页岩气井返排液离子来源分析及启示

大多数页岩气井返排液离子及矿化度随返排时间增加而增加,页岩与压裂液作用存在离子交换现象,但对于页岩与压裂液间离子交换的原因以及离子来源研究较少。通过对某区块页岩与压裂液作用后离子类型及含量变化的量化分析,计算出了各种物质对溶液矿化度的贡献率,探索了页岩气井返排液离子来源及离子交换机理,并通过离子强度、总硬度计算,分析了页岩与压裂液作用后胶液的稳定性与二者之间的关系。研究结果表明,页岩与压裂液作用后会发生离子交换,储层中各类可溶无机盐的溶解及黏土矿物是返排液中离子的重要来源;页岩天然裂缝或孔隙中充填有大量的可溶盐,页岩中水溶性可溶盐含量在页岩中占到了较大的比例;页岩与压裂液作用后胶液的稳定性由表面电荷控制,液体离子强度越大,胶液就越不稳定,矿物质越倾向于聚集进而导致裂缝张度或者孔的堵塞,影响气井产能;在页岩气井优化设计中,要根据页岩与压裂液作用后离子类型、浓度以及胶液稳定性结果对压裂液配方进行优化,尽可能防止液体絮凝沉淀的产生。     

压裂液对页岩吸附与膨胀性能评价方法研究

在页岩气开发的大规模体积压裂作业中，压裂液返排率一般在10%~60%，导致大量水滞留在储层内。以昭通、长宁和威远区块岩心为研究对象，采用X射线衍射分析及红外光谱法研究页岩膨胀性，重量法表征吸水机理、溶出致孔作用等，揭示不同工作液在页岩中赋存状态。结果表明，取样岩心黏土矿物含量为18%~20%，主要为绿泥石、伊利石和少量伊/蒙混层，采用蒸馏水、滑溜水、助排剂及防膨剂水溶液浸泡岩心1、3、5、7 d，XRD的1 nm处无明显变化，对比红外光谱未发现层间水吸收峰，吸液量及吸液速度与粒径及孔径成正比；超声浸泡页岩矿物溶出率为0.6%左右，主要为氯化钾和氯化钠，少量氯化钙，（BET）比表面积测试结果显示致孔作用不显著；清水浸泡粒径为0.154 mm的岩心，孔径随浸泡时间延长而减小，饱和时达到2.37%~2.85%，与孔容相当，完全占据孔容。XRD中1 nm处峰宽及峰高的变化为指导，用IR中层间水峰与硅氧峰比值进行验证，建立了评价黏土膨胀性能的方法；对川南岩心的评价结果显示，工作液浸泡页岩不会引起黏土膨胀；川南页岩中可溶性盐含量较低，工作液溶出致孔作用不显著；工作液中的水在足够长时间内可以进入纳米微孔道，占据微孔，但不会进入黏土矿物质晶格层间，不会因膨胀对地层造成渗透率伤害。      

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。     

页岩气藏自然返排缓解水相圈闭损害实验研究

水平井分段压裂是页岩气藏开发的主要技术手段。然而,页岩纳米孔与微裂缝的毛管自吸作用往往导致压裂液返排困难,滞留压裂液对页岩气解吸—扩散—渗流过程潜在损害严重。为深化页岩气藏压裂液返排与及其水相圈闭损害动态变化的认识,利用川东龙马溪组页岩样品,在岩心柱尺度上实验模拟增产改造时压裂液自吸—返排过程,讨论了孔隙结构、裂缝发育情况、返排压差及时间影响自吸—返排效果的机理。结果表明:孔隙半径越小,毛管力越大,页岩自吸速率越大,水相返排效果越差;自吸诱发页岩产生裂缝,增大了气相渗流通道,促进了滞留水相返排;返排压差、返排时间与水相返排效果呈正相关关系,在返排压差0.2MPa和1.0MPa条件下先后各返排12h,水相最大返排率约为46%,最大渗透率恢复率约为67%。分析表明:页岩气藏潜在水相圈闭损害严重,滞留水相的返排有利于增强页岩气渗流能力。     

