摘要：頁(yè)巖氣儲(chǔ)層通常滲透率極低，鉆井過(guò)程中的固液相浸入，使其易受損害。為此，就川渝地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組頁(yè)巖露頭，開(kāi)展了頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)、礦物組成、流體賦存方式、壓力特征分析，指出了可能引起儲(chǔ)層潛在損害的因素，即黏土水化膨脹、應(yīng)力敏感及水鎖效應(yīng)。進(jìn)而采用仿真模擬頁(yè)巖裂縫儲(chǔ)層在壓差作用下的液相浸入過(guò)程，在正壓差下，水相以滲流和滲透方式通過(guò)裂縫表面向孔隙基塊內(nèi)浸入，隨時(shí)間延長(zhǎng)，裂縫表面滲透、吸水帶范圍擴(kuò)大，直至含水平衡飽和，導(dǎo)致頁(yè)巖氣被水相傷害帶封閉在孔隙基塊內(nèi)，造成水鎖損害。最后建議頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層保護(hù)應(yīng)采用全過(guò)程欠平衡鉆井技術(shù)或氣體水平井鉆井技術(shù)。

關(guān)鍵詞：川渝地區(qū)  頁(yè)巖氣  水鎖損害  儲(chǔ)層保護(hù)  欠平衡鉆井  氣體鉆井  水平井鉆井

我國(guó)頁(yè)巖氣藏的勘探開(kāi)發(fā)處于攻堅(jiān)準(zhǔn)備階段，頁(yè)巖的低滲透性是鉆井和開(kāi)發(fā)面臨的難題^[1-2]。國(guó)外雖形成了開(kāi)采技術(shù)，但未對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)進(jìn)行深入研究。因而，頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中的儲(chǔ)層保護(hù)是一個(gè)值得研究的課題。

1 儲(chǔ)層地質(zhì)特征及潛在損害因素

為了認(rèn)清頁(yè)巖儲(chǔ)層地質(zhì)特征以及潛存損害因素，采集了川渝地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組頁(yè)巖露頭(圖1)，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)集窄間特征、礦物組成、流體賦存方式、溫度壓力特征等進(jìn)行研究。

1.1 儲(chǔ)集空間特征

頁(yè)巖儲(chǔ)層為裂縫-孔隙結(jié)構(gòu)，成巖作用過(guò)程中形成的裂縫和微孔是頁(yè)巖氣儲(chǔ)集空間和滲流通道。微孔對(duì)頁(yè)巖氣的儲(chǔ)存具有重要意義，一般而言，微孔體積越大，比表面積越大，對(duì)氣體吸附能力也就越強(qiáng)。國(guó)外測(cè)定的含氣頁(yè)巖巖心數(shù)據(jù)㈠表明，孔隙度與總氣體含量正相關(guān)，受孔徑分布影響。圖2為國(guó)外實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的頁(yè)巖孔隙度與含氣量關(guān)系。

根據(jù)GB／T l9587-2004，以液氮(77.3 K)為吸附介質(zhì)，在300℃條件下脫氣6 h，采用NOVA2000e比表面分析儀對(duì)所取18個(gè)頁(yè)巖樣品進(jìn)行孔徑分析，從而估算孔隙度范圍。結(jié)果如圖3所示。其平均孔徑為2.74～3.53 nm，比表面積為6.79～24.01 m²／g。比表面積越大，對(duì)流體吸附能力越強(qiáng)，其孔隙度由比表面積數(shù)據(jù)估算為2.54％～9.95％。

1.2 礦物組成

在溫度介于25～30℃、濕度小于等于70％RH檢測(cè)環(huán)境下對(duì)所取露頭樣品進(jìn)行室內(nèi)XRD全巖分析，結(jié)果表明頁(yè)巖的無(wú)機(jī)礦物組成主要是石英，平均含量為55.37％，其次為黏土礦物，平均含量為l7.91％(其中伊利石平均含量為63.1％、綠泥石含量為l6.5％、伊蒙混層含量為11.4％、高嶺石含量為9％，斜長(zhǎng)石含量為ll.8％，正長(zhǎng)石含量為7.45％，白云石含量為4.64％，方解石含量為2.83％)。部分樣品含有碳酸鹽巖，部分樣晶碳酸鹽巖含量很低甚至為零。

