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

關(guān)鍵詞：川渝地區(qū)  頁巖氣  水鎖損害  儲層保護  欠平衡鉆井  氣體鉆井  水平井鉆井

我國頁巖氣藏的勘探開發(fā)處于攻堅準備階段，頁巖的低滲透性是鉆井和開發(fā)面臨的難題^[1-2]。國外雖形成了開采技術(shù)，但未對儲層保護進行深入研究。因而，頁巖氣勘探開發(fā)過程中的儲層保護是一個值得研究的課題。

1 儲層地質(zhì)特征及潛在損害因素

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

1.1 儲集空間特征

頁巖儲層為裂縫-孔隙結(jié)構(gòu)，成巖作用過程中形成的裂縫和微孔是頁巖氣儲集空間和滲流通道。微孔對頁巖氣的儲存具有重要意義，一般而言，微孔體積越大，比表面積越大，對氣體吸附能力也就越強。國外測定的含氣頁巖巖心數(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為國外實驗室測定的頁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比表面分析儀對所取18個頁巖樣品進行孔徑分析，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，對流體吸附能力越強，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檢測環(huán)境下對所取露頭樣品進行室內(nèi)XRD全巖分析，結(jié)果表明頁巖的無機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％，斜長石含量為ll.8％，正長石含量為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為頁巖樣品黏土礦物相對含量分析結(jié)果。從分析結(jié)果可以看出，儲層黏土礦物類型和含量相差較大，主要以伊利石為主。頁巖礦物的相對含量和儲層膠結(jié)物含量變化將會影響頁巖的巖石力學性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)、氣體吸附能力等。石英含量影響頁巖的脆性，石英和碳酸鹽礦物含量越多，頁巖脆性越高，頁巖的孔隙越少，游離頁巖氣的儲集空間越少；方解石的膠結(jié)作用會導致儲層孔隙減少。黏土礦物表面積較大，微孔隙較多，當水未飽和時對頁巖氣有較強的吸附能力。

圖4、5是掃描電鏡觀測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⁺的條件下才會導致水鎂石解體出現(xiàn)晶間膨脹。

1.3 流體賦存方式

頁巖氣藏中的流體主要是氣水兩相流體。對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在流體體系中溶解度的大小，而頁巖氣吸附能力一般受有機物豐度、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。對吸附機理而言，氣水吸附存在一定的競爭。一旦有外來液相接觸頁巖儲層，儲層可吸附水，水相占據(jù)微粒表面空間形成水膜，導致頁巖吸附態(tài)氣體減少，同時阻礙氣體運移。

1.4 溫度壓力特征

國外氣藏埋藏深度為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)塊川西須家河組頁巖埋藏深度為1 870～5 000 m^[5]，地溫梯度為3～4℃／l00 m。

原生頁巖氣藏一般為高異常壓力，且地層壓力是多變的^[4]。當發(fā)生構(gòu)造升降運動時，其異常壓力相應升高或降低。Raut和Chalmers^[3,6]等認為壓力與頁巖氣吸附能力呈正相關(guān)，壓力較低則所需結(jié)合能較高，壓力增大時結(jié)合能下降，從而氣體吸附能力增大，儲層壓力越高，吸附氣體越多；同時，Shkolin^[7]等也認為壓力增大則氣體壓縮能力增大，游離態(tài)氣體儲存能力也增大。美國已開發(fā)的頁巖氣盆地儲層壓力系數(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1.2^[5,8]。川東地區(qū)須家河組壓力系數(shù)為1.0～1.2。說明川渝地區(qū)頁巖儲層壓力高于國外，且四川盆地頁巖氣藏埋藏深度多大于3 000 m，需要對開采模式進行全新的探討與實踐。

1.5 潛在損害因素

一般認為，頁巖儲層潛在的損害因素主要有：黏土水化膨脹、應力敏感及水鎖效應。頁巖黏土水化膨脹受構(gòu)成頁巖黏土礦物的比例的影響，受表面水化力、滲透水化力、毛細管力作用制約。從分子角度來看，黏土礦物的水化中心主要來自于4個方面：①基面(筑原子面)的復三角形晶胞；②基面上的氧原子和氮氧根；③交換性陽離子；④側(cè)面斷口上化合價未飽和的原子。其中①、②是表面水化的主要活化中心，③作用是與外界進行陽離子交換，④也具有很強的表面水化作用，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，陽離子交換容量和比表面相對較小。主要儲層問題是壓差作用下液相浸入導致液相圈閉，從而導致氣井無產(chǎn)量或者產(chǎn)量很低。