页岩气藏水相损害评价与尺度性

页岩气藏基质储渗空间为纳米尺度,超低含水饱和度,高黏土矿物含量,发育微裂缝,需经压裂改造投产,气体产出是一个多尺度、多种传质过程,但压裂液易产生滞留,影响气体产出。页岩渗透率为纳达西级,难以利用测量损害前后渗透率的传统方法评价页岩气层损害。采用四川露头页岩岩样和4种滑溜水压裂液体系,利用压力衰减法,结合水相渗吸实验和气驱水返排实验,评价了压裂液滤液对岩心尺度的损害程度,分析了页岩气藏工作液损害评价的指标,认为传统渗透能力恢复率或渗透率恢复率不能作为页岩气层损害评价的唯一指标。基于评价结果,结合目前部分压裂液返排率低的气井产量反而比较高的非常规现象分析,指出页岩压裂液诱发水相圈闭损害是一个动态过程,具有尺度性,在评价过程还要考虑滞留压裂液对气体传递的积极作用,压裂液作用及返排制度是未来5~10年值得研究的重点问题。     

页岩储层压裂水平井气-水两相产能分析

传统的页岩气产能模型忽略了压裂液返排期间气-水同流对产能的影响,针对该问题,建立综合考虑页岩气吸附解吸、扩散、滑脱效应、应力敏感、毛管渗吸效应的气-水两相渗流数学模型,并基于有限差分,采用SS方法求解得到页岩储层产气规律及地层流体饱和度分布。对比分析不同裂缝网络渗透率、人工主裂缝渗透率、人工主裂缝长度、页岩气吸附解吸、毛管力作用对页岩气产量的影响,结果表明:生产初期,受压裂液返排的影响,日产气量呈先升高后降低的趋势,出现产气峰值,初期产气量明显低于不考虑压裂液返排所预测的产气量,但后期产气量基本一致。裂缝网络渗透率越高、人工主裂缝渗透率越高,产气量峰值出现的时间越早且初期产气量越高。人工主裂缝越长,产气量峰值出现的时间越晚,初期产气量越高。页岩气吸附解吸对初期产气量的影响不明显。考虑毛管力作用,压裂液返排率越低,产气量越高。     

长宁区块页岩气井排液技术现状及攻关方向探讨

页岩气储层具有脆性高、孔隙度和渗透率极低、天然微裂缝发育等特点,须通过大规模水力压裂作业形成复杂裂缝网络来获得工业气流。排液作为压裂和后期生产"衔上接下"的关键一环,在页岩气开发中被高度重视。目前长宁大多数页岩气井采用经验方法或者借助邻井的返排数据指导控制排液,缺乏理论依据。文章针对长宁区块页岩气井返排关井时间、返排速率、返排率、返排液矿化度等,提出了从五个方面进行排液技术研究:压裂后关井时间对裂缝扩展、气井产量的影响;返排液矿化度和离子成分变化的特征及离子来源;页岩气井返排效果影响因素及压裂液去向问题;压裂液滞留于地层对页岩气储层伤害及返排率对气井产量的影响;返排控制参数对返排率及支撑剂回流的影响。     

