左罗1,2,3，张世昆1,2，沈子齐1,2，许国庆1,2渗，曾星航1,2，刘学鹏1,2，周朝1,2，杜娟1,2
(1. 中国石化页岩油气钻完井及压裂重点实验室 北京 ; 2. 中石化石油工程技术研究院有限公司北京 ; 3. 中海油田服务股份有限公司油田生产事业部 天津 )
基金项目:页岩油气富集机理与高效开发全国重点实验室专项()资助。
摘要:针对目前四川盆地复兴地区大规模水力压裂后压裂液渗吸(滞留)提采与伤害机制不清、焖井时间界限及高效压裂液体系优化方向不明确等问题,通过开展不同压裂液渗吸实验,对渗吸前后孔径、孔渗及核磁共振T2谱进行对比分析,并进行压裂液与页岩油储层作用的分子动力学模拟,系统研究了页岩油储层压裂液渗吸作用机理。研究结果表明,孔隙度、小孔/微孔发育程度以及黏土矿物总含量、石英与伊/蒙混层含量对渗吸驱油效果有重要影响,孔隙度越大、小孔/微孔越发育,黏土矿物、石英及伊/蒙混层含量越高越有利于渗吸驱油;整体上渗吸作用有利于复兴地区页岩油储层扩孔、增渗及提采,优良的驱油压裂液会增加扩孔、增渗及提采效果70%及以上;含有氧乙烯基等非离子型官能团的压裂液体系对储层整体孔径分布区间有明显影响,微观上能100%将页岩油分子驱散并从有机质孔隙壁面剥离;确保239 h的渗吸滞留时间有利于减小储层伤害,使用含有氧乙烯基等非离子型官能团的压裂液体系会进一步减小储层伤害并提高渗吸驱油效果。
关键词:页岩油;压裂;渗吸;焖井时间;储层伤害;分子模拟
中国页岩油资源丰富,初步评价有利勘探面积为(41~54)×104 km2,主要盆地可采资源量达到(10~15)×108 t[1]。目前初步成功开发了鄂尔多斯盆地三叠系延长组、准噶尔盆地二叠系芦草沟组、松辽盆地白垩系青山口组—泉头组等[2-7],落实了3个10×108 t级页岩油区,页岩油已成为中国非常规油气中最现实的接替资源之一。
四川盆地复兴地区中侏罗统—下侏罗统主要发育3套半深湖亚相泥页岩,其中凉高山组泥页岩层厚度大、有机质含量高,是页岩油气重要的富集层位[8-10]。前期勘探发现富有机质泥页岩主要集中在凉高山组一段的2号、3号小层以及二段的4号小层,主要发育粉砂质泥岩、灰黑色页岩、灰黑色泥页岩、泥质粉砂岩、灰色泥岩夹薄层粉砂岩及粉砂岩,局部发育介壳纹层或条带。3个小层TOC为0.27%~3.03%、平均约为0.96%,镜质体反射率为0.94%~1.44%,以生凝析油—轻质油为主;孔隙度为1.45%~4.90%、平均为3.30%,整体以介孔为主,有利于游离态页岩油富集;全烃含量为6.07%~49.46%,含油气性较好。2—4号小层油烃饱和指数OSI[烃类物质的含量与岩石中的总有机碳(TOC)含量的比值]平均在23.14~140.49mg/g,烃类具有流动性,其中4号小层流动性最好,与美国Eagle Ford和中国大庆古龙页岩油类似[11-12]。储层压力系数一般在1.2~1.4,而且原油黏度较小(50 ℃下为9.97 mPa·s),含蜡量小于3%,胶质与沥青质总含量小于1%。因此,凉高山组页岩油可动用潜力大[13-14],是勘探开发的重点区域。页岩油储层致密,一般无自然产能,必须经过大规模水力压裂才有可能实现经济开发,目前最终采收率仍处于较低水平。为释放页岩油储层的产能,页岩油井在大规模水力压裂后常进行“焖井”,以提高压裂液的渗吸驱油效果,从而提高压后产量,该技术在矿场实验中取得一定效果[15-18]。
