页岩微裂缝导流能力水伤害实验分析

利用下志留统龙马溪组页岩气藏的岩样,选用巴西劈裂的方法进行了人工造缝,利用扫描电镜、微米CT扫描等实验方法,对人工微裂缝的特征进行描述,并用水驱和气驱两种驱替方式模拟压裂液注入和返排过程,进行了水对微裂缝导流能力伤害的实验。实验结果表明：①3块岩样导流能力最大下降幅度分别为95%、80%和90%,最大伤害程度与黏土含量正相关;②水在裂缝中的流动能力是影响裂缝的导流能力损失重要因素,对裂缝导流能力的伤害程度与压力梯度正相关,在相同的压力梯度条件下,水对开度较小裂缝伤害较小;③滞留水的面积密度与裂缝导流能力下降幅度呈正幂函数关系,本次实验中,滞留水的面积密度分布为0.006～0.067 cm2,对应的导流能力下降幅度为28%～95%;④储层缝网的发育程度是影响页岩气产能的关键因素,水伤害对产能的影响不仅与滞留水的量有关,而且与缝网的发育程度有关,由于现场实际的压力梯度远小于实验室压力梯度,因此对于缝网发育的储层,水对微裂缝导流能力的伤害很难达到实验中的最大伤害程度,水对缝网的伤害作用比较有限。     

鄂尔多斯盆地陆相页岩气缝网压裂技术应用分析

鄂尔多斯盆地延长组陆相页岩储层储集条件较好,具有良好的资源开发前景,但是与海相页岩相比,脆性矿物含量相对较低,黏土矿物含量相对较高,选择合理的改造工艺成为推动该盆地延长组页岩气资源高效勘探开发的迫切任务。在对缝网压裂技术进行分析的基础上,结合鄂尔多斯盆地页岩储层岩石、应力场特性以及天然裂缝发育状况,对缝网压裂的可行性进行分析。以J1井延长组长7段页岩储层为例,运用测试压裂及净压力拟合分析对压裂设计及施工进行指导,利用数值模拟手段对压裂参数进行优化,通过井下微地震监测手段对压后效果进行评估,结果表明,压后形成的缝网系统有效的沟通了全部射孔井段,取得了较好的改造效果。     

考虑流固耦合影响的页岩力学性质和渗流规律

为了研究页岩气藏在生产过程中外来水对页岩力学和渗流规律的影响,以四川盆地宜宾地区的下志留统龙马溪组黑色页岩露头及页岩岩心为样本进行了分析。首先,利用VHX-5000超景深显微镜观察了饱和水后岩心裂缝的发育情况;其次,通过单轴压力试验机、应变测试分析系统,研究了水、地层水及滑溜水与饱和水岩心、未饱和水岩心压裂后的破坏形式和抗压强度的变化;最后,通过DYQ-1型多功能驱替装置,研究不同含水条件下流固耦合对页岩气渗流特征影响。岩心成分分析结果表明:龙马溪组页岩脆性矿物含量高,属于可压性较高的储层,有利于压裂改造。页岩抗压强度实验结果表明:去离子水、地层水和滑溜水对页岩的作用效果不同,导致页岩饱和前后的抗压强度差距较大,水的存在会降低页岩的抗压强度,更容易被压裂,产生更多的裂缝,从而提高页岩的渗流能力。含水条件对页岩气渗流特征实验结果表明:流固耦合条件下,含水饱和度越大,页岩微裂缝在压力作用下,扩展发育效果和渗流能力越好,水的存在有助于页岩气藏压裂改造,达到了增加产量的目的。     

四川盆地及其周缘五峰组-龙马溪组页岩裂缝发育特征及其控储意义

利用岩心、测井、扫描电镜和相关样品物性分析等手段,探讨了四川盆地周缘五峰组-龙马溪组页岩裂缝类型、发育特征、分布规律及其对页岩气富集与保存的影响。结果表明：①页岩裂缝发育受沉积、成岩、构造与压力演化等因素共同影响。低角度滑脱缝与层理缝充填程度低,对储层孔隙度和渗透率均有贡献;高角度裂缝和水平层间缝通常被充填,裂缝有效性较低。低角度裂缝对高角度裂缝穿层性的调节对页岩气的富集与保存具有重要意义。②页岩微裂缝以非构造成因为主,上部低有机质高粘土层段层理缝与大尺度层间微裂缝发育程度低,小尺度粘土粒间孔缝发育,宜采用"密切割"和"高砂比"等储层改造工艺技术以提高缝网控制储量。底部硅质页岩层理缝、层间微裂缝和刚性矿物粒缘缝发育程度高,裂缝力学性质薄弱,它们与密集发育的低角度及小尺度高角度裂缝共生形成了有利的天然缝网系统。③中-浅埋深下层理缝和层间微裂缝渗透率显著高于基质,利于储层改造与页岩气的渗流。深层条件下裂缝与基质渗透率均较低且大致相当,储层渗流能力与压裂改造效果是影响深层页岩气高效开发的重要因素。     

