杨 海 石孝志 尹丛彬 梁 兴 赵金洲 李军龙朱炬辉 耿周梅 伍 洲 李 然

1. 中国石油川庆钻探工程有限公司 2. 中国石油浙江油田公司 3.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学

0 引言

海相页岩气储层在水化作用下能够自发产生新的微细裂缝，增加裂缝体积及表面积[1-3]，降低页岩岩石力学性能[4]。国内外学者围绕页岩岩石力学特征和张性破坏模式开展了相关研究。袁和义等[5]发现水化作用对页岩层理面的抗剪强度影响较大。Rybacki等[6]认为垂直页岩层理面加载获得的杨氏模量值小于平行于层理面。班宇鑫等[7]建立了声发射功率谱频带特征与微损伤的对应关系，通过声发射高低频数量可以区别层理和基质的张拉和剪切破坏。目前，将基于页岩层理方向效应的页岩巴西劈裂张性破坏模式分为层理破裂、中心破裂、非中心破裂（或弧形破裂）、月牙形破裂和折线形破裂[8-11]，除层理方向外，水化后页岩岩心内部裂缝形态和展布以及应力弱点的变化情况将是影响页岩巴西劈裂张性破坏特征的重要因素。

海相页岩水化特性对页岩气储层改造的有利作用已逐渐被业内认可[12-13]，但是目前针对不同类型液体水化作用对页岩内部裂缝形态、岩石抗拉强度和巴西劈裂张性破坏模式的影响研究则较少。为此，笔者选取昭通国家级页岩气示范区下志留统龙马溪组页岩气储层岩心，采用清水及滑溜水分别进行了水化预处理，通过CT扫描对比分析了海相页岩经过不同液体水化处理后岩心中裂缝结构的变化规律及其差异；通过开展巴西劈裂试验，研究了水化后页岩试件抗拉强度及张性破坏模式；在此基础上，选取研究区内两口水平井，在其压裂施工现场开展了水化预处理先导性试验。以期为海相页岩气大规模开发提质增效提供支撑。

1 水化预处理

1.1 岩心、液体准备

三组实验岩心同时放入并且完全浸没于不同预处理液体中，将液体温度维持在取心地层温度（介于85～90 ℃），待岩心重量基本稳定后取出，水化预处理时间均为38 h。

1.1.1 岩心准备

实验岩心取自昭通页岩气示范区龙马溪组埋深约2 300 m的页岩气储层。沿着同一块全直径岩心的层理面钻取直径为25 mm、长度介于45～48 mm的岩柱作为实验岩心，取心间距约2 cm，然后将所有岩心在105 ℃条件下烘干至重量不再变化。通过CT扫描获取岩心初始的裂缝体积分数和裂缝总表面积。为了减少由于初始裂缝体积分数不同对水化效果的分析产生影响[1]，将实验岩心分为3组，每组岩心的初始裂缝体积分数分别约为0.4%、1.3%和2.3%。每组岩心均采用清水和滑溜水进行水化预处理（表1）。

表1 页岩岩心原始裂缝信息与水化预处理液体类型统计表

1.1.2 液体配置

考虑到现场水化先导性试验液体用量大，无法全部采用去离子水，因此本次水化预处理采用的清水来源于实验室自来水，无其他添加剂。另外，采用粉剂降阻剂和清水配置得到滑溜水，降阻剂比例为0.025%，不含黏土稳定剂，通过调整降阻剂用量使滑溜水在85～90 ℃条件下的黏度为4.5 mPa·s。

1.2 水化效果

1.2.1 裂缝参数的变化

页岩水化后岩心内部孔缝结构会在黏土矿物膨胀应力和矿物溶蚀作用下发生改变。所有实验岩心水化预处理后岩心裂缝体积分数均增加（图1），且增加的渗流通道是有效通道，水化作用使页岩岩心渗透性提升。除C组以外，其余两组清水水化预处理后岩心裂缝体积分数和总表面积增加的幅度均明显高于滑溜水（图1、2），由于C-2号岩心在水化过程中沿层理面开裂、分离以及部分岩块脱落，这可能导致C-2号岩心经过滑溜水水化后测得的岩心裂缝体积分数和裂缝总表面积数值偏高。

