為了研究真實(shí)壓裂環(huán)境下水化作用對(duì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的影響,選取四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖樣品,在90℃儲(chǔ)層溫度下開展了頁(yè)巖壓裂液自吸及水化實(shí)驗(yàn);采用掃描電鏡、低溫N₂吸附、高壓壓汞、CT掃描等實(shí)驗(yàn)手段,對(duì)比了水化0 d、5 d、10 d、20d時(shí)頁(yè)巖樣品顆粒形態(tài)、孔徑、比表面積等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的宏觀演變過(guò)程,并且對(duì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)變化的原因進(jìn)行了剖析;開展單黏土礦物（蒙脫石、伊利石）水化實(shí)驗(yàn),對(duì)比單黏土礦物的水化特征,進(jìn)而從機(jī)理上研究了水化對(duì)頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明:①黏土礦物水化可以促進(jìn)頁(yè)巖層理面間微裂縫的產(chǎn)生,由于水化誘導(dǎo)裂縫尺度較小,分布較為密集,微觀上能局部相互連通,從而對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層物性有明顯的改善作用;②隨水化時(shí)間延長(zhǎng),微裂縫由延伸擴(kuò)展到趨于閉合,孔隙體積先增大后減小,并在水化5 d時(shí)達(dá)到最大值;③黏土礦物水化膨脹相對(duì)于水化應(yīng)力變化的滯后性是導(dǎo)致頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)變化的主要原因,并且伊利石的水化膨脹體積小于蒙脫石;④無(wú)機(jī)陽(yáng)離子可以抑制黏土礦物水化,K⁺、Na⁺、Ca²⁺的抑制效果依次變差。結(jié)... 

【文章來(lái)源】：天然氣工業(yè). 2020,40(10)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：10 頁(yè)

【部分圖文】：

不同水化作用時(shí)間下頁(yè)巖巖樣SEM照片

利用最大方差閾值法對(duì)頁(yè)巖巖樣CT圖像進(jìn)行二值化分割，如圖2所示，黑色像素代表頁(yè)巖孔隙及微裂縫，白色像素代表高密度頁(yè)巖巖樣基質(zhì)。干燥樣品中存在3條肉眼可觀察的層理縫（圖2-a）。浸泡5d，層理縫有明顯的擴(kuò)展延伸行為（圖2-b）；黏土水化降低了巖樣的膠結(jié)強(qiáng)度，水化應(yīng)力對(duì)裂縫面具有拉伸作用，使得裂縫擴(kuò)展，同時(shí)，在毛細(xì)管力作用下，裂縫尖端應(yīng)力集中，也促進(jìn)了裂縫的擴(kuò)展。浸泡10d，主裂隙的擴(kuò)展變緩，其長(zhǎng)度甚至逐漸減小，出現(xiàn)少量礦物顆粒間微裂隙閉合的現(xiàn)象（圖2-c）。這是由于黏土礦物顆粒水化膨脹，充填了部分裂縫空間。浸泡20 d，整體上裂縫密度明顯高于水化前，初始的3條層理縫趨于閉合，但小尺度微裂縫數(shù)量卻大幅增加，廣泛分布于頁(yè)巖基質(zhì)中，是水化過(guò)程中產(chǎn)生的誘導(dǎo)裂縫的主體（圖2-d）。黏土礦物水化后使得頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)總體變得多孔疏松（圖1-d），孔隙密度明顯增加。這些微觀孔隙（實(shí)際為微裂縫）局部連通，從而改善了滲透性。如圖2所示，水化過(guò)程中微裂縫的變化存在兩種情況：(1)大尺度微裂縫（層理縫、原始天然裂縫等）在水力壓裂與黏土水化膨脹效應(yīng)的共同作用下先延伸擴(kuò)展后趨于閉合，總體上數(shù)量減少；(2)小尺度水化微裂縫的數(shù)量大幅度增加，這是由于大量黏土孔隙或黏土層間縫吸水后張開，產(chǎn)生大量誘導(dǎo)裂縫的結(jié)果。

圖5為不同浸泡時(shí)間下巖樣等溫吸附脫附曲線，圖中p、p0分別表示實(shí)驗(yàn)壓力、大氣壓，表示相對(duì)壓力。根據(jù)等溫吸附脫附曲線的形狀可以確定孔的形狀[13]。巖樣吸附等溫線整體呈反“S”形，在低壓階段上升較為緩慢，曲線略向上凸，對(duì)應(yīng)液氮在頁(yè)巖樣品表面的單分子層吸附及微孔填充階段；在中等壓力階段吸附量隨壓力增大而緩慢上升，對(duì)應(yīng)多分子層吸附階段；較高壓力階段曲線急劇上升，直至相對(duì)壓力數(shù)值接近1也未出現(xiàn)吸附飽和，這表明頁(yè)巖樣品具有一定數(shù)量的中、大孔，由于毛細(xì)管凝聚作用而產(chǎn)生的大孔容積充填[14]。巖樣等溫吸附曲線和脫附曲線在壓力較高的部分不重合，形成吸附回線，表明孔隙呈開放狀態(tài)�；贒e Boer提出的5種回線類型[14]，國(guó)際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）提出了H1、H2、H3、H4四種類型[13]，分別表示圓柱形孔、墨水瓶孔、楔形孔（一端或兩端開口）和裂縫形孔。巖樣等溫吸附脫附曲線與IUPAC推薦的回線H4型相似，兼具H3型特征，同時(shí)與De Boer的B型回線特征相似，表明孔隙結(jié)構(gòu)以平板狹縫狀孔為主，具有不規(guī)則孔特征[10]。

【參考文獻(xiàn)】：
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