四川盆地东部涪陵地区自流井组陆相页岩储层微裂缝发育特征及其对页岩气富集的意义

通过岩心观察、氩离子抛光扫描电镜观察、高压压汞等实验手段,开展了四川盆地东部涪陵地区自流井组陆相页岩储层裂缝的分类研究,取得以下成果：①明确了陆相页岩储层中裂缝类型及成因机制; ②厘定了裂缝对陆相页岩储层储集空间的贡献。结果表明,川东北地区下侏罗统自流井组陆相页岩储层中微裂缝从成因角度可分为3类4种：与沉积作用相关的微裂缝（页理缝）、与成岩作用相关的微裂缝（黏土矿物收缩缝）和与生烃作用相关的微裂缝（有机质收缩缝和有机质裂解缝）。压汞曲线特征和面孔率估算结果证实,微裂缝是下侏罗统自流井组陆相页岩储层储集空间的重要组成部分,其对陆相页岩储层储集能力的贡献约为25%。     

四川盆地海相页岩储层微裂缝类型及其对储层物性影响

为厘清地下页岩储层中微裂缝对页岩储层物性的影响，基于四川盆地涪陵页岩气田龙马溪组页岩岩心样品，以氩离子抛光-场发射扫描电镜观测、覆压孔、渗实验与CT扫描重构结合等手段为基础，利用图像拼接、图像灰度识别和阈值二值化分割技术，探讨裂缝类型及其对储渗的影响。结果显示：龙马溪组页岩样品中发育层理缝、贴粒缝、溶蚀缝、成岩收缩缝、异常压力缝及构造缝6种类型。在页岩储层中，微裂缝可以增加储层孔隙度，主要起增加储层导流能力的作用。微裂缝可以形成裂缝网络，连通页岩储层各个储集空间；贴粒缝是最主要纵向连通通道，页理缝是最主要横向连通通道，两者在空间上可以组合出最好的裂缝网络通道；贴粒缝本身可以组成以贴粒缝为主的微裂缝裂缝网络通道，溶蚀缝能在局部范围内组成裂缝网络，增加页岩储层连通性。有微裂缝样品渗透率均值是无微裂缝页岩样品渗透率均值的62.9倍，微裂缝对页岩储层渗透率具有很大影响。在地层条件下，页岩储层微裂缝在地下3 500 m以浅深度时，应为开启状态。考虑到页岩储层流体异常高压、沉积作用、构造作作用及其他岩石矿物特征，页岩微裂缝开启状态的深度可以适当增大。     

含水条件下湘西北地区牛蹄塘组页岩吸附能力

选取湘西北地区页岩开展水蒸气吸附实验,分析影响水蒸气吸附的主控因素,并在此基础上,开展不同含水条件下的页岩甲烷吸附实验,分析水分对甲烷吸附的影响,评价不同含水条件下黏土矿物对页岩整体甲烷吸附的贡献。实验结果表明:高—过成熟阶段的页岩水蒸气吸附特征主要由黏土矿物控制,在低湿度条件下为单层吸附,在高湿度条件下,黏土纳米孔隙发生毛细凝聚;随着水分质量分数的增加,页岩的甲烷吸附能力逐渐下降并趋于稳定。进一步分析表明:在干燥条件下,黏土矿物对2块页岩实验样品的甲烷吸附贡献率可分别达37%和53%,而当水分质量分数达到实际储层情况(3.5%)时,黏土矿物对甲烷吸附能力的贡献率仅分别为12%和13%。因此,干燥条件下的实验将大大高估黏土对甲烷吸附的贡献,影响储量的评估。     

