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页岩气水力压裂滤液残留导致渗透率下降的机理研究，通过核心流动实验与数值模拟发现，聚合物堵塞和裂缝几何参数主导渗透率损失，而流体动力学混合效应被抑制，提出优化滤液配方、选择支撑剂尺寸及匹配返排参数的策略。
李俊|宁正富|黄启明
中国石油大学（北京）石油资源与勘探国家重点实验室，北京 102249，中国
摘要
由于成本低且具有良好的支撑剂输送能力，滑水（slickwater）在页岩气压裂中得到了广泛应用。然而，大量滞留在粗糙裂缝中的流体可能导致导电性持续下降。目前尚不清楚“聚合物堵塞”和“流体动力混合”对这种性能下降的贡献程度。本研究通过岩心灌洗实验结合“无堵塞”数值模型，对龙马溪页岩（Longmaxi shale）的粗糙裂缝进行了分析。实验中改变了滑水浓度、裂缝粗糙度、支撑剂粒度和围压，并利用残余渗透率评估了形成水冲洗过程中的导电性变化。三维激光扫描得到的裂缝几何形状被纳入到一个耦合的达西流（Darcy-flow）和稀物质传输（dilute-species transport）模型中，该模型仅考虑了由粗糙度引起的流体动力混合效应。通过突破曲线和停留时间分布曲线，计算出了平均停留时间、方差和偏度。实验结果表明：当滑水质量分数从0.1%增加到0.7%时，最终残余渗透率降低了40%以上，渗透率恢复率从约85%降至低于45%；当裂缝粗糙度系数从3.2增加到19.8时，残余渗透率进一步降低了约25%；而使用粗粒支撑剂则使残余渗透率提高了约35%；高围压会加剧这种损伤。相比之下，在无堵塞模型中，较高的注入速率和裂缝粗糙度增强了混合效应，缩短了平均停留时间，并加剧了长尾分布现象。这些相反的结果表明，在实际粗糙裂缝中，裂缝导电性的下降主要是由聚合物堵塞和孔隙收缩引起的，而潜在有益的混合效应则被大大抑制了。因此，对于高度粗糙且围压较高的页岩储层，裂缝清理应重点减少聚合物的用量，选择相对粗粒的支撑剂，并优化回流水量和流速，以减轻不可逆的导电性损失。
引言
随着全球能源从高碳向低碳资源转型，页岩气因其丰富的储量及更清洁的燃烧特性而成为全球能源供应的重要组成部分[1]、[2]。然而，页岩储层的商业开发面临其固有的超低渗透率、低孔隙度和强异质性的严峻挑战[3]。由于天然裂缝通常无法维持经济产量的需求，水力压裂技术（通过注入高压流体来形成复杂的人造裂缝网络）已成为实现有效流体通道和释放页岩气潜力的核心工程技术[4]、[5]。
尽管水力压裂在提高产量方面取得了成功，但大量压裂流体的滞留仍然是限制储层性能的关键瓶颈。现场统计数据显示，压裂后的回流水效率通常较低（<40%），大约60-90%的注入流体长期滞留在地层中[6]、[7]。这些滞留的流体引发了包括水堵塞、粘土膨胀和聚合物堵塞等一系列物理化学损伤，这些损伤共同降低了基质孔隙和裂缝的导电性，从而影响了最终的采收率[8]、[9]。因此，阐明控制流体滞留机制以及回流水过程中渗透率恢复的程度，对于优化压裂设计和生产策略至关重要。
