熊 健 李羽康 劉向君 梁利喜 丁 乙 侯連浪

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué) 2.頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室

0 引言

2015年，美國能源信息署發(fā)布的頁巖氣資源評價成果報告指出，中國頁巖氣的技術(shù)可采資源量為31.57×1012m3[1]，中國已在四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣的勘探開發(fā)中獲得巨大成功[2]，成為世界上第3個頁巖氣商業(yè)化開發(fā)的國家。頁巖的巖石礦物組成復(fù)雜，主要包括石英、長石、碳酸鹽巖和黏土礦物等，其中黏土礦物主要以伊利石和伊/蒙混層為主[3]。頁巖氣儲層因其低孔低滲特點，水平井和壓裂體積改造成為頁巖氣高效開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)水基鉆井液或水基壓裂液（滑溜水）與頁巖氣儲層接觸時，巖石與水發(fā)生相互作用，產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)變化，導(dǎo)致巖石的物理性質(zhì)發(fā)生改變，如頁巖在微觀、細(xì)觀及宏觀尺度上發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致頁巖力學(xué)性能弱化。頁巖與水接觸后發(fā)生的相互作用被稱為水巖作用[4]。由于頁巖中黏土礦物主要以伊利石和伊/蒙混層為主，水敏膨脹性礦物含量少，頁巖與水接觸后，易發(fā)生水化致裂而不易發(fā)生膨脹分散，而水敏膨脹性泥巖易發(fā)生水化膨脹分散，兩者的水巖作用機制存在較大差異，宏觀表現(xiàn)差異較明顯。水敏性泥巖地層遇水基鉆井液后易發(fā)生井壁垮塌現(xiàn)象較嚴(yán)重[5]，頁巖地層遇水基鉆井液后易發(fā)生井壁垮塌現(xiàn)象[6]，但頁巖地層遇水基壓裂液后地層發(fā)生致裂有利于地層中縫網(wǎng)體積改造，提高壓裂改造效果[7]。因此，對于頁巖氣儲層，水巖作用在頁巖氣勘探開發(fā)過程中有其弊，但也有其利。

目前，水巖作用對頁巖氣儲層的影響主要集中在力學(xué)性能、微觀孔隙結(jié)構(gòu)等方面。水巖作用對巖石力學(xué)性能弱化的影響已有較多學(xué)者開展了研究工作，袁和義等[8]研究了不同鉆井液浸泡后頁巖層理面抗剪強度的變化規(guī)律，認(rèn)為頁巖抗剪強度隨水巖作用時間增加而降低；賈利春等[9]基于直剪試驗發(fā)現(xiàn)水巖作用對頁巖抗剪強度特性的弱化效應(yīng)；騰俊洋等[10]發(fā)現(xiàn)水巖作用會導(dǎo)致頁巖抗拉強度的降低；劉向君等[11]基于三軸力學(xué)實驗，發(fā)現(xiàn)水巖作用會導(dǎo)致巖石抗壓強度和彈性參數(shù)的降低；楊海等[12]基于巴西劈裂實驗，研究了水巖作用下頁巖抗拉強度及張性破壞模式。關(guān)于水巖作用對頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響，前人也進(jìn)行了大量的實驗研究，并取得了較顯著的成果。石秉忠等[13]采用CT掃描結(jié)合掃描電鏡等手段，揭示了硬脆性泥頁巖水巖過程中裂縫的發(fā)展規(guī)律和破壞作用；薛化慶等[14]利用掃描電鏡和微米CT掃描等方法，發(fā)現(xiàn)水巖作用后裂縫發(fā)育程度對孔隙度和滲透率均有影響；Ma等[15]利用CT掃描研究了水巖作用下頁巖中裂縫的演化規(guī)律；隋微波等[16]應(yīng)用場發(fā)射掃描電鏡研究了頁巖水巖作用前、后的微觀孔隙變化，討論了礦物成分及排列方式對頁巖水巖作用的影響，認(rèn)為礦物顆粒沿平行層理面排列壓實時，垂直層理樣品產(chǎn)生的溶蝕孔密度、孔數(shù)量將多余平行層理樣品，碳酸鹽類礦物含量高可能有助于水化后微裂縫的形成；曾凡輝等[17]應(yīng)用低溫氮氣吸附、高壓壓汞等方法，研究了水巖作用對頁巖微觀結(jié)構(gòu)的影響。郭春禮等[18]通過二氧化碳吸附法等方法，為定量表征頁巖水巖作用前后的孔隙發(fā)育特征提供了思路。蔡瀟等[19]提出了一種定量表征頁巖有機孔與無機孔的方法，該方法可用于定量表征水巖作用對這兩種孔的影響。以上研究成果多是從單一角度來分析或指導(dǎo)分析水巖作用的影響，缺乏系統(tǒng)分析水巖作用對頁巖巖石物理性質(zhì)的影響。