研究表明,压裂液与储层的渗吸作用可以提高储层采收率[19-20],近年来在页岩油领域主要是通过渗吸物理模拟实验以及渗吸数学模型研究影响页岩油储层渗吸的关键因素[15,21-31]。研究认为,黏土矿物含量、孔隙度、层理发育程度、储层孔径大小、渗吸致裂、压裂流体性能以及储层岩石的润湿性对渗吸有重要影响;采用使岩心润湿反转的阴离子纳米表面活性剂可以提高渗吸驱油效率。通过对焖井时间进行定性分析认为,焖井后渗吸是否致裂对页岩油压后产量有明显影响。压裂液渗吸能够在一定程度上提高页岩油的采收率,但针对复兴地区页岩油渗吸机理方面的研究相对较少,缺少储层矿物特征、孔隙特征对渗吸影响特征的认识,尚未明确何种类型的压裂液体系有利于提高渗吸驱油效率以及相关驱油机制,对压裂液滞留伤害特征及机制也存在认识上的不足。此外,该区块驱油压裂液体系的优化方向还需要进一步探索。因此,需要深入研究压裂液与页岩油储层相互作用机制,揭示复兴地区页岩油储层不同压裂液带压渗吸、滞留伤害等微观机理。
笔者以复兴地区页岩油储层为研究对象,通过开展不同压裂液体系渗吸特征研究,以明确相关提采及伤害机制。
1 研究方案
利用复兴地区页岩油储层岩心制作实验平行样品(尽可能确保实验样品的均质统一),在不同压裂液体系下开展柱状岩心(尺寸为Φ25 mm×50 mm)/粉末样的渗吸实验,通过核磁共振、扫描电镜、低温二氧化碳及液氮吸附、高压压汞分析计算不同条件下的驱油效率及孔径分布数据,以此研究储层孔径分布、矿物组成对渗吸的影响特征,不同压裂液体系的渗吸特征及渗吸作用对储层孔隙的影响特征等。
实验流体为:①常规滑溜水;②常规滑溜水(不加防膨剂);③驱油压裂液A(阴离子+非离子体系);④驱油压裂液B(阴离子体系);⑤驱油压裂液C(阴离子体系)。主体实验研究技术路线如图1所示。
图1 实验技术路线
Fig.1
考虑到储层温度一般约在70 ℃以及压裂过程中净压力约在15 MPa,设置渗吸实验温度在70 ℃、渗吸压差为15 MPa及30 MPa。一般情况下页岩储层渗吸饱和时间为7~10 d[32],故设置渗吸时间为168~250 h,考虑到渗吸滞留伤害研究需要,部分样品渗吸时间最长设置到480 h。渗吸实验流体选用目前压裂现场主流的5种压裂液体系,实验方案见表1。
为研究储层主要矿物对渗吸的影响特征设计了不同矿物类型的表面能测试(表2),测试方法为OWRK法[33],选用水和二碘甲烷两种液体作为测试流体,分析其在不同矿物表面的接触角,以此计算固体表面张力的非极性值和极性值,两者相加得到固体表面能。所用矿物及干酪根由目标储层岩样提取。为分析不同压裂液体系微观驱油机制差异,设计70 nm微孔中不同压裂液接触角及固液表面张力测试(表3),并开展压裂液与页岩油储层作用的分子动力学模拟。
主要涉及的实验仪器有场发射扫描电镜、核磁共振岩心分析仪、流体渗吸装置、电子天平、高压压汞孔径分析仪、液氮孔径分析仪,低温二氧化碳孔径分析仪、接触角测量仪等。
2 实验及模拟结果分析
2.1 不同孔径分布下的渗吸特征
从测试数据来看,s2号样品孔径小于2 nm的微孔主要分布在0.4~1.0 nm,s4号样品则主要分布在1.1~1.6 nm(图2)。s2号样品50 nm以下孔径的孔隙对总孔隙体积的贡献大于s4号样品(图3)。
图2 液氮和低温CO2吸附表征的孔隙体积与孔径分布
Fig.2 Pore and pore by and low
图3 高压压汞孔径分布曲线
Fig.3 High- size curve
此外,s2号样品的BET比表面积明显高于s4号样品的比表面积,3种方法得出的孔隙体积也是s2号样品更大(表4)。由此可以看出,s2号样品微观孔隙发育程度明显好于s4号样品。测试结果表明,s2号样品的渗吸驱油效率优于s4号样品(表5),说明同等条件下介孔与微孔越发育越有利于渗吸驱油。
2.2 矿物组成对渗吸的影响特征
固体表面能对流体润湿有较大影响,表面能越大,流体越容易润湿。采用OWRK法分析了黏土矿物、石英及有机质的表面能发现,石英、伊/蒙混层的表面能较大(随蒙脱石含量增加而增大),说明储层中石英、伊/蒙混层含量越高越有利于压裂液的润湿(间接利于驱油)(图4)。黏土矿物含量越高,渗吸后产生诱导微裂缝的能力越强(图5)。