页岩储层压裂液渗吸-离子扩散及其影响因素

研究页岩气井压裂液返排率及返排液矿化度变化规律是深入认识储层和评价人工缝网发育程度的重要手段之一,但目前对压裂液由人工裂缝渗吸进入基质和盐离子由基质扩散进入人工裂缝的机理及主控因素尚不清楚。针对中国典型页岩储层开展了室内自发渗吸实验,并采用电导率仪监测了溶液中的离子含量变化,结果表明:盐离子扩散是伴随着毛细管力和粘土吸附力驱动下的压裂液渗吸进行的,压裂液渗吸进入页岩基质为盐离子的扩散创造了通道和条件;粘土矿物含量及类型对渗吸能力和离子扩散能力的影响较大,粘土含量越高,渗吸和离子扩散能力越强,伊蒙混层和伊利石的存在能够大大提高页岩储层的渗吸和离子扩散能力。此外,压裂液中阳离子表面活性剂可以改变毛细管力,进而降低渗吸-离子扩散能力;KCl溶液可以抑制粘土吸附作用,进而降低压裂液渗吸-离子扩散能力。研究页岩储层的压裂液渗吸-离子扩散及主控因素对深化储层特认识、优化返排制度以及评估水锁伤害的程度具有重要意义。     

页岩气井压裂返排液对储层裂缝的损害机理

为了弄清压裂液返排过程中对页岩气储层裂缝的损害机理,选取四川盆地长宁区块下志留统龙马溪组页岩和压裂返排液,利用压裂返排液对造缝岩样开展压裂液返排和气驱压裂液实验,监测压裂液返排流动阶段的岩样液相渗透率、返排液固相粒度分布和浊度变化,对比压裂液气驱前后的气测渗透率,分析压裂返排液对页岩气储层中裂缝的损害机理与损害程度。研究结果表明：①压裂返排液作用后,页岩渗透率损害率介于53.1%～97.6%,返排液固相粒度区间显著缩小,液相滞留所造成的相圈闭损害、固相残渣堵塞、气相携液诱发微粒运移和盐结晶是其主要的损害方式;②气相流阶段,渗透率损害率降至23.1%～80.2%,滞留液相损害有所缓解,但固相残渣堵塞和返排液在裂缝面的盐结晶损害仍然难以避免;③基于页岩气井压裂液返排过程中对裂缝的损害机理,考虑到返排液的处理难度及其对储层裂缝的损害,建议应积极发挥压裂液的造缝能力,优化压裂液性质与用量,尽量做到不返排或少返排压裂液。     

页岩气井压裂液返排对储层裂缝的损害机理

为了弄清压裂液返排过程中对页岩气储层裂缝的损害机理,选取四川盆地长宁区块下志留统龙马溪组页岩和压裂返排液,利用压裂返排液对造缝岩样开展压裂液返排和气驱压裂液实验,监测压裂液返排流动阶段的岩样液相渗透率、返排液固相粒度分布和浊度变化,对比压裂液气驱前后的气测渗透率,分析压裂返排液对页岩气储层中裂缝的损害机理与损害程度。研究结果表明:(1)压裂返排液作用后,页岩渗透率损害率介于53.1%～97.6%,返排液固相粒度区间显著缩小,液相滞留所造成的相圈闭损害、固相残渣堵塞、气相携液诱发微粒运移和盐结晶是其主要的损害方式;(2)气相流阶段,渗透率损害率降至23.1%～80.2%,滞留液相损害有所缓解,但固相残渣堵塞和返排液在裂缝面的盐结晶损害仍然难以避免;(3)基于页岩气井压裂液返排过程中对裂缝的损害机理,考虑到返排液的处理难度及其对储层裂缝的损害,建议应积极发挥压裂液的造缝能力,优化压裂液性质与用量,尽量做到不返排或少返排压裂液。     

页岩气井返排规律实验与微观力学机制分析

针对页岩气井压裂液返排规律认识不清，影响实际页岩气生产井工作制度优化的问题，采用岩心流动实验和气、水与储层岩石的微观作用力分析等方法，研究了压裂液返排规律和机制。研究结果表明，储层矿物成分差异是影响压裂液返排速度、返排率的主要因素，黏土矿物含量高的储层返排速度慢、返排率低，而返排压差大小只影响初始返排速度；通过分析压裂液在储层有机孔和无机孔的微观分子作用力，给出不同孔径对应的返排压差，进而可依据总孔隙分布折算不同类型储层合理返排压差；最后建立了基于单孔模型的累积返排量的计算方法。研究成果对分析压裂液返排规律和确定合理生产制度具有实际意义。     