因此，為了系統(tǒng)地揭示水巖作用對頁巖氣儲層巖石物理性質(zhì)的影響規(guī)律，以四川盆地龍馬溪組頁巖為例，開展高壓甲烷等溫吸附實驗、基礎(chǔ)物性測試、超聲波測量、力學(xué)測試（單軸壓縮試驗和斷裂韌性測試）與低壓氮氣吸附測試，剖析水巖作用對頁巖吸附性能、基礎(chǔ)物性、聲波特性、力學(xué)特性的影響。在此基礎(chǔ)上，定量研究水巖作用過程中頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，以期解釋頁巖水化產(chǎn)生的宏觀結(jié)構(gòu)以及物理特性變化的內(nèi)在原因，為頁巖儲層井壁穩(wěn)定和儲層改造提供理論支持。

1 實驗樣品與實驗方法

筆者所在的課題組對龍馬溪組頁巖水巖作用及其作用機制做了大量研究，并取得了一些認(rèn)識[20-22]。前期的研究結(jié)果[20]認(rèn)為，不同地區(qū)龍馬溪組頁巖水巖作用程度不同，水巖作用差異明顯。實驗中一部分樣品破裂成碎塊，一部分樣品表面分布宏觀裂縫但保持其完整性，還有部分樣品表面無明顯宏觀裂縫。為了便于系統(tǒng)研究水巖作用對頁巖氣儲層巖石物理性質(zhì)的影響規(guī)律，選擇水巖作用下巖樣表面無明顯宏觀裂縫的龍馬溪組頁巖樣品作為筆者本次研究的實驗樣品，進(jìn)一步闡述水巖作用對頁巖致裂程度的影響。筆者本次研究開展了頁巖礦物組成測試、總有機碳含量（TOC）測試、孔隙結(jié)構(gòu)分析、高壓甲烷等溫吸附測試、基礎(chǔ)物性測試（孔隙度和滲透率）、聲波測試、力學(xué)測試（單軸壓縮測試和斷裂韌性測試），實驗樣品統(tǒng)計如表1所示。

表1 水巖作用實驗樣品統(tǒng)計表

X射線衍射和總有機碳含量（TOC）測試實驗樣品6個，取自四川盆地南部地區(qū)N203井龍馬溪組頁巖，測試結(jié)果如表2所示。從表2中可看到龍馬溪組頁巖樣品TOC較高，礦物組成較復(fù)雜，含有多種礦物成分，且礦物含量的分布范圍廣，礦物成分以石英、黏土礦物為主，黏土礦物又以伊利石和綠泥石為主。頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)觀察采用場發(fā)射掃描電鏡，觀察樣品4個，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，龍馬溪組頁巖樣品的納米級孔隙發(fā)育，其中微孔隙和微裂縫均較發(fā)育（圖1），在鉆井壓差以及毛細(xì)管壓力作用下，這會為流體進(jìn)入頁巖地層內(nèi)部空間提供滲流通道。反映了頁巖巖石的礦物組成和孔隙結(jié)構(gòu)為頁巖與水相互作用提供了條件。

