貴州大學土木工程學院趙瑜教授團隊

《基于低場核磁的斷裂砂巖水滲透機制與孔隙結構演化研究》

《Petroleum Science》

中科院分區(qū)

大類：工程技術（1區(qū)）

小類：能源與燃料（1區(qū)）

在砂巖氣藏開采過程中，近井天然裂縫影響著水分入滲與孔隙演化，但其影響機制尚不明確。本研究利用實時核磁共振（RT-NMR）技術，探究了近井裂縫傾角（α）為0°、15°、30°和45°時對注水過程中流體入滲、運移規(guī)律及孔隙演化機制的影響。實驗過程中實時監(jiān)測了注水過程的T₂曲線和磁共振成像（MRI）。通過T₂曲線和MRI的演化特征，揭示了流體增壓過程中儲層孔隙演化與流體入滲的規(guī)律。結果表明：提高注水壓力（Pinj）可促使吸附孔隙向滲流孔隙轉化，導致孔隙損傷加劇?？紫稉p傷主要發(fā)生在快速增壓階段，并集中在近井裂縫周圍區(qū)域。當α=0°時流體入滲區(qū)面積和流體速率最大，α=45°時最小，這表明α顯著影響了流體入滲與運移路徑。入滲區(qū)前沿傾斜度隨α增大而增加，這是由于水分沿裂隙壁面的滲流速率始終快于裂隙尖端所致。在現(xiàn)場壓裂作業(yè)中，建議調(diào)整射孔方向使其與天然裂縫走向一致，并通過縮短緩慢增壓階段、延長快速增壓階段來優(yōu)化加壓策略。這些研究成果可為砂巖氣藏開采中壓裂段的選擇及注入?yún)?shù)的優(yōu)化提供重要指導。

水力壓裂技術是開采非常規(guī)油氣資源的有效手段，已在砂巖氣開發(fā)中廣泛應用。該技術通過高壓泵將壓裂液注入儲層，當注入壓力超過儲層破裂壓力時形成水力裂縫。壓裂液的持續(xù)注入促進水力裂縫的漸進擴展，進而與儲層內(nèi)天然裂縫相互聯(lián)通。這種相互作用形成廣泛而復雜的裂縫網(wǎng)絡，從而顯著提高儲層滲透率，優(yōu)化致密砂巖層的氣體開采效率。

本研究以圖1所示的四種典型工況為例，系統(tǒng)探討了近井地帶天然裂縫對注水過程中三個關鍵環(huán)節(jié)（流體的入滲、孔隙水的運移以及孔隙演化機制）的影響。為實現(xiàn)上述研究目標，設計并制作了一組預制裂縫角度（α）分別為0°、15°、30°和45°的試樣（圖2(a)），并開展了注入實驗。實驗過程中，采用實時核磁共振技術監(jiān)測注水過程中T₂曲線及磁共振成像的變化。研究綜合分析了不同傾角下近井天然裂縫的注入壓力演化規(guī)律、流體的入滲與運移模式以及孔隙結構的分布特征。探討了近井裂隙傾角對水滲入行為的影響，揭示流體滲入機制與孔隙損傷機理?；谏鲜鲅芯砍晒蔀橹旅苌皫r氣藏現(xiàn)場尺度的壓裂設計，特別是在壓裂段的選擇和注入?yún)?shù)的優(yōu)化方面，提供有價值的指導。

圖1 砂巖儲層增滲技術示意圖

本研究中使用砂巖巖塊加工成直徑為25mm、高度為50mm的圓柱形試樣。為模擬近井地帶天然裂縫對水力壓裂過程的影響，在圓柱形巖石試樣的頂面精確制作了一條寬2mm、長10mm的預制裂縫。定義預制裂縫與試樣軸線之間的夾角為預制角度α（見圖2(a)）。試樣的軸線方向亦為注水方向。

為防止水分從預制裂縫兩端滲入試樣邊緣而影響實驗結果，采用環(huán)氧樹脂膠對預制裂縫的兩端進行了密封（見圖2(b)）。此外，為避免注水過程中水分從試樣頂部除預制裂縫以外的任何部位進入試樣，在試樣頂部包裹了防水膠帶（見圖2(b)）。為確保注水過程中水能注入預制裂縫，鉆設了一個直徑為2mm的注水孔。同時，掃描電鏡圖像（見圖2(c)）顯示，砂巖顆粒間存在微孔隙，這表明其復雜的孔隙結構可能對水的運移行為產(chǎn)生影響。