對頁巖應力敏感性而言，單縫的應力敏感性主要取決于以下幾個因素：巖體裂縫表面基質(zhì)的力學性質(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)絡的應力敏感性除了與上述單縫的應力敏感性有關(guān)外，還與裂縫網(wǎng)絡的成因、產(chǎn)狀、角度、密度、連通方式等有關(guān)。頁巖總體的應力敏感性需要綜合考慮單縫應力敏感性和裂縫網(wǎng)絡的應力敏感性，某些情況下還需要涉及孔隙的應力敏感性。

由于頁巖氣藏儲層流體主要是氣體，其流動黏滯系數(shù)遠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層流體進入井筒的液體屏障(即水鎖效應，又稱“液相圈閉”)，減小或封閉了氣體由儲集空間流向井筒的通道，儲層損害就很難消除，使得氣藏產(chǎn)能降低甚至失去經(jīng)濟開采價值?？紤]毛細管力作用，當兩相流體處于頁理裂縫間時，沿平行裂縫延伸方向的曲率半徑無窮大，因此有：

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

隨著裂縫寬度的減小，毛細管力作用增強。頁巖氣藏中，宏觀裂縫的寬度往往比微裂縫和孔喉半徑高幾個數(shù)量級，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管力自吸效應。毛細管力的方向始終指向非潤濕相的一方，即親水巖石的氣水兩相系統(tǒng)中的氣相。因此，毛細管力對水驅(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)過程中，其推動水相向儲層推進，而在頁巖氣開采過程中卻阻止水相從氣藏中排出。

2 鉆井過程儲層損害機理分析

2.1 固相浸入分析

頁巖孔喉窄小，鉆井過程中外來的不同粒徑的固相粒子(比如細分散的鈉蒙脫石膨潤土、鉆井過程中混入的地層微粒等)有可能會浸入儲層，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)塊頁巖孔喉的平均孔徑為2.74～3.53 nm，基本無固相浸入；縫寬l～30 μm，頁理明顯，外來固相顆?？裳財嗔衙娼耄壳傲餍械你@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

頁巖儲層中的微裂縫，是滲流的主要通道，在有效應力作用下裂縫發(fā)生閉合，閉合后不易恢復原狀，即應力損害具有不可逆性。頁巖儲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后，水基液迅速浸入并充滿井眼周圍的裂縫網(wǎng)絡，毛細管力作用將導致儲層強烈吸水并形成水相傷害層，頁巖氣被水相傷害帶封閉在孔隙基塊內(nèi)，造成水鎖損害。此時儲層損害是應力敏感性和水鎖損害的疊加。采用仿真軟件對液相浸入過程建模模擬，模型設定儲層單縫縫寬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，之后通過裂縫表面向基質(zhì)的滲流和水滲吸。隨時間延長，縫面滲透、吸水帶范圍擴大，直至含水平衡飽和。

2.3 鉆井液性能影響

在頁巖儲層中，鉆井液液相浸入易發(fā)生水鎖效應，且濾液中所含細菌進入儲層，有可能進行生物繁殖造成孔喉堵塞。國外頁巖氣鉆井一般用水平井作業(yè)，鉆井液的性能對儲層損害的間接影響更加顯著。頁巖儲層鉆井液應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致頁巖儲層損害加劇^[11-13]。對于含裂縫性的頁巖氣儲層，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 儲層保護措施建議

