頁巖氣儲(chǔ)層傷害30年研究成果回顧

鄭力會(huì) 魏攀峰

（1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國石油鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏分室，湖北武漢 430100）

頁巖氣儲(chǔ)層傷害30年研究成果回顧

鄭力會(huì)1，2魏攀峰1

（1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國石油鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏分室，湖北武漢 430100）

目前頁巖氣儲(chǔ)層傷害主要依據(jù)碎屑巖和碳酸鹽巖研究方法，重點(diǎn)研究滲流能力影響因素。結(jié)果認(rèn)為，內(nèi)因主要是孔隙度低易水鎖，黏土礦物含量較高易水化膨脹堵塞通道，頁巖表面毛細(xì)管力增加氣體流動(dòng)阻力，高溫高壓環(huán)境削弱工作流體性能易增加儲(chǔ)層液相殘留量，頁巖氣中二氧化碳流向地面過程中污染工作流體增加儲(chǔ)層液相殘留量；外因主要是工作液抑制能力不足造成儲(chǔ)層黏土水化膨脹，工作液侵入、工作液殘留、工作流體添加劑殘留、工作液生成生物被膜阻礙氣體流動(dòng)，生產(chǎn)壓差過小導(dǎo)致井眼附近液相揮發(fā)速度較慢造成水鎖堵塞滲流通道。尚未系統(tǒng)研究形成產(chǎn)能過程中解吸、擴(kuò)散能力傷害及其原因，以及鉆完井、儲(chǔ)層改造、排采傷害對(duì)儲(chǔ)層解吸、擴(kuò)散能力的影響。沒有形成系統(tǒng)的頁巖氣儲(chǔ)層傷害基礎(chǔ)理論，也沒有室內(nèi)和礦場(chǎng)公認(rèn)的評(píng)價(jià)方法。

頁巖氣；儲(chǔ)層傷害；滲透率；工作流體；解吸；擴(kuò)散

常規(guī)油氣開采過程中，儲(chǔ)層傷害普遍受重視。 不僅每年有儲(chǔ)層保護(hù)世界級(jí)專題會(huì)議，而且以測(cè)定儲(chǔ)層傷害前后滲透率變化為核心的碎屑巖和碳酸鹽巖儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，被鉆井、完井直至提高采收率等各作業(yè)環(huán)節(jié)所接受。同時(shí)，隨著研究深入、應(yīng)用普及，儲(chǔ)層傷害基礎(chǔ)理論和控制方法不斷完善，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也不斷修訂，極大地促進(jìn)了常規(guī)油氣勘探開發(fā)技術(shù)發(fā)展。

常規(guī)油氣儲(chǔ)層滲透率決定產(chǎn)能，而頁巖氣儲(chǔ)層除孔隙度小、滲透率超低外，原地生、原地儲(chǔ)氣藏決定頁巖氣需要經(jīng)過解吸、擴(kuò)散后，再和常規(guī)油氣一樣經(jīng)過滲流通道進(jìn)入井筒［1-3］。產(chǎn)能形成過程不同，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)決定因素不一樣，評(píng)價(jià)方法也應(yīng)該有所區(qū)別。但是，目前評(píng)價(jià)頁巖氣開發(fā)技術(shù)傷害儲(chǔ)層類型和程度時(shí)，一般依據(jù)常規(guī)油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)工作流體、施工工藝對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層滲透率的影響，沒有評(píng)價(jià)解吸、擴(kuò)散能力的影響因素。

目前普遍認(rèn)為開發(fā)技術(shù)是制約頁巖氣大規(guī)模發(fā)展的瓶頸。要破除技術(shù)瓶頸，對(duì)于穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)而言，需要全面掌握工作流體性能和施工工藝參數(shù)影響頁巖氣產(chǎn)能的研究現(xiàn)狀，才能更好地優(yōu)選開發(fā)技術(shù)，改進(jìn)開發(fā)技術(shù)，滿足頁巖氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)開發(fā)需要。為此，回顧了能夠收集到的與頁巖氣儲(chǔ)層傷害相關(guān)的文獻(xiàn)。自1979年以來，頁巖氣工作者從不同角度、用不同方法研究頁巖氣鉆完井、壓裂工作流體和施工工藝參數(shù)影響頁巖氣賦存空間、頁巖礦物組分、巖石表面性質(zhì)、氣藏溫壓環(huán)境和地下流體性質(zhì)等方面取得的成果，指出發(fā)展方向，與同行共勉。

1 頁巖氣賦存空間儲(chǔ)層傷害研究進(jìn)展

常規(guī)油氣藏儲(chǔ)滲空間，一般是指碎屑巖或碳酸鹽巖油氣儲(chǔ)集空間和滲流通道。儲(chǔ)集空間主要為孔隙或裂縫，滲流通道主要為喉道或裂縫?？紫?、裂縫大小及結(jié)構(gòu)、滲透性，決定儲(chǔ)滲特性以及儲(chǔ)層傷害的類型和程度。

1.1 頁巖氣賦存空間特性研究

北美 Barnett、Monterey、Eagle Ford 等頁巖氣儲(chǔ)層主體為有機(jī)質(zhì)泥巖，局部含有磷酸鹽、碳酸鹽及硅酸鹽，夾雜分布不同含量黏土礦物及細(xì)砂巖、碳酸巖等無機(jī)礦物顆粒［4］。頁巖氣儲(chǔ)層基質(zhì)致密，孔隙度較小，局部無機(jī)礦物含量較高，易形成天然裂縫，整體孔隙度可達(dá)50%。裂縫發(fā)育，作為頁巖氣儲(chǔ)層應(yīng)力敏感的主要潛在誘因，也是目前儲(chǔ)層傷害研究依然用碎屑巖和碳酸鹽巖評(píng)價(jià)頁巖氣儲(chǔ)層傷害的關(guān)鍵依據(jù)，即裂縫決定巖石滲透率，滲透率決定產(chǎn)能。將滲透率作為宏觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，界定儲(chǔ)層傷害，以高產(chǎn)為目標(biāo)，是可以接受的。要想穩(wěn)產(chǎn)，則要研究以吸附狀態(tài)為主要賦存方式的頁巖氣儲(chǔ)層，存儲(chǔ)能力、解吸能力、擴(kuò)散能力是否受到外界因素影響，以了解頁巖氣能否持續(xù)不斷地供給孔隙和裂縫，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)。這樣看來，頁巖氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)需要關(guān)注2個(gè)方面：一方面是頁巖氣流向井眼的能力；另一方面是頁巖氣儲(chǔ)層為滲流提供氣源能力。前者要研究儲(chǔ)層整體滲透率大小，以表征氣體在滲流通道中流通能力；后者要研究基質(zhì)滲透率，以表征氣體能否迅速從微孔中進(jìn)入滲流通道。

