地层采集得到。

来自HornRiver 和Woodford 地层的页岩样品在这些地区作业的公司提供的。

Niobrara 页岩样品为野外露头，是从美国科罗拉多州Lyons 附近采石场获得的。

来自HornRiver 地层的原始页岩样品空隙中填充着硅酸钾泥浆系统。

共有七块板状样品。

两块取自Muskwa 段;两块取自Otter Park 段;另外三块取自Evie 段。

Muskwa 段，Otter Park 段，和Evie 段是HornRiver 地层从上到下的三个主要段层。

在运输期间，样品由PVC 食品包装密封。

在实验室中样品一直保持密封条件，直到渗吸实验之前的堵塞处理时才解除密封。

在堵塞处理时，钻头或锯刀均用冷却空气冷却。