图4 不同物质的表面能
Fig.4 of
图5 不同样品渗吸后产生的诱导微裂缝
Fig.5 of
2.3 不同压裂液渗吸对孔隙的影响特征
对于大孔(孔径50 nm以上孔隙)的变化特征,从高压压汞孔径测试结果来看(表6),渗吸作用整体有利于扩孔,压汞孔隙度增幅为89%~236%,除驱油剂C体系外平均孔径增幅为17.84%~74.59%;整体效果为:驱油剂A体系>滑溜水体系>不加防膨剂滑溜水体系>驱油剂B体系>驱油剂C体系。
对于介孔(孔径2~50 nm孔隙)的变化特征,从测试结果来看,驱油压裂液A及滑溜水体系更有利于提高孔径11~50 nm孔隙的体积,驱油压裂液B及C体系主要影响的是孔径2~10 nm的孔隙体积(表7),不加防膨剂滑溜水体系对介孔的影响较弱。
对于微孔(孔径2 nm及以下孔隙)的变化特征,从低温二氧化碳孔径分析测试结果来看(表8),常规滑溜水作用后微孔孔隙体积增加17倍,不加防膨剂增加11倍,驱油压裂液A增加19倍,驱油压裂液B增加9.5倍,驱油压裂液C增加12.5倍,说明渗吸同样对孔径小于2 nm的微孔有明显影响。
整体来看,驱油压裂液A、B及C的加入比较有利于增大介孔及微孔的体积,驱油压裂液B及C不利于增加1~2 nm孔隙的体积占比,基本对大于50 nm孔隙的体积占比没有影响,说明两者主要影响的是储层介孔(2~50 nm)孔隙体积的变化。驱油压裂液A则对储层整个孔径分布区间的孔隙体积均有影响,说明其对储层的适用性更好。与常规滑溜水相比,驱油压裂液A对2~10 nm介孔的影响及小于1 nm的微孔影响更大。
从图2、图3可以看出,目标储层10 nm及以下的孔隙占比较大,因此,采用驱油压裂液A将比较有利。此外,加入防膨剂对扩孔的影响较大,防膨剂的加入可以有效保持孔径。
2.4 不同压裂液渗吸驱油特征
从不同条件下的驱油效率来看(表9),驱油压裂液A在同等或相对劣势条件下的驱油效率均较高,驱油性能上的差异主要在于驱油剂A分子中含有氧乙烯基等非离子型官能团,其水溶性、洗油性较强,致使驱油压裂液A的表/界面张力低,润湿性强,在小微孔隙中仍然具有较小的接触角及液固界面张力(表10、图6)。
图6 70 nm氧化铝膜中不同体系的接触角和界面张力
Fig.6 and of agent in 70 nm film
为进一步研究3种驱油压裂液在驱油机制方面的差异,通过软件建立了压裂液与页岩油储层作用的分子动力学模型。页岩孔隙表面分子模型由伊/蒙混层及Ⅱ型干酪根分子构成,蒙脱石、伊利石及Ⅱ型干酪根建模参数参考、Drits等的工作[34-36],以构建的蒙脱石超晶胞及伊利石超晶胞为基础,按照蒙脱石—伊利石—蒙脱石的层序构建伊/蒙混层的晶体结构。页岩油分子模型考虑12种极性小分子、12种非极性小分子及2种弱极性小分子,其中极性组成和非(弱)极性组成约各占50%[37],各组分摩尔分数见表11。
采用力场进行处理,在346.15K和30 MPa下得到周期性分子团结构。在基础的分子模型基础上,建立驱油剂分子与水分子的组装模型,模型中驱油剂分子质量分数占10.7%,水分子占89.3%,通过力场得到周期性分子团结构。
在页岩孔隙表面模型基础上,将页岩油分子团分别与3类驱油分子团共同放置在页岩孔隙表面,形成分子动力学模型(图7)。
图7 分子动力学模型
Fig.7 model
采用NVT系综及力场对界面模型进行分子动力学模拟,模拟温度为346.15 K,压力为30MPa,模拟时间为1 000 ps。模拟结果表明,3种驱油剂压裂液体系均对页岩油分子团有分散作用,但只有驱油压裂液A能有效将页岩油分子驱离有机质孔隙壁面[图8(a)],驱油压裂液B及C无法从有机质孔隙壁面剥离页岩油分子[图8(b)、图8(c)]。因此,驱油压裂液A的效果最好。