页岩储层裂缝系统综合评价及其对页岩气渗流和聚集的影响

为了探究页岩储层裂缝系统发育特征、主控因素及其对页岩气渗流和聚集的影响,通过对页岩岩心和薄片进行观察和统计,根据其形态特征的差异,将裂缝分为层理缝、刺穿型高角度缝、内部高角度缝、低角度缝和微裂缝5种类型。通过对比分析多种参数对裂缝系统产生与发育的影响认为,其主控因素包括脆性矿物含量、构造作用、岩石内部结构、非均质性、力学性质及地层围压等,结合裂缝类型和主控因素等对页岩储层裂缝系统进行综合评价。其中,层理缝等水平裂缝的侧向扩散作用促进页岩气的渗流和聚集。尤其在中国南方构造变形强烈、褶皱发育的地区,层理缝与低角度缝造成页岩储层侧向扩散效果明显,使向斜型页岩气藏和背斜型页岩气藏兼具北美典型页岩气藏(自生自储,原地成藏)与常规气藏(油气富集于构造高部位)的复合型成藏模式。在封闭成藏的条件下,裂缝系统发育往往能够使游离气通过侧向扩散作用沿着裂缝渗流和聚集,于构造高部位形成气藏。     

海相和陆相页岩储层微观结构差异性分析

为了深入分析海相和陆相页岩储层微观结构特征,探讨两者差异性及其影响因素,运用氩离子—抛光扫描电镜、低温氮气吸附实验、核磁共振和数理统计等技术和方法,对我国发育的海相和陆相页岩储层从定性和定量2个方面进行了实验研究。对比发现:1海相页岩储层基质孔隙主要发育粒间孔和有机质孔,陆相则以无机孔为主;2海相页岩储层孔径普遍小于陆相页岩储层,但比表面积和孔容却异常发育;3海相页岩储层发育的微裂缝主要为构造缝,而陆相则以黏土矿物层间缝为主。通过分析认为矿物组成、有机质类型、热演化成熟度和构造活动期次是影响两者微观结构特征差异性的主控因素。     

页岩储层水相渗吸作用规律实验

页岩富含多组分矿物和发育多尺度微米—纳米孔隙使得微观渗吸作用机理十分复杂。以四川盆地川南地区龙马溪组页岩为研究对象,自主研发了考虑储层温度和压力条件下的页岩渗吸实验装置,并结合低场核磁共振技术实现了对流体在页岩孔隙中运移与分布规律的在线监测。在此基础之上,利用场发射电镜与纳米CT扫描技术对页岩微观结构动态变化进行定点观测,分析了诱导微裂缝动态扩展规律和微观作用机理。实验结果表明,页岩水相渗吸过程分为渗吸扩散段、渗吸过渡段、渗吸平衡段3个阶段,其中渗吸扩散段为渗吸能力主要贡献段,在渗吸初期,毛细管压力为主要渗吸动力。储层围压对页岩渗吸能力有抑制作用,水相在岩心内部分布形状呈梯形,当渗吸5 d时,渗吸深度为4~6 cm。页岩渗吸作用诱导微裂缝以页理缝为主,具有明显的方向性,沿着矿物与岩石胶结弱面进行扩展。能谱测试显示,诱导微裂缝区域碳和硅元素含量最高。黏土矿物在诱导裂缝产生与扩展中起主导作用,起裂时间与渗吸能力呈负相关,在实验条件下,测试页岩气井最短焖井实验时间为5 d。     

页岩储层吸水特征及其对裂缝导流能力的影响

页岩储层体积压裂后普遍存在压裂液返排率低的问题,大量压裂液滞留在储层内不仅会对页岩气的流动及解吸产生影响,还会影响到压裂后的裂缝导流能力。文中以四川盆地某区块龙马溪组页岩储层为研究对象,在分析了页岩储层特征的基础上,开展了页岩储层吸水能力实验,并评价了页岩吸水对裂缝导流能力的影响。结果表明:目标区块页岩储层具有超低孔、低渗、低初始含水饱和度的特点,且黏土矿物质量分数较高,具备较强的吸水性。页岩岩心在蒸馏水中的吸水能力最强,在地层水中次之,在滑溜水压裂液中最弱。由于页岩的吸水作用明显降低了裂缝表面的强度,导致支撑剂滑动或者嵌入,从而明显降低了支撑裂缝的导流能力。页岩导流板通入蒸馏水时裂缝导流能力下降幅度最大(83.02%),而通入滑溜水压裂液时裂缝导流能力下降幅度最小(39.13%)。因此,可以通过调整压裂液体系组成来抑制页岩储层的吸水作用,从而提高压裂液的返排率,降低页岩储层吸水对裂缝导流能力的影响程度。     