表1為頁(yè)巖樣品黏土礦物相對(duì)含量分析結(jié)果。從分析結(jié)果可以看出，儲(chǔ)層黏土礦物類型和含量相差較大，主要以伊利石為主。頁(yè)巖礦物的相對(duì)含量和儲(chǔ)層膠結(jié)物含量變化將會(huì)影響頁(yè)巖的巖石力學(xué)性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)、氣體吸附能力等。石英含量影響頁(yè)巖的脆性，石英和碳酸鹽礦物含量越多，頁(yè)巖脆性越高，頁(yè)巖的孔隙越少，游離頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集空間越少；方解石的膠結(jié)作用會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙減少。黏土礦物表面積較大，微孔隙較多，當(dāng)水未飽和時(shí)對(duì)頁(yè)巖氣有較強(qiáng)的吸附能力。

圖4、5是掃描電鏡觀測(cè)到的伊利石和綠泥石分布狀態(tài)。伊利石的吸附流體作用在TOC較低的頁(yè)巖中有很重要的影響。絨球狀綠泥石一般不具有膨脹性，只有在水鎂石八面體晶片酸蝕失玄了Mg²⁺、Fe³⁺的條件下才會(huì)導(dǎo)致水鎂石解體出現(xiàn)晶間膨脹。

1.3 流體賦存方式

頁(yè)巖氣藏中的流體主要是氣水兩相流體。對(duì)氣體賦存的方式而言，主要有3種狀態(tài)：游離于巖石孔隙與裂隙中的游離態(tài)；吸附于有機(jī)質(zhì)顆粒、黏土礦物顆粒、干酪根顆粒以及孔隙表面的吸附態(tài)；溶解于干酪根、瀝青質(zhì)、游離水以及原油中的溶解態(tài)。主要以游離態(tài)和吸附態(tài)形式存在，賦存方式主要取決于它們?cè)诹黧w體系中溶解度的大小，而頁(yè)巖氣吸附能力一般受有機(jī)物豐度、干酪根類型、原始含水飽和度和成熟度等因素的影響。水的賦存方式主要可分為游離水、束縛水、吸附水3種類型。對(duì)吸附機(jī)理而言，氣水吸附存在一定的競(jìng)爭(zhēng)。一旦有外來(lái)液相接觸頁(yè)巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)層可吸附水，水相占據(jù)微粒表面空間形成水膜，導(dǎo)致頁(yè)巖吸附態(tài)氣體減少，同時(shí)阻礙氣體運(yùn)移。

1.4 溫度壓力特征

國(guó)外氣藏埋藏深度為200～2 600 m，地溫梯度為4～12℃／l00 m^[4]，具體區(qū)塊有差別。研究區(qū)塊川西須家河組頁(yè)巖埋藏深度為1 870～5 000 m^[5]，地溫梯度為3～4℃／l00 m。

原生頁(yè)巖氣藏一般為高異常壓力，且地層壓力是多變的^[4]。當(dāng)發(fā)生構(gòu)造升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，其異常壓力相應(yīng)升高或降低。Raut和Chalmers^[3,6]等認(rèn)為壓力與頁(yè)巖氣吸附能力呈正相關(guān)，壓力較低則所需結(jié)合能較高，壓力增大時(shí)結(jié)合能下降，從而氣體吸附能力增大，儲(chǔ)層壓力越高，吸附氣體越多；同時(shí)，Shkolin^[7]等也認(rèn)為壓力增大則氣體壓縮能力增大，游離態(tài)氣體儲(chǔ)存能力也增大。美國(guó)已開(kāi)發(fā)的頁(yè)巖氣盆地儲(chǔ)層壓力系數(shù)為0.35～1.02^[4]，川西地區(qū)由上至下須家河組五段壓力系數(shù)＜1.1；須家河組四段和須家河組三段存在異常高壓，壓力系數(shù)l.1～1.4；須家河組二段壓力系數(shù)為l.2～1.3；須家河組一段壓力系數(shù)超過(guò)1.2^[5,8]。川東地區(qū)須家河組壓力系數(shù)為1.0～1.2。說(shuō)明川渝地區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層壓力高于國(guó)外，且四川盆地頁(yè)巖氣藏埋藏深度多大于3 000 m，需要對(duì)開(kāi)采模式進(jìn)行全新的探討與實(shí)踐。