表2 N203井龍馬溪組頁巖TOC和礦物組成數(shù)據(jù)表

圖1 N203井龍馬溪組頁巖微觀特征照片

按照實驗?zāi)康?，分別制取120目顆粒、圓柱體、40～60目顆粒用于不同類型實驗，其中120目顆粒樣進(jìn)行干燥和平衡水條件下高壓甲烷等溫吸附實驗，圓柱體進(jìn)行不同浸泡時間下（0 d、1 d、5 d、10 d）基礎(chǔ)物性測試、超聲波測量、力學(xué)測試（單軸壓縮試驗和斷裂韌性測試），40～60目顆粒樣進(jìn)行不同浸泡時間下（0 d、1 d、5 d、10 d）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《氣體吸附BET法測定固態(tài)物質(zhì)比表面積》（GB/T 19587—2004）[23]和《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度第2部分：氣體吸附法分析介孔和大孔》（GB/T 21650.2—2008）[24]，使用Quadrasorb?SI表面積分析儀和孔徑分析儀在相對壓力（即平衡壓力/飽和蒸汽壓力）范圍介于0.010～0.995、溫度為77 K的低溫環(huán)境下進(jìn)行低壓氮氣吸附/解吸，獲取孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中浸泡時間模擬水巖作用時間，且浸泡時間為累積時間。在實驗過程中，浸泡流體為去離子水，每次浸泡完后的樣品需進(jìn)行低溫（40 ℃）烘干48 h。基于低壓氮氣吸附測試，獲取不同浸泡時間下的低壓氮氣吸附—脫附曲線。根據(jù)De Bore提出的吸附回線類型[25]和國際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）推薦的吸附回線分類[26]對孔隙的開放程度和孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性評價。在相對壓力介于0.05～0.30范圍內(nèi)利用Brunauer-Emmett-Teller（BET）吸附模型[27]計算比表面積。選用Barrett-Joiner-Halenda（BJH）圓柱孔模型[28]對氮氣的吸附—脫附曲線進(jìn)行處理，計算樣品孔徑分布特征、累計孔隙體積（總孔容）、累計比表面積分布曲線等。最后，采用分形維數(shù)進(jìn)一步描述孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性?；贔renkel-Halsey-Hill（FHH）模型[29]分形維數(shù)理論得到分形維數(shù)計算公式[30-32]：

式中V表示平衡壓力為p時所吸附氣體的體積，m3；p表示平衡壓力，MPa；p0表示飽和蒸汽壓壓力，MPa；D表示分形維數(shù)；C為常數(shù)。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 吸附性能

筆者所在課題組的前期研究結(jié)果[33]認(rèn)為，頁巖中無機孔隙表面對水分子的吸附能力強于對甲烷分子的吸附能力，水分子優(yōu)先吸附在無機孔隙表面；有機質(zhì)孔隙中的水分子優(yōu)先吸附在有機質(zhì)含氧官能團附近，水分子占據(jù)頁巖孔隙中甲烷分子的吸附位和吸附空間，造成對甲烷吸附能力降低，使處于吸附相的甲烷向游離相轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致甲烷的解吸。不同濕度狀況下的頁巖等溫吸附線如圖2-a所示，處于干燥條件下的頁巖的甲烷絕對吸附量大于處于平衡水條件下的頁巖，即頁巖對甲烷的吸附量隨著巖樣濕度增加而降低，說明水相的存在導(dǎo)致頁巖對甲烷吸附能力的降低。同時，基于課題組建立的龍馬溪組頁巖干酪根分子結(jié)構(gòu)模型[34]，采用分子模擬方法可得到不同含水率（即孔隙中的水重量/干酪根的總重量）條件下龍馬溪組頁巖干酪根中甲烷分子的等溫吸附線如圖2-b所示。隨著含水量增加，甲烷的絕對吸附量呈下降趨勢，這是因為孔隙中水分子部分吸附在干酪根分子表面的含氧團能團附近，占據(jù)了甲烷分子吸附空間所致，且水分子數(shù)量越多，占據(jù)的甲烷分子吸附空間越大。當(dāng)含氣頁巖遇水后，水相不僅進(jìn)入頁巖無機孔隙中，也會吸附在有機質(zhì)的含氧官能團附近，水分子會置換表面處于吸附狀態(tài)的甲烷分子，占據(jù)甲烷分子的吸附空間，降低頁巖對甲烷的吸附能力，從而促進(jìn)甲烷解吸。

