摘  要  頁巖通常含有一定比例的黏土礦物，大液量、大排量壓裂施工可能導致黏土礦物膨脹、水化分散，而目前開展的研究工作還沒有建立起相關的評價體系。為此，在借鑒前人研究成果的基礎上，采用自吸實驗法、吸水膨脹實驗法、X射線衍射(XRD)礦物成分分析等方法對其膨脹、分散特征進行了大量的實驗研究。結論認為：①對于烴源頁巖而盲，自吸實驗、吸水膨脹實驗等可作為頁巖氣藏膨脹和分散特征評價的有效方法；②具備生、儲烴能力的頁巖雖然具有較高的黏土含量，但膨脹和分散特征明顯不同于常規的泥頁巖及黏土含量較高的砂巖；③巖心CST(毛細管吸入時間)實驗結果及膨脹實驗結果表明，對于頁巖氣藏而言，如何有效抑制初期的自吸及膨脹應該引起高度的重視；④對四川盆地的頁巖氣藏而言，完井及壓裂過程中由于化學原因導致的頁巖膨脹、分散特征等不屬于井壁穩定性及壓裂方案設計考慮的主要因素。

關鍵詞  四川盆地  頁巖氣藏  壓裂  黏土礦物  膨脹性  分散特征  自吸實驗  吸水膨脹實驗

具備生、儲烴能力的頁巖必須通過大規模體積壓裂才能獲得工業開采價值。因此，上萬立方米的壓裂液使用量成為頁巖氣藏壓裂有別于常規氣藏壓裂的特點之一。與國外頁巖氣藏類似，在中國西南地區分布的四川盆地頁巖氣藏通常具有較高的黏土礦物含量。如某井含氣量最高的頁巖層段，其黏土礦物含量范圍在34.1％～45.9％之間，存在膨脹和分散的可能性。而頁巖所特有的致密、滲透率極低等特點，往往使人們認為外來液體幾乎沒有侵人頁巖的可能。同時頁巖所特有的致密特點，使得在采用常規方法，希望通過滲透率的變化來定量描述黏土礦物膨脹、分散等特征對頁巖氣藏壓裂的影響時，收效甚微。這樣的結果，也使得在進行的頁巖氣藏壓裂設計、壓后評估中很少考慮頁巖中黏土礦物膨脹性和分散性特征產生的影響。

在借鑒前人研究成果的基礎上，采用不同的分析方法對頁巖膨脹性特征以及分散特征進行研究，分析對比了不同工作液介質可能導致的頁巖膨脹、分散特征，為頁巖氣藏鉆井過程中的井壁穩定性、壓裂方案的優化設計、壓裂液的優選、壓后產量評估等提供有力的技術支撐。

1  自吸特征對頁巖分散性特征的影響

分別采用巖粉CST(毛細管吸入時間)法、巖心CST法、巖心層理面或人工縫的CST法來評價不同工作液介質作用下頁巖的水化分散特征、吸收外來液體的特征以及不同裂縫特征下頁巖吸收外來液體的特征。

1.1巖粉CST實驗

在高速攪拌器中測定體積分數為l5％的頁巖巖漿(過100目篩)^[1]在剪切不同時間后^[2-3]的濾失時間，用以表示頁巖分散特性。通常將頁巖巖漿在CST儀器的特性濾紙上運移0.5 cm所需的時間稱為巖粉CST值。根據實驗結果可繪制CST值與剪切時間的關系曲線，可用式(1)表示頁巖分散特性Ⅲ：

    Y=mx+b    (1)

式中Y為CST值；m為頁巖的水化分散速度；x為剪切時間；b為瞬時形成膠體顆粒數目。m值越大，水化分散速度越快；b值越大，瞬時破裂的膠體顆粒越多^[1]。

巖粉CST實驗中分別使用了蒸餾水、2％KCl液體以及添加有降阻劑和防膨劑的滑溜水體系(A號)，對3個不同取心深度的巖粉進行了實驗。其主要礦物成分含量見表l。1號巖樣的黏土含量24％；2號巖樣的黏土含量18％；3號巖樣的黏土含量l4％。3個不同取心深度的樣品CST結果對比見表2。圖l顯示了3種液體介質下l號樣品的CST擬合直線。2號和3號樣品的擬合直線變化規律同1號樣品。

從表2可以看出：①l號樣品測試結果中，2％KCl的頁巖的水化分散速度(m)值最小，瞬時形成膠體顆粒數目(b)值也最小；而滑溜水A號兩項參數均最高。②2號和3號樣品測試結果與l號樣品結果規律一致。

測試結果表明，在巖粉狀態下，2％KCl液體抑制頁巖水化分散的性能最好，而滑溜水A號的抑制性能最差。同時，結合巖粉的礦物成分測試結果，對巖粉CST實驗結果與黏土礦物含量相關性進行了分析。