1.5 潛在損害因素

一般認(rèn)為，頁(yè)巖儲(chǔ)層潛在的損害因素主要有：黏土水化膨脹、應(yīng)力敏感及水鎖效應(yīng)。頁(yè)巖黏土水化膨脹受構(gòu)成頁(yè)巖黏土礦物的比例的影響，受表面水化力、滲透水化力、毛細(xì)管力作用制約。從分子角度來(lái)看，黏土礦物的水化中心主要來(lái)自于4個(gè)方面：①基面(筑原子面)的復(fù)三角形晶胞；②基面上的氧原子和氮氧根；③交換性陽(yáng)離子；④側(cè)面斷口上化合價(jià)未飽和的原子。其中①、②是表面水化的主要活化中心，③作用是與外界進(jìn)行陽(yáng)離子交換，④也具有很強(qiáng)的表面水化作用，但總量取決于順粒碎裂、分散程度^[9-10]。根據(jù)黏土礦物含量分析，頁(yè)巖以伊利石為主，伊／蒙混層很少，有的樣品基本不含蒙脫石，水化膨脹作用較弱，陽(yáng)離子交換容量和比表面相對(duì)較小。主要儲(chǔ)層問(wèn)題是壓差作用下液相浸入導(dǎo)致液相圈閉，從而導(dǎo)致氣井無(wú)產(chǎn)量或者產(chǎn)量很低。

對(duì)頁(yè)巖應(yīng)力敏感性而言，單縫的應(yīng)力敏感性主要取決于以下幾個(gè)因素：巖體裂縫表面基質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)；裂縫表面凹凸不平的程度；裂縫內(nèi)飽和流體的可壓縮性質(zhì)；裂縫內(nèi)飽和流體的靜水壓力。裂縫網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)力敏感性除了與上述單縫的應(yīng)力敏感性有關(guān)外，還與裂縫網(wǎng)絡(luò)的成因、產(chǎn)狀、角度、密度、連通方式等有關(guān)。頁(yè)巖總體的應(yīng)力敏感性需要綜合考慮單縫應(yīng)力敏感性和裂縫網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)力敏感性，某些情況下還需要涉及孔隙的應(yīng)力敏感性。

由于頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層流體主要是氣體，其流動(dòng)黏滯系數(shù)遠(yuǎn)小于液體的黏滯系數(shù)，一旦液相在近井壁周圍形成阻止儲(chǔ)層流體進(jìn)入井筒的液體屏障(即水鎖效應(yīng)，又稱“液相圈閉”)，減小或封閉了氣體由儲(chǔ)集空間流向井筒的通道，儲(chǔ)層損害就很難消除，使得氣藏產(chǎn)能降低甚至失去經(jīng)濟(jì)開(kāi)采價(jià)值?？紤]毛細(xì)管力作用，當(dāng)兩相流體處于頁(yè)理裂縫間時(shí)，沿平行裂縫延伸方向的曲率半徑無(wú)窮大，因此有：

