水化作用对页岩微观结构与物性的影响

利用场发射扫描电镜(FESEM)对水化作用前、后的页岩样品进行微观表征,通过微米CT扫描、孔隙度和渗透率测试实验来研究原始样品、饱和水及离心后样品的微观结构和物性参数之间的差异性。FESEM实验研究表明,水化作用对页岩中有机质的主体形态和位置、有机质孔隙没有影响。水化作用可增加页岩内的裂缝条数及宽度,主要表现为无机矿物之间裂缝的延伸和新裂缝的衍生、条带状有机质与无机矿物之间的裂缝宽度增加。不同含水饱和度条件下的微米CT扫描实验表明,水化作用强度受原生裂缝发育程度控制,原生裂缝越发育,水化作用越强。水化作用较强时,页岩裂缝的宽度可增加至原来的2～5倍。页岩孔隙度主要受有机质含量控制,其次受裂缝发育程度影响。页岩渗透率主要受裂缝发育程度控制,其次受孔隙度大小影响。水化作用后裂缝发育程度对孔隙度和渗透率均有影响,但对渗透率影响较大,对孔隙度影响较小。     

泥页岩水化对岩石力学参数的影响

根据泥页岩吸水扩散系数测试方法,在模拟井下温度和压力条件下,测定了现场泥页岩岩心在不同钻井液体系中的吸水率,计算了泥页岩吸水扩散系数,并通过泥页岩水化前后岩石弹性模量、内摩擦角、粘聚力及岩石强度的变化,揭示了钻井液在泥页岩地层中的渗透运移规律,为保证现场正常钻进及井壁稳定提供了一定的理论依据。     

页岩水化微观孔隙结构变化定点观测实验

基于4种不同类型页岩露头岩样的水化实验,应用场发射扫描电镜对实验样品水化前、后的微观孔隙变化进行定点观测与对比分析。研究表明高含量的蒙脱石及碳酸盐类矿物有助于水化作用形成溶蚀孔及矿物颗粒的松动和脱落;样品原有的矿物颗粒排列、胶结状况和微裂隙发育情况对水化后溶蚀孔的形成和矿物颗粒的脱落具有重要影响;水化作用未改变有机质孔隙结构,水化过程中产生的溶蚀孔起源于基质矿物粒间孔和矿物粒内孔,基质孔隙的溶蚀过程也会造成矿物颗粒的松动和脱落;矿物颗粒沿平行层理面压实条件下,垂直层理样品一般较平行层理样品产生的溶蚀孔密度更大、小孔径溶蚀孔占比更高;对于天然微裂缝不发育的页岩样品,水化过程中微裂缝的产生与发展可能与碳酸盐类矿物含量有关。     

泥页岩水化作用对岩石强度的影响

在常规水基钻井过程中,泥页岩地层一旦与水基钻井液接触,岩石便发生水化膨胀作用,岩石强度降低,井壁稳定性下降。因此,评价水化作用对泥页岩岩石强度的影响是开展泥页岩地层井壁稳定性研究的关键内容之一。大量的室内实验和现场实践证实,水化作用对泥页岩地层井壁稳定性的影响程度与泥页岩黏土矿物组分分布、钻井液体系离子类型和摩尔浓度密切相关。文章深入研究了泥页岩水化作用的微观机理,基于扩散双电层理论和范德华理论,理论模拟了水化作用对泥页岩岩石强度的影响,并与室内实验结果进行了对比分析,理论模拟结果与室内实验结果较为吻合。     

泥页岩渗透水化作用对井壁稳定的影响

钻井过程中,当存在水基钻井液化学渗透作用时,泥页岩井壁将更加不稳定.建立了力学-化学耦合作用下井壁周围应力分布模型,通过采用有限差分法对该模型求解,得出了井壁周围应力分布,通过利用破坏准则计算井壁坍塌压力,得出了合理的防塌钻井液密度,同时研究了井周应力分布和坍塌压力的时间效应.研究表明,泥页岩地层的膜效应较好时,渗透水化作用越大,膜效应不存在时则不发生渗透水化作用;维持泥页岩井壁稳定所需的防塌钻井液密度是随时间增大而增大,当使用钻井液溶质浓度低时,破坏发生在地层内部,需使用高密度钻井液防止井壁坍塌,对于过平衡钻井,当使用高浓度钻井液时破坏发生在井壁,对实际钻井有理论指导意义.     