1.2 頁巖滲透率傷害評(píng)價(jià)研究

頁巖氣儲(chǔ)層滲透率與常規(guī)油氣藏滲透率不同，包括儲(chǔ)層整體滲透率和頁巖基質(zhì)滲透率。所謂的頁巖儲(chǔ)層整體滲透率是指流動(dòng)介質(zhì)通過所有流動(dòng)空間的滲透率，包括裂縫滲透率和基質(zhì)滲透率，建議使用單位mD表示。而基質(zhì)滲透率是指流動(dòng)介質(zhì)在頁巖本體中滲透率，建議使用單位nD（10-6mD）表示。與之相關(guān)的頁巖氣儲(chǔ)層賦存空間，是指頁巖氣吸附擴(kuò)散滲流空間等體積球體直徑，建議使用單位μm。

Guidry Kent等［5］（1995）根據(jù)北美Appalachian盆地井下天然氣流速計(jì)算泥盆系頁巖氣儲(chǔ)層當(dāng)量滲透率大于0.01 mD。為找到相對(duì)應(yīng)的室內(nèi)測(cè)量方法，首次采用3種方法對(duì)比測(cè)量該地區(qū)FMC-69、FMC-78頁巖氣井巖心基質(zhì)滲透率及儲(chǔ)層整體滲透率。

一是壓力脈沖法測(cè)量樣品柱塞。以氦氣為介質(zhì)，利用壓力脈沖法測(cè)得FMC-69井12塊直徑38 mm、長38 mm頁巖柱塞，基質(zhì)滲透率為0.005～0.079 nD，整體滲透率為8～2 570 mD。FMC-78井11塊相同尺寸頁巖柱塞，基質(zhì)滲透率為0.002～0.055 nD，儲(chǔ)層整體滲透率為1～835 mD。

二是壓力脈沖法測(cè)量樣品顆粒。以氦氣為介質(zhì)，利用壓力脈沖法測(cè)得FMC-69井14個(gè)20～35目頁巖顆粒樣品，基質(zhì)滲透率為0.005～0.19 nD，平均為0.062 nD。FMC-78井32個(gè)相同目數(shù)頁巖顆粒樣品，基質(zhì)滲透率為0.004～0.445 nD，平均0.085 nD。

三是脫氣能力分析法測(cè)量樣品柱塞。以氦氣或者甲烷為介質(zhì)，利用脫氣能力測(cè)試法（Degassibility Test）測(cè)得FMC-69井12塊直徑19 mm、長38 mm頁巖柱塞，基質(zhì)滲透率為0.001 5～1.997 nD。

可以看出，測(cè)量方法不同，基質(zhì)滲透率不同。壓力脈沖法和脫氣能力分析法測(cè)量相同地層樣品柱塞，后者測(cè)得基質(zhì)滲透率大小分布區(qū)間較大，最小值為前者的1/3，而最大值達(dá)到前者的25倍；同樣，測(cè)量樣品的形式不同，基質(zhì)滲透率不同。同是脈沖法測(cè)量樣品柱塞和顆粒，顆?；|(zhì)滲透率最小值為柱塞最小值的2倍，最大值存在相同差距。用壓力脈沖法測(cè)量的儲(chǔ)層整體滲透率是基質(zhì)滲透率（5～325）×108倍，遠(yuǎn)高于基質(zhì)孔隙。Guidry Kent等由此認(rèn)為，儲(chǔ)層裂縫是頁巖氣產(chǎn)能的主要貢獻(xiàn)者，基質(zhì)滲透率用于計(jì)算產(chǎn)能意義不大。但未深入研究裂縫滲流氣體補(bǔ)充來源及流動(dòng)機(jī)理、如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)等問題。

1.3 頁巖氣賦存空間傷害研究

常規(guī)氣藏一般可以用孔隙度大小推測(cè)滲透率高低，但頁巖氣儲(chǔ)層不能用巖石孔隙度推測(cè)儲(chǔ)層整體滲透率，更不能推測(cè)基質(zhì)滲透率。因?yàn)榱芽p的存在使儲(chǔ)層的賦存空間變得復(fù)雜。Schowalter Tim T.［6］（1979）在評(píng)價(jià)砂巖的頁巖蓋層密封能力時(shí)，使用壓汞法這種常規(guī)油氣藏孔喉尺寸的測(cè)量方法，測(cè)量頁巖蓋層孔喉大小。遺憾的是，沒有獲得完整的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，也沒有形成公認(rèn)的評(píng)價(jià)方法。

Soeder Daniel J.［7］（1988）認(rèn)為，頁巖低孔、低滲特性以及氣體流至地面需經(jīng)歷解吸、擴(kuò)散過程，測(cè)定滲透率、孔隙度等物性參數(shù)方法，不能照搬常規(guī)油氣藏。利用流速可低至1 mm3/s、滲透率精度達(dá)0.2 nD，用計(jì)算機(jī)控制的巖心分析儀，甲烷為介質(zhì)，測(cè)量8塊直徑38 mm、長38 mm的Huron頁巖儲(chǔ)層柱塞，結(jié)果是儲(chǔ)層整體孔隙度小于0.18%。圍壓20.68 MPa、驅(qū)壓7.6 MPa時(shí)，測(cè)得基質(zhì)滲透率100 nD以下。

不僅是測(cè)量方法，樣品的形狀也影響測(cè)量結(jié)果。Howard James J.［8］（1991）對(duì)比研究Frio片狀頁巖和塊狀頁巖儲(chǔ)層時(shí)，使用壓汞法測(cè)量20塊直徑20 mm、長37.5 mm地層頁巖柱塞，儲(chǔ)層整體孔隙度8.1%～8.2%。分析測(cè)量結(jié)果認(rèn)為，汞分子形狀規(guī)則，無法完全填充頁巖中不規(guī)則孔隙，導(dǎo)致壓汞法測(cè)量誤差較大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，使用常規(guī)油氣藏滲透率測(cè)量方法，存在精確低、周期長等問題，難以直接測(cè)得頁巖滲透率。利用壓汞法測(cè)得柱塞孔隙度、比表面系數(shù)等參數(shù)后，再利用用于水相相對(duì)滲透率測(cè)定的Carman-Kozeny半經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算得到片狀頁巖滲透率0.04～11.8 nD。文獻(xiàn)中沒有提及該滲透率是基質(zhì)滲透率還是儲(chǔ)層整體滲透率，但對(duì)比前人測(cè)得2種滲透率大小推測(cè)認(rèn)為是頁巖基質(zhì)滲透率。這恰好反映了測(cè)量頁巖孔隙度、滲透率的方法不同，結(jié)果不同。為此，20世紀(jì)90年代初期至今，許多學(xué)者為獲得令人信服的頁巖儲(chǔ)層物性，采用多種室內(nèi)評(píng)價(jià)方法。