圖2顯示了頁巖的水化分散速度(m)與黏土礦物含量的關系。2％KCl及蒸餾水在高黏土礦物含量下，具有較好的抑制性能，而在低黏土礦物含量下，其抑制性能對黏土礦物含量的變化不敏感；而滑溜水的抑制性能相對較差，但其抑制性能與黏土含量相關。圖3顯示了瞬時形成膠體顆粒數目(b)值與黏土礦物含量的關系。3種液體都顯示出在高黏土礦物含量情況下，抑制性能較好。

1.2巖心CST實驗

用模擬地層水利用毛細管自吸法建立初始含水飽和度，并記錄巖樣吸水前的重量和電阻；將巖心放置在自吸液中浸泡；直到巖樣重量不再發生變化(至少2h)。根據實驗結果可繪制巖心吸液量與時問的關系曲線，比較不同工作液介質下巖心的自吸特征。

選取兩個不同層段的巖心進行了CST實驗，兩個巖心的主要礦物成分見表3，圖4、5顯示了不同層段頁巖的巖心自吸實驗結果。

從圖4、5中可以看出：①總的吸液量極少，均表現為初期的吸液量最大，在前3 min吸液速率相對較大，而3 min后自吸曲線趨于平直，吸液量基本趨于零。②對于5號頁巖層，3％KCl的自吸量最大，7％KCl及未加任何添加劑的蒸餾水巖心自吸量最小；對于6號頁巖層，未加任何添加劑的蒸餾水自吸量最大，3％KCl和7％KCl的自吸量最小。③不同層段的頁巖吸液量具有明顯的差異，與黏土礦物含量相關，黏土礦物含量較高的5號巖心吸液量高于含量較低的6號巖心。

1.3巖心層理面或人工縫的巖心自吸實驗

頁巖基質自吸特征不明顯；而層理或天然縫發育的巖心以及人工造縫巖心，均具有一定的沿層理或裂縫的自吸特征，人工縫自吸速率高于天然縫，且在自吸過程中存在微粒脫落、掉塊等現象。

人工縫及天然縫的自吸速率對比見圖6。

2  吸水膨脹特征對頁巖膨脹性的影響

通過將人工制備的巖心放置在工作筒中，測試不同工作液介質下巖心的軸向線膨脹率，根據實驗結果可繪制巖心線膨脹率與時間的關系曲線，比較不同工作液介質下巖心的膨脹特征。

實驗結果表明，頁巖巖心2 h的膨脹率與16 h的膨脹率基本相同，表明頁巖遇外來液體將產生膨脹，但隨時間的推移，膨脹趨于穩定。不同工作液介質下頁巖膨脹率與時間關系見圖7。對頁巖線膨脹率與黏土礦物成分的相關性進行了對比分析(圖8)。

通過對實驗結果的綜合分析，認為頁巖的膨脹性與黏土礦物含量存在一定的相關性，當黏土礦物含量變化較大時，頁巖的膨脹率與黏土礦物含量關系更為密切。

3結論

就目前所開展的實驗研究工作而言，雖然還未徹底揭示出頁巖膨脹以及分散的特征和規律，但通過實驗，得到了如下認識：

1)對于烴源頁巖而言，采用常規的測量滲透率變化來表征其膨脹及分散特征是不可行的，而自吸實驗、吸水膨脹實驗等可作為此類頁巖氣藏評價的有效方法。

2)具備生、儲烴能力的頁巖雖然具有較高的黏土含量，但各種方法的實驗結果表明，其總吸液量、吸液速率及線膨脹率均很小，而初期的吸液量高，可解釋為表面潤濕特征。其膨脹和分散特征明顯不同于常規的泥頁巖及黏土含量較高的砂巖。

3)巖粉CST實驗結果表明，工作液體系對高黏土礦物含量巖心已具有較好的抑制性能，而巖心CST實驗結果及膨脹實驗結果表明，無論黏土礦物含量高低，雖然數量上有差異，但均表現為初期自吸和膨脹量較大，而后期很小，且變化趨勢基本趨于一致。因此對于頁巖氣藏而言，如何有效抑制初期的自吸及膨脹應該引起高度重視。

綜上所述，初步認為外來液體進入頁巖地層后所導致的黏土礦物膨脹和運移、分散是不可避免的，但就四川盆地的頁巖氣藏而言，完井及壓裂過程中由于化學原因導致的頁巖膨脹、分散特征等不屬于井壁穩定性及壓裂方案設計考慮的主要因素。由于頁巖組成及成分非常復雜，對其他類型的頁巖氣藏仍需進行單獨評價，但本文所述的方法可作為借鑒。

參考文獻

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[3] 黃林基，羅興樹.用CST儀評價聚合物抑制性實驗方法的研究[J].鉆井液與完井液，1995，12(1)：1-5.

[4] 李德江，邱敏.關于CST試驗中幾個問題的討論[J].鉆井液與完井液，l996，13(1)：36-38.

本文作者：付永強  曾立新  馬發明  黃玲  黃成惠  何亞銳

作者單位：中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院