圖2 砂巖試樣。（a）試樣制備三維示意圖。（b）涂抹環(huán)氧樹脂膠并包裹防水膠帶的試樣。（c）砂巖試樣的掃描電鏡圖像

實驗設備由三部分組成：Ⅰ注水系統(tǒng)、Ⅱ壓力加載系統(tǒng)和Ⅲ核磁共振系統(tǒng)（見圖3(a)）。注水系統(tǒng)（Ⅰ）包含計算機控制系統(tǒng)和兩臺注射泵。注射泵可分別以恒壓模式或恒流模式進行注水，提供0.10-40MPa的壓力范圍和0.001-40mL/min的注入速率。兩臺注射泵通過計算機控制，能根據(jù)剩余水量自動完成補水并切換備用泵，確保持續(xù)穩(wěn)定供水，從而避免實驗中斷，維持全程實驗條件的一致性。壓力加載系統(tǒng)（Ⅱ）用于對試樣施加可控壓力。本研究選用無氫（1H）化合物Fluorinert FC-40作為軸壓和圍壓的加壓介質(zhì)。選擇該介質(zhì)因其不含氫核的特性，可在實驗過程中避免干擾T₂與MRI測量的準確性。壓力加載系統(tǒng)（Ⅱ）可施加最高100MPa軸壓和40MPa圍壓。核磁共振系統(tǒng)（Ⅲ）采用MacroMR12-150H-I型（中國蘇州紐邁公司），用于表征孔隙結構與水分滲流特征。該系統(tǒng)磁場強度0.3T，頻率12MHz，工作溫度25-32℃。梯度磁場最大強度0.15T/m。

注水實驗前，所有試樣均在實驗室烘箱中經(jīng)105℃干燥處理24小時，以確保完全去除初始孔隙水，從而消除對實驗測量的潛在干擾。隨后，在室溫條件下，讓試樣自然冷卻至環(huán)境溫度（25±2℃），然后進行注水實驗。注水實驗在精確控制的三軸應力條件下進行，圍壓為3MPa，軸壓為10MPa。整個實驗過程中，使用精密注射泵以0.30mL/min的恒定注入速率進行注水，以確保流體輸送的穩(wěn)定性。注水流程需系統(tǒng)性地執(zhí)行兩個關鍵步驟：首先啟動系統(tǒng)以徹底沖洗管路，確保排水均勻并排出空氣；然后將試樣正確連接至系統(tǒng)。這種標準化方法能有效減少因注入系統(tǒng)中滯留空氣而引起的實驗誤差。當注入壓力達到0.10MPa時，進行初始的T₂和MRI測試。此后，以0.60MPa的注水壓力增量間隔測量T₂和MRI信號，并在峰值注水壓力下記錄最終測量值。具體實驗流程如圖3(b)所示。

圖3 實驗設備與流程：(a) 實驗系統(tǒng)與設備示意圖、(b) 實驗流程示意圖

圖4 注水壓力、軸向壓力及圍壓隨時間變化曲線：(a) 試樣#1(α=0°)、(b) 試樣#2(α=15°)、(c) 試樣#3 (α=30°)、(d) 試樣#4 (α=45°)

圖5 注水過程中流體入滲區(qū)的演化圖

圖6 注水過程T₂曲線演化圖：(a) 試樣#1 (α=0°)、(b) 試樣#2 (α=15°)、(c) 試樣#3 (α=30°)、(d) 試樣#4 (α=45°)

圖7 注水過程中孔隙演化圖。(a) 試樣#1 (α=0°)。(b) 試樣#2 (α=15°)。(c) 試樣#3 (α=30°)。(d) 試樣#4 (α=45°)

圖12展示了注水過程中水分滲流與運移的示意圖。當水分進入并滲入試樣后，流體入滲區(qū)內(nèi)的孔隙仍保持部分充水狀態(tài)。如圖8(a)所示，在緩慢增壓階段（Ⅰ），由于注水壓力較低（Pinj＜0.10MPa）時滲入水量有限，T₂曲線振幅相對較小。隨著注入壓力升高，更多流體滲入試樣，充填的吸附孔隙與滲流孔隙數(shù)量不斷增加（見圖8(b)）。此外，在緩慢增壓階段（Ⅰ）和穩(wěn)定增壓階段（Ⅱ），由于入滲量較小，試樣內(nèi)部部分微孔隙未被滲流水完全充填，形成非飽和孔隙（見圖8(c)）。隨著注入壓力繼續(xù)升高，更多水分滲入試樣，促使入滲區(qū)逐漸擴展。原本部分充填的微孔隙達到完全飽和狀態(tài)，同時更多微孔隙也被水充填（見圖8(b)至(d)）。一方面，當水分滲入砂巖時，部分礦物（蒙脫石、伊利石）發(fā)生溶解，進而增大試樣內(nèi)部孔隙孔徑。另一方面，隨著注入壓力進一步升高，這些飽和孔隙受到孔隙壓力作用，巖石骨架在孔隙應力作用下向外擴張，導致孔徑略微增大（見圖8(d)至(e)）。此外，在快速增壓階段（Ⅲ），流體壓力快速升高，既促進了流體滲入，也有助于推動吸附孔隙向滲流孔隙轉化。因此，隨著流體壓力升高，試樣中吸附孔隙的比例逐漸降低，而滲流孔隙的比例逐漸升高。