后期普遍使用粉碎巖樣測(cè)量頁巖整體滲透率及基質(zhì)滲透率的方法，最早是由Luffel D. L.等［9］（1992）測(cè)量泥盆系頁巖基質(zhì)孔隙度時(shí)提出的，目的是為提高巖樣準(zhǔn)備效率。方法是，利用Dean-Steak抽提器祛除巖樣中束縛水，再用氮?dú)馕椒▽?duì)比測(cè)量粉碎成12目顆粒和直徑25 mm柱塞的Pennsylvanian砂巖孔隙度。結(jié)果表明，巖樣粉碎后測(cè)得孔隙度比柱塞測(cè)得孔隙度大0.1%～0.2%；再用頁巖巖樣測(cè)量孔隙度發(fā)現(xiàn)，25塊頁巖巖樣粉碎成200目顆粒測(cè)得的平均孔隙度，比直徑25 mm柱塞測(cè)得的結(jié)果大0.12%。對(duì)比測(cè)井結(jié)果，粉碎成顆粒測(cè)定的孔隙度與測(cè)井結(jié)果較吻合。因此認(rèn)為，用粉碎后的巖樣測(cè)量孔隙度可有效縮短實(shí)驗(yàn)周期，降低樣本間差異，實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性良好，可以被接受。不足之處是，粉碎巖樣時(shí)，質(zhì)量損失會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。為控制測(cè)量誤差，Karastathis Argyrios［10］（2007）控制巖樣粉碎前后質(zhì)量損失低于0.75%。利用實(shí)驗(yàn)重復(fù)性和準(zhǔn)確性較高的低壓比重瓶結(jié)合氮?dú)馕椒y(cè)定15個(gè)北美頁巖顆粒樣品吸附前后氮?dú)怏w積差，測(cè)得基質(zhì)孔隙度平均為6.1%。為尋找室內(nèi)干燥巖樣合適溫度，引入熱重分析法實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，常壓下、100 ℃，干燥巖樣5 h可有效驅(qū)除束縛水。這表明，頁巖干燥方式也影響頁巖儲(chǔ)層孔隙度和滲透率測(cè)定值，只有尋找到合適的實(shí)驗(yàn)方法和參數(shù)，才能較好地測(cè)得儲(chǔ)層的物性參數(shù)。

高樹生等［11］（2011）考慮滑脫效應(yīng)修正用于表征頁巖氣井邊界壓力和井底壓力的擬壓力系數(shù)，建立氣井無阻流量與人工裂縫長度、儲(chǔ)層有效厚度、絕對(duì)滲透率、氣藏溫度、滑脫系數(shù)、供給半徑、供給邊界壓力以及井底壓力等參數(shù)間氣井產(chǎn)能公式。然后用新公式計(jì)算表明，孔隙壓力越高，滑脫效應(yīng)越不明顯?？紫秹毫π∮?0 MPa，氣體滑脫效應(yīng)增強(qiáng)，明顯影響滲透率測(cè)定結(jié)果。

郭為等［12］（2012）用滲透率測(cè)量精度為1 nD的孔滲儀，結(jié)合氮?dú)饷}沖法測(cè)量頁巖柱塞在圍壓8～16 MPa、內(nèi)壓0～5.5 MPa下儲(chǔ)層整體滲透率。發(fā)現(xiàn)頁巖滲透率隨圍壓增加而下降，產(chǎn)生外部壓力敏感效應(yīng)；同時(shí)滲透率隨內(nèi)部壓力降低而降低，產(chǎn)生內(nèi)部壓力敏感效應(yīng)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，外部壓力敏感效應(yīng)遠(yuǎn)大于內(nèi)部壓力敏感效應(yīng)。圍壓可以說是模擬一定上覆巖石壓力，內(nèi)壓一定程度上是孔隙壓力。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，頁巖儲(chǔ)層所處環(huán)境不同，滲透率差異較大。測(cè)量時(shí)需要根據(jù)儲(chǔ)層環(huán)境設(shè)計(jì)合理的圍壓和驅(qū)壓。實(shí)驗(yàn)還表明，如果頁巖氣生產(chǎn)壓差過大，氣體采出速度過快，解吸氣不能迅速補(bǔ)充，導(dǎo)致地層壓力迅速下降，相當(dāng)于增大上覆巖石壓力，造成應(yīng)力敏感，滲透率下降，可以推測(cè)產(chǎn)能會(huì)迅速下降。

從以上學(xué)者的研究可以看出，頁巖基質(zhì)孔隙小，測(cè)量孔隙度的難點(diǎn)在于，沒有適合充填的孔隙介質(zhì)和充分充填孔隙的手段。也正是因此，不同學(xué)者使用不同巖樣制作手段、實(shí)驗(yàn)儀器，尋找測(cè)定頁巖基質(zhì)孔隙度的合適方法，但結(jié)果偏差較大。迄今為止，還沒有公認(rèn)的測(cè)量頁巖基質(zhì)孔隙度方法。

為了找到公認(rèn)的測(cè)量方法，研究者不斷完善基于常規(guī)油氣藏評(píng)價(jià)方法的實(shí)驗(yàn)手段和測(cè)量設(shè)備，但測(cè)量所得到的結(jié)果，仍然沒有達(dá)到測(cè)量目的。其中主要原因在于，認(rèn)為簡單引入就可以快速建成規(guī)模頁巖氣產(chǎn)能，缺乏對(duì)頁巖氣賦存機(jī)理基礎(chǔ)性研究的重視，忽略了國內(nèi)常規(guī)技術(shù)與國外常規(guī)技術(shù)存在的差距，而頁巖氣賦存機(jī)理要比常規(guī)能源復(fù)雜得多。因此，目前亟需形成合理的頁巖氣賦存基礎(chǔ)理論，在基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下開發(fā)測(cè)量方法，滿足儲(chǔ)量預(yù)測(cè)、產(chǎn)能評(píng)價(jià)需要，也滿足儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)與控制研究需要?？上驳氖牵恍W(xué)者已經(jīng)注意到頁巖氣吸附、擴(kuò)散對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

Bustin Amanda M.等［13］（2009）考慮有機(jī)質(zhì)吸附氣體和氣體分子擴(kuò)散影響孔隙度測(cè)定結(jié)果，以文獻(xiàn)［7］測(cè)定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，引入表征有機(jī)質(zhì)吸附氣體的吸附系數(shù)和表征基質(zhì)孔隙吸附氣體提高孔隙度的有效孔隙度，建立基于Langmuir吸附理論的數(shù)學(xué)模型修正測(cè)量結(jié)果。可惜文獻(xiàn)沒有提供具體測(cè)量方法和完整數(shù)據(jù)，無法評(píng)價(jià)其準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)同時(shí)利用壓力脈沖法測(cè)定氦氣、氮?dú)狻⒓淄榈炔煌瑲怏w介質(zhì)條件下頁巖顆粒滲透率，發(fā)現(xiàn)氣體介質(zhì)不同，測(cè)量結(jié)果不同。推測(cè)不同氣體在頁巖中吸附、擴(kuò)散、滲流能力不同。文獻(xiàn)同樣沒有提供巖樣數(shù)據(jù)及處理過程，無法評(píng)價(jià)其準(zhǔn)確性，但為后續(xù)頁巖氣孔隙度、滲透率基本參數(shù)測(cè)定要考慮有機(jī)質(zhì)吸附氣體和氣體分子擴(kuò)散影響孔隙度提供了研究思路。

