張海杰 蔣裕強(qiáng) 周克明 付永紅 鐘 錚 張雪梅 漆 麟 王占磊 蔣增政

1.重慶頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司 2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 3.中國(guó)石油非常規(guī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)層評(píng)價(jià)分室

4.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院 5.四川科宏石油天然氣工程有限公司

6.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開(kāi)發(fā)研究院 7.四川杰瑞泰克科技有限公司

0 引言

我國(guó)海相頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)已取得了工業(yè)化突破，截至2018年頁(yè)巖年產(chǎn)量已超過(guò)100×108m3[1]。四川盆地大足區(qū)塊下志留統(tǒng)龍馬溪組多口頁(yè)巖氣井獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，揭示了四川盆地南部（本文主要是指重慶市西部地區(qū)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)渝西地區(qū)）良好的頁(yè)巖氣資源勘探開(kāi)發(fā)前景。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，常常采用柱塞樣（直徑2.5 cm×5.0 cm）進(jìn)行孔隙度評(píng)價(jià)，柱塞樣孔隙度僅僅反映連通孔隙特征而忽視了頁(yè)巖中的不連通孔隙。相關(guān)研究表明，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙形狀多樣，發(fā)育大量的“墨水瓶狀或漏斗形狀”的孔隙[2-3]，甚至還發(fā)育大量閉孔[4-5]。如果“墨水瓶狀或漏斗形狀”孔隙在瓶頸處的喉道非常細(xì)小，甚至接近甲烷的分子直徑，那么這些孔隙和閉孔中的甲烷將失去流動(dòng)能力，故將閉孔和這部分“墨水瓶狀或漏斗形狀”孔隙稱(chēng)之為不連通孔隙。由于頁(yè)巖復(fù)雜的礦物組成，強(qiáng)烈的非均質(zhì)性[6]，特低孔隙度、特低滲透率的特征[7-8]，頁(yè)巖氣有效開(kāi)發(fā)必須借助大型水力壓裂技術(shù)，壓裂后不連通孔隙將有可能被打開(kāi)。同時(shí)，壓裂后頁(yè)巖自吸水會(huì)產(chǎn)生大量的微裂縫[9-12]，也大大增加了不連通孔隙被微裂縫連通的機(jī)會(huì)，使不連通孔隙可采。因此，認(rèn)識(shí)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中連通孔隙和不連通孔隙比例與性質(zhì)，有利于制訂合理的開(kāi)發(fā)措施，對(duì)評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層有效孔隙度、認(rèn)識(shí)頁(yè)巖氣可采儲(chǔ)量具有重要意義。

1972年，國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)（IUPAC）根據(jù)孔隙的孔徑絕對(duì)大小，將孔隙分為微孔（小于2 nm）、中孔（2～50 nm）和大孔或宏孔（大于50 nm），該分類(lèi)方案在非常規(guī)油氣資源孔隙評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用。Loucks等[13]提出了泥頁(yè)巖氣儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙三端元分類(lèi)方案，把基質(zhì)孔隙劃分為3種類(lèi)型，即粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙和有機(jī)質(zhì)孔隙；于炳松[14]結(jié)合Chalmers、Slatt和Loucks的觀點(diǎn)，提出了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙產(chǎn)狀—結(jié)構(gòu)綜合分類(lèi)方案，目前在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用[15]。這3類(lèi)主流分類(lèi)方法是以孔徑大小或孔隙成因?yàn)橐罁?jù)進(jìn)行劃分，無(wú)法反映頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中流體的運(yùn)移特征，只從靜態(tài)角度評(píng)價(jià)頁(yè)巖孔隙特征，難以滿(mǎn)足頁(yè)巖氣有效開(kāi)發(fā)的需求。Liu等[16]采用離心和漸變干燥核磁共振技術(shù)對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行分級(jí)，認(rèn)識(shí)到流體在孔隙空間中流動(dòng)性質(zhì)的重要性。但以上孔隙分類(lèi)方案均沒(méi)有考慮到頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中的不連通孔隙，不能充分地認(rèn)識(shí)頁(yè)巖氣在儲(chǔ)層中的賦存及流動(dòng)特征，限制了儲(chǔ)層孔隙有效性的評(píng)價(jià)[17]。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層需采用大型水力壓裂進(jìn)行開(kāi)采，使不連通含氣孔隙可能轉(zhuǎn)變成“潛在可采孔隙”，在評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙有效性時(shí)，必須充分認(rèn)識(shí)不連通孔隙的性質(zhì)。因此，需要充分認(rèn)識(shí)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中的不連通孔隙，建立孔徑大小和孔隙流體賦存機(jī)制的孔隙分類(lèi)方案，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層總孔隙有效性評(píng)價(jià)。