圖2 不同條件下龍馬溪組頁巖/干酪根中甲烷分子的等溫吸附線圖（60 ℃）

2.2 孔隙度和滲透率

孔隙度與滲透率在西南石油大學(xué)國家重點實驗室采用HKGP—3型致密巖心氣體滲透率孔隙度測定儀測定，頁巖巖樣的孔隙度測量采用氣體等溫膨脹法，滲透率測量采用壓力脈沖法，參照國家標(biāo)準(zhǔn)《頁巖氦氣法孔隙度和脈沖衰減法滲透率的測定》（GB/T 34533—2017）[35]。不同浸泡時間下頁巖巖樣的孔隙度和滲透率變化規(guī)律如圖3所示。從圖中可看出，隨著浸泡時間增加，巖樣的孔隙度和滲透率呈現(xiàn)先快速上升后緩慢上升，其中浸泡時間達(dá)到10 d時，頁巖樣品的孔隙度增加約1.4倍，滲透率增加約11倍，頁巖滲透率的增大幅度明顯大于孔隙度。浸泡后，頁巖巖樣因水巖作用生成微裂縫，導(dǎo)致頁巖巖樣的滲透率和孔隙度增大，會在一定程度上改善頁巖中氣體的滲流阻力，有利于頁巖中氣體的流動。薛華慶等[14]也認(rèn)為水巖作用后巖樣的孔隙度和滲透率呈增大趨勢，滲透率的增長倍數(shù)明顯大于孔隙度；水巖作用后巖樣形成的裂縫對巖樣滲透率影響較大，對巖樣孔隙度影響幅度較小。

圖3 不同浸泡時間下龍馬溪組頁巖物性變化圖

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)

不同浸泡時間下龍馬溪組頁巖巖樣的低壓氮氣吸附—脫附等溫線如圖4所示，吸附—脫附等溫線的曲線形態(tài)迥異表明頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)存在差異，即水巖作用造成了頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化。當(dāng)相對壓力大于0.4時，頁巖巖樣的低壓氮氣吸附等溫線和脫附等溫線發(fā)生分離，形成吸附回線，或滯回環(huán)。根據(jù)De Boer分類法[25]和IUPAC分類法[26]，不同浸泡時間下龍馬溪組頁巖的等溫曲線均可分為De Boer分類法的B型和IUPAC分類法的H2型，該類曲線反映出頁巖孔隙形態(tài)呈開放性，主要以墨水瓶狀孔為主，含有4邊都開口的平行板狀孔或兩端開口圓筒狀等。同時，從圖4中還可看到，隨著浸泡時間的增加，頁巖的滯回環(huán)的形態(tài)并無明顯改變，低壓氮氣吸附—脫附等溫線的形態(tài)變化也不明顯，反映水巖作用過程中頁巖孔隙形態(tài)類型未發(fā)生較大變化，即水巖作用對頁巖孔隙形態(tài)類型影響較?。坏堑蛪旱獨馕健摳降葴鼐€的曲線斜率逐漸變陡，表明在相同的相對壓力下，液氮的吸附量或脫附量隨著浸泡時間增加而呈增大趨勢，反映了頁巖的比表面積和總孔容隨著浸泡時間增加而增大?；诘蛪旱獨馕健摳角€，將相對壓力為0.99時的吸附量作為總孔容，采用BET吸附等溫線方程計算比表面積，結(jié)果見表3。從表3中可看出，隨著浸泡時間增大，巖樣比表面積、總孔容呈增大趨勢，平均孔徑也呈增大趨勢，這與前人研究成果存在差異[17,36]，曾凡輝等[17,36]研究認(rèn)為水巖作用造成頁巖比表面積總體上呈增大趨勢，但隨著浸泡時間增加，頁巖比表面積先增大后減小，是水巖作用過程中頁巖中膨脹軟化的黏土礦物堵塞孔隙導(dǎo)致了比表面積減小。這種實驗結(jié)果的差異可能與實驗樣品差異有關(guān)，本文參考文獻(xiàn)[17,36]中實驗樣品的黏土礦物伊/蒙混層含量較高，含量介于7.45%～16.51%，而筆者本次實驗樣品中伊/蒙混層含量較低，含量介于1.09%～2.77%。一般認(rèn)為，黏土礦物中蒙脫石水化膨脹性較高，伊利石水化膨脹性較低，伊/蒙混層的水化膨脹性居于兩者之間[4,17,36]，龍馬溪組頁巖的水化膨脹性主要來源于伊/蒙混層礦物的膨脹。因此，水巖作用過程中，伊/蒙混層礦物的膨脹可能造成兩者實驗結(jié)果的差異。