比較權(quán)威的頁巖孔隙度數(shù)據(jù)，是美國天然氣技術(shù)研究院（Gas Technology Institute）發(fā)布的北美頁巖儲(chǔ)層整體孔隙度為3%～14%，是由Curtis John B.［14］（2002）公布的。數(shù)據(jù)用氮?dú)馕椒y(cè)200目粉碎巖樣得到。但測(cè)量方法中沒有考慮氣體分子能否進(jìn)入基質(zhì)孔隙，結(jié)果仍然沒有得到公認(rèn)。

Javadpour F.等［15］（2007）利用超高壓（415 MPa）壓汞法測(cè)定加拿大西部盆地9個(gè)頁巖氣儲(chǔ)層152塊樣品認(rèn)為，孔喉尺寸0.004～0.2 μm，氣體滲流通道尺寸0.1～1 000 nm。同時(shí)，用壓力脈沖衰退法測(cè)得90%頁巖樣品滲透率低于150 nD。

與其思路一致，Olsen Robert K.等［16］（2008）也利用壓汞法，42 MPa壓力下測(cè)得北美19個(gè)頁巖儲(chǔ)層2 500多塊巖樣認(rèn)為，儲(chǔ)層整體平均孔隙度2.59%。對(duì)照測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，較符合儲(chǔ)層實(shí)際情況。但Olsen Robert K.等指出，汞原子能進(jìn)入最小直徑為0.003 6 μm的孔隙，大于直徑0.000 22 μm的甲烷分子。汞原子無法完全填充存儲(chǔ)甲烷的頁巖孔隙。一般認(rèn)為甲烷分子直徑0.000 38 μm。即使如此，汞作為介質(zhì)也不能完全進(jìn)入吸附甲烷的不規(guī)則孔隙，測(cè)量得到的孔隙度小于實(shí)際孔隙度。壓汞法測(cè)量頁巖儲(chǔ)層整體孔隙度，用于考查甲烷賦存空間，誤差較大。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，壓汞法中使用如此高的壓力可能破壞巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)，人為造縫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大。

與基質(zhì)孔隙度、滲透率測(cè)量不同，有的學(xué)者測(cè)量頁巖儲(chǔ)層整體孔隙度、滲透率等參數(shù)時(shí)，認(rèn)為地層條件下，頁巖氣以游離的形式存在裂縫中，整體測(cè)量的結(jié)果才符合實(shí)際情況。所以，直接從井下獲取實(shí)際地層巖心測(cè)量即可。這樣，實(shí)際測(cè)量結(jié)果比單純測(cè)量基質(zhì)孔隙度和滲透率偏大。但實(shí)驗(yàn)介質(zhì)無法進(jìn)入基質(zhì)，結(jié)果比實(shí)際地層孔隙加裂縫偏小。目前來看，這些方法都無法準(zhǔn)確反映儲(chǔ)層實(shí)際賦存物性參數(shù)。

文獻(xiàn)［9］粉碎頁巖巖樣測(cè)量孔隙度時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分孔隙是連通的。這個(gè)發(fā)現(xiàn)使人們質(zhì)疑頁巖儲(chǔ)層必須壓裂；儲(chǔ)層改造增大日產(chǎn)量的效益，是否好于自然生產(chǎn)效益。因?yàn)閮?chǔ)層改造要投入成本，壓裂本身也可能造成儲(chǔ)層傷害，還要背負(fù)環(huán)境破壞壓力。文獻(xiàn)［3］總結(jié)前人運(yùn)用壓汞法、核磁共振等方法研究頁巖儲(chǔ)層賦存空間成果，依據(jù)孔、洞、縫類別，將頁巖孔隙分為納米級(jí)孔隙、粒間孔隙和裂縫性孔隙，有助于研究頁巖氣儲(chǔ)層產(chǎn)能與賦存空間的相關(guān)性，但這種分類標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，不易建立量化的判斷準(zhǔn)則。

Loucks Robert G.等［17］（2009）利用電子掃描顯微鏡觀察Barnett頁巖孔隙，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層孔隙以納米級(jí)尺寸為主，5～750 nm，主體為100 nm。如此小的賦存空間尺寸為水鎖、固相顆粒堵塞等儲(chǔ)層傷害類型研究提供部分微觀證據(jù)。因?yàn)?，這一尺度下，水分子和一些固相顆粒，可以進(jìn)入儲(chǔ)層賦存空間。

Wang F. P.等［18］（2009）用氬離子束掃描電鏡研究頁巖儲(chǔ)層微觀特性指出，頁巖基質(zhì)孔隙按照尺寸大小主要分為納米級(jí)孔隙和微米級(jí)孔隙。然后，將儲(chǔ)層孔隙分為無機(jī)質(zhì)孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙、天然裂縫和人工裂縫等4種。認(rèn)為有機(jī)質(zhì)孔隙尺寸為0.005～1 μm），甲烷分子尺寸為 0.000 38 μm，是吸附氣和游離氣主要賦存空間。利用掃描電鏡推測(cè)有機(jī)質(zhì)基質(zhì)孔隙度為0～25%，為非有機(jī)質(zhì)孔隙度的5倍，有機(jī)質(zhì)孔隙度的存在提高了儲(chǔ)層整體滲透率。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)孔隙相互連通，認(rèn)為是頁巖氣主要流動(dòng)通道。有機(jī)質(zhì)孔隙和天然裂縫以及人工裂縫的連通是頁巖氣儲(chǔ)層產(chǎn)能提高的關(guān)鍵所在。也就是說，頁巖氣儲(chǔ)層傷害可以以這些流動(dòng)通道是否被堵塞作為標(biāo)準(zhǔn)。從某種意義上來說，這一發(fā)現(xiàn)可能使目前頁巖氣儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，由原來評(píng)價(jià)基質(zhì)間滲流能力轉(zhuǎn)變?yōu)樵u(píng)價(jià)有機(jī)質(zhì)孔隙和裂縫儲(chǔ)層傷害類型和程度。由于部分學(xué)者認(rèn)為有機(jī)質(zhì)含量決定氣體解吸能力，進(jìn)而決定產(chǎn)能。因此還有可能產(chǎn)生這樣的想法，儲(chǔ)層傷害使有機(jī)質(zhì)孔隙裂縫堵塞造成有機(jī)質(zhì)解吸壓力不足，無法正常解吸，以致無法穩(wěn)產(chǎn)。