針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙連通性及有效性評(píng)價(jià)，筆者以渝西地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層為研究對(duì)象，開(kāi)展柱塞樣和碎樣巖心孔隙度、飽和鹽水后離心＋漸變干燥核磁共振和核磁凍融實(shí)驗(yàn)，首先認(rèn)識(shí)不連通孔隙體積、主要發(fā)育位置、主要孔徑分布范圍，再確定頁(yè)巖含氣連通孔隙有效孔徑下限，最終實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層全孔隙有效性評(píng)價(jià)，并探討了頁(yè)巖中不連通孔隙對(duì)開(kāi)發(fā)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與實(shí)驗(yàn)流程

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

選取渝西地區(qū)4口井龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)前測(cè)量樣品中的有機(jī)質(zhì)含量（TOC）和巖石組分（表1）。TOC介于2.33%～5.80%，石英含量介于45.22%～64.88%，黏土礦物含量介于11.34%～27.68%。表明該區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有高生氣能力和高脆性特征，有利于頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)。

表1 渝西地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖樣品部分組分統(tǒng)計(jì)表

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

選取6組平行柱塞樣開(kāi)展實(shí)驗(yàn)：一組柱塞樣先進(jìn)行氦孔隙度測(cè)量，隨后在柱塞樣上用迷你鉆床鉆取小巖樣（10 mm×15 mm）進(jìn)行核磁凍融實(shí)驗(yàn)，再將巖心粉碎至60目以下，開(kāi)展碎樣氦孔隙度和核磁凍融實(shí)驗(yàn)；另一組柱塞樣進(jìn)行抽真空加壓飽和KCl鹽水（20 g/L）后測(cè)量核磁共振T2譜，然后測(cè)量離心和干燥后的核磁共振T2譜。

氦孔隙度測(cè)量的注入壓力為2 MPa，以保證氦氣完全飽和實(shí)驗(yàn)樣品，實(shí)驗(yàn)方法參照GB/T29172—2012巖心分析方法標(biāo)準(zhǔn)；碎樣孔隙度測(cè)量參照GRI方法[18]；核磁凍融實(shí)驗(yàn)采用蒸餾水為探針液，溫度從－33 ℃逐漸升高至－10 ℃過(guò)程中，測(cè)試溫度點(diǎn)間隔為1 ℃，從－10 ℃升高至0 ℃過(guò)程中，測(cè)試溫度點(diǎn)間隔為0.5 ℃，每個(gè)溫度點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)間為5 min。核磁共振實(shí)驗(yàn)樣品需將抽真空加壓（15 MPa）飽和鹽水48 h后測(cè)量核磁共振T2譜，以反映巖心的總孔隙特征，隨后離心（12 000 r/min）測(cè)量核磁共振T2譜。將樣品在40 ℃、60 ℃、80 ℃、100 ℃、120 ℃、140 ℃、200 ℃溫度下干燥24 h再測(cè)量核磁共振T2譜，具體實(shí)驗(yàn)步驟和測(cè)試參數(shù)參考本文參考文獻(xiàn)[19]。

2 頁(yè)巖不連通孔隙特征

2.1 頁(yè)巖不連通孔隙體積

圖1 渝西地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖柱塞樣與碎樣孔隙度對(duì)比圖

實(shí)驗(yàn)分析表明，頁(yè)巖柱塞樣孔隙度明顯低于碎樣孔隙度（圖1）。由于頁(yè)巖中存在大量的不連通孔隙[4]，這些不連通孔隙在粉碎過(guò)程中被打開(kāi)變成了連通孔隙，增大了頁(yè)巖孔隙度，提高了可采孔隙體積[20-23]。筆者采用柱塞樣氦孔隙度測(cè)定的飽和壓力為2 MPa，基本能夠保證頁(yè)巖中的連通孔隙被氦氣飽和[23]。GRI方法是將頁(yè)巖樣品粉碎至60目以下，打開(kāi)了大量不連通孔隙[22]，氦氣分子進(jìn)入了更多的孔隙空間。因此，柱塞樣氦孔隙度反映了頁(yè)巖連通孔隙度特征，而碎樣孔隙度反映了頁(yè)巖總孔隙度特征，即包含了柱塞樣的連通孔隙和不連通孔隙，碎樣孔隙度與柱塞樣孔隙度之差可反映柱塞樣的不連通孔隙。渝西地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層不連通孔隙占比介于22.39%～38.06%（表1），平均值為30.23%。

