2015, Vol. 37
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2. EMS Energy Institute and G3 Center, Pennsylvania State University, University Park, 16802, USA
2. EMS Energy Institute and G3 Center, Pennsylvania State University, University Park, 16802, USA
支撑裂缝的渗透率是评价水力压裂作业效果的重要指标，裂缝闭合时，支撑剂由于硬度较高，在围压的作用下嵌入裂缝壁面，造成裂缝宽度的损失和渗透率的下降，以往学者[1-8]针对支撑剂嵌入机理进行了大量的实验和数值模拟研究，讨论了闭合压力、地层弹性模量、支撑剂粒径等参数的影响规律，其中，卢聪等[5]的实验结果表明，嵌入作用能使导流能力下降20%~50%，因此，支撑剂的嵌入是影响支撑裂缝渗透率的重要因素之一。
此外，CO2、CH4等吸附性气体吸附于岩石孔隙和岩石基质中，将使岩石的体积膨胀，对渗透率同样具有显著影响。这种溶胀作用在煤岩中尤为明显，Hemant Kumar等[9-10]、Levine J R[11]、Chikatamarla L[12-13]、Ravikoviteh P I[14]等学者，分别采用实验和数值模拟的方法，研究了煤岩基质膨胀对裂缝渗透率的影响。而对于页岩，类似的吸附机理同样存在，文献[15-18]分别从CO2驱替、埋存等工程角度出发，研究了页岩中的气体吸附特性。但由于页岩远比煤岩致密，页岩吸附后的体积膨胀，以及页岩中溶胀作用对渗透率影响的相关研究较少。本文以页岩中支撑裂缝的渗透率为研究对象，通过实验手段，探索页岩中吸附溶胀作用和支撑剂嵌入作用对渗透率的影响。
1 实验装置渗透率测量实验装置[19]，如图 1所示，由注射泵组、岩芯夹持器、储气室以及数据采集系统等组成。ISCO 500D型高压注射泵组通过注水，可以为岩芯提供最高35 MPa的轴压和围压，泵压控制精度为±0.007 MPa，具有恒压注入和恒流速注入两种模式；直径2.5 cm，长5.0 cm的标准页岩岩样，首先被包裹在耐高压的橡胶套中进行密封，再由Temco岩芯夹持器夹持，并施加轴压和围压；储气室共分上下游两个，上游体积为26.70 mL，下游体积为16.83 mL，气室的出口分别连接有压力传感器，用于测量和记录实验过程中气室内的压力值；压力传感器的电压信号通过一个16通道的数据采集盒(National Instruments-USB 6211)接收和转化，数据采集盒通过USB与电脑连接，实验过程中的压力数据在Labview软件平台中记录，该软件平台同时集成了泵组的控制功能。
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| 图1 脉冲法测量渗透率实验流程图 Fig. 1 Schematic of permeability measurement using pulse test method |
本次实验选用的吸附气体是纯度为99.995%的CO2，非吸附气体选用纯度为99.999%的He；页岩岩样选用Greenriver页岩，标准尺寸为直径2.5 cm，长5.0 cm，固定碳含量5%~8%，灰分产量87%~92%，水分含量0.5%~1.0%，内聚力强度约10 MPa；参照岩样选用Westerly花岗岩，同样为标准尺寸；支撑剂选用40/80目的Carbo陶粒，颗粒粒径为0.177~0.400 mm。实验轴压和围压同为25 MPa，实验温度为室温23 ℃，注气压力为2~9 MPa，测量系统的采集频率为100 Hz。
在实验准备阶段，将标准尺寸的岩芯沿轴向切成对称的两半，页岩岩芯的切面用细砂纸进行打磨抛光，花岗岩由于硬度高，需要用极细的金属铝粒进行打磨抛光，如图 2所示，在抛光后的岩芯表面均匀平铺一层支撑剂颗粒，再将两半岩芯重新拼接，支撑剂被夹在两半岩芯中间，从而形成一个人工模拟的支撑裂缝，将重新拼接的岩芯用铝箔进行包裹，再用胶带进行密封，将包裹好的岩芯放入耐高压橡胶套内，最后放入岩芯夹持器内进行实验。
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| 图2 实验准备阶段的岩样加工和包裹 Fig. 2 The sample processing and packaging before experiment |
