0 引言
我国页岩气具有埋藏深、渗透率低、微裂缝大量发育、多尺度流动机理复杂的特点，开发过程中渗流阻力大、开采难，因此长水平井配合储层压裂改造是改善页岩气藏开发效果的主要方式，经压裂改造后的人工改造区（SRV）中发育有不同尺度的裂缝，主要包括人工压裂缝、人工诱导缝以及天然裂缝，这些裂缝对页岩的渗透率具有较大的影响。在压裂改造过程中，往往需要向储层中注入大量的压裂液来达到改善储层流动性的目的。页岩储层压裂液反排率介于10%~30%之间[4,5]，滞留在储层中的压裂液主要成分是水，而且页岩储层的初始含水饱和度较低，因此压裂液的滞留和吸收会改变页岩储层的含水饱和度，从而影响页岩气在地层的流动[6,7]，导致页岩气的开发实质上是一个气水两相共同流动的过程。国内外学者[8,9]对页岩储层水的伤害机理已做了一些研究，水对油气储层的伤害作用主要与黏土矿物膨胀、黏土矿物分布、颗粒的运移以及岩石的蠕变有关。黏土膨胀和颗粒运移是造成孔隙度和渗透率损伤的主要原因，黏土膨胀导致颗粒在水的作用下运移堵塞孔喉，进而形成伤害[10]。此外，长时间的压力作用会导致页岩岩石发生蠕变，引起储层物性下降，这在总的伤害中占20%[11,12]。但对于微裂缝条件下水对页岩渗流能力的影响并未有明确进展，这是目前需要解决的重要问题。
本文选取四川盆地下志留统龙马溪组黑色页岩作为研究对象，经巴西劈裂产生不同尺度的微裂缝条件，通过观察不同压力下水测渗透率变化，对页岩岩心渗流能力进行测试分析，并引入水的面积密度概念，通过拟合束缚水的面积密度与岩样的渗透率下降幅度建立拟合函数，来表征微裂缝条件下水对页岩渗流能力的影响。
1 实验样品与实验方法
1.1 实验样品
表1 岩样基础数据Table 1 Core sample basic data |
| 样品编号 | M1 | M2 | M3 |
|---|---|---|---|
| 长度/cm | 4.75 | 4.57 | 4.16 |
| 直径/cm | 2.53 | 2.53 | 2.52 |
| 孔隙度/% | 1.07 | 1.65 | 1.16 |
| 渗透率/(10-3μm2) | 2.25 | 10.17 | 34.03 |
通过全岩X-射线衍射分析，岩样的矿物成分见图3所示，主要以石英和黏土矿物为主，其中黏土矿物含量平均为36%，石英含量平均为43%，其他矿物含量较少，斜长石约为10%。M1岩样黏土矿物含量最高为51%，黏土矿物中绿泥石、伊利石、伊/蒙间层含量相差不大，其中以伊/蒙间层含量最高为41%，偶见钾长石和斜长石。M2岩样石英含量最高为51%，黏土矿物中伊利石含量最高，达到79%，偶见斜长石和黄铁矿。M3岩样黏土矿物中伊利石含量最高为61%，伊/蒙间层含量最少为6%，存在少量斜长石、方解石、黄铁矿。
1.2 实验方法
渗流实验装置选用美国岩心公司生产的先进的Auto-floodTM(AFS300TM)驱替系统，实验装置如图4所示。数据自动采集系统能在恒流速和恒压驱替模式下对系统各部分压力进行自动采集，并完成相应数据分析。泵流量为0.01~50.00 mL/min（压力不大于70 MPa），流速精度为±0.3%（最大密封泄漏为0.25 μL/min）。流速显示最小值为0.01 μL/min，恒压模式下能达到1.0 μL/min。围压系统使用高精度多级柱塞驱替泵(Teledyne isco100-DX)。实验采用DXD高精度数字压力传感器，在30~100 ℃条件下，测试精度为±0.02%；在0~50 ℃条件下，测试精度为±0.04%。实验流程如图5所示。
实验先用氮气测定岩样的初始气测渗透率，然后在不同压力下，用水饱和页岩岩心，观测岩心在不同压力下水的饱和程度，同时在饱和过程中测定水相渗透率直至不再变化。最后在相同压力下用氮气驱替岩样中的水，并测得渗透率随时间的变化情况，通过比较初始渗透率与水作用后岩样气测渗透率的变化来判断微裂缝岩样渗流能力的损伤情况。