2.2 不連通孔隙發(fā)育位置

不連通孔隙中是否能儲(chǔ)集天然氣，將直接影響頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙有效性評(píng)價(jià)，研究不連通孔隙發(fā)育位置對(duì)確定不連通孔隙是否儲(chǔ)集天然氣具有重要意義。如圖2所示，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層樣品不連通孔隙率與TOC存在較好的正相關(guān)，與黏土礦物含量相關(guān)性不明顯，表明不連通孔隙主要與有機(jī)質(zhì)及其含量相關(guān)，在黏土礦物中相對(duì)不發(fā)育，該認(rèn)識(shí)與Bahadur等[4]和Sun Mengdi等[5]取得的認(rèn)識(shí)相似。在熱演化程度高的條件下，TOC越高有機(jī)孔越發(fā)育，而有機(jī)孔是頁(yè)巖中非常重要的儲(chǔ)集天然氣的有效孔隙空間[4,24]。由此可見(jiàn)，不連通孔隙在頁(yè)巖中主要以有機(jī)孔為主，在適中的成熟度下，這些不連通的有機(jī)孔能夠儲(chǔ)集天然氣。

圖2 不連通孔隙率與TOC和黏土礦物含量關(guān)系圖

2.3 不連通孔隙孔徑分布

已有研究報(bào)道，頁(yè)巖的孔隙體積隨粒徑減小而增大[22,25]。為了確定打開(kāi)不連通孔隙的最佳粉碎粒徑，首先選取R3樣品開(kāi)展不同粒徑的核磁凍融測(cè)試，以分析不連通孔隙的孔徑分布范圍。如圖3所示，隨著測(cè)試樣品粉碎粒徑減小，累積孔隙體積逐漸增加。當(dāng)樣品為柱塞樣時(shí)，孔隙體積增加不明顯；當(dāng)樣品粒徑從柱塞樣粉碎后，孔隙體積增加較明顯，隨后樣品孔隙體積增加緩慢，且孔隙體積增加的比率為41.5%，與采用氦孔法表征的不連通孔隙率相當(dāng)，表明頁(yè)巖樣品粉碎至粒徑0.150～0.075 mm時(shí)打開(kāi)了大部分不連通孔隙。雖然粒徑越細(xì)小，增加的孔隙體積越多，但當(dāng)粒徑小于60目后頁(yè)巖的顆粒被損，導(dǎo)致孔隙孔徑被破壞[23]，使測(cè)試的孔隙體積偏大。因此，通過(guò)對(duì)比小柱塞樣（10 mm×20 mm）與粒徑介于0.150～0.075 mm碎樣的孔隙體積差異所對(duì)應(yīng)的孔徑分布可確定不連通孔隙孔徑分布范圍。為了落實(shí)渝西地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層不連通孔隙的孔徑分布，繼續(xù)測(cè)試剩余柱塞樣（10 mm×20 mm）與粒徑介于0.150～0.075 mm碎樣的孔隙體積。結(jié)果顯示，孔徑介于2～5 nm的孔隙體積與測(cè)試樣品的粒徑基本無(wú)關(guān)；孔徑介于5～30 nm的孔隙體積隨粒徑減小出現(xiàn)顯著增加；孔徑介于30～50 nm的孔隙體積隨粒徑減小增加不明顯（圖4）。由于樣品粉碎至毫米級(jí)時(shí)大部分不連通孔隙被打開(kāi)使其孔隙體積出現(xiàn)顯著增加，且孔徑介于5～30 nm增加明顯。因此，確定頁(yè)巖中不連通孔隙的孔徑分布主要集中于5～30 nm。