本次研究设计了3组不同气体和岩样的实验，通过实验结果的相互比对，揭示支撑剂嵌入和吸附气体溶胀作用对渗透率的影响。
(1)He在花岗岩支撑裂缝中的渗透率实验
由于花岗岩硬度高，支撑剂不发生嵌入作用，该组实验即不存在支撑剂的嵌入作用，也不存在吸附气体的溶胀作用。
(2)He在页岩支撑裂缝中的渗透率实验
页岩强度低于支撑剂强度，且He为非吸附性气体，因此，该组实验存在支撑剂的嵌入作用，但不存在吸附气体的溶胀作用。
(3)CO2在页岩支撑裂缝中的渗透率实验
该组实验同时包含支撑剂的嵌入和吸附气体的溶胀作用。
采用Pulse test(脉冲测试法)实验方法[10]，测量He和CO2在支撑裂缝中的渗透率：首先进行管线流程的气密性检查，再进行轴压和围压的注水加压测试。测试完成后对系统内进行抽真空，并施加25 MPa的轴压和围压开始实验。关闭上游气室的出口，将一定压力的气体注入上游气室，与下游形成一个压力差，待压力稳定后，打开上游气室的出口，气体在压差作用下，从上游气室经过岩芯裂缝到达下游气室，并最终达到压力平衡，记录平衡过程中，上下游气室压力值的变化，裂缝内的渗透率通过以下公式进行计算
| $ K=\dfrac{{\gamma \mu LV_{{\rm{u}}} V_{{\rm{d}}} }}{{p_{{\rm{eq}}} A(V_{{\rm{u}}}+V_{{\rm{d}}})}} $ | (1) |
式中：
K-渗透率，D；
γ-衰减系数，s-1；
µ-气体的黏度，Pa·s；
L-岩芯长度，m；
Vu，Vd-上、下游气室的体积，m3；
peq-系统平衡后的压力，MPa；
A-气体的过流断面，m2。
对实验过程中单位时间内上、下游气室的压差与初始时刻气室的压差的比值取对数，并作关于时间的曲线，得到的曲线为直线，衰减系数γ就是这条直线的斜率
| $ \gamma=\dfrac{{\lg \left[{\dfrac{{{\rm{d}}(p_{{\rm{u}}}-p_{{\rm{d}}})}}{{p_{{\rm{u}}}^0-p_{{\rm{d}}}^0 }}} \right]_{\rm{t}} }}{{{\rm{d}}t}} $ | (2) |
式中：
pu，pd-单位时间内上、下游气室的压力，MPa；
p u0，p u0-初始时刻上、下游气室的压力，MPa。
为了提高实验结果的准确性，对每个压力下的渗透率进行了3次重复测量，并将测量结果全部绘制在渗透率曲线中。特别地，注气压力的变化采用了由低压到高压，再反向由高压到低压的双向重复测量方法，进一步消除了不确定因素对结果的影响。本次研究的渗透率曲线表现出了良好的稳定性和可重复性，因此，实验结果准确可靠。
4 实验结果及分析 4.1 He在花岗岩支撑裂缝中的渗透率实验结果He在花岗岩的渗透率随着注气压力的增加呈线性趋势增加，如图 3所示，注气压力的增加导致裂缝的有效应力降低，因而气体的渗透率增加。由于花岗岩的强度较高，支撑剂在25 MPa围压作用下，受力不均匀的颗粒发生了破碎，从而也说明了花岗岩实验中不存在支撑剂的埋置作用，实验前后的花岗岩岩样对比如图 4所示。
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| 图3 He在花岗岩支撑裂缝中的渗透率变化 Fig. 3 The permeability evolution of He in propped westerly granite |
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| 图4 实验前后的花岗岩岩样对比 Fig. 4 The granite sample before and after experiment |
He在页岩中的渗透率明显低于在花岗岩中的渗透率，如图 5所示，支撑剂的嵌入作用导致裂缝的有效缝宽变窄，从而导致渗透率降低，与花岗岩相比，页岩由于支撑剂的嵌入作用损失了约50%左右的渗透率，可见，嵌入作用对渗透率的影响十分明显。
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| 图5 He在页岩支撑裂缝中的渗透率变化 Fig. 5 The permeability evolution of He in propped shale |
对比实验前后页岩岩芯的表面，如图 6所示，图 6a为实验前经过砂纸打磨的岩芯壁面，图 6b为实验后裂缝的壁面，在25 MPa围压的作用下，支撑剂的嵌入，对岩芯表面的破坏作用十分明显。