圖4 不同浸泡時間下龍馬溪組頁巖低壓氮氣吸附—脫附曲線圖

表3 不同浸泡時間下龍馬溪組頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和分形維數(shù)表

利用BJH法對頁巖巖樣的低壓氮氣吸附—脫附等溫線中脫附分支曲線進(jìn)行處理，可以得到孔徑分布曲線、孔隙體積占比、累計孔隙體積（總孔容）分布圖、累計比表面積分布圖（圖5）。從圖5-a可知，隨著浸泡時間增加，頁巖的微孔對孔隙體積的貢獻(xiàn)增大，中孔對孔隙體積的貢獻(xiàn)降低；從圖5-b可看出，不同浸泡時間下，龍馬溪組頁巖孔徑主要集中在10 nm以內(nèi)；從圖5-c、d可發(fā)現(xiàn)累計孔隙體積、比表面積隨著孔徑增加而先快速上升后緩慢上升，且在孔徑10 nm以內(nèi)增加幅度較大；累計孔隙體積、累計比表面積整體上隨浸泡時間增加而增大。水巖作用導(dǎo)致頁巖內(nèi)部產(chǎn)生了新的微孔隙和微裂縫，從而引起頁巖的孔徑分布、比表面積和孔隙體積隨浸泡時間的變化而變化。

圖5 不同浸泡時間下10號頁巖樣品孔徑、累計孔容、比表面積分布特征圖

2.4 聲波特性

不同浸泡時間下龍馬溪組頁巖樣品的波速變化和聲波衰減系數(shù)變化如圖6所示。從圖中可看出，隨著浸泡時間的增加，頁巖的聲波速度降低、衰減系數(shù)增大，其中浸泡時間增加到10 d時，頁巖樣品的聲波速度降低約0.1倍，衰減系數(shù)增加約5倍，衰減系數(shù)的增幅要明顯大于波速降幅，說明水巖作用后龍馬溪組頁巖的聲波衰減敏感度程度要大于波速敏感性程度。水巖作用產(chǎn)生新的微孔隙和新的微裂隙（圖7），造成聲波傳播時在頁巖中反射、折射和衍射次數(shù)增多，導(dǎo)致頁巖的聲波傳播速度降低和聲波衰減系數(shù)大幅增大。楊海等[12]、石秉忠等[13]、薛華慶等[14]、隋微波等[16]基于微CT和場發(fā)射掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn)水巖作用過程中頁巖形成了新的微孔隙和微裂隙。這也表明水巖作用下龍馬溪組頁巖發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，導(dǎo)致頁巖巖石力學(xué)強度降低，且浸泡時間越長，聲波速度下降幅度越大，結(jié)構(gòu)損傷程度越大，巖石力學(xué)強度下降幅度越大?？狄懔Φ萚38]發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組7段頁巖中水巖作用對聲波時差的影響，頁巖浸泡鉆井液后的聲波時差增大，浸泡蒸餾水后的聲波時差增大幅度最大，浸泡白油后的聲波時差無明顯變化；王光兵等[39]發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地中二疊統(tǒng)石盒子組頁巖浸泡水基鉆井液后的聲波速度降低，衰減系數(shù)增大；Liu等[40]發(fā)現(xiàn)渤海灣盆地古近系漸新統(tǒng)沙河街組泥巖浸泡水基鉆井液后的聲波時差呈增大趨勢，并隨著浸泡時間增加，增加幅度越大；萬有維等[41]發(fā)現(xiàn)塔里木盆地下白堊統(tǒng)巴西改組泥巖浸泡水基鉆井液后的聲波時差、衰減系數(shù)呈增大趨勢。以上研究成果都表明水巖作用會導(dǎo)致巖石發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)而引起巖石聲波屬性參數(shù)發(fā)生變化。