式中p_c為毛細(xì)管力，Pa；σ為界面張力，N／m；θ為潤(rùn)濕接觸角，(°)；H為裂縫面之間的寬度，m。

隨著裂縫寬度的減小，毛細(xì)管力作用增強(qiáng)。頁(yè)巖氣藏中，宏觀裂縫的寬度往往比微裂縫和孔喉半徑高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，水相在宏觀裂縫中的浸入常常是正壓差和重力置換性漏失的結(jié)果，而微裂縫和孔喉則存在明顯的毛細(xì)管力自吸效應(yīng)。毛細(xì)管力的方向始終指向非潤(rùn)濕相的一方，即親水巖石的氣水兩相系統(tǒng)中的氣相。因此，毛細(xì)管力對(duì)水驅(qū)氣和氣驅(qū)水所起的作用截然相反。在鉆井完井等作業(yè)過(guò)程中，其推動(dòng)水相向儲(chǔ)層推進(jìn)，而在頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中卻阻止水相從氣藏中排出。

2 鉆井過(guò)程儲(chǔ)層損害機(jī)理分析

2.1 固相浸入分析

頁(yè)巖孔喉窄小，鉆井過(guò)程中外來(lái)的不同粒徑的固相粒子(比如細(xì)分散的鈉蒙脫石膨潤(rùn)土、鉆井過(guò)程中混入的地層微粒等)有可能會(huì)浸入儲(chǔ)層，堵塞基塊微孔隙和沿裂縫面浸入堵塞裂縫，造成氣體滲透率降低。研究區(qū)塊頁(yè)巖孔喉的平均孔徑為2.74～3.53 nm，基本無(wú)固相浸入；縫寬l～30 μm，頁(yè)理明顯，外來(lái)固相顆?？裳?cái)嗔衙娼?，但目前流行的鉆井液體系都考慮了屏蔽暫堵，因此，只有粒徑最小的一部分顆?？梢赃M(jìn)入孔喉，固相浸入的量和深度很小，不是主要的損害類型。

2.2 液相浸入影響

頁(yè)巖儲(chǔ)層中的微裂縫，是滲流的主要通道，在有效應(yīng)力作用下裂縫發(fā)生閉合，閉合后不易恢復(fù)原狀，即應(yīng)力損害具有不可逆性。頁(yè)巖儲(chǔ)層在原始條件下往往處于“亞束縛水”狀態(tài)，被水基工作液正壓差打開(kāi)后，水基液迅速浸入并充滿井眼周圍的裂縫網(wǎng)絡(luò)，毛細(xì)管力作用將導(dǎo)致儲(chǔ)層強(qiáng)烈吸水并形成水相傷害層，頁(yè)巖氣被水相傷害帶封閉在孔隙基塊內(nèi)，造成水鎖損害。此時(shí)儲(chǔ)層損害是應(yīng)力敏感性和水鎖損害的疊加。采用仿真軟件對(duì)液相浸入過(guò)程建模模擬，模型設(shè)定儲(chǔ)層單縫縫寬1 μm，考慮基質(zhì)和裂縫壓縮性，正壓差0.1 MPa。模擬計(jì)算結(jié)果(圖6)表明：水相在正壓差下浸入很快，占據(jù)裂縫僅需數(shù)秒，之后通過(guò)裂縫表面向基質(zhì)的滲流和水滲吸。隨時(shí)間延長(zhǎng)，縫面滲透、吸水帶范圍擴(kuò)大，直至含水平衡飽和。

2.3 鉆井液性能影響

在頁(yè)巖儲(chǔ)層中，鉆井液液相浸入易發(fā)生水鎖效應(yīng)，且濾液中所含細(xì)菌進(jìn)入儲(chǔ)層，有可能進(jìn)行生物繁殖造成孔喉堵塞。國(guó)外頁(yè)巖氣鉆井一般用水平井作業(yè)，鉆井液的性能對(duì)儲(chǔ)層損害的間接影響更加顯著。頁(yè)巖儲(chǔ)層鉆井液應(yīng)該具有很低的濾失量，防止水鎖損害，否則不合理的鉆井液性能將導(dǎo)致頁(yè)巖儲(chǔ)層損害加劇^[11-13]。對(duì)于含裂縫性的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，可能有固相微粒損害，需要鉆井液體系具有一定的屏蔽暫堵性能。