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| 图6 支撑剂嵌入对岩样表面的破坏作用 Fig. 6 The damage in the sample surface due to the proppant embedment |
CO2在页岩中的渗透率，随着注气压力的增加呈现典型的“U”型曲线，与吸附气体在煤岩中的渗透率曲线变化规律相同，说明CO2的吸附溶胀作用对渗透率起到了显著影响，如图 7所示，注气压力的升高使渗透率增加，而CO2吸附溶胀作用使渗透率降低，在两种机理的共同作用下，渗透率的变化曲线呈现“U”型。
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| 图7 CO2在页岩支撑裂缝中的“ U”型渗透率曲线 Fig. 7 The U shape of CO2 permeability curve in propped shale |
CO2在页岩中的吸附特性符合Langmuir等温吸附模型，即气体的吸附量随着压力的升高而增大，当压力高于某一压力值时，气体的吸附量达到最大，此后保持恒定，这一压力值称为Langmuir压力。在图 7的渗透率变化曲线中，当注气压力较低时，气体大量吸附，溶胀作用加剧，有效缝宽被膨胀的岩石侵蚀，渗透率降低。当气压小于5 MPa时，气体的吸附溶胀作用占主导地位，因而渗透随气压的升高呈下降趋势；当气压在5 MPa附近时，气体的吸附量达到最大值，此时的渗透率也达到了最小值；当气压大于5 MPa时，气体的吸附量不再继续增加，而注气压力的升高，导致有效应力减小，并开始主导渗透率的变化，因此，渗透率呈现上升趋势。
以上分析表明，在本次实验的温度、压力条件下，CO2在页岩中的Langmuir压力约为5 MPa，这一结论与孙宝江等在30℃下进行的CO2吸附页岩实验结果吻合[20]。
4.4 溶胀和嵌入作用对渗透率的影响规律分析如图 8所示，将He在花岗岩、页岩以及CO2在页岩中的渗透率实验结果进行比对，结果表明，非吸附性气体的渗透率变化呈线性，而吸附气体，由于影响渗透率的机理复杂，渗透率变化曲线呈非线性；与花岗岩相比，页岩由于支撑剂的嵌入作用，渗透率降低了约50%，与He相比，CO2使页岩的渗透率进一步降低，特别是注气压力在Langmuir压力附近时，渗透率由25 mD左右，降低至5 mD左右，降幅约80%，当压力大于Langmuir压力时，渗透率得到了一定的恢复。
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| 图8 He、CO2在花岗岩和页岩中的渗透率变化对比图 Fig. 8 Comparisons of He permeability in granite and shale and CO2 permeability in shalee |
值得注意的是，图 8中，He和CO2在页岩中的渗透率差异，并非单纯的由吸附溶胀作用引起的，CO2的吸附溶胀作用一方面使岩石膨胀，裂缝宽度减小，另一方面还降低了岩石的强度，而岩石强度的降低势必进一步加重支撑剂的嵌入作用，因此，溶胀对嵌入的影响有必要进一步通过实验探索。
实验结果的分析表明，在页岩中，吸附气体的溶胀作用同样会影响渗透率，且由此损失的渗透率值较大。与CO2类似，甲烷也是典型的吸附性气体，因此，在页岩气藏的开发中，溶胀作用对渗透率的影响应当予以重视，特别是在生产过程中，应保障气藏压力尽量远离Langmuir压力。
5 结论（1）采用Pulse test实验方法，测量了非吸附气体He和吸附气体CO2在Greenriver页岩和Westerly花岗岩支撑裂缝中的渗透率，其中，支撑剂的嵌入作用使He在页岩中的渗透率与花岗岩相比，降低了约50%。
（2）通过实验方法，研究了CO2吸附气体对Greenriver页岩支撑裂缝渗透率的影响，结果表明，CO2渗透率曲线呈典型的“U”型，与吸附气体在煤岩中的渗透率曲线变化规律相同，从而说明吸附溶胀作用对页岩支撑裂缝的渗透率同样有显著影响，并且CO2渗透率在Langmuir压力值附近达到最小值。
（3）对比分析He和CO2在页岩支撑裂缝中的渗透率曲线，结果表明，非吸附气体的渗透率主要由有效应力主导，曲线呈线性变化，而吸附气体的渗透率受溶胀作用和有效应力的双重影响，曲线呈“U”型变化，且溶胀作用的存在比单纯的支撑剂嵌入作用更能降低渗透率。
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