由于页岩气藏的低孔隙度和低渗透率特征，水力压裂已成为页岩气开发的必要技术。在水力压裂过程中，微-纳米尺度的孔喉产生强毛细管力，因此强烈的自发渗吸 (SI) 导致大量压裂液滞留于储层中，显著降低了返排率。由此产生的水锁效应也在很大程度上影响着水力压裂的效果。在地质条件下，页岩储层具有一定的初始含水饱和度 (S_wi)，这对水力压裂过程中的SI作用具有显著影响。然而，由于采芯和后续储存过程中难以有效保持S_wi，S_wi对页岩SI作用的影响通常被忽略，这导致SI作用的微观机制尚不清晰，对页岩气的高效开发提出了挑战。

针对上述科学问题，中国地质大学 (北京) 能源学院博士生赵延铭在肖贤明教授和高平教授的指导下，以四川盆地德阳-安岳裂陷槽的Z201井下寒武统过成熟页岩为研究对象，对一系列含S_wi的样品开展了低场核磁共振 (NMR) 监测下的SI实验和气体渗透率测试，以及相对湿度RH=0.05-0.95条件下的水蒸气吸附 (WVA) 实验，并辅以相关水吸附模型和Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) 理论，系统揭示了S_wi和水膜效应对页岩SI行为的耦合作用，并定量化分析储层自封闭和气体流动受阻的临界值，为页岩气甜点评价、水力压裂优化和CO₂增强页岩气采收率提供了重要科学依据。取得了如下主要认识：

(1)    页岩样品的初始水主要分布于小孔隙中。随着S_wi的增加，大孔隙中逐渐出现水膜效应，其中吸附在大孔隙表面的薄水膜易被NMR识别为小孔隙，导致小孔隙的体积被高估 (图1)。但随着SI的进行，这一水膜效应逐渐消失，真实的孔径分布得以准确反映 (图2)。

(2)    较高的S_wi对应着较弱的毛细管力，这减少了SI的水体积并降低了SI的速率。但随着S_wi的增加，孔隙中的水连通性逐渐变强，且逐渐填充大孔隙，此时水的分布从最初的“局部聚集”转变为“均匀扩散”。

(3)    页岩样品在RH = 0.59-0.75范围内表现出显著增强的水膜效应，其中强水膜效应和弱水膜效应的NMR T₂值分别为0.2-0.52 ms和1.86-5.8 ms。在RH > 0.75时，页岩样品表现出显著增强的毛细管冷凝作用 (图1和图3)。

(4)    页岩样品发生有效自封闭作用的临界含水饱和度为31.59-45.94% (图4)，在达到这一临界值之前，气体渗透率就已急剧下降，气体渗透率的损失率大于50%。当含水饱和度为60.17-64.85%时，气体的流动被严重阻碍，此时气体渗透率的损失率超过95% (图5)。

(5)    Swi作为关键的地质参数，通过影响页岩纳米孔隙中的水膜厚度和毛细管力，控制着气体的保存和流动，进而影响着页岩储层的自封闭性和水力压裂效果 (图6)。

图1 基于NMR观察到的水膜效应。(a-c) 不同S_wi的页岩样品在SI状态与初始状态之间的NMR T₂差谱; (d) 致密砂岩样品在SI状态与初始状态之间的NMR T₂差谱; (e) 非饱和孔隙展现出与小孔径饱和孔隙相同的短弛豫时间 (R为孔隙半径); (f) 粉砂岩的非饱和NMR T₂分布曲线

图2 页岩样品在SI过程中水膜效应的示意图

图3 页岩孔隙中吸附水膜的特征。(a) 随RH增加而变化的页岩水膜厚度; (b-c) 狭缝状孔隙中的水膜分布示意图; (d) 随RH增加而变化的毛细管冷凝临界孔隙半径; (e) NMR T₂谱中的毛细管冷凝临界孔隙半径分布

图4 含水饱和度与RH之间的关系。(a) 根据DLVO理论获取的单孔的含水饱和度; (b) 基于NMR和WVA实验所获取的含水饱和度

图5 页岩样品的气体渗透率演化。(a) 气体渗透率与含水饱和度之间的关系; (b) 气体渗透率损失率与含水饱和度之间的关系

图6 不同Swi的页岩储层的流体滞留机制。(a) 高S_wi层段中由压裂液渗吸引起的水锁效应; (b) 低S_wi层段中的压裂液渗吸对游离气产生驱替作用; (c) Z201井下寒武统页岩的原地气含量分布; (d) Z201井下寒武统页岩的初始水含量、黏土矿物含量和TOC含量分布; (e)不同S_wi的页岩储层中的流体滞留示意图

该研究受到国家自然科学基金项目 (42330811、42030804) 、中央高校科技领军人才团队项目 (2652023001) 以及高校青年教师科研创新能力支持项目 (SRICSPYF-ZY2025061) 的联合资助。成果发表于石油工程领域国际权威期刊《SPE Journal》上：Yanming Zhao (赵延铭，第一作者) ; Ping Gao; Peng Cheng; Yijie Xing; Wei Liu; Guangming Meng; Jinku Li; Yineng Tan; Xianming Xiao* (肖贤明，通讯作者) . 2026. Coupled Effects of Initial Water Saturation and Water Film on Spontaneous Imbibition of Overmature Shale: Insights from Nuclear Magnetic Resonance and Water Vapor Adsorption Analysis. SPE Journal. SPE-236588-PA.

全文链接：https://doi.org/10.2118/236588-PA