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.pdfVIP

摘要: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0d、5d、10d、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5d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

++2+

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、Ca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5d，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。

关键词:水化作用；页岩气储集层；黏土矿物；微观孔隙结构；水化应力；焖井时间；早志留

世龙马溪期；四川盆地；长宁地区

0引言

为了提高页岩气井的产量，需要在水力压裂过程中形成更多的裂缝，以沟通更大体积的有利

储层。而压裂液与页岩的水化反应会使页岩岩石结构发生宏观、细观与微观变化。当这

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两者发生化学反应后，页岩矿物成分将改变，从而降低岩石颗粒骨架的胶结强度；同时，由

于孔隙压力增大，在微裂缝尖端会产生应力集中，使页岩的微观孔隙结构发生改变。因此，

研究水力压裂过程中页岩储层多尺度微观孔隙结构的变化规律，可以为页岩气井压裂施工方

案的优化提供理论支撑。页岩中黏土矿物普遍发育微裂缝，由于黏土矿物具有极强的亲水性，

压裂液将优先进入其孔缝中，尤其是蒙脱石的阳离子交换容量及比表面积较大，使得水化作

用增强，从而引起页岩微观孔隙结构发生较大变化[5]。卢运虎等[6]通过开展电镜扫描、岩石

力学实验针对水基钻井液浸泡3d、12d后的页岩强度变化规律进行研究，证实水化过程

中黏土矿物的层间结构被破坏的同时产生了诱导微裂缝。隋微波等[7]基于4种不同类型页

岩露头岩样，应用场发射扫描电镜定点研究了水化前以及水化3d、6d后页岩的微观孔隙

结构变化，发现页岩水化后出现溶蚀孔隙和矿物脱落的现象，从而使平均孔径变大，微裂缝

发育为宏观裂缝。康毅力等[8]定量研究了黏土矿物水化过程中晶层微观作用力特征，认为

在压后焖井过程中可以通过黏土的水化作用来促进微裂缝的产生、发育，进一步改善储层物

性。以上研究成果认为，黏土矿物在页岩水化过程中发挥着主要作用，水化后页岩微观孔隙

结构和孔缝连通性得到了改善，有助于页岩气井产量的提升。然而，也有一部分学者认为水

化作用不利于页岩气的采出。Howe[9]认为压裂液侵入页岩后地层中溶液离子浓度将发生

改变，导致微粒运移并堵塞微纳米孔喉，从而降低储层渗透率。孙则朋等[10]通过开展X射

线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和低温氮气吸附等实验，对比研究了黏土矿物含量不同

的页岩与压裂液反应72h后矿物组成、孔径分布、比表面积和反应前的变化，认为黏土矿

物发生水化膨胀与崩解分散，会充填和堵塞微小孔隙。Farah等[11]认为由于页岩储层孔径

太小而使毛细管力非常大，并且水化作用导致黏土膨胀、运移，对裂缝面形成堵塞，进而降

低孔隙的连通性。在压裂液的差异水化作用下，包含不同黏土矿物的页岩储层纳米孔隙结构

会发生显著变化[9]；受研究尺度、量化程度等因素的限制，前人在研究页岩水化作用时通

常将页岩样品作为一个整体来看待。由于研究样品存在着一定