Curtis Mark E.等［19］（2011）使用掃描透射電鏡觀察Barnett頁巖孔隙，也發(fā)現(xiàn)孔隙是連通的。Curtis Mark E.等認(rèn)為作業(yè)過程中可能在近井地帶發(fā)生傷害，解決近井地帶儲(chǔ)層傷害，就可以很大程度上提高儲(chǔ)層產(chǎn)能。也就是說，作業(yè)過程中控制好流體性能和工藝參數(shù)，減輕近井地帶的儲(chǔ)層傷害，同樣可以獲得高產(chǎn)而無需大規(guī)模壓裂。

鄒才能等［20］利用場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡與納米CT重構(gòu)技術(shù)，研究四川盆地志留系頁巖氣儲(chǔ)層時(shí)發(fā)現(xiàn)，納米級(jí)的頁巖氣儲(chǔ)層孔隙以有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔、顆粒內(nèi)孔以及自生礦物晶間孔為主?？紫吨睆?.005～0.3 μm，主體為 0.08～0.2 μm。這與文獻(xiàn)［17］用電子掃描顯微鏡測(cè)得的0.005～0.75 μm以及文獻(xiàn)［18］用氬離子束掃描電鏡測(cè)得的0.005～1 μm接近。測(cè)量手段相似，測(cè)量結(jié)果相近，表明孔隙大小有規(guī)律可循。

聶海寬等［21］用淺鉆和礦洞取樣，采用自動(dòng)等溫吸附儀，研究重慶市秀山縣溶溪和四川省南江縣小兩等15個(gè)地區(qū)頁巖露頭有機(jī)質(zhì)類型、含量、成熟度、巖石熱解、孔隙度和滲透率等地層物性參數(shù)。30℃、3 MPa條件下測(cè)定四川盆地下寒武統(tǒng)黑色頁巖，氣測(cè)儲(chǔ)層整體孔隙度1.3%～14.2%，滲透率0.002 2～0.056 mD。其中，筇竹寺組孔隙度1.6%～14.2%，滲透率0.004 8 mD；牛蹄塘組孔隙度1.3%～6.0%，滲透率0.002 2～0.056 mD。用等溫吸附法測(cè)量頁巖孔隙度、滲透率，思路較新。但文獻(xiàn)沒有提及吸附所用氣體，滲透率是如何測(cè)定的，結(jié)果無法和其它測(cè)量結(jié)果對(duì)比。但可以看出，我國頁巖氣儲(chǔ)層基本物性參數(shù)與北美已成熟開發(fā)頁巖氣儲(chǔ)層存在一定差別，不能簡單引入北美頁巖氣開發(fā)技術(shù)。研究中國頁巖氣儲(chǔ)層孔隙度、滲透率等基礎(chǔ)參數(shù)，有利于完善頁巖氣儲(chǔ)層傷害基礎(chǔ)理論，優(yōu)化頁巖氣開發(fā)技術(shù)。

1.4 頁巖氣鉆井、壓裂工程傷害賦存空間研究

總的看來，頁巖氣儲(chǔ)層孔隙測(cè)定手段包括電子掃描電鏡、透射電鏡以及壓力脈沖法、脫氣能力分析法、超高壓壓汞法、氮?dú)馕椒ǖ?。?chǔ)層整體孔隙度主體分布2%～5%，滲透率低于1 mD。如果按照2007年頒布的中國石油天然氣儲(chǔ)量計(jì)算規(guī)范評(píng)價(jià)，頁巖氣藏屬于低孔特低滲氣藏。由于測(cè)量方法沒有統(tǒng)一，氣體賦存機(jī)理尚未明確，孔隙度和滲透率具體大小也不便定論。同時(shí)，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)是在常規(guī)油氣藏儲(chǔ)層物性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上形成，而頁巖氣儲(chǔ)層滲透率極小，運(yùn)用目前標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)過于寬泛，建議引入微滲儲(chǔ)層概念。微滲儲(chǔ)層是指用氮?dú)庾鹘橘|(zhì)，測(cè)量得到的基質(zhì)滲透率低于1 μD的氣藏儲(chǔ)層。但總的看，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為只有通過水平井提高頁巖鉆遇率和壓裂增大滲透率，才能獲得滿意產(chǎn)能。產(chǎn)能不滿意，則認(rèn)為是頁巖氣儲(chǔ)層物性受鉆井流體和壓裂流體及其添加劑的影響所致。

Volk Leonard J.等［22］（1981）以室內(nèi)對(duì)比評(píng)價(jià)頁巖與砂巖儲(chǔ)層壓裂效果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立裂縫閉合應(yīng)力與支撐劑尺寸、尺寸分布、單位體積濃度、與儲(chǔ)層巖石接觸面積及巖石特性系數(shù)等因素間經(jīng)驗(yàn)公式。利用公式指出，頁巖氣儲(chǔ)層增產(chǎn)作業(yè)時(shí)，壓裂效果與支撐劑和儲(chǔ)層巖石接觸面積正相關(guān)。后來，Volk L. J.等［23］（1983）用壓力容器充填尺寸直徑38 mm、長12～20 mm頁巖柱塞模擬地層，溫度22～70℃、壓力最高至69 MPa液壓泵模擬施工作業(yè)，研究壓裂液侵入柱塞造成氮?dú)鉂B透率下降程度。研究結(jié)果表明，4.8 g/L瓜膠壓裂液在70 ℃、414 MPa/m壓力梯度下，7塊頁巖柱塞平均侵入深度20 mm。同時(shí)發(fā)現(xiàn)圍壓20.7 MPa、驅(qū)壓13.8 MPa下，氣相滲透率 由 0.000 58～0.035 5 mD 下 降 至 0.000 48～0.029 5 mD；圍壓11.7 MPa、驅(qū)壓4.8 MPa下，氣相滲透率由0.004 5～0.005 3 mD 下降至 0.003 6～0.004 4 mD，降幅17%～20%?？此茐毫岩呵秩氲貙觽?chǔ)層整體滲透率。但是，圍壓和驅(qū)壓同時(shí)下降，儲(chǔ)層整體滲透率下降?？梢妼?shí)驗(yàn)參數(shù)不同，測(cè)得滲透率傷害程度不同。遺憾的是，這些傷害也可以認(rèn)為是壓力敏感造成的，無法判斷是不是壓裂液單個(gè)因素所致。所以，儲(chǔ)層傷害程度實(shí)驗(yàn)對(duì)比評(píng)價(jià)應(yīng)該在相同條件下進(jìn)行。