現(xiàn)階段國外開發(fā)頁巖氣藏的主要鉆井方式是鉆水平井后采用水力壓裂。Barnett頁巖實際鉆井經(jīng)驗表明，水平井中獲得的估計最終采收率大約是直井的3倍，而費用只相當于直井的2倍^[14]。針對頁巖的儲層特征和損害機理，水力壓裂會導致液相浸入的二次損害，簡單套用國外經(jīng)驗并不適合川渝地區(qū)的頁巖儲層。由于頁巖儲層低滲，致密含氣，豐度低，且頁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)絡的鉆井方式，但是獲得最大儲層接觸程度的同時也就意味著更大范圍的儲層損害，因此，在進行頁巖氣藏的欠平衡鉆井時需要科學的鉆前欠壓值設計，在鉆井過程中實時調(diào)整鉆井軌跡參數(shù)，確保從鉆開儲層起到交井投產(chǎn)的全過程裸眼儲層段始終處于儲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)絡的“長驅(qū)深入”的關(guān)鍵。

此外，水基欠平衡開發(fā)頁巖氣藏時會反向自發(fā)吸水，由于頁巖原始含水飽和度和儲層滲透率極低，此時需要精細控制液體欠平衡鉆井技術(shù)才能達到儲層保護要求，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。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頁巖裂縫、多暴露頁巖儲層面積并良好保護暴露面積。

4 結(jié)論與建議

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

2)頁巖超低滲透致密性決定裂縫是儲層保護的重點，識別和控制液相浸入是儲層保護的關(guān)鍵。全過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)絡的“長驅(qū)深入”，達到保護儲層效果。

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

參考文獻

[1]International Energy Agency(IEA).World energy outlook [R／0L].Paris：IEA，2009[2010-04-28].http：//WWW.worldenergyoutlook.org／docs／we02009／WE02009_es _chinese.pdf

[2] 《頁巖氣地質(zhì)與勘探開發(fā)實踐叢書》編委會.北美地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)新進展[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009.

[3] CHALMERS G R L，BUSTIN R M. Lower Cretaceous gas shales in northeastern British Columbia，PartⅡ：Evaluation of regional potential gas resource[J].Bulletin of Canadian Petroleum Geology，2008，56(1)：22-61.

[4] CURTIS J B. Fractured shale—gas systems[J].AAPG Bulletin，2002，86(11)：l921-1938.

[5] 葉軍，曾華盛.川丙須家河組泥頁巖氣成藏條件與勘探潛力[J].天然氣工業(yè)，2008，28(12)：18-25.

[6] RAUT U，FAMA M，TEOLIS B D，et al. Characterization of porosity in vapor—deposited amorphous solid water from methane adsorption[J].The Journal of Chemical Physics，2007，127：1-6.

[7] SHKOLIN A V，FOMKIN A A. Deformation of AUK microporous carbon adsorbent induced by methane adsorption[J].Colloid Journal，2009，71(1)：119-124.

[8] 王震亮，孫明亮，張立寬，等.川西地區(qū)須家河組異常壓力演化與天然氣成藏模式[J].中國地質(zhì)大學學報——地球科學，2004，29(4)：433-439.

[9] B.Н.奧兩波夫(Bнктор Нвановнч Оснпов).粘土類土和巖石的強度與變形性能的本質(zhì)[M].李生林，張之一，譯.北京：地質(zhì)出版社，l985.

[10] 沈明道.粘土礦物及微組構(gòu)與石油勘探[M].成都：電子科技大學出版社，l993.

[11] ALLRED R B，MCCALEB S B.Rx for gumbo shale drilling[C]//paper 4233 MS presented at the SPE Drilling and Rock Mechanics Conference，22 23 January l973，Austin，Texas，USA.New York：SPE，1973.

[12] SIMPSON J P，WALKER T O，JIAN G G Z. Environmentally acceptable water based mud can prevent shale hydration and maintain borehole stability[J].SPE Drilling＆.Completion，l995，10(4)：242-249.

[13] 徐同臺，趙敏，熊友明，等.保護油氣層技術(shù)[M].2版.北京：石油工業(yè)出版禮，2003.

[14] WATERS G，HEINZE J，JACKS()N R，et al. Use of horizontal well image tools to optimize Barnett shale reservoir exploitation[C]//paper l03202-MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition。24-27 September 2006，San Antonio，Texas，USA.New York：SPE，2006.

[15] 李皋，孟英峰，鐘水清，等.MRC井與UBD相結(jié)合的技術(shù)潛力研究[J].鉆采工藝，2010，33(1)：28-30.

本文作者：胡進科李皋 孟英峰

作者單位：中國石化華東分公司石油工程技術(shù)研究院 “油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室.西南石油大學