在各种压裂流体系统中，滑水因其成本效益和由聚丙烯酰胺（PAM）摩擦抑制剂带来的优异支撑剂输送能力而在页岩气开发中得到最广泛的应用[10]、[11]。然而，一旦注入，PAM分子会迅速吸附在裂缝壁和孔隙表面上，改变岩石的润湿性并缩小流体通道[12]。Xu等人[13]利用低温氮气吸附和扫描电子显微镜（SEM）研究表明，基于HPG的压裂流体优先损害2-5纳米和30-80纳米范围内的中孔和大孔：对于凝胶破坏型流体，这些孔隙的体积差减少了约30%，而对于矿化水则仅减少了约15%，导致低渗透率岩心的渗透率降低了16-23%。Xue等人[14]进一步证明，大分子压裂流体成分（如滑水、瓜尔胶和VES体系）显著减少了煤孔的体积和面积，尤其是在2-10纳米范围内，其中VES压裂流体使比表面积降至0.22-0.28平方米/克，并由于粘性残留物侵入和占据孔隙而导致中孔体积的最大损失。Guo等人[15]还发现，在低渗透率储层中，残留聚合物的堵塞效应尤为明显。关键在于，滑水残留物在裂缝尺度上的迁移、滞留和冲洗机制仍不够清楚，特别是在关键的回流水过程中这些残留物的动态变化机制。
在地下，水力裂缝和天然裂缝是流体传输的主要通道。它们的有效导电性受裂缝表面粗糙度、围压以及流体流变特性的复杂相互作用的影响[16]、[17]。理论上，这些因素对残留物传输具有竞争性影响：它们可能通过“聚合物堵塞效应”（通过喉部收缩和停滞区的形成）加剧损伤，或者相反地，通过“流体动力混合效应”（通过剪切强度的增加和界面波动）促进残留物的去除。然而，这两种效应之间的定量竞争关系及其在不同粗糙度、闭合应力和支撑剂嵌入条件下的净影响仍不明确。
为填补这些知识空白，本研究以龙马溪地层的页岩为研究对象，系统地研究了滑水残留物在粗糙裂缝中的传输和渗透率变化。在“堵塞与流体动力混合”的统一框架下，本研究将实验室实验与数值模拟相结合。首先，对具有不同表面粗糙度和支撑剂粒度的压裂岩心进行回流水测试，以量化不同滑水浓度和围压下的导电性下降情况。随后，利用3D点云扫描重建的裂缝几何形状，建立了一个耦合的达西流-稀物质传输模型来模拟冲洗过程。这种数值方法能够在理想化条件下分离出几何粗糙度和流体动力混合效应。通过综合实验和数值结果，本研究旨在阐明控制残留物滞留和渗透率恢复的主要机制，为优化页岩气储层中的滑水配方和回流水策略提供严格的机制基础。
实验部分
压裂页岩样品和滑水的制备
本研究使用的页岩岩心取自中国南方四川盆地的龙马溪地层，该地层是典型的高有机质页岩气富集区。根据国际岩石力学学会（ISRM）的建议，岩心被加工成直径25毫米、长度50毫米的圆柱形样品，以确保样品几何形状的一致性和实验可比性。
为了模拟水力压裂形成的裂缝，样品被沿...
滑水浓度的影响
如图6a所示，展示了在不同滑水浓度下，形成水冲洗过程中裂缝残余渗透率的变化情况；图6b总结了相应的初始和最终残余渗透率值。滑水处理后，裂缝渗透率立即急剧下降，然后在1-5毫升/分钟的逐步冲洗过程中逐渐恢复。图6b中的误差条和红色曲线周围的阴影带表示相对误差为±5%
讨论
本研究的岩心灌洗实验表明，滑水中的聚合物含量（PAM浓度）、裂缝粗糙度、支撑剂粒度和围压对裂缝导电性有显著影响。因此，这些结论最直接适用于中等到高有效应力下的支撑裂缝。还需注意的是，实验室回流水方案采用了逐步恒定的流速以实现可控的比较，而实际现场回流水情况则...
结论
本研究以龙马溪地层的粗糙裂缝为研究对象，结合岩心灌洗实验和理想化的“无堵塞”数值模型，研究了滑水残留物的传输以及形成水冲洗过程中裂缝导电性的变化。主要结论如下：
1. 滑水浓度和裂缝几何-应力条件共同控制了渗透率的下降。
作者贡献声明
李俊：撰写——初稿、方法论、数据分析。宁正富：监督、项目管理。黄启明：验证、软件开发。
利益冲突声明
我们声明与所提交的工作无关的任何商业或关联利益冲突。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：U19B6003-03-04）的支持。