实验步骤为：①将岩心造缝处理后，在恒温箱60 °C下烘干，直至岩心重量不再变化，测定长度、直径及孔隙度等基础数据；②将岩心装填入岩心夹持器，接通仪器,对仪器初始值调0，加围压21 MPa，为了避免岩石蠕变的影响，将岩样在夹持器中放置24 h；③先测量岩样气测渗透率，之后打开驱替泵，进行水单相渗流实验，实验采用恒压注入，注入水压力为3 MPa，每隔8 h记录下水测渗透率，直至渗透率变化稳定；④水测渗透率稳定后，采用气体驱替，驱替压力为5 MPa，每隔8 h记录渗透率数值，直至气测渗透率稳定不再变化，在整个实验过程中记录渗透率和围压的变化情况；⑤在实验的气驱阶段，裂缝中自由水被排出，渗透率稳定后，可以认为岩样中赋存的水为束缚水，将实验岩样进行称重，减去实验前岩心重量，得到岩样中的滞留水质量；⑥重复进行上述①至⑤实验步骤，其中变换注入水压力分别为6 MPa、9 MPa、12 MPa，实验结束，此时实验为一组，完成一组实验后，更换下一块岩心重复实验。
实验中，依据常压页岩初始地层压力选取围压为21 MPa[13]。岩心中纳米级孔隙在压裂造缝过程中容易因位置错动而形成堵塞，因此在实验过程中选取梯度注水压力，能够更好的使岩心在注水过程中充分饱和水，扩大水的作用面积。
2 实验结果分析
2.1 水对储层渗流能力的影响
M1岩样的初始渗透率为2.25×10-3 μm2，在3 MPa注入压力条件下，出口端见水时间过长，因此岩样的水相渗透率没有进行记录。在注气阶段末期，渗透率稳定为1.66×10-3 μm2。随着饱和水阶段注入压力的提高，水的伤害作用加深，裂缝的渗流能力进一步下降，注入压力为9 MPa时，岩样中的黏土矿物与水接触反应程度最大，水的伤害作用达到最大值，提高注入压力至12 MPa，裂缝渗流能力不再变化[图6（a）]。M1岩样，在不同压力下裂缝渗流能力下降幅度分别为28%、70%、95%。M2岩样的初始气测渗透率为10.17×10-3 μm2，渗流能力的变化规律与M1岩样相似[图6（b）]。在不同压力下渗流能力降幅分别为51%、70%、82%。M3岩样初始气测渗透率为34.03×10-3 μm2，M3与M2、M1岩样相比，注水阶段水相渗透率下降更快，渗透率达到稳定需要的时间较短，注入压力为3 MPa时，水的伤害作用已经达到最大，水伤害后气测渗透率为3.45×10-3 μm2，注入压力升至12 MPa时，裂缝渗流能力没有发生改变，渗流能力损失为90%[图6（c）]。
在实验过程中，岩样的围压增加到21 MPa，观察到注水过程中围压存在小幅变化。主要是由于岩样中富含黏土矿物，黏土矿物遇水发生膨胀导致岩样变软。页岩的杨氏模量与抗压强度与含水饱和度有密切联系，含水饱和度越高，岩样的杨氏模量和抗压强度越小。因此，本次实验在水作用阶段，围压值逐渐降低。裂缝中的水对裂缝存在支撑作用，在停止注水的时间点，水对裂缝的支撑作用消失，围压存在突变点，在提高注入压力时，水的支撑作用明显。
2.2 黏土矿物含量对储层渗流能力的影响
图8为3块岩样在3 MPa、6 MPa、9 MPa压力下黏土矿物含量与渗流能力下降幅度的曲线。观察到在3 MPa、6 MPa压力下，M3岩样的渗流能力下降幅度最大，而M1、M2岩样渗流能力下降幅度随压力增大而增大。当压力增大到9 MPa时，可以看出渗流能力下降幅度与黏土矿物含量成正比。分析实验现象，说明低注入压力条件下，黏土矿物含量与渗透率下降幅度相关性较差，主要是由于岩样的黏土矿物含量差别较小，黏土矿物含量对渗流能力的下降幅度影响较小。当注入压力为9 MPa时，岩样渗流能力损伤完全，此时黏土矿物含量与裂缝渗流能力损失程度正相关，说明黏土矿物的含量控制着水伤害的最大程度。
2.3 缝网形态对储层渗流能力的影响
水在裂缝中流动主要受压力梯度和缝网发育的共同作用，图9为3块岩样在不同压力梯度条件下裂缝渗流能力的下降情况，M1、M2岩样的渗流能力的下降幅度随着压力梯度的升高而增大，最后保持不变。M1岩样的渗流能力变化幅度为28%~95%，M2岩样的变化幅度为51%~82%，M3岩样则保持不变，始终保持在90%。3个岩样在低压力梯度区间，渗流能力的下降幅度差别较大，随着压力梯度的增加，渗流能力下降幅度差别变小。