图8 不同驱油压裂液分子团状态模拟结果
Fig.8 of under fluid
图9 不同渗吸时间下核磁共振信号幅度
Fig.9 The of at time
图10 渗吸后孔隙体积变化情况
Fig.10 in pore
从分子层面来看,只有当黏土矿物吸收水分达到一定程度,层间距大于1.52 nm时层间的分离压力才会改变方向、并逐渐增大,层间距大于2.05 nm时,晶层间才出现扩散双电层[38],渗透水化开始,加速渗吸,促进裂隙产生。因此,渗吸滞留时间至少需要大于54 h,才能抵消黏土矿物引起的不利影响,否则造成储层伤害。
滑溜水渗吸量在170 h后达到饱和,驱油压裂液A及B基本在239 h达到饱和(图11),3种体系面孔率增幅分别为104.5%、35.5%及31.9%。A体系渗透率增幅为150%(滑溜水增幅为22.5%)(图12),故确保239 h(9.96 d)的渗吸时间有利,基本不会造成储层伤害。
图11 渗吸量随时间变化趋势
Fig.11 The trend of over time
图12 不同压裂液渗吸后渗透率变化情况
Fig.12 in of
不同压裂液体系作用后有不同的最小排驱孔径,小于该孔径的孔隙中流体无法排出,优良压裂液体系可降低最小排驱孔径,提高储层流体的采出程度。5种压裂液对应的最小排驱孔径为0.82~1.17 nm(图13),小于该孔径的孔隙体积占总孔隙体积的比例小于1.2%,故整体上确保最佳渗吸滞留时间下限(239 h)后5种体系的伤害均较小,其中驱油压裂液A的伤害最小。此外,随着压裂液的注入,地层压力逐渐升高,最小排驱孔径增大,伤害会进一步减弱。
图13 不同压裂液作用下地层压力对应的最小排驱孔径
Fig.13 The size to under
3 结论
(1) 四川盆地复兴地区页岩油储层孔隙度越大、小微孔越发育越有利于渗吸驱油;黏土矿物含量越高,渗吸诱导微裂缝的能力越强;石英、伊/蒙混层含量越高越利于压裂液的润湿驱油。
(2) 渗吸作用整体有利于复兴地区页岩油储层扩孔、增渗及提采,优良驱油压裂液有助于增加扩孔、增渗及提采效果,压汞孔隙度增幅为89.0%~236.0%,平均孔径增幅为17.8%~74.6%,渗透率增幅为31.9%~104.5%,总体效果较常规滑溜水提升70%以上。
(3) 不同压裂液驱油机制存在一定差异,宏观上表现为扩孔增渗的程度不同,对大孔(孔径50 nm以上孔隙)、介孔(孔径2~50 nm孔隙)及微孔(孔径2 nm及以下孔隙)的影响程度不同;优良压裂液对整个孔径分布区间有明显影响,微观上能100%将页岩油分子驱散并从有机质孔隙壁面剥离,从而提高渗吸驱油效果。
(4) 复兴地区页岩油储层确保239 h的渗吸滞留时间能够抵消黏土矿物膨胀的不利影响,从而减小储层伤害;使用含有氧乙烯基等非离子型官能团的压裂液体系会进一步降低储层伤害并提高渗吸驱油效果,建议在该地区推广使用,以提高压后增产效果。
第一作者及通信作者:左 罗,男,1988年9月生,2016年获中国科学院大学博士学位,现为中石化石油工程技术研究院有限公司副研究员,主要从事非常规油气开发及工程技术研究工作。Email:
引用本文
左罗, 张世昆, 沈子齐, 许国庆, 曾星航, 刘学鹏, 周朝, 杜娟. 页岩油储层压裂液渗吸作用机理[J]. 石油学报, 2024, 45(11): 1652-1661.
Zuo Luo, Zhang , Shen Ziqi, Xu , , Liu , Zhou Chao, Du Juan. of in shale oil [J]. Acta , 2024, 45(11):1652-1661.
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