圖8 水分動態(tài)運移機制示意圖。(a) 階段（Ⅰ）：孔隙分布。(b) 階段（Ⅱ）：水分滲流。(c) 階段（Ⅲ）：非飽和流體入滲區(qū)。(d) 階段（Ⅳ）：飽和流體入滲區(qū)。(e) 孔徑增大。(f) 圖例

T₂曲線的變化反映了試樣內(nèi)部水分含量的變化特征。隨著注入壓力升高，T₂曲線振幅逐漸增大，表明在流體增壓過程中砂巖的含水率相應增加。值得注意的是，T₂曲線首先呈現(xiàn)左移且振幅增大的趨勢，隨后轉為右移且振幅降低（0.01-0.55ms區(qū)間，見圖6），這揭示了注水過程中孔隙依次經(jīng)歷飽和充填及后續(xù)壓力誘導的孔徑擴張過程。本研究中，由于注入壓力始終保持在3.30MPa以下，流體入滲區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的孔隙壓力較低，不足以在試樣中形成新生孔隙。因此，孔徑增大現(xiàn)象（隨注入壓力升高T₂曲線右移且振幅降低）主要歸因于孔隙壓力升高導致的孔隙擴張。

此外，已有研究表明，水分滲流會在砂巖流體入滲區(qū)內(nèi)形成壓力梯度，孔隙壓力從滲流點向流體入滲區(qū)外圍逐漸降低。因此，注水引起的孔隙損傷主要集中在預制裂隙附近（見圖5）。隨著注入壓力升高，流體入滲區(qū)逐漸擴展，導致預制裂隙（滲流點）與流體入滲區(qū)外緣之間的距離增大。隨著距離增加，靠近水分滲流前鋒的孔隙壓力趨于均勻，使得流體入滲區(qū)內(nèi)的擴散速率相近。因此，對于給定的α，水分滲流前鋒的傾斜度隨注入壓力升高而減?。ㄒ妶D5）。這一變化表明，流體入滲與運移的主控方向密切依賴于注水壓力及砂巖內(nèi)部孔隙壓力的空間分布。具體而言，較高的注水壓力和較大的流體入滲范圍促進了更為均勻的壓力分布，進而影響了流體的入滲路徑及整體運移行為。

砂巖是一種由膠結砂粒組成的沉積巖，其砂粒間發(fā)育的微細孔隙構成了流體滲流的通道。當流體在壓力作用下接觸砂巖時，會沿孔隙滲入（或穿透）砂巖內(nèi)部。對于含裂隙的儲層，當裂隙內(nèi)部被流體充填后，流體壓力將直接作用于裂隙壁面及尖端。本研究發(fā)現(xiàn)，在水分沿試樣徑向滲流到達試樣表面前，預制裂隙壁面的滲流量顯著大于裂隙尖端。預制裂隙壁面的面積遠大于裂隙尖端與水分接觸的截面積。隨著接觸面積增大，水分滲流通道數(shù)量增加，使得水分更易滲入。因此，在注水過程中，水分優(yōu)先沿預制裂隙壁面滲流，且其速率快于裂隙尖端，導致流體入滲區(qū)寬度大于高度。然而，本研究中，一旦水分滲透至試樣表面，由于試樣尺寸的限制，水分沿預制裂隙壁面滲流的優(yōu)勢將減弱。

隨著α增大，在相同注入壓力條件下，水分徑向流體入滲區(qū)寬度減?。ㄒ妶D5）。由于水的作用力方向垂直于受力平面，α的變化導致試樣內(nèi)部水的作用力方向發(fā)生相應改變。積聚在不同α預制裂隙內(nèi)的水對裂隙壁面施加的作用力存在差異。本研究為便于描述流體作用力方向的變化，定義作用于預制裂隙壁面的水作用力（Fw）方向與試樣徑向之間的夾角為β。我們繪制了展示水分滲流對孔隙影響的砂巖孔隙示意圖，如圖9所示。從圖9(b)可以看出，當α=0°時，β=0°，作用于預制裂隙壁面的水作用力方向與x方向一致，且Fw-x=Fw。隨著α增大，β逐漸增大，F(xiàn)w-x=cosβ?Fw。因此，F(xiàn)w-x隨α增大而逐漸減小。在相同注入壓力條件下，流體入滲區(qū)寬度隨α增大而減小。