圖3 R3樣品不同粉碎粒徑累積孔隙體積分布圖

3 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)及孔徑分布

3.1 孔隙流體類(lèi)型劃分

常規(guī)儲(chǔ)層常采用離心＋核磁共振技術(shù)確定儲(chǔ)層巖石中的可動(dòng)流體與毛細(xì)管束縛流體，離心轉(zhuǎn)速介于4 000～8 000 r/min[26-27]。頁(yè)巖孔徑細(xì)小，需要更高的離心轉(zhuǎn)速（12 000 r/min）才能區(qū)分孔隙中的可動(dòng)流體與毛細(xì)管束縛流體[16]。水力壓裂開(kāi)采頁(yè)巖氣，毛細(xì)管束縛水占據(jù)的孔隙空間常常會(huì)壓裂破壞或被吸水置換，以傳統(tǒng)意義上的毛細(xì)管束縛水確定頁(yè)巖氣儲(chǔ)層有效孔隙下限明顯不足。研究頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙流體分布特征對(duì)評(píng)價(jià)孔隙有效性下限尤為重要。研究區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層含有較高的黏土礦物（表1），儲(chǔ)層孔隙中黏土礦物束縛水含量較高，這部分水屬于黏土礦物的一種屬性，占據(jù)了相關(guān)孔隙而不能儲(chǔ)集天然氣[28]。筆者在離心轉(zhuǎn)速12 000 r/min條件下結(jié)合漸變溫度干燥進(jìn)行頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙流體類(lèi)型劃分，以確定相應(yīng)的核磁共振T2截止值。

經(jīng)過(guò)12 000 r/min離心后，實(shí)驗(yàn)樣品核磁共振T2譜的長(zhǎng)弛豫峰（大孔隙部分）出現(xiàn)明顯減小，短弛豫峰（小孔隙部分）隨離心轉(zhuǎn)速的增加出現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，總減小程度即可動(dòng)流體含量約為25%，同時(shí)伴隨核磁共振T2譜峰左移（圖5），表明大孔隙或微裂縫中的水在離心力作用下被排出孔隙，而小孔隙中的流體排出較少，孔隙空間仍被大量的毛細(xì)管束縛水占據(jù)。因此，經(jīng)12 000 r/min離心后的T2譜曲線可有效區(qū)分頁(yè)巖氣儲(chǔ)層毛細(xì)管束縛流體和可動(dòng)流體，該認(rèn)識(shí)與Liu等[16]取得的認(rèn)識(shí)相一致。經(jīng)離心核磁共振T2譜可獲得頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中的不可動(dòng)流體，但不可動(dòng)流體仍需進(jìn)一步區(qū)分毛細(xì)管束縛水和黏土礦物束縛水。圖5進(jìn)一步表明：隨干燥溫度增加，核磁共振T2譜峰呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，且譜峰出現(xiàn)明顯的左移，最終所有頁(yè)巖樣品譜峰頂點(diǎn)多集中在0.2 ms左右。當(dāng)溫度從40 ℃增加到80 ℃時(shí)，核磁共振T2譜峰下降較明顯；當(dāng)干燥溫度從80 ℃增加到120 ℃時(shí)，核磁共振T2譜峰基本保持不變；溫度再升高到200 ℃時(shí)，核磁共振T2譜又出現(xiàn)較輕微的下降，整個(gè)變化過(guò)程可分為3個(gè)階段：第一階段孔隙度下降較快，表明樣品損失的孔隙水主要以毛細(xì)管束縛流體為主；第二階段孔隙度基本保持不變，主要是黏土礦物束縛水具有較強(qiáng)束縛力，故需要更高的干燥溫度；第三階段是溫度高于120 ℃時(shí)黏土礦物束縛水開(kāi)始大量損失[29]。研究結(jié)果表明，第一階段80 ℃干燥主要損失毛細(xì)管束縛流體，第二階段巖心基本不損失水，第三階段120 ℃干燥可劃分黏土礦物束縛水。考慮到地層埋深約4 000 m，選取120 ℃作為區(qū)分毛細(xì)管束縛水和黏土礦物束縛水的干燥溫度界限。

綜上分析表明，可動(dòng)水和毛細(xì)管束縛水可通過(guò)高速離心＋核磁共振方法確定，漸變干燥＋核磁共振方法可確定毛細(xì)管束縛水和黏土礦物束縛水。

圖4 柱塞樣與碎樣孔隙體積對(duì)比圖

3.2 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔徑定量計(jì)算

通過(guò)核磁共振T2譜和核磁凍融實(shí)驗(yàn)可定量計(jì)算頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔徑分布，核磁共振橫向弛豫時(shí)間（T2）可表示為[30]：

式中T2表示頁(yè)巖樣品的核磁共振橫向弛豫時(shí)間，ms；ρ2表示頁(yè)巖樣品的橫向弛豫率，nm/ms；S表示頁(yè)巖樣品的孔隙表面積，nm2；V表示頁(yè)巖樣品的孔隙體積，nm3；Fs表示頁(yè)巖的孔隙幾何形狀因子（球形孔隙Fs=3；管柱狀孔隙Fs=2）；rc表示頁(yè)巖樣品的孔隙半徑，nm。