储层物性参数与其微观孔隙结构的内在联系

储层的微观孔隙结构指的是储集岩中孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其相互连通关系。准确掌握储层的孔隙结构信息,对于正确评价储层的储集性能和开采价值,搞清楚孔隙结构的差异对储层宏观地球物理特性的影响作用,进而更有效地从各种地球物理资料中去伪存真、去粗取精的提取含油饱和度等地球物理参数以提高油气解释精度,都具有十分重要的意义。从Kozeny Carmon方程入手,通过进一步理论推导并借助函数单调性的分析方法深入剖析了储层宏观物性参数与其微观孔隙结构的内在联系。通过对大量岩石物理数据的归一化相关对比分析,进一步验证了理论分析所得结论,即储层品质指数是定量表征储层微观孔隙结构的最佳宏观物性参数。该结论为探索利用宏观地球物理测井资料连续定量表征储层微观孔隙结构的应用奠定了基础。     

水化作用和润湿性对页岩地层裂纹扩展的影响

页岩地层裂纹扩展对页岩气井井壁稳定有重要影响,而钻井液与页岩间相互作用(毛细管效应和水化作用)将对页岩地层裂纹扩展产生影响。选择四川盆地龙马溪组露头及井下岩心开展室内实验研究页岩润湿性和水化作用,基于断裂力学理论,考虑水化作用和润湿性(毛细管效应),建立页岩裂纹裂缝扩展模型,分析了水化作用和润湿性对页岩裂纹扩展的影响。研究结果表明,龙马溪组页岩表面既亲油又亲水,且页岩表面更倾向于油湿;页岩浸泡在水中,水化应力随着时间增加而先上升后趋于稳定,而先浸泡在白油中、后浸泡在水中或浸泡在10%KCl溶液中测试膨胀应力,水化应力上升速度减慢;页岩浸泡在水中,岩样表面形成的裂缝主要平行于层理面,随着时间增加,岩样保持完整或剥落成碎块,而页岩浸泡在10%KCl中,岩样表面形成裂缝数量少且破裂程度轻;水化作用和润湿性对应力强度因子增量影响较大及对页岩裂纹扩展有重要影响,钻井液体系应减小钻井液滤失量及钻井液界面张力、增加黏土矿物水化抑制剂和增大钻井液与页岩表面接触角,减小自吸作用,抑制水化作用。油基钻井液与页岩表面接触角小,但其界面张力小,造成毛细管力小,因此页岩地层钻井中,采用油基钻井液能在一定程度上抑制裂纹扩展,使井壁不易失稳。     

水化作用下页岩微观孔隙结构的动态表征——以四川盆地长宁地区龙马溪组页岩为例

为了研究真实压裂环境下水化作用对页岩孔隙结构的影响,选取四川盆地长宁地区下志留统龙马溪组页岩样品,在90℃储层温度下开展了页岩压裂液自吸及水化实验;采用扫描电镜、低温N₂吸附、高压压汞、CT扫描等实验手段,对比了水化0 d、5 d、10 d、20d时页岩样品颗粒形态、孔径、比表面积等孔隙结构参数的宏观演变过程,并且对页岩孔隙结构变化的原因进行了剖析;开展单黏土矿物(蒙脱石、伊利石)水化实验,对比单黏土矿物的水化特征,进而从机理上研究了水化对页岩微观结构的影响。研究结果表明:①黏土矿物水化可以促进页岩层理面间微裂缝的产生,由于水化诱导裂缝尺度较小,分布较为密集,微观上能局部相互连通,从而对页岩储层物性有明显的改善作用;②随水化时间延长,微裂缝由延伸扩展到趋于闭合,孔隙体积先增大后减小,并在水化5 d时达到最大值;③黏土矿物水化膨胀相对于水化应力变化的滞后性是导致页岩微观结构变化的主要原因,并且伊利石的水化膨胀体积小于蒙脱石;④无机阳离子可以抑制黏土矿物水化,K⁺、Na⁺、Ca²⁺的抑制效果依次变差。结...     