页岩油储层核磁有效孔隙度起算时间的确定——以吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组页岩油储层为例

准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油储层岩性细，孔喉结构复杂，常规测井评价方法难以准确计算有效孔隙度。为此，选取5种粘土类型共30块砂岩样品，分别测量了氦气孔隙度、不同状态下的核磁T₂谱、粘土类型以及含量。通过对配套实验数据的分析，明确了粘土类型对储层核磁T₂信号短横向弛豫分量的影响机制。在此基础上，结合实验测量结果以及不同类型粘土束缚水的核磁共振弛豫时间，利用迭代法实现了研究区页岩油储层有效孔隙度的准确计算，并确定起算核磁时间为1.7 ms。该方法的计算结果得到了岩心分析数据以及实际测井资料的验证，应用效果较好，为页岩油储层有效孔隙度评价提供了一种新的技术思路和解决办法。     

页岩储层吸水特征与返排能力

中国页岩气资源量巨大,但页岩储层渗透率极低,为了有效开发页岩气藏,通常采用体积压裂技术以增大渗流面积,但页岩储层压裂后普遍存在着压裂液返排率低的问题。针对该问题,全面分析了页岩的组分及其与水的力学作用机理;设计了页岩粉末膨胀和岩心吸水实验,分别研究了页岩对蒸馏水、地层水、压裂液A和压裂液B的吸水能力;同时运用缝网渗流能力等效原理,推导了页岩吸水强度的计算公式,概算了页岩气井体积压裂后的吸水百分比。研究结果表明：页岩受表面水化力、渗透水化力、氢键力及范德华力作用的水分子难以返排,而受重力和毛细管压力作用的水分子在一定条件下可以返排;压裂液能够有效抑制页岩的吸水能力,有助于压裂液的返排;通过改变压裂液组分提高压裂液返排率是可行的。该研究成果为认识页岩储层体积压裂液返排的内在机理以及压裂规模与返排率的关系,提供了较为翔实的理论依据。     

页岩气开采中储集层压力变化规律

页岩储集层一般微裂缝发育,孔隙结构复杂。为了研究页岩天然裂缝和压裂裂缝对页岩气开采过程中储集层压力的影响,观察储集层压力动态特征,综合考虑页岩气藏的多尺度效应,基于双重介质-离散裂缝模型建立页岩气渗流数学模型,利用有限元分析方法进行数值求解。结果表明：页岩气开发时,储集层压力主要受到裂缝数量、开度以及连通状况影响,页岩气开采初期,裂缝中游离气的渗流起主导作用,储集层压力下降明显;开采中期和后期,页岩储集层中吸附气解吸,在渗流中起主要作用,储集层压力下降变缓。     

页岩气藏三孔双渗模型的渗流机理

为了掌握页岩气储层气体复杂流动的规律,从而高效开发页岩气藏,对页岩气渗流机理进行了研究。借鉴适用于非常规煤层气藏双重孔隙介质模型和考虑溶洞情况的三重孔隙介质模型,基于页岩气储层特征和成藏机理,提出了页岩气藏三孔双渗介质模型;研究了页岩气解析扩散渗流规律,提出考虑储层流体重力和毛细管力影响的渗流微分方程;并利用数值模拟软件对页岩气产能进行了预测。结果表明：基质渗透率和裂缝导流能力是页岩气开采的主控因素,只有对储层进行大规模压裂改造,形成连通性较强的裂缝网络后才能获得理想的页岩气产量和采收率。     

海相页岩气储层评价发展趋势与综合评价体系

目前,我国页岩气勘探开发中还存在着储层有效性评价体系不完善、储层评价体系不能满足页岩气高效开发需要等问题。为了完善储层评价内容与标准,基于现有的页岩气储层评价方法,分析页岩气储层静态评价的不足及其面临的挑战,建立了页岩气储层有效性评价方法和孔隙系统划分方案;在此基础上,探讨了页岩压后动态评价参数及其对排采措施的影响,研究了"自动缓解水锁"潜力评价参数,建立了"静—动"结合的储层综合评价体系。研究结果表明:①页岩气储层评价的新挑战表现为"储层有效性、压后动态评价参数体系、压后排采措施"研究不够深入,导致现有的页岩气储层评价体系相对于生产具有严重的滞后性;②储层有效性评价主要表现为有效孔隙度下限评价,体现在黏土矿物束缚水和不连通孔隙对页岩气开发的影响;③页岩气储层评价发展趋势表现为细化储层静态评价参数、建立"自动缓解水锁"潜力评价指标和"静—动"结合的储层综合评价体系;④确定了"润湿性、吸水滞留能力、吸水膨胀方式、膨胀率和吸水产生裂缝能力"等"自动缓解水锁"潜力评价指标的压后动态评价体系;⑤提出了"页岩气储层静态评价是基础,压后动态评价是补充"的储层评价思路,并建立了一套适合我国海相页岩气储层评价的"静—动"结合的储层综合评价体系。     