页岩气压裂返排液达标排放执行标准及处理技术

针对页岩气压裂返排液的达标排放,如果不考虑总溶解固体(Total Dissolved Solids,缩写为TDS),仅降解和去除包括高浓度化学需氧量(COD)和固体悬浮物(SS)在内的其他污染物,将极大地降低处理技术难度和处理成本,但要避免过高的TDS浓度对受纳水体的生态环境和用水安全的影响,就必须根据现有的压裂返排液中氯化物排放标准,研究在技术和经济上可行的压裂返排液达标排放处理方法和实施途径。为此,在详细梳理并分析国家标准、行业标准和地方标准对氯化物及其他无机盐排放规定的基础上,结合页岩气开发的指导性技术文件对压裂返排液处理的要求和众多文献资料的调研成果,分析了两种高含盐工业废水(循环冷却排污水、垃圾渗滤液)与压裂返排液处理的相似性,进而提出了压裂返排液"预处理+生化法"处理的技术途径。研究结果表明:①在页岩气田进入开发后期,压裂返排液无法回用时,可先在气田内预处理后按适当比例配送至集中式污水处理厂进行生化处理,达标后排放;②实例演算结果表明,非脱盐技术处理压裂返排液可实现达标排放且不会影响当地的用水安全。结论认为:①应开展压裂返排液以生化法为最终处理方式的预处理技术研究和区域内主要河流地表水体氯化物和硫酸盐的本底调查研究;②压裂返排液"预处理+生化法"处理途径依法合规,处理成本相对较低,具有技术经济可行性。     

美国页岩气压裂返排液处理技术现状及启示

水力压裂技术是目前页岩气开发依靠的主要储层改造手段,但采用该技术开采页岩气对水资源的消耗情况和压裂施工完成后返排液如何处置则引起了人们广泛的关注。为此,以美国Marcellus页岩区和Barnett页岩区为例,分析整理了其压裂返排液的水质特点与处置方式。在系统归纳美国页岩气开发过程中形成的返排液管理路线的基础上,从处理回用和处理外排两个方面介绍了返排液处理技术现状及研究进展。结论认为：从目前国外应用和研究现状来看,页岩气压裂返排液处理的理论和技术是相对成熟的。进而结合我国页岩气开发的形势,提出了符合实际的压裂返排液处理技术研究框架,明确了研究主题,提出了研究方向和目标建议：①完善页岩气压裂返排液深井灌注技术标准体系;②开展页岩气压裂返排液处理回用技术研究,研发耐盐耐硬度压裂液体系及配方;③开展其他废水回用配制页岩气压裂液体系或无水压裂可行性研究;④探索压裂返排液外排技术应用的可能性。以期为上述热点问题的最终解决提供技术思路。     

页岩气藏水相圈闭损害实验研究及控制对策 ——以四川盆地东部龙马溪组露头页岩为例

水平井分段水力压裂是开发页岩气藏的主要技术,但多数页岩气井压裂后压裂液返排率仅为10%~50%,潜在水相圈闭损害严重,需加大对页岩气藏水相圈闭损害的认识。以四川盆地东部龙马溪组露头页岩为研究对象,模拟压裂作业过程,利用裂缝和基质岩样开展了压裂液滤失与自吸实验,观察了页岩水相返排现象,评价了水相圈闭损害程度。实验结果表明:压裂液滤失与自吸作用将使基质含水饱和度显著增加,且在气藏压力下返排困难,从而引起基质渗透率、扩散系数以及气体压力传递能力大幅下降。分析认为,纳米孔隙发育、亲水性粘土矿物含量高以及超低含水饱和度现象普遍存在是页岩气藏水相圈闭损害严重的主因;加强返排机理研究,选择合适的表面活性剂,并采用非水基压裂液和高温热处理技术是解除或缓解水相圈闭损害的根本途径,也是页岩气井增产改造的重要发展方向。     