水化作用下页岩微观孔隙结构的动态表征——以四川盆地长宁地区龙马溪组页岩为例

为了研究真实压裂环境下水化作用对页岩孔隙结构的影响，选取四川盆地长宁地区下志留统龙马溪组页岩样品，在90 ℃储层温度下开展了页岩压裂液自吸及水化实验；采用扫描电镜、低温N2吸附、高压压汞、CT扫描等实验手段，对比了水化0 d、5 d、10 d、20 d时页岩样品颗粒形态、孔径、比表面积等孔隙结构参数的宏观演变过程，并且对页岩孔隙结构变化的原因进行了剖析；开展单黏土矿物（蒙脱石、伊利石）水化实验，对比单黏土矿物的水化特征，进而从机理上研究了水化对页岩微观结构的影响。研究结果表明：①黏土矿物水化可以促进页岩层理面间微裂缝的产生，由于水化诱导裂缝尺度较小，分布较为密集，微观上能局部相互连通，从而对页岩储层物性有明显的改善作用；②随水化时间延长，微裂缝由延伸扩展到趋于闭合，孔隙体积先增大后减小，并在水化5 d时达到最大值；③黏土矿物水化膨胀相对于水化应力变化的滞后性是导致页岩微观结构变化的主要原因，并且伊利石的水化膨胀体积小于蒙脱石；④无机阳离子可以抑制黏土矿物水化，K+、Na+、Ca2+的抑制效果依次变差。结论认为，水化作用可以提高页岩储层的渗透率，研究区龙马溪组页岩储层压裂后的合理焖井时间推荐为5 d，而对于蒙脱石含量较高的页岩气储层则可以适当延长焖井时间。     

酸处理对页岩微观结构及力学性质的影响

为了解决页岩气开发面临的储层孔渗低、地层破裂压力高等问题,选取四川盆地南部威远区块下志留统龙马溪组—上奥陶统五峰组底部的页岩岩样,开展了酸溶蚀实验,采用X射线衍射、电镜扫描以及三轴力学测试等方法获得了酸处理后页岩的微观结构和力学参数,在此基础上,分析了酸处理对页岩微观结构和力学性质的影响。研究结果表明:①页岩经酸处理后,碳酸盐矿物含量降低、孔隙数量增加、孔径增大,同时溶蚀过程中有微裂缝产生,使得页岩的孔隙度、渗透率均增加;②酸处理后页岩力学性质发生改变,变形模式逐渐从弹脆性变形转变为弹塑性变形,破裂模式由脆性向半脆性、半延性过渡;③经浓度为15%的酸处理240分钟后,页岩的渗透率增加3.09倍,3天后页岩的孔隙度增加1.65倍,7天后页岩的抗压强度降低50.1%、杨氏模量降低58.1%、脆性指数降低32.8%;④威远区块龙马溪组—五峰组页岩力学参数与平均孔径、渗透率呈二次方关系,与孔隙度呈二次方或线性关系且相关性强。结论认为,该研究成果可以为该地区页岩经酸处理后力学参数的预测和酸化压裂施工方案设计提供技术支撑。     

泥页岩水化作用综合评价

单凭泥岩的比表面积或吸水量来评价泥页的水化作用是片面的,考虑到泥页岩中蒙脱石和伊利石吸水机理的不同,本文引入了比吸水量概念,综合运用比表面积和吸水率两个独立指标,比较科学地反映了泥夺的水化作用程度     

