压裂液在页岩气储层中的滞留与自吸机理研究

Horizontal drilling and hydraulic fracturing have emerged as attractive technologies for extracting gas from unconventional shale reservoirs. Imbibition of fracturing fluid in the shale is believed to be one of the explanations for the low amount of the fracturing fluid recovery, but the mechanisms of retention and spontaneous imbibition for hydraulic fracturing fluids in gas shales are not very clear. Therefore, shalestones sampling from Weiyuan, Fuling, Changning in Sichuan basin were selected for the experiment to study the retention and spontaneous imbibition of hydraulic fracturing fluids in gas shales. The research refers to the following, (1) compare the mineral composition, porosity, permeability of shales in different blocks, simulate hydraulic fracturing to form secondary fractures, and describe shale fracture characteristics; (2) design dynamic retention experiment and static imbibition experiment, to investigate the retention process of fracturing fluid in fractured rock columns under different conditions of fissure properties, import and export pressures, liquid saturations, and to investigate the imbibition process of fracturing fluid in complete rock blocks under different conditions of time, temperatures, pressures, contact areas; (3) identify the key influencing factors according to the relationship of the retention amount and imbibition amount of fracturing fluid with different factors, analyze the chemical reaction between fracturing fluids and shale minerals during spontaneous imbibition, establish and verify the formulas for calculating the retention and imbibition rate of fracturing fluid. This research will be of great scientific significance in studying the behavior of fracturing fluid in shale gas extraction.

水平井水力压裂是页岩气开发的关键技术，页岩气储层的吸水作用是导致压裂液返排率低的主要原因，但是压裂液在页岩储层中的滞留与自吸机理尚未明晰。为此，本项目以四川盆地威远、涪陵、长宁3个区块龙马溪组页岩为研究对象，模拟压裂液的滞留与自吸过程，揭示其作用机理。具体内容：（1）运用测试方法，对比分析不同区块页岩的矿物成分、孔渗特征，模拟水力压裂形成页岩次生裂隙，描述页岩裂隙特征；（2）设计动态滞留实验与静态自吸实验，模拟不同裂隙性质、进出口压差、液体饱和度条件下，压裂液在裂隙岩柱中的滞留过程，以及不同时间、温度、压力、接触面积条件下，压裂液在完整岩块中的自吸过程；（3）根据压裂液滞留量与自吸量与各要素之间的关系识别关键影响因素，并且分析压裂液与页岩矿物的水岩化学反应特征以及对自吸机理影响，通过理论分析建立并验证压裂液滞留量与自吸量计算公式。本项目将对研究页岩气开采中压裂液行为具有重要科学意义。

在页岩气的开发过程中，大规模水平井水力压裂是其中的一项关键技术。工程实践表明，压裂液的返排率通常较低，且不同地区差异性较大，这将消耗大量的水资源，不利于压裂液的循环利用；同时，由于压裂液化学成分复杂，含有有毒有害物质，也可能对地下水造成潜在污染。其中，页岩气储层的吸水作用是导致压裂液返排率低的主要原因，但是压裂液在页岩储层中的滞留与自吸机理尚未明晰。本项目通过野外页岩样品与现场采出水样品采样、测试与分析，压裂液-页岩矿物自吸实验设计与研究，以及储层页岩气-压裂液数值模拟，揭示了控制压裂液在页岩储层中的自吸作用机理及其影响因素，以及流体迁移运动规律。研究结果表明，页岩矿物成分、压裂液化学组分、以及环境温度条件均会影响压裂液在岩石样品中的自吸量和自吸速率。不同矿物类型的页岩，其对压裂液的自吸作用机理也不相同。对于含有蒙脱石的样品，吸水过程是由岩石内部的微米级和纳米级孔隙的毛细作用力以及粘土与水合作用相关的溶胀作用共同控制；而非蒙脱石矿物的样品，吸水主要取决于毛细作用力。页岩矿物对压裂液的单位重量的吸水量与吸水时间的平方根呈线性关系，其中，含蒙脱石样品的吸水量（约10%）远大于不含蒙脱石或少量蒙脱石矿物样品的吸水量（2.5~4%），且其吸水过程分为快速吸水、缓慢吸水和膨胀释水三个阶段。岩石样品尺寸可以影响吸水速率，但不影响矿物单位质量的吸水量。温度通过控制粘土的水合膨胀作用，同时影响吸水速率和吸水量。氯化钾溶液能够抑制蒙脱石的水合膨胀作用，进而降低单位质量页岩矿物的吸水量，且KCl溶液浓度越高，其抑制作用越强。由于压裂液与页岩矿物之间水-岩反应，可以引起长石、粘土类矿物溶解，使溶液中Ca2+、Fe2+、Al3+、Mg2+、K+、Na+、Cl-以及SO42-离子浓度增加。模拟结果表明，储层中页岩气-压裂液的迁移运动受储层边界性质影响。这项研究有助于更好地分析和理解地层中压裂液的环境行为，并提高页岩气生产中压裂液的循环利用效率。