孔隙半徑rc可由式（1）轉(zhuǎn)換獲取。

即

式中C2表示孔隙半徑rc與橫向弛豫時(shí)間T2之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)（C2=ρ2Fs）。

實(shí)現(xiàn)核磁共振孔徑分布定量計(jì)算的關(guān)鍵在于確定轉(zhuǎn)換系數(shù)C2。根據(jù)Chen等[31]提出的核磁共振橫向弛豫時(shí)間與孔徑之間的轉(zhuǎn)換方法計(jì)算的轉(zhuǎn)換系數(shù)C2（表2），孔徑分布定量計(jì)算與擬合見(jiàn)圖6。

圖5 不同溫度干燥后的頁(yè)巖核磁共振T2譜圖

4 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙有效性評(píng)價(jià)

4.1 有效孔隙度下限

研究結(jié)果表明，采用離心和漸變溫度干燥可將孔隙流體劃分為可動(dòng)水、毛細(xì)管束縛水和黏土礦物束縛水等3部分。由此定義Tc1和Tc2分別為可動(dòng)水與毛細(xì)管束縛水間的截止值和毛細(xì)管束縛水與黏土礦物束縛水間的截止值，其中120 ℃干燥后核磁共振T2譜峰代表黏土礦物束縛水、有機(jī)質(zhì)和干黏土礦物信號(hào)的總和。這些核磁信號(hào)均來(lái)自頁(yè)巖基質(zhì)，對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)集和運(yùn)移并沒(méi)有貢獻(xiàn)。不論壓裂與否，120 ℃干燥后核磁共振反映的孔隙度均是不可開(kāi)發(fā)的孔隙空間。前已述及，12 000 r/min轉(zhuǎn)速離心后樣品的核磁共振T2譜可獲取可動(dòng)水含量，120 ℃干燥后樣品的核磁共振T2譜可獲得毛細(xì)管束縛水含量，200 ℃干燥后的樣品核磁共振T2譜可獲得黏土礦物束縛水含量，進(jìn)而獲得不同的截止值和頁(yè)巖氣有效孔隙度下限（表2）。

表2 頁(yè)巖樣品T2截止值及其對(duì)應(yīng)孔徑和有效孔隙度計(jì)算表

圖6 核磁共振T2譜與核磁凍融測(cè)試結(jié)果擬合關(guān)系圖

以Z2-1樣品為例，在孔徑分布對(duì)應(yīng)的T2時(shí)間上可將頁(yè)巖核磁共振響應(yīng)劃分為固體和流體兩類(lèi)。流體可進(jìn)一步劃分為自由可動(dòng)水、毛細(xì)管束縛水和黏土礦物束縛水（圖7）?？蓜?dòng)水是直接反映開(kāi)采難易的重要參數(shù)，可通過(guò)飽和樣品離心12 000 r/min獲取，對(duì)應(yīng)的平均核磁共振T2時(shí)間和孔徑下限分別為1.05 ms和21.98 nm，在低于該下限的地層條件下，黏土礦物束縛水占據(jù)的孔隙空間不可能被氣體充填[28]，因此黏土礦物束縛水的T2截止值可作為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層有效孔隙的最小孔徑下限值。6個(gè)頁(yè)巖樣品的有效孔隙對(duì)應(yīng)的平均核磁共振T2時(shí)間和孔徑下限分別為0.26 ms和5.35 nm。前已述及，不連通孔隙的孔徑主要集中于5～30 nm，該孔徑分布范圍大于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層有效孔隙的平均孔隙半徑。同時(shí)，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中不連通孔隙主要發(fā)育于有機(jī)質(zhì)中，即不連通孔隙以有機(jī)孔為主，為不連通孔隙儲(chǔ)集天然氣提供了有利機(jī)會(huì)。