扫描电镜分析参数对定量评价页岩微观孔隙的影响

以四川盆地龙马溪组富有机质页岩为研究对象,基于氩离子束抛光结合扫描电镜表征技术,研究不同扫描电镜分析参数下页岩微观孔隙结构,并通过“最佳阈值法”提取相同视域下的孔隙定量信息来探讨改变电镜分析参数对定量评价页岩微观孔隙的影响。结果表明,电镜分析参数中电子束流和加速电压对孔隙定量信息提取的准确性影响较大;束流超过170 PA时,电压调整的越高提取出的大孔面积反而越小;电压超过15 kV时,束流较低,孔隙提取的反而更完整;当束流低于86 PA时,扫描时间越长孔隙提取的越完整,而当束流超过86 PA时,扫描时间对孔隙提取的影响不大;亮度与对比度值过低或过高都对孔隙提取不利,而当其值分别为47.5和85时孔隙提取的最完整。最终结果表明电镜分析参数对提取有机质孔隙的影响较大,且选择合适的参数可显著提高页岩微观孔隙定量数据提取的准确性,从而得到更加真实的页岩微观孔隙结构信息。     

页岩储集层岩心水化作用实验

采用滇黔北昭通地区下志留统龙马溪组主力页岩产层岩心,利用核磁共振和CT扫描技术,在围压10 MPa条件下开展岩心水化实验,研究水化作用对页岩储集层岩心孔隙-裂缝结构的影响。结果表明:页岩岩心水化作用不但抵消了由应力敏感引起的渗透率降低,且由于孔隙-裂缝结构扩张、新微细裂缝的产生以及缝间交会,增加了岩心裂缝复杂程度、孔隙-裂缝体积及其连通性,提升了岩心渗透率;水化损伤主要沿层理或原始裂缝发育方向延伸;水化作用对孔隙-裂缝结构较为发育的岩心影响最显著,而对孔隙-裂缝结构发育程度很高的岩心影响相对较小,对纯孔隙型岩心影响最小;页岩岩心水化作用强度受孔隙-裂缝发育程度、黏土矿物含量、脆性指数共同影响。建议根据页岩储集层物性特征,在改造过程中通过设计泵注模式、关井或小油嘴控排等措施优化返排制度,提升改造裂缝复杂程度及其连通性,增强储集层体积改造效果。     

页岩水化微观作用力定量表征及工程应用

以四川盆地志留系龙马溪组和鄂尔多斯盆地三叠系延长组页岩为研究对象,从微观作用力的角度分析页岩水化机理,进行水合力的定量表征,并开展矿场应用。选取了与伊利石组成和性质都极为相似的白云母进行微观作用力测试。结果显示云母片在电解质溶液中的微观作用力主要包括DLVO(Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)力和水合力。当电解质浓度较低时,测试曲线符合DLVO理论;但当电解质浓度大于临界值且云母片间距小于5 nm左右时,测试曲线完全偏离DLVO理论曲线,水合力开始占据主导作用。定量计算表明水合力强度随作用距离增加呈双指数型衰减。矿场应用表明,严格控制水相侵入并降低水合力强度是防塌钻井液体系设计的关键;压后焖井过程中充分利用页岩水化致微裂缝萌生、扩展可进一步改造页岩储集层。     

覆压水化作用对页岩水力压裂缝扩展的影响

已有的页岩水化实验大多是在常压或较低围压的条件下进行的,而对于地层应力状态下,页岩水化作用是否仍然存在以及其对水力压裂裂缝复杂程度的影响有多大等问题仍有待于探索。为了弄清在地层应力状态下水化作用时间对页岩水力压裂缝复杂程度的影响情况,采用真三维水力压裂物理模拟实验装置,基于相似准则开展了地层应力状态下考虑不同水化作用时间的压裂模拟实验,对不同水化作用时间形成的页岩水力压裂缝的发育特征进行了分析,并开展了现场水化试验。研究结果表明:①在地层三向应力条件下,岩样经水化作用后压裂形成的裂缝复杂程度更高;②页岩水化作用的影响程度由水化时间决定,水化时间越长,水化作用影响程度越大,压裂后形成的裂缝复杂程度越高;③页岩水化作用会使得压裂后在近井区域产生较为明显的复杂多缝效应,导致流动摩阻上升、施工压力升高,不利于后期施工;④水平井水化试验段压裂后的垂直缝体积分数较不水化压裂段低,水化起到了增加压裂缝复杂程度的作用。结论认为,该研究成果对于页岩气压裂施工工艺方式的确定和返排制度的优化具有一定的指导意义。     