Schettler Jr P. D.等［24］（1989）研究泥盆系頁巖氣儲(chǔ)層開發(fā)過程中氣體成分變化，提出頁巖基質(zhì)內(nèi)部氣體流動(dòng)以分子與巖石碰撞為主，符合Knudsen擴(kuò)散、分子擴(kuò)散或兩者組合模型。李曉強(qiáng)等［25］（2011）通過定義頁巖基質(zhì)與裂縫中擬壓力、導(dǎo)流系數(shù)、形狀因子以及基質(zhì)比熱容等參數(shù)，在考慮達(dá)西流和擴(kuò)散流同時(shí)存在的基礎(chǔ)上，建立基質(zhì)和裂縫間氣體運(yùn)移函數(shù)。函數(shù)計(jì)算表明，頁巖基質(zhì)滲透率接近納達(dá)西級(jí)時(shí)，基質(zhì)表面以達(dá)西流為主，內(nèi)部以擴(kuò)散流為主。許多學(xué)者認(rèn)為頁巖氣儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率為納達(dá)西級(jí)，對(duì)氣體產(chǎn)能影響可以忽略，但李曉強(qiáng)等這一發(fā)現(xiàn)，表明基質(zhì)滲透率同樣對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層氣體產(chǎn)能預(yù)測(cè)影響較大，值得重視。因此，忽略擴(kuò)散流影響儲(chǔ)層整體滲透率計(jì)算，會(huì)嚴(yán)重低估產(chǎn)能。同時(shí)表明，頁巖氣儲(chǔ)層產(chǎn)能形成過程對(duì)產(chǎn)能的影響，已經(jīng)逐漸被人重視。

其實(shí)，頁巖氣儲(chǔ)層開采過程中氣體流動(dòng)影響因素研究較多，Gdanski R.等［26］（2005）構(gòu)建氣相、液相相對(duì)滲透率與水飽和度、毛細(xì)管力間數(shù)值模型以及氣井產(chǎn)量與相對(duì)滲透率間數(shù)值關(guān)系，模擬壓裂液侵入和返排過程中，氣相、液相流動(dòng)以及毛細(xì)管力影響相對(duì)滲透率時(shí)指出，生產(chǎn)壓差低于毛細(xì)管力或液相不侵入頁巖基質(zhì)，壓裂液傷害頁巖基質(zhì)表面氣體流動(dòng)能力，產(chǎn)能下降嚴(yán)重。我們可以認(rèn)為，壓裂液在頁巖表面殘留可能傷害儲(chǔ)層基質(zhì)表面解吸氣體擴(kuò)散能力，造成產(chǎn)量明顯下降。壓裂液對(duì)產(chǎn)能的影響，Ehlig-Economides Christine A.等［27］（2011）也 在 研究。他們發(fā)現(xiàn)，頁巖氣儲(chǔ)層壓裂作業(yè)時(shí)，壓裂液中支撐劑用量較小，儲(chǔ)層產(chǎn)量較理想。用達(dá)西公式分析原因認(rèn)為，基質(zhì)滲透率較小，液相進(jìn)入基質(zhì)困難。言外之意，壓裂液侵入影響基質(zhì)內(nèi)部氣體流動(dòng)較小。Ehlig-Economides Christine A.等用北美Fayetteville、Haynesville頁巖氣產(chǎn)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和儲(chǔ)層地震檢測(cè)認(rèn)為，儲(chǔ)層裂縫中液相相對(duì)滲透率較小，液相返排困難，造成儲(chǔ)層產(chǎn)能不理想。文獻(xiàn)［27］進(jìn)一步推測(cè)，單口頁巖氣井壓裂作業(yè)使用近4×104m3的壓裂液，由于返排少，大量壓裂液殘留在裂縫中，閉合應(yīng)力無法擠出較多壓裂液，致使殘留液有效支撐裂縫。這樣頁巖氣在裂縫中以氣泡形式間斷穿過壓裂液，再流向井眼。因此，產(chǎn)量較低。由此看來，測(cè)定氣體在殘留大量工作液的人工裂縫中的相對(duì)滲透率或者流動(dòng)狀態(tài)是研究不同工作流體及施工工藝條件下儲(chǔ)層傷害類型及程度的重要方向。

Marpaung F.等［28］（2008）室內(nèi)動(dòng)態(tài)模擬66 ℃時(shí)，瓜膠壓裂液壓裂過程。用濃度2%的KCl溶液為介質(zhì)評(píng)價(jià)裂縫導(dǎo)流能力。發(fā)現(xiàn)裂縫中殘留聚合物降低裂縫導(dǎo)流能力和有效長度，影響產(chǎn)能。認(rèn)為其原因是，殘留聚合物降低支撐劑填充層滲透率。研究同時(shí)指出，儲(chǔ)層氣體流動(dòng)越快，殘留聚合物清除效果越好，儲(chǔ)層傷害越小。遺憾的是，這樣的結(jié)論讓人進(jìn)退維谷。因?yàn)椋岣邭饬髁魉倏捎行宄龤埩粑?，但也?huì)造成微粒運(yùn)移，堵塞滲流通道。特別是，高壓差下可能出現(xiàn)游離氣體迅速變?yōu)楫a(chǎn)量而解吸氣不能迅速補(bǔ)充，裂縫中孔隙壓力下降，儲(chǔ)層上覆巖石壓力相對(duì)增大，造成儲(chǔ)層應(yīng)力敏感傷害。

Bottero S.等［29］（2010）結(jié)合氣、液兩相流動(dòng)速率與流體平均密度、動(dòng)力黏度、儲(chǔ)層壓力、表面張力間數(shù)值模型和多孔生物被膜數(shù)值模型，研究支撐劑填充層中生物被膜對(duì)氣體流動(dòng)影響時(shí)指出，細(xì)菌在儲(chǔ)層中形成生物被膜，覆蓋在支撐劑填充層裂縫上，降低填充層滲透率，阻礙氣體流動(dòng)。常規(guī)的化學(xué)破膠劑和生物酶解除生物被膜效果不明顯。計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，生物被膜增加10%，氣井產(chǎn)能下降50%。