由于实验岩心外观尺寸差异小，裂缝总表面积可在一定程度上表征裂缝复杂程度。由图2可知，所有岩心经过清水和滑溜水水化预处理后其裂缝总表面积均有不同程度的增加。在相同水化时间内，通过自发渗吸作用进行的清水水化比滑溜水水化更能提升裂缝复杂程度，因此清水水化效果优于滑溜水（C组岩心除外）。

图1 水化预处理前后岩心裂缝体积分数统计图

图2 水化预处理前后岩心裂缝总表面积统计图

由于采用同一来源的清水配置得到滑溜水，实验中可不考虑预处理液体的矿化度对岩心水化程度差异的影响，仅考虑毛细管力对液体渗吸的影响。清水表面张力高于滑溜水且黏度更低，通过实验发现A、B两组岩心在清水中的平均渗吸速率（单位为cm/min0.5）比滑溜水高20.9%，且岩心在清水中的单位面积吸液量比滑溜水多11.2%。若岩心裂缝尺度和展布形态相似，则岩心对清水的吸入能力优于滑溜水，页岩对清水的吸入量更多且水化作用距离更远、波及范围更大，使得液体与岩心中更多的黏土矿物颗粒和孔缝接触，在黏土矿物膨胀应力和矿物颗粒溶蚀作用下，清水对岩心的损伤程度更高。结合3组实验现象和裂缝参数，有理由推断原始裂缝结构相似的岩心在自发渗吸过程中，由于液体表面张力和黏度存在差异，使得海相页岩清水水化效果明显优于滑溜水。

1.2.2 水化裂缝的展布

CT扫描结果显示，3组岩心在经过清水和滑溜水水化预处理后其表面裂缝更加明显且观察到原始裂缝的延伸，但清水水化后的岩心均出现大量的新微细裂缝，而滑溜水水化后的岩心则以原始裂缝的延伸为主（图3、4）。另外需要注意的是C-2号岩心水化预处理前连通岩心表面的微细裂缝比C-1号岩心更多，提供了更多的进液通道，在一定程度上补偿了液体表面张力和黏度差异对岩心吸液量的影响。

图3 水化预处理前页岩岩心表面裂缝展布图

图4 水化预处理后页岩岩心表面裂缝展布图

图5 水化预处理前页岩岩心内部裂缝展布图

图6 水化预处理后页岩岩心内部裂缝展布图

如图5、6所示，原始裂缝的再延伸或缝宽增加是页岩岩心经过清水和滑溜水水化预处理后表现出的共同特征，但清水水化预处理后的页岩岩心还明显出现了分支裂缝或新裂缝的起裂、延伸，而滑溜水水化预处理后形成分支裂缝或新裂缝的现象不明显。

2 巴西劈裂试验

2.1 试件制备

岩心经清水和滑溜水水化预处理后，根据《岩石物理力学性质试验规程第21部分：岩石抗拉强度试验：DZ/T 0276.21—2015》[14]规程，将3组（A、B、C组）6块岩心垂直于轴向切割获得12块试件，其中清水组和滑溜水组水化前岩心平均裂缝体积分数分别为1.34%和1.33%，同时选取裂缝体积分数相近（平均裂缝体积分数为1.30%），但未经水化预处理的岩心（岩心D-1、D-2，共计4块试件）作为巴西劈裂试验对照组（D组）。为了最大程度降低岩心中水膜润滑效应的影响[15-16]，4组（A、B、C、D组）共计16块试件均在105 ℃条件下烘干至重量不再变化，所有巴西劈裂试验试件均满足高径比介于0.5～1.0的要求（表2）。

2.2 试验方法

国际岩石力学学会推荐使用弧形巴西劈裂试验来降低应力集中造成的影响，其对试件尺寸的要求较高，而平板加载与弧形加载获得的抗拉强度值接近[17]，故笔者采用平板加载方式进行巴西劈裂试验。