圖7 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)劃分示意圖

4.2 基質(zhì)吸水造縫與自動(dòng)緩解水鎖

大型水力壓裂體積改造是頁(yè)巖氣工業(yè)化開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)，2×104～3×104m3壓裂液泵入地下頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，但壓裂液返排率通常只有5%～40%[32]。成千上萬(wàn)噸壓裂液滯留于儲(chǔ)層孔隙內(nèi)形成水鎖，勢(shì)必嚴(yán)重影響頁(yè)巖氣在儲(chǔ)層孔隙中的流動(dòng)。研究結(jié)果表明，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層在滯留大量壓裂液的同時(shí)，黏土礦物吸水膨脹產(chǎn)生大量的微裂縫[9-11,33-34]，將提高頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的滲流能力。美國(guó)Horn River盆地的頁(yè)巖氣井在壓裂后延長(zhǎng)關(guān)井時(shí)間（悶井）有效地提高了產(chǎn)氣量。壓裂液滲吸對(duì)氣體具有交換作用已得到了實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證[11]，表明頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂后具有“自動(dòng)緩解水鎖”能力。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層與常規(guī)儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)方式不同，適合中國(guó)頁(yè)巖氣的排采機(jī)制主要為“壓后悶井”和“控壓限產(chǎn)”兩種方式[35]，目的是促進(jìn)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層吸水產(chǎn)生微裂縫，自發(fā)緩解頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的水鎖現(xiàn)象。

頁(yè)巖氣水平井段總是存在上下起伏的情況，處于低洼部分的井段儲(chǔ)集的壓裂液較多，其靜液柱壓力相對(duì)較高（圖8-a）。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂后產(chǎn)生的大量裂縫和悶井過(guò)程中黏土礦物吸水膨脹產(chǎn)生的大量微裂縫，不僅是天然氣的滲流通道，更是釋放天然氣后為壓裂液的吸收提供了更多的空間。壓裂和黏土礦物吸水膨脹產(chǎn)生大量的微裂縫可連通頁(yè)巖基質(zhì)中的不連通孔隙，從而達(dá)到增加天然氣釋放和壓裂液吸收的作用，使井筒內(nèi)靜液面高度降低，起到自動(dòng)緩解水鎖的作用（圖8-b）。因此，壓裂改造不僅需要關(guān)注壓裂波及范圍及改造強(qiáng)度，也需要關(guān)注壓裂液性質(zhì)與儲(chǔ)層基質(zhì)的相互作用，打開(kāi)不連通孔隙，增加孔隙可采性，提高頁(yè)巖氣單井產(chǎn)氣量。

圖8 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層自動(dòng)吸水緩解水鎖示意圖

5 結(jié)論

1）渝西地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層碎樣孔隙度明顯大于柱塞樣孔隙度。頁(yè)巖基質(zhì)中不連通孔隙占比為32.30%。不連通孔隙與TOC明顯正相關(guān)，與黏土礦物含量關(guān)系不明顯，不連通孔隙主要發(fā)育于有機(jī)質(zhì)中；樣品粒徑減小，核磁凍融測(cè)試孔隙體積逐漸增加，增加的孔隙體積對(duì)應(yīng)的孔徑分布主要介于5～30 nm，表明不連通孔隙孔徑分布主要集中于5～30 nm。

2）采用離心＋漸變干燥法，結(jié)合核磁共振實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖孔隙中流體賦存狀態(tài)的劃分?？蓜?dòng)水和毛細(xì)管束縛水可通過(guò)高速離心＋核磁共振實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定；漸變干燥＋核磁共振實(shí)驗(yàn)可確定毛細(xì)管束縛水和黏土礦物束縛水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為頁(yè)巖孔隙系統(tǒng)定量劃分奠定了基礎(chǔ)。

3）利用核磁凍融實(shí)驗(yàn)結(jié)果與核磁T2譜擬合，可定量計(jì)算頁(yè)巖孔徑分布。渝西地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中大于21.98 nm的孔隙為可動(dòng)水賦存空間，5.35～21.98 nm的孔隙為毛細(xì)管束縛水賦存空間，小于5.35 nm的孔隙為黏土礦物束縛水賦存空間，該區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可開(kāi)采孔隙下限為5.35 nm。

4）研究區(qū)不連通孔隙孔徑分布主要介于5～30 nm，遠(yuǎn)大于該區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層有效孔隙下限5.35 nm，可見(jiàn)不連通孔隙被打開(kāi)后仍可有效開(kāi)采。有效孔隙度為可動(dòng)流體與毛細(xì)管束縛流體占據(jù)的孔隙體積與巖石總體積之比。渝西地區(qū)頁(yè)巖有效孔隙度介于3.69%～5.58%，平均值為4.34%。

5）壓裂和黏土礦物吸水膨脹產(chǎn)生大量的微裂縫可連通頁(yè)巖基質(zhì)中的不連通孔隙，可增加天然氣釋放和壓裂液吸收以及自動(dòng)緩解水鎖作用。壓裂改造需重點(diǎn)關(guān)注打開(kāi)不連通孔隙，增加孔隙可采性，有效提高頁(yè)巖氣單井產(chǎn)氣量。