Rimassa Shawn M.等［30］（2011）利用變性梯度凝膠電泳分析技術(shù)研究壓裂前后儲(chǔ)層返排液中抗微生物劑含量變化指出，頁巖氣儲(chǔ)層中常含有硫酸鹽還原菌、產(chǎn)酸菌等常見微生物，造成2個(gè)方面的傷害：一方面，微生物可分解聚合物，降低凝膠壓裂液、滑溜水壓裂液流動(dòng)能力，增加儲(chǔ)層壓裂液殘?jiān)涣硪环矫?，微生物代謝產(chǎn)生H2S酸性氣體，腐蝕生產(chǎn)設(shè)備，生成無機(jī)微粒，堵塞氣流通道。接著，Struchtemeyer C. G.等［31］（2011）也發(fā)現(xiàn) Barnett頁巖鉆井過程中微生物的不利影響，認(rèn)為理論和實(shí)際存在矛盾。理論上，頁巖氣儲(chǔ)層溫度較高，儲(chǔ)層中孔隙尺寸為納米級(jí)，滲透率較小，阻礙微生物粒子數(shù)增加，不適宜微生物生長。但實(shí)際上，利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)法（Polymerase Chain Reaction）和微生物枚舉法（Microbial Enumerations）分析Barnett頁巖產(chǎn)區(qū)七種鉆井液樣品發(fā)現(xiàn)，微生物真實(shí)存在。推測(cè)微生物隨鉆井流體進(jìn)入儲(chǔ)層，生成生物被膜，引發(fā)儲(chǔ)層傷害。這些研究從一定程度上說明，頁巖氣儲(chǔ)層細(xì)菌傷害頁巖賦存空間比較嚴(yán)重。因此，需要進(jìn)一步研究微生物傷害頁巖氣儲(chǔ)層機(jī)理。同時(shí)，也要針對(duì)微生物傷害特點(diǎn)，建立頁巖氣儲(chǔ)層微生物控制方法。

Sun Hong 等［32］（2010）研究壓裂液中減阻劑殘留傷害頁巖氣儲(chǔ)層指出，減阻劑作為壓裂液常用添加劑，多由聚合物組成，溫度300 ℃以下難以分解。聚合物易聚集在裂縫和支撐劑填充層內(nèi)，堵塞孔隙，傷害儲(chǔ)層。為此，研發(fā)出新型減阻劑，配合改性聚合物減阻劑使用，可有效降低減阻劑殘留，保護(hù)儲(chǔ)層。但減阻劑在地層液相環(huán)境條件下，是否與實(shí)驗(yàn)室干燥環(huán)境下降解能力相同，需要進(jìn)一步研究。

Xu Ben等［33］（2011）利用精密激光輪廓儀（Precise Laser Prof i ler）測(cè)量瓜膠壓裂液在裂縫中形成凝膠濾餅厚度時(shí)發(fā)現(xiàn)，殘留聚合物在支撐劑填充層形成凝膠濾餅，降低填充層滲透率，減少裂縫有效長度，降低頁巖氣井產(chǎn)能。精密輪廓儀是廣泛用于鐵路行業(yè)二維位移精確測(cè)量的設(shè)備，相對(duì)于掃描電鏡來說，精度并不高?？磥韺ふ液线m測(cè)量儀器，是儲(chǔ)層傷害微觀研究不斷深入的發(fā)展方向之一。

Osholake Jr Tunde等［34］（2011）利用平面三相油藏模擬裝置研究理想單相流、氣液混合流、支撐劑破碎、支撐劑成巖、壓實(shí)以及壓裂施工參數(shù)等影響壓裂效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同尺寸支撐劑造成氣井產(chǎn)能下降程度不同。并非支撐劑顆粒越大，傷害儲(chǔ)層程度越高。顆粒尺寸過大，無法進(jìn)入填充層，無法傷害儲(chǔ)層；尺寸過小，隨流體流向井口，也無法傷害儲(chǔ)層。只有尺寸適中顆粒進(jìn)入填充層，無法進(jìn)入裂縫，才能堵塞填充層空隙，降低絕對(duì)滲透率。支撐劑顆粒濃度與傷害程度并非簡單線性關(guān)系。儲(chǔ)層傷害程度同時(shí)受支撐劑成巖作用、地層壓實(shí)作用、井底壓力等因素綜合影響，但作者沒有作深入研究。這表明，儲(chǔ)層孔隙大小不同、堵塞孔隙的支撐劑尺寸不同，支撐劑造成傷害方式和程度也不同。值得進(jìn)一步研究。

文獻(xiàn)［4］利用Haynesville頁巖，室內(nèi)模擬地層環(huán)境下支撐劑嵌入與巖石固化成巖過程。結(jié)合掃描電鏡，研究頁巖氣儲(chǔ)層壓裂用支撐劑破碎及成巖作用引發(fā)儲(chǔ)層傷害程度。一般認(rèn)為，頁巖沉積年代普遍較早，高溫高壓作用致使黏土礦物硬度較高，阻礙支撐劑破碎后嵌入，儲(chǔ)層傷害程度較小。但實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)支撐劑在高溫環(huán)境以及工作流體浸泡作用下，強(qiáng)度下降，破碎成細(xì)粒，無法嵌入儲(chǔ)層。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M頁巖壓裂作業(yè)240 d后，支撐劑與巖石固化程度較低，影響填充層滲流能力甚微，造成的儲(chǔ)層傷害可以忽略。這與之前研究得到關(guān)于支撐劑嵌入與巖石固化成巖傷害儲(chǔ)層的理論不一致，需要做大量的實(shí)驗(yàn)工作證明不同的觀點(diǎn)。

Penny Glenn 等［35］（2012）室內(nèi)控制溫度、閉合應(yīng)力不變，用非達(dá)西流模擬頁巖氣水平井壓裂作業(yè)，研究支撐劑尺寸、分布以及種類影響填充層滲流能力及氣相相對(duì)滲透率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，支撐劑顆粒越大，支撐劑填充層導(dǎo)流性、氣相相對(duì)滲透率越大。20～40目支撐劑壓裂效果是100目支撐劑壓裂效果的近100倍；20～40目陶粒填充效果優(yōu)于相同目數(shù)砂粒。對(duì)比分析北美240口頁巖氣水平井現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，工作流體中添加劑性能與儲(chǔ)層孔隙大小、溫度、壓力等物性不配伍，會(huì)堵塞滲流通道，降低絕對(duì)滲透率，造成儲(chǔ)層傷害。優(yōu)選添加劑，可提高裂縫導(dǎo)流能力最多可達(dá)100倍。支撐劑填充層導(dǎo)流能力決定頁巖氣水平井壓裂作業(yè)產(chǎn)能，填充層導(dǎo)流能力越高，氣井產(chǎn)能越高。填充層導(dǎo)流能力受溫度、壓力、多相流、支撐劑嵌入、非達(dá)西流流態(tài)以及井眼相對(duì)裂縫位置影響。這與常規(guī)油氣藏認(rèn)為儲(chǔ)層壓裂作業(yè)后以填充層導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)產(chǎn)能大小的觀點(diǎn)一致，表明頁巖氣儲(chǔ)層壓裂作業(yè)效果評(píng)價(jià)方法與常規(guī)油氣藏有相似之處。但Penny Glenn等的研究是建立在頁巖氣完成解吸擴(kuò)散階段，已進(jìn)入滲透通道的基礎(chǔ)上，沒有考慮壓裂液是否影響儲(chǔ)層氣體解吸擴(kuò)散到裂縫中能力。