表2 巴西劈裂试验页岩试件参数统计表

由于岩石层理方向效应对巴西劈裂试验岩石张性破坏模式及抗拉强度具有显著的影响[17-19]，笔者将试件层理面方向与载荷施加方向夹角确定为90°以消除层理方向效应。通过CT扫描发现，岩心原始裂缝的发育方向与层理方向整体一致（最大偏离10°）。因此巴西劈裂试验中加载方向与原始裂缝方向的夹角介于80°～90°。

试验过程中，若试件出现贯穿裂缝且失去承压能力则视为有效试件，若仅出现岩块崩落且未出现贯穿裂缝则视为无效试件。16次巴西劈裂试验中，试件C-2-1表面有岩块崩落导致不能与加载面完全接触，加载过程中试件出现明显位移且未出现贯穿裂缝。因此该试件被视为无效试件，其余15个试件均为有效试件。

2.3 试验结果

2.3.1 抗拉强度

腾俊洋等[20]通过开展页岩巴西劈裂试验发现采用抗拉强度常规计算式获得的结果，与采用Claesson等[21]提出的考虑岩石层理倾角的横观各向同性岩石抗拉强度计算式获得的结果相比，相对误差小于10%，因此笔者采用前者来计算抗拉强度，即

式中σt表示抗拉强度，MPa；p表示破裂时载荷，N；D表示试件直径，mm；L表示试件长度，mm。

尽管储层埋藏深度、TOC、矿物组分等因素会影响岩石抗拉强度[22]，但由于试验试件来源于同一全直径岩心，上述因素的参数值变化可以忽略。因此试件抗拉强度存在的差异主要来源于不同液体类型对页岩水化效果的影响。

如表3所示，经清水、滑溜水水化预处理后以及未水化岩心的抗拉强度分别介于2.640～7.545 MPa（平均为4.953 MPa）、4.504～8.229 MPa （平均为6.301 MPa）和 3.586 ～11.879 MPa（平均为 7.694 MPa）。未经水化预处理的试件平均抗拉强度最高，而经清水和滑溜水水化预处理后页岩平均抗拉强度与其相比，分别降低35.6%和18.1%。

如图7、8所示，页岩抗拉强度整体表现出随裂缝体积分数和裂缝总表面积增加而降低的趋势，但并非单调递减，说明除了水化作用使原始裂缝延伸和新裂缝产生从而降低岩石抗拉强度以外，还存在内摩擦力、矿物颗粒胶结程度、溶蚀程度等因素的影响。当无法对这些因素的影响进行定量表征时，岩心裂缝体积分数和总表面积可以在一定程度上反映抗拉强度的变化。

2.3.2 张性破坏特征

如图9、10所示，将试件端面原始可见裂缝、巴西劈裂试验后试件的主裂缝（纵向裂缝）与次裂缝（水平裂缝或开启的层理）分别用黄色、红色和白色实线标出。从巴西劈裂试验后试件端面裂缝整体展布形态来看，经清水、滑溜水水化和未水化试件的裂缝复杂程度依次降低，裂缝展布形态及复杂程度的差异来源于主裂缝延伸方式和次裂缝数量不同。

表3 巴西劈裂试验页岩试件抗拉强度统计表

图7 页岩试件抗拉强度与岩心裂缝体积分数关系曲线图

图8 页岩试件抗拉强度与岩心裂缝总表面积关系曲线图

图9 巴西劈裂试验前页岩试件照片

图10 巴西劈裂试验后页岩试件照片

主裂缝为贯穿试件的纵向裂缝。清水和滑溜水水化后试件的主裂缝路径更加多样化，曲折程度更高，而未水化试件主裂缝几乎沿端面中心直线延伸并贯穿试件，路径单一。次裂缝包括平行于层理面原始裂缝的延伸缝、产生的新裂缝以及开启的层理面。本次试验中所有试件均出现水平方向的次裂缝，经清水、滑溜水水化以及未水化试件在巴西劈裂试验后出现的次裂缝数量分别为15条、6条、4条。