圖9 水分滲流機制示意圖。(a) 砂巖試樣。(b) 水分運移。(c) 水壓力

隨著流體壓力升高，流體入滲區(qū)逐漸擴展。此外，巖石內(nèi)部裂隙的幾何形態(tài)顯著影響流體的侵入幾何特征。本研究發(fā)現(xiàn)，預制裂隙傾角（α）的變化對流體入滲區(qū)的尺寸和形態(tài)均有顯著影響。如圖5所示，α影響著流體入滲區(qū)的長度和流體入滲前沿的角度。注水過程中，流體從預制裂隙的壁面和尖端滲入。由于預制裂隙兩側壁面的滲流通道遠多于尖端，水分主要沿兩側壁面流動或滲入。當α=0°時，預制裂隙兩側壁面的滲流區(qū)域保持均勻，水分從兩側壁面滲入的速率大致相等，因此水分滲流前鋒近似呈水平狀。隨著α增大，預制裂隙兩側壁面與水分直接接觸的面積差異逐漸顯著。受本研究采用的圓柱形試樣幾何形狀影響，與傾角相對的預制裂隙壁面有效面積隨α增大而逐漸減小，導致相應的滲流通道減少。因此，水分從與傾角相對的預制裂隙壁面滲入的速率降低，引起流體入滲區(qū)形態(tài)發(fā)生變化，流體入滲前沿呈現(xiàn)出明顯的傾斜特征。此外，隨著α增大，預制裂隙兩側壁面的流體入滲速率差異擴大，導致流體入滲前沿角度相應增大，即流體入滲前沿傾斜度隨α增大而增加（見圖5）。

明晰注水各階段水與儲層巖石的作用機制對于現(xiàn)場壓裂設計至關重要。對于致密砂巖儲層而言，注水引起的孔隙損傷對于水力裂縫的形成及儲層滲透率的提升尤為關鍵?；趯嶒灲Y果，建議通過調(diào)整注入?yún)?shù)來優(yōu)化現(xiàn)場壓裂作業(yè)，特別是通過提高注入速率，以縮短初始緩慢增壓階段（Ⅰ）的持續(xù)時間，從而提升整體壓裂效率。壓裂過程中快速增壓階段（Ⅲ）的持續(xù)時間可通過兩種主要途徑有效延長：降低注入速率或采用恒壓注入策略。這些方法能夠促進水分在整個儲層基質(zhì)中的深入滲流，加速更大范圍內(nèi)吸附孔隙向滲流孔隙的轉化，增強近井儲層損傷，為水力裂縫的起裂創(chuàng)造有利條件，并最終提高儲層整體滲透率。

此外，研究表明，相較于大角度天然裂縫，近井天然裂縫角度越小，越有利于流體入滲，能夠形成更大的流體入滲區(qū)，并促進吸附孔隙向滲流孔隙的演化。因此，在現(xiàn)場壓裂作業(yè)中，建議對儲層天然裂縫的發(fā)育程度及分布特征進行精細刻畫。當壓裂段選在含天然裂縫的儲層時，應調(diào)整射孔方位，使注入方向與裂縫之間的夾角盡可能小，以0°為最優(yōu)角度。

然而，需要指出的是，在快速增壓階段，流體壓力會對孔隙造成損傷，且這一過程伴隨流體滲流，因此難以精確量化流體壓力升高與孔隙損傷之間的定量關系。我們將在未來的研究中通過數(shù)值模擬方法對這一領域進行深入探索。

本研究通過實時核磁共振（RT-NMR）技術，系統(tǒng)探究了近井裂縫傾角（α）對流體入滲、運移規(guī)律及孔隙演化機制的影響。實時監(jiān)測了注水過程中T₂曲線和MRI圖像的演化特征，系統(tǒng)分析了不同預制裂隙傾角下注入壓力的變化規(guī)律，并通過T₂曲線與MRI圖像的聯(lián)合分析，研究了孔隙演化與孔隙水運移的特性。最后，探討了注水過程中α對水分滲流及孔隙演化的影響機制，并基于實驗結果提出了對現(xiàn)場壓裂作業(yè)的實踐啟示。主要結論如下：

大口徑核磁共振成像分析儀

[1] Wu S F, Zhang Y F, Zhao Y, et al. Real-time NMR investigation of water infiltration mechanisms and pore structure evolution in fractured sandstone near-wellbore regions[J]. Petroleum Science, 2025.