圖6 不同浸泡時間下龍馬溪組頁巖聲波速度和衰減系數(shù)變化圖

圖7 N203井龍馬溪組頁巖浸泡前后巖樣的掃描電鏡前后對比圖（9號樣品）

不同浸泡時間下龍馬溪組頁巖巖樣的時域圖和頻域圖如圖8所示。從圖8-a、b中可看出不同浸泡時間下頁巖的聲波時域圖發(fā)生了變化，差異較明顯，聲波信號的尾波也較發(fā)育，說明聲波信號在浸泡后頁巖中發(fā)生折射、散射、反射等現(xiàn)象增多。隨著浸泡時間增加，頁巖聲波速度下降，聲波衰減系數(shù)增大，說明頁巖與水接觸后，在水巖作用下，頁巖內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，且隨著浸泡時間增加，變化程度增加。王光兵等[39]發(fā)現(xiàn)，鄂爾多斯盆地石盒子組頁巖浸泡鉆井液后的聲波時域信號發(fā)生改變；萬有維等[41]發(fā)現(xiàn)，塔里木盆地巴西改組泥巖浸泡鉆井液后的聲波時域信號也發(fā)生改變。從圖8-c、d中可看出浸泡時間對聲波頻譜曲線影響較明顯。在相同激發(fā)信號下，隨著浸泡時間增加，頁巖巖樣的主峰對應(yīng)頻率向低頻方向偏移，說明隨著浸泡時間增加，頁巖聲波信號能量集中區(qū)域逐漸由高頻向低頻偏移。王光兵等[39]發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地石盒子組頁巖浸泡鉆井液后的聲波頻域信號主頻向左偏移；萬有維等[41]發(fā)現(xiàn)塔里木盆地巴西改組泥巖浸泡鉆井液后的聲波頻域信號主頻向左發(fā)生偏移。因此，水巖作用會導(dǎo)致巖石的時域信號和頻域信號發(fā)生改變，水巖作用下頁巖內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，微孔隙和微裂縫增多，孔隙結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致了巖石對聲波信號中不同頻率成分吸收不同；在相同激發(fā)信號下，微裂縫增多致使巖石對聲波信號中高頻部分吸收增多，對低頻部分吸收減少，造成聲波信號中低頻部分所占比例增加，從而導(dǎo)致主頻降低。隨著浸泡時間的增加，頁巖內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化程度增大，導(dǎo)致聲波信號的主頻偏移幅度增大。綜上所述表明，水巖作用會導(dǎo)致頁巖聲波屬性參數(shù)發(fā)生較明顯的變化，水巖作用后頁巖的聲波屬性參數(shù)不能反映頁巖地層原狀條件下的物理特性。在鉆井過程中，鉆井液與頁巖接觸后，頁巖的聲波屬性參數(shù)發(fā)生變化，聲波測井獲取的頁巖聲波信息不能反映頁巖地層原狀條件下的物理特性。因此，需要對頁巖的聲波測井曲線進(jìn)行“去水化校正”，才能獲取頁巖地層原狀條件的物理特性。