在相同的压力梯度条件下，主裂缝的开度是影响流动能力的关键参数。以3 MPa注入压力为例分析开度对水在裂缝中流动能力的影响。由表2可以看出，岩样渗流能力下降幅度与主裂缝宽度呈正相关。岩样渗透率下降幅度与束缚水饱和度没有明显的关系，尽管M2岩样束缚水含量较高，但渗流能力下降小于M3岩样。
表2 实验过程岩样物性参数Table 2 Experimental sample rock property parameters |
| 样品编号 | M1 | M2 | M3 |
|---|---|---|---|
| 束缚水饱和度/% | 1.4 | 9.6 | 5.8 |
| 主裂缝宽度/μm | 7.1 | 8.2 | 15.5 |
| 渗流能力下降幅度/% | 8 | 61 | 70 |
| 裂缝表面积/cm2 | 13 | 29 | 35 |
3种岩样中M1岩样的主裂缝开度最小，发育裂缝最少。在注水过程中，出口端见水时间最长，表明由于主裂缝开度小，裂缝数目少，水在裂缝中流动缓慢，在相同压力下，M1岩样主裂缝开度最小，缝网发育程度小，初始渗透率最低，水与岩样不能充分接触，导致M1岩样的束缚水饱和度较低，渗流能力下降幅度大。M2岩样与M3岩样相比，尽管束缚水饱和度高，但是由于M2岩样的主裂缝开度与M3岩样相比较小，缝网发育相对较差，在M2岩样的缝网结构中一些开度较小的微裂缝，在实验压力条件下无法与水充分作用，因此导致M2岩样的缝网的整体渗流能力下降幅度小于M3岩样。M3岩样由于主裂缝开度较大，缝网发育完全，水在裂缝中易于流动，水与裂缝两侧的黏土矿物接触充分，因此，实验到达稳定需要的时间也相对较短。
2.4 水伤害作用分析及评价方法
本文引入水的面积密度概念，对水在缝网中的伤害作用进行描述，该方法既考虑了裂缝中的滞留水质量，又考虑了裂缝的发育程度，当黏土矿物在裂缝两侧均匀分布时，滞留水面积密度与渗流能力的下降幅度正相关。并且在实验中比较容易获得对应的计算参数，如式（1）所示：
式中： 为滞留水的面积密度，g/cm2； 为滞留水的质量，g，主要与黏土矿物的含量、裂缝的宽度、压力梯度有关； 为裂缝的表面积，cm2，主要与裂缝的发育程度有关。
表3 岩心滞留水质量与面积密度Table 3 Core bound water quality and area density |
| 岩心编号 | 渗流能力下降幅度/% | 滞留水质量/g | 面积密度/(g/cm2) |
|---|---|---|---|
| M1 | 28 | 0.079 16 | 0.006 089 |
| 70 | 0.544 7 | 0.041 9 | |
| 95 | 0.869 9 | 0.066 92 | |
| M2 | 51 | 0.947 1 | 0.032 66 |
| 70 | 1.032 5 | 0.035 6 | |
| 82 | 1.215 7 | 0.041 92 | |
| M3 | 90 | 2.208 9 | 0.063 11 |
| 90 | 2.208 9 | 0.063 11 | |
| 90 | 2.208 9 | 0.063 11 |
式中： 为渗流能力下降幅度，%。
3 结论
（1）注水过程中，水对裂缝起到支撑作用，注入压力越大，支撑作用越明显。
（2）黏土矿物与水反应会引起裂缝渗流能力的下降，黏土矿物的含量决定着水损伤的最大程度。样品中黏土含量最少增加8%，最大水损伤程度下降了8%；黏土含量最大增加19%，最大水损伤程度下降了13%；平均黏土含量每增加1%，最大水损伤程度下降0.68%。
（3）有水条件下裂缝的表面积决定着岩样的渗流能力。主裂缝的开度和缝网形态控制着水在裂缝中的作用范围。岩样中水与裂缝作用范围的不同是导致岩样渗流能力下降幅度在低压力梯度区间差别较大的主要原因。
（4）引入水的面积密度概念， 通过拟合实验数据，得到不同压力梯度条件下岩样中的滞留水面积密度与裂缝渗流能力的指数函数关系。当滞留水面积密度分布在0.006~0.067 g/cm2范围内时，岩样的束缚水的面积密度与岩样的渗透率下降幅度正相关。
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