如表4所示，根据试件主裂缝形态，将水化后海相页岩巴西劈裂张性破坏模式划分为阶梯形、折线形、分支形、弧形和直线形5种。直线形仅存在于未水化试件中，由于水化作用促使海相页岩中矿物颗粒间黏聚力降低，矿物溶蚀、脱落，新的微细裂缝产生（图11），从而使岩心应力弱点或弱面增加，裂缝的起裂点和延伸路径具有了更多选择，呈现出阶梯形、折线形、分支形、弧形4种张性破坏模式或者是其相互组合。

表4 页岩试件张性破坏模式统计表

需要说明的是，若页岩未经水化预处理，只有当巴西劈裂试验加载方向与层理面方向的夹角小于90°时，层理面的方向效应才会使劈裂过程中出现折线形、分支形、弧形等多种破坏模式，而当夹角为90°时，为直线形破坏模式[8-11]。而本次试验过程中加载方向均垂直于层理面方向，水化作用使得页岩巴西劈裂张性破坏模式呈现出了多样性，并且新发现了阶梯形破坏模式。

如前所述，清水水化效果优于滑溜水，为次裂缝的产生提供了更多可能性，因此清水水化后的试件巴西劈裂试验产生的次裂缝数量多于滑溜水水化试件。

图11 水化预处理前后页岩岩心电镜扫描结果对比图

3 现场先导性试验

选取位于昭通页岩气示范区龙马溪组两口水平井，在压裂施工现场开展了水化预处理先导性试验，其中A井采用清水水化，B井采用滑溜水水化，来进一步验证不同类型液体水化作用对页岩压裂裂缝复杂程度的影响。

A井水化试验段（垂深为2 050 m）射孔后泵注清水242 m3，水化时间为11 h，B井水化试验段（垂深为2 550 m）射孔后泵注滑溜水约600 m3，水化时间为48 h。虽然施工压力受局部地应力影响较大，不能用于判断水化作用对抗拉强度的影响，但主压裂过程的压力响应变化可以定性表征裂缝复杂程度。如图12所示，在相同排量下，A井清水水化段主压裂过程中压力波动频率及范围明显更高，地层中出现了更多明显破裂的迹象（红色箭头指示处）；如图13所示，B井未水化段仅出现1次明显破裂迹象（紫色箭头指示处），而滑溜水水化段则出现多次破裂迹象（红色箭头指示处）。虽然多裂缝或复杂裂缝的产生有利于提升储层改造效果，但导致水化段加砂相对困难。两口井水化后的层段与其未水化的邻段相比，施工压力波动明显增加且地层中出现多次破裂迹象，表明两口井的水化预处理均对压裂裂缝复杂程度的提升有明显效果。由于储层天然裂缝展布存在较强非均质性，因此还难以准确评价清水与滑溜水在现场水化作用强度的差异。

图12 A井清水水化段与邻段主压裂施工曲线对比图

图13 B井滑溜水水化段与邻段主压裂施工曲线对比图

海相页岩气储层水化后应力弱点增加，裂缝复杂程度提升，但可能增加水化段主压裂施工的难度，现场可以采取“低砂浓度、长段塞”的泵注方式满足设计加砂量。水化预处理技术现场操作性强、成本低、作业时间弹性可调，为海相页岩气大规模开发提质增效提供支撑。

4 结论

1）相同时间内，清水水化作用对海相页岩裂缝复杂程度的提升效果优于滑溜水。清水表面张力更大且黏度更低，自发渗吸过程中清水水化作用不仅能够促使原始裂缝延伸还能诱发新的微细裂缝或分支缝，而滑溜水水化以促使原始裂缝扩展为主。

2）水化作用使海相页岩发生损伤，其抗拉强度降低，经过清水、滑溜水水化预处理后的页岩试件抗拉强度相对未水化试件分别降低了35.6%和18.1%。

3）根据主裂缝延伸形态将页岩水化后岩心巴西劈裂张性破坏模式分为阶梯形、折线形、分支形和弧形4种或者是其相互组合，而未水化的页岩张性破坏模式仅为直线形。

4）水化作用能有效提升海相页岩压裂裂缝复杂程度，建议在施工条件允许的情况下，射孔后在限压范围内高排量注入一定量清水并关井直至主压裂施工开始，为了降低主压裂施工难度，可以通过“低砂浓度、长段塞”泵注策略来满足设计加砂量。