活度与半透膜对页岩水化的影响

井壁稳定性的研究多是探讨页岩水化作用的规律。本文将热力学基础概念应用到对页岩水化的研究中来,推演出水迁移驱动力——化学势的表达式。指出只有存在效率显著的半透膜作用时,才能通过降低泥浆水活度来防止页岩水化,油包水泥浆中的油在页岩与水相之间起到较理想的半透膜作用。常压下页岩与水基泥浆之间的物质迁移中主要以流动和扩散方式进行。     

酸性火山岩储层微观孔隙结构及物性参数特征

综合利用大量铸体薄片及储层物理实验资料,对松辽盆地北部营城组酸性火山岩储集空间与物性参数特征的研究结果表明,酸性火山岩储层储集空间以原生气孔和次生溶蚀孔为主,微观孔隙结构具有孔喉比超大的特征。该区酸性火山岩储层具有束缚水饱和度高、存在启动压力梯度等特低渗透储层的渗流特征,储层物性对应力不敏感。     

温度与无机盐阳离子对水化蒙脱土微观结构的影响

透水化蒙脱土一直被认为是钻井泥包和油层损坏的主要原因之一.利用了小角X散射、微小角X散射检测方法和Pons统计模型以及分形学理论.研究了温度(200℃)和泥浆中常用的无机盐(NaCl、KCl、CaCl₂)以及处理剂CMC对蒙脱土微观结构的影响.钠蒙脱土悬浮液在承受K⁺和Ca²⁺交换以及高温(200℃)作用以后其结构发生变化:在KCl和CaCl₂交换的情况下,蒙脱土颗粒厚度增大,由原来的几个晶片组合发展到80个晶片组合,同时,颗粒内部组合有序度增加,使蒙脱土悬浮体从一个胶体状态演变到水化固体状态.温度的作用使蒙脱土悬浮体的颗粒在垂直晶片平面方向上产生不可逆分裂而变小.     

微观孔隙结构对页岩应力敏感影响的实验研究

研究页岩储层在开发过程中的应力敏感对产能评价具有重要意义。通过脉冲法测量了渝南下寒武统牛蹄塘组2块页岩岩心的应力敏感曲线,应用毛管理论推导了毛管半径随有效应力变化的关系式,结合扫描电镜图像分析了孔径变化对应力敏感的响应特征。最后采用低温液氮吸附实验研究了页岩的微观孔隙结构特征,同时对毛管半径应力敏感公式进行了验证。研究结果表明:该地区2块页岩岩样均体现出强应力敏感,其渗透率随有效应力的变化符合指数关系式;毛管半径随有效应力的变化同样符合指数关系,孔隙越容易被压缩,毛管半径保留率越低,应力敏感越强;低温液氮吸附实验结果验证了毛管半径应力敏感公式的有效性,表明了在MK64-2岩样中,大孔比例较少,压缩过程中平均毛管半径保留率更低,小孔的比例较高,其压缩后提供给大孔的渗流通道较少,因此该岩样应力敏感性更强。     

水化作用对南海东部泥页岩地层井壁坍塌的影响分析

在我国南海东部油气田钻遇韩江组和珠江组的钻井过程中,常遇到泥页岩井壁坍塌问题,制约了钻井速度,造成了一定的经济损失。为此,分析了该地区泥页岩地层井壁失稳机理,通过试验确定了泥页岩吸水扩散系数,研究了泥页岩吸水对其抗压强度、弹性模量等力学参数的影响规律,根据Mohr-Coulomb准则计算了泥页岩水化后井壁坍塌压力随井眼钻开时间的变化规律。这对解决该海域泥页岩地层井壁坍塌问题有较大的指导意义。