渗透水化对饱和页岩吸水的影响

摘要

现场统计资料显示,页岩储层压裂施工后大量压裂液无法返排至地面。这些压裂液在地层中的滞留问题引发了环保及生产相关的争议。一些学者怀疑这些含有化学添加剂的漏失液会迁移到地下水层污染地下水。同时由于页岩吸水膨胀,一些学者认为漏失液会引起近井地带渗透率降低从而使油气井生产一段时间后产能骤降。但也有现场研究表明这些漏失液在焖井一段时间后会引起气井初期产气量增加。为了清楚地解释这些问题,学者们注意到了页岩中一种独特的吸水机理——渗透水化。渗透水化作用导致页岩中的渗流过程除了受注入压差的影响,还会受到孔隙中水溶液的离子浓度的影响,使得原有的达西公式不再适用于页岩地层中。本研究通过对达西公式进行修正,建立了考虑渗透水化的饱和页岩吸水的数学模型,并给出了在常见初始、边界条件下的一维模型的解析解,得到了在页岩吸水过程中,其孔隙流体压力、浓度的变化。研究发现渗透水化的存在会对水压的变化产生影响,即两种吸水方式间存在耦合关系。也就是说,渗透水化除了通过浓度差引起页岩吸水,也会通过影响水压进而影响吸水。这两种吸水过程作用方向相反且在很大程度上相互抵消,故对总吸水量影响不大。此外,在页岩吸水的初期,吸水量的增长主要由水压传递引起;而在吸水后期,吸水量的变化主要由渗透水化导致。由于浓度扩散的速度远远低于压力传递的速度,渗透水化的存在会显著延长渗流平衡时间。