页岩气藏体积压裂水平井产能有限元数值模拟

考虑到压裂过程中的多重复合作用,将压后页岩储层分为支撑主裂缝、缝网波及区与未压裂区。考虑基岩纳米孔隙中气体吸附与解吸、Knudsen扩散、滑脱流、黏性流,以及水压诱导裂缝应力敏感效应,建立了页岩气藏体积压裂生产动态模拟的物理模型和渗流数学模型。结合Galerkin有限元方法,对基质和裂缝渗流方程进行空间上的离散,推导了三角形单元有限元数值模型,给出了压裂水平井二维渗流场内、外边界条件和水力裂缝处理方法,对时间域采用向后差分,最后顺序求解裂缝和基质压力方程,模拟了页岩气藏体积压裂水平井生产动态和压力场分布。该研究为页岩气储层体积压裂产能评价提供了理论模型,对于有限元法模拟双重介质渗流场和产能预测具有现实意义。     

基于REV尺度格子Boltzmann方法的页岩气藏渗流规律

页岩储层一般天然微裂缝发育,基质孔隙结构复杂,使得页岩气渗流过程呈现出多尺度多场耦合的特征。为了研究页岩气藏复杂的渗流规律,重构了天然微裂缝发育的页岩储层多孔介质模型,并围绕页岩气多重运移机制对广义格子Boltzmann模型进行了修正,建立了适用于模拟页岩气渗流特征的表征单元体（REV）尺度格子Boltzmann模型（LB模型）,并基于天然微裂缝物性特征以及气体滑脱、吸附/解吸、表面扩散效应等渗流特征对该模型进行了敏感性参数分析。结果表明：当页岩储层天然微裂缝较发育时,微裂缝为气体在基质中流动的主要通道;其中裂缝密度是影响储层表观渗透率的主要参数,裂缝密度增大3～4倍,储层表观渗透率可增大10倍以上,而裂缝长度以及裂缝开度的影响程度均次之;努森数（Kn）是影响页岩气渗流的主要参数,随着Kn增大,克氏效应愈显著,特别当Kn > 0.1时,多孔介质表观渗透率增幅显著增大;页岩储层多孔介质表观渗透率会随着吸附气量的增大而减小,特别是当储层压力较低时,该现象更为显著;气体表面扩散效应对页岩气渗流过程的影响程度大,同等条件下考虑气体表面扩散效应的储层表观渗透率较忽略该效应可提升2～5倍,但提升作用受制于储层吸附气量的多少。该研究成果为页岩气微观渗流理论研究提供了新思路,为页岩气藏高效勘探开发提供了技术支撑。     

页岩气藏压裂动用程度及气体流动模拟研究

页岩储层孔喉细小、渗透率低,水力压裂后形成主裂缝及诱导裂缝网络加剧了页岩气流动的复杂性。为了准确表征页岩气拟稳态渗流特征,提出了离散裂缝耦合多重连续介质系统数学表征方法,并针对储层裂缝分布形态,利用商业数值模拟器建立了考虑吸附/解吸的页岩气藏离散裂缝耦合多重连续介质数值模拟模型。模型中采用局部网格加密的方法描述离散裂缝网络,基于建立的多重连续介质系统数学方法表征压裂后形成的密集分布微小裂缝体系。利用建立的模型,系统分析了储层横向/纵向动用程度以及裂缝导流能力、裂缝半长、裂缝排布方式等裂缝参数对页岩气泄气面积和气井产能的影响。研究发现,增大储层改造体积能够大幅度提高页岩气单井产量,但同时应当考虑主裂缝与次裂缝网络的配置关系;当储层改造体积相同时,最大限度提高裂缝与井筒之间的连通程度是提高页岩气产量的必要条件。研究认为,上述研究结果对页岩气压裂改造设计具有一定的理论指导意义。