3 儲(chǔ)層保護(hù)措施建議

現(xiàn)階段國(guó)外開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣藏的主要鉆井方式是鉆水平井后采用水力壓裂。Barnett頁(yè)巖實(shí)際鉆井經(jīng)驗(yàn)表明，水平井中獲得的估計(jì)最終采收率大約是直井的3倍，而費(fèi)用只相當(dāng)于直井的2倍^[14]。針對(duì)頁(yè)巖的儲(chǔ)層特征和損害機(jī)理，水力壓裂會(huì)導(dǎo)致液相浸入的二次損害，簡(jiǎn)單套用國(guó)外經(jīng)驗(yàn)并不適合川渝地區(qū)的頁(yè)巖儲(chǔ)層。由于頁(yè)巖儲(chǔ)層低滲，致密含氣，豐度低，且頁(yè)巖徑向滲透率和垂直滲透率各向異性，可考慮采用欠平衡(UBD)鉆水平井或分支井等最大化暴露裂縫網(wǎng)絡(luò)的鉆井方式，但是獲得最大儲(chǔ)層接觸程度的同時(shí)也就意味著更大范圍的儲(chǔ)層損害，因此，在進(jìn)行頁(yè)巖氣藏的欠平衡鉆井時(shí)需要科學(xué)的鉆前欠壓值設(shè)計(jì)，在鉆井過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)整鉆井軌跡參數(shù)，確保從鉆開(kāi)儲(chǔ)層起到交井投產(chǎn)的全過(guò)程裸眼儲(chǔ)層段始終處于儲(chǔ)層壓力與液柱壓力的欠平衡狀態(tài)^[15]，這是防止液相在正壓差的作用下沿裂縫網(wǎng)絡(luò)的“長(zhǎng)驅(qū)深入”的關(guān)鍵。

此外，水基欠平衡開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣藏時(shí)會(huì)反向自發(fā)吸水，由于頁(yè)巖原始含水飽和度和儲(chǔ)層滲透率極低，此時(shí)需要精細(xì)控制液體欠平衡鉆井技術(shù)才能達(dá)到儲(chǔ)層保護(hù)要求，或者采用氣體鉆井從根本上避免液相引起的逆流自吸效應(yīng)。采用氣體鉆井與水平井鉆井技術(shù)結(jié)合的方式，可多穿越裂縫并良好保護(hù)頁(yè)巖裂縫、多暴露頁(yè)巖儲(chǔ)層面積并良好保護(hù)暴露面積。

4 結(jié)論與建議

1)對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)集空間特征、礦物組成、流體賦存方式、溫度壓力特征和由儲(chǔ)層特征可能引起的潛在損害進(jìn)行了分析，頁(yè)巖儲(chǔ)層損害主要考慮壓差作用下的液相浸入和水鎖效應(yīng)，以及鉆井液的配伍性。采用仿真軟件對(duì)液相浸入進(jìn)行模擬，液相在正壓差作用下浸入極快。

2)頁(yè)巖超低滲透致密性決定裂縫是儲(chǔ)層保護(hù)的重點(diǎn)，識(shí)別和控制液相浸入是儲(chǔ)層保護(hù)的關(guān)鍵。全過(guò)程欠平衡鉆井可以防止鉆井液相在正壓差的作用下沿裂縫網(wǎng)絡(luò)的“長(zhǎng)驅(qū)深入”，達(dá)到保護(hù)儲(chǔ)層效果。

3)井眼軌跡設(shè)計(jì)要求所設(shè)計(jì)的井眼軌跡能夠獲得盡量大的儲(chǔ)層接觸面積、盡量多的穿越裂縫，需要鉆前進(jìn)行深入系統(tǒng)氣藏地質(zhì)、工程的設(shè)計(jì)。建議考慮MRC技術(shù)與欠平衡、氣體鉆井技術(shù)相結(jié)合開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣藏。

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本文作者：胡進(jìn)科李皋 孟英峰

作者單位：中國(guó)石化華東分公司石油工程技術(shù)研究院 “油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.西南石油大學(xué)