圖8 不同浸泡時間下龍馬溪組頁巖的時域圖和頻域圖

2.5 力學(xué)特性

巖石聲波測試獲得的巖石聲波屬性參數(shù)可以反映出巖石力學(xué)特性信息，不同浸泡時間下巖石的聲波屬性參數(shù)變化，在一定程度上反映不同浸泡時間下巖石力學(xué)特性的變化。不同浸泡時間下龍馬溪組頁巖巖樣的單軸抗壓強度和斷裂韌性的變化規(guī)律如圖9-a、b所示。從圖中可看出，隨著浸泡時間的增加，頁巖的單軸抗壓強度和斷裂韌性降低，這可能是水巖作用后，頁巖內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，微孔隙和微裂縫增多，造成頁巖的巖石結(jié)構(gòu)損傷，從而導(dǎo)致頁巖樣品的力學(xué)強度和斷裂韌性降低。袁和義等[8]、賈利春等[9]、騰俊洋等[10]、劉向君等[11]、楊海等[12]研究結(jié)果也認(rèn)為隨著水基鉆井液浸泡時間增加，頁巖抗張強度、抗剪強度、抗壓強度等力學(xué)強度均降低。水巖作用會導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而引起巖石力學(xué)強度的弱化。在頁巖氣地層鉆井過程中，水巖作用下的頁巖巖石力學(xué)強度和斷裂韌性降低，水巖作用在頁巖中裂縫尖端處導(dǎo)致應(yīng)力集中，造成頁巖中裂縫尖端處應(yīng)力強度因子增大（圖9-c）。隨著水巖作用時間的增加，頁巖的巖石斷裂韌性繼續(xù)降低，頁巖中裂縫尖端的應(yīng)力強度因子持續(xù)增大，更易誘發(fā)頁巖地層的井壁巖石掉塊，對鉆井帶來挑戰(zhàn)；在水力壓裂過程中，水巖作用造成頁巖中裂縫尖端處應(yīng)力強度因子增大（圖9-c），隨著水巖作用時間的增加，更有利于頁巖中裂縫延伸與擴展，有利于裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成，進(jìn)一步提高頁巖氣的滲流能力。

圖9 不同浸泡時間下龍馬溪組頁巖的力學(xué)參數(shù)變化圖

水基流體與頁巖接觸后，因毛細(xì)管效應(yīng)或壓差作用，水相進(jìn)入頁巖內(nèi)部，因頁巖富含納米級孔隙，毛細(xì)管力較大，原本滯留在頁巖孔隙中的水相迅速擴散，降低了壓裂區(qū)域的水相飽和度，滲流通道逐步開放，一定程度上減緩了水鎖[42-43]。在不考慮頁巖氣儲層中水鎖影響時，當(dāng)水與頁巖接觸后，一方面水分子可置換孔隙表面處于吸附態(tài)的甲烷分子，促進(jìn)頁巖氣的解吸；另一方面，頁巖與水之間發(fā)生相互作用，水巖作用增大頁巖的孔隙度和滲透率，一定程度改善頁巖的物性，降低頁巖的巖石力學(xué)強度和斷裂韌性，增加頁巖中裂縫尖端處的應(yīng)力強度因子，有利于頁巖中裂縫的延伸與擴展，使頁巖氣的滲流阻力降低，有利于頁巖氣滲流速度加快，降低頁巖氣藏的壓力，進(jìn)一步促進(jìn)頁巖氣解吸速率加快，從而提高頁巖氣單井產(chǎn)量，加快頁巖氣開發(fā)進(jìn)度，縮短頁巖氣井的生命周期，提高頁巖氣開發(fā)的綜合效益。

3 結(jié)論

1）頁巖中水相的存在會降低甲烷的吸附量，導(dǎo)致頁巖對甲烷吸附能力降低；隨著浸泡時間的增加，頁巖的孔隙度和滲透率呈增大趨勢，且滲透率的增大幅度明顯大于孔隙度。

2）隨著浸泡時間的增加，頁巖聲波速度降低、衰減系數(shù)增大，且衰減系數(shù)的增幅要明顯大于波速的降幅，說明水巖作用后頁巖的聲波衰減敏感度程度要大于波速敏感程度。

3）隨著浸泡時間的增加，頁巖的比表面積、總孔容、平均孔徑呈增大趨勢；較大孔隙（孔徑大于5 nm）的分形維數(shù)隨著浸泡時間的增加而增大，水巖作用后頁巖的大孔隙的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜化程度增大。

4）水巖作用會導(dǎo)致頁巖的巖石強度和斷裂韌性降低，誘發(fā)頁巖氣地層鉆井過程中的井壁掉塊，給鉆井帶來挑戰(zhàn)；在水力壓裂過程中，水巖作用會導(dǎo)致頁巖中裂縫尖端處應(yīng)力強度因子增大，有利于頁巖中裂縫延伸與擴展并形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，這將加快頁巖氣滲流速度，促進(jìn)頁巖氣解吸，提高頁巖氣產(chǎn)量和頁巖氣開發(fā)的綜合效益。