页岩气是典型的边际油气资源,最显著的特点是低孔、低渗、难动用,必须依靠大规模的体积压裂改造才能实现经济开采。国内外的页岩气压裂施工表明,大量压裂液注入页岩地层后,返排率普遍低于30%,有些页岩气井返排率甚至低于5%。同时,返排液的矿化度明显升高(由初始的1~5kppm上升到约200kppm)。页岩气井返排率及返排液矿化度变化规律可作为认识储层和评价体积压裂缝网发育程度的一个重要手段。页岩储层对压裂液吸收过程中的渗吸及盐离子扩散是导致返排率低和返排液矿化度高的主要因素。然而,压裂液由人工裂缝向基质孔隙的渗吸及盐离子由基质孔隙向人工裂缝中的扩散机理尚不十分清楚,规律及影响因素还没有很好掌握,吸入压裂液对工程的影响有待于进一步研究。以四川盆地龙马溪组、鲁家坪组和牛蹄塘组页岩为研究对象,通过实验研究和理论分析,全面分析了影响压裂液吸收的储层特征,包括超低含水饱和度、粘土含量及类型、孔隙结构和混合润湿性等;在此基础上,开展了室内自发渗吸实验和离子扩散实验,提出了页岩储层压裂液渗吸能力和离子扩散强度的评价方法及表征参数,并研究了其影响因素,如孔隙度、渗透率、粘土矿物含量及类型和压裂液成分等;阐明了压裂液吸收过程中的渗吸-离子扩散机理;分析压裂液吸入页岩储层后引起的裂缝表面硬度变化和拉伸裂缝扩展规律,分别研究了其对支撑裂缝导流能力和地应力预测的影响。研究得出:(1)提出的新实验数据处理方法能够对页岩样品的尺寸和形状参数进行归一化处理,定量的表征页岩本身的压裂液渗吸特性:渗吸能力、渗吸速率和渗吸曲线形态;(2)页岩储层压裂液吸收时间曲线总体上分为三个阶段:渗吸段、过渡段和扩散段,可以采用渗吸速率、扩散速率和渗吸能力三个参数对压裂液吸收特征进行定量表征;页岩孔径分布和孔隙连通性不同,曲线形态也会呈现较大不同,基本可以分为四类:两段型、“S”型、上凸型和上凸三段型;(3)压裂液吸收的驱动力为毛细管力和粘土渗透压,部分页岩储层压裂液吸收过程中,粘土渗透压对压裂液吸收的驱动作用明显高于毛细管力,导致压裂液吸入体积能够大大超过气测孔隙体积;(4)建立了一种基于粉末样品电导率实验评价页岩基质离子扩散强度的方法。离子扩散过程可以分为三个阶段:初期段、过渡段和后期段,初期段为离子扩散的主要阶段,与微纳米孔隙渗吸有关;可以采用孔隙水盐度和离子扩散速率两个参数对离子扩散过程的初期段进行定量表征,孔隙水盐度主要取决于原沉积环境中的水体盐度,离子扩散速率主要取决于粘土矿物的含量及类型;(5)实验和数值模拟结果证明离子扩散引起的溶液电导率变化与时间的平方根总体成较好的线性关系,与压裂液渗吸的规律一致。压裂液渗吸和盐离子扩散是同步进行的,压裂液渗吸为盐离子扩散创造了通道和条件,而盐离子溶解、扩散进入渗吸液中,并与渗吸液反向流动;盐离子扩散引起的溶液电导率的变化能够较好的反映出压裂液渗吸规律;(6)压裂液渗吸进入页岩基质孔隙是导致页岩气井返排率较低的重要机理之一,吸入的压裂液量越大,页岩气井返排率越低。页岩储层孔隙度、渗透率、粘土含量、压裂液活度、人工裂缝暴露面积和关井时间等与压裂液吸入量具有较好的正相关关系;(7)吸入的压裂液与页岩发生强相互作用,能够明显降低裂缝表面的硬度,诱发支撑剂嵌入,进而降低支撑裂缝的导流能力;单位孔隙体积的渗吸能力和渗吸驱动力能够定量表征流体与页岩的相互作用强度;单位孔隙体积的渗吸能力和渗吸驱动力越高,则压裂液吸收引起的导流能力变化越大;(8)压裂液渗吸能够诱发拉伸裂缝在页岩储层中扩展,提高页岩储层渗透率,这与通过井壁成像测井发现的富有机质页岩井段更易形成诱导拉伸裂缝机理一致,较软的有机质可为拉伸裂缝的扩展提供侧向位移;此外,渗吸致拉伸裂缝扩展的机理可引入地应力预测模型中,修正最大水平地应力的预测值。通过基础测试、理论分析和实验研究,获得了影响压裂液吸收的储层特征参数,揭示了压裂液渗吸机理、规律和影响因素,阐明了渗吸过程中的离子扩散机理、规律和影响因素,分析了页岩渗吸对支撑裂缝导流能力和地应力预测的影响,为认识储层和评价压裂效果提供了理论依据,对页岩气压裂改造和页岩气高效开采具有重要意义。