页岩储层压裂工作液研究进展及启示

滑溜水和线性胶压裂液体系在页岩油气的增产中得到了广泛应用。但随着页岩油气资源开发的不断深入,该体系也暴露出了携砂能力有限、返排液处理难度高和对储层伤害大等诸多问题。因此,分析了目前页岩储层压裂工作液体系存在的问题,认为在掌握了页岩软化的损伤机理后,应该对前期的压裂施工和室内岩心评价资料进行整理,对由页岩软化损伤造成的压后无效井,进行再一次的增产尝试。综述了新型的页岩储层压裂工作液体系,认为基于产出水配制压裂液是必然的节能减排发展趋势;泡沫压裂液是有效的少水压裂方案;而超低浓度、疏水缔合和星形聚合物压裂液体系都具有较强的工业应用前景。根据调研内容提出了页岩储层体积压裂的节水方案,建议根据压裂液再生后的类型和用途,具有针对性地净化和处理返排液,从而降低返排液的处理成本。      

富有机质页岩储层热激致裂增渗的有利条件

页岩气藏的经济开发成为了当前非常规天然气开发关注的焦点。页岩气藏开发方式以"水平井+水力压裂"为核心技术,水力压裂过程中存在"大量压裂液滞留储层,难以返排,形成水相圈闭损害,阻碍气体产出"的工程难题。此外,水力压裂能形成大规模复杂缝网,沟通了微米级裂缝,而基块纳米级孔隙中气体仍然难以进入裂缝。从室内实验和矿场试验两方面概述了储层高温热处理的研究进展,提出了与水力压裂技术协调的富有机质页岩储层热激致裂的方法,从页岩储层地质特征与工程实际分析了页岩储层适合热激增渗的有利条件。研究认为,热激条件下有机质生烃增压、丰富多样的矿物组分差异热膨胀、微米-纳米级孔隙压力仓作用是页岩热致裂的有利地质条件;基于页岩气井体积改造形成的裂缝网络,滞留压裂液不仅能提高页岩导热能力,且在热激条件下水热增压、热液溶蚀作用可为页岩致裂增渗提供重要的工程条件。充分利用页岩储层独特的地质优势和有利的工程条件,包括热液作用、矿物组分非均匀膨胀致裂和热促吸附气解吸的热激法对压裂后的页岩储层进行改造,能够有效缓解甚至解除水相圈闭等储层损害,促使水力裂缝或天然裂缝两侧基质岩石热致裂,改善裂缝网络,增强页岩储层基质-天然缝-人工缝多尺度传质能力,同时实现压裂液的回收再利用,这将是一种环境友好型的有效开发页岩气藏的新方法。     

应用核磁共振技术研究压裂液伤害机理

核磁共振岩心分析技术能够快速、无损地检测出岩心含油饱和度和含水饱和度、束缚流体和可动流体饱和度的大小.通过测量压裂液侵入岩心引起的束缚水增加量、油相反排后的滞留量,能够分别判断出粘土吸水膨胀、水锁效应引起的岩心渗透率伤害程度,由此获得了压裂液对致密岩心伤害程度和机理的新认识.研究结果表明,压裂液对岩心的伤害机理和伤害程度不同,粘土吸水后引起的粘土膨胀和粘土颗粒分散运移对岩心渗透率有伤害,但由于粘土吸水量较少,岩心渗透率的损害率也较小,约为10%.反排后可动压裂液滤液或可动活性水在岩心孔隙内的滞留量均很少,因此水锁效应对油相有效渗透率的损害率较小,约为10%.压裂液滤液对岩心有效渗透率损害率比活性水高出约30%,这说明压裂液中的大分子物质在岩心孔隙内的吸附滞留是引起岩心渗透率伤害的主要原因.