常規(guī)油氣藏傷害理論中，儲(chǔ)層壓裂后導(dǎo)流能力越高，返排能力越高，同時(shí)產(chǎn)能越高。但頁巖氣井壓裂液返排量普遍較低，早在Willbery D. M.等［36］（1998）文獻(xiàn)中提及。Willbery D. M.等對(duì)比北美Barnett頁巖氣產(chǎn)區(qū)壓裂作業(yè)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，頁巖氣井壓裂液平均返排量只是總量的20%～50%。進(jìn)一步對(duì)比17口氣井返排流速與返排量關(guān)系發(fā)現(xiàn)，流速低于7.95×10-2m/s，返排量31%；流速介于（7.95～10.6）×10-2m/s，返排量46%；流速高于10.6×10-2m/s，返排量50%。但沒有進(jìn)一步說明多大的流速下，返排量可以更高。還有一個(gè)遺憾是，沒有進(jìn)一步研究返排量與產(chǎn)量的關(guān)系。但是，文獻(xiàn)告訴我們頁巖氣的壓裂液返排效率較低，與常規(guī)油氣藏不同。后來，Wang Q.等［37］（2012）統(tǒng)計(jì) Barnett頁巖氣產(chǎn)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)壓裂效果同樣發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)油氣藏不同，壓裂液返排量并非越多越好。高產(chǎn)頁巖氣井壓裂液返排量低于30%。用常規(guī)油氣藏液相殘留傷害儲(chǔ)層理論無法解釋這一現(xiàn)象，需要采用新方法評(píng)價(jià)壓裂效果，值得深入研究。Wang Q.等利用儲(chǔ)層傷害氣井與儲(chǔ)層未傷害氣井的生產(chǎn)指數(shù)之比（Productivity Index Ratio），建立傷害程度與壓裂液侵入、支撐劑破碎等傷害類型程度間數(shù)學(xué)模型。分析現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)指出，壓裂液侵入增大儲(chǔ)層支撐劑填充層閉合應(yīng)力，擠碎支撐劑，堵塞孔隙，降低儲(chǔ)層絕對(duì)滲透率。支撐劑破碎降低氣井產(chǎn)能0.6%，但不是主要傷害因素。分析模型認(rèn)為工作液侵入儲(chǔ)層是影響氣井產(chǎn)能的主要因素，降低氣井產(chǎn)能12.5%；壓裂液殘留，降低氣井產(chǎn)能7%。表明儲(chǔ)層傷害類型多樣，傷害程度不同。

與文獻(xiàn)［36-37］一樣，Li J.等［38］研究北美頁巖氣壓裂作業(yè)效果也發(fā)現(xiàn)，高產(chǎn)頁巖氣井壓裂液返排量介于20%～40%，低產(chǎn)頁巖氣井返排量遠(yuǎn)大于80%。建立考慮裂縫中氣體流動(dòng)因素的數(shù)學(xué)模型，研究近裂縫基質(zhì)傷害對(duì)氣井產(chǎn)能影響較小。使用常規(guī)滑溜水壓裂液，即使污染區(qū)基質(zhì)滲透率僅為壓裂前初始值的5%，氣井產(chǎn)能也才下降15%以內(nèi)，傷害程度較小，由液相侵入基質(zhì)深度和滲透率降低程度決定。滲透率降低是頁巖氣儲(chǔ)層傷害的影響因素，但不是唯一，也不是主要影響因素。在Li J.等研究基礎(chǔ)上，推測(cè)頁巖氣從基質(zhì)進(jìn)入裂縫的方式并不是常規(guī)油氣藏中公認(rèn)的滲流，而是氣體解吸擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。壓裂液侵入雖降低了滲透率，但并不影響基質(zhì)內(nèi)氣體解吸，也不影響向裂縫擴(kuò)散。

頁巖氣解吸擴(kuò)散所需賦存空間到底多大？哪些因素影響氣體解吸擴(kuò)散及影響程度？與工作流體和工藝參數(shù)間到底是什么關(guān)系？

頁巖氣儲(chǔ)層基質(zhì)賦存空間尺寸研究多年，可以認(rèn)為0.005～1 μm。甲烷分子直徑大約是0.000 38 μm，乙烷分子直徑大約是0.000 4 μm，丙烷分子直徑大約是0.000 42 μm。所有甲烷、乙烷、丙烷分子能夠從基質(zhì)孔隙中自由出入。水分子的直徑是0.04 μm，可能部分進(jìn)入儲(chǔ)層，不能自由出入。至于哪些因素影響頁巖氣解吸擴(kuò)散需要進(jìn)一步研究，這些都是研究頁巖氣在基質(zhì)孔隙中流動(dòng)的基礎(chǔ)。

從收集到的關(guān)于頁巖氣儲(chǔ)層賦存空間相關(guān)文獻(xiàn)看，壓裂過程造成的儲(chǔ)層傷害，已被認(rèn)識(shí)并在滲透率損失以及產(chǎn)量方面做了不少研究工作，特別是開創(chuàng)性運(yùn)用新的實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)學(xué)模擬開展定性或定量滲透率變化研究，取得了不少成果。但鉆井液、壓裂液等工作液組分影響氣體賦存空間機(jī)理，進(jìn)而影響解吸擴(kuò)散能力的研究，力度不足。

拋開頁巖氣儲(chǔ)層賦存空間測(cè)量技術(shù)不說，常規(guī)油氣儲(chǔ)滲空間傷害后滲透率降低的思維定向，是頁巖氣儲(chǔ)層賦存空間傷害機(jī)理發(fā)展的“瓶頸”。

2 頁巖敏感性礦物儲(chǔ)層傷害研究

常規(guī)油氣儲(chǔ)層傷害理論中敏感性礦物是指含量較小，但能使儲(chǔ)層滲透率發(fā)生較大變化的礦物。以此為理論依據(jù)，Holditch Stephen A.［39］（1979）建立氣液相對(duì)滲透率與儲(chǔ)層溫度、壓力、深度、氣井生產(chǎn)面積、孔隙度、水飽和度、裂縫長度及初始導(dǎo)流能力間數(shù)值模型，研究工作流體傷害頁巖氣儲(chǔ)層。認(rèn)為頁巖氣儲(chǔ)層黏土礦物含量較高，黏土礦物水化膨脹是導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率明顯下降的主要原因。但沒有深入地研究其傷害程度。

2.1 頁巖敏感性礦物組分特性研究

文獻(xiàn)［6］研究北美頁巖氣產(chǎn)區(qū)儲(chǔ)層物性，提出黏土礦物表面類似于干酪根，可以吸附氣體分子。這說明，頁巖氣儲(chǔ)層不同于常規(guī)油氣藏，其黏土礦物、干酪根等組分表面吸附、解吸甲烷分子能力可能是氣井產(chǎn)能大小的決定因素之一。黏土礦物受到外來工作流體作用后，不僅水化膨脹影響滲透率，還有可能影響頁巖氣吸附和解吸能力，最終導(dǎo)致其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)困難。同時(shí)，干酪根作為頁巖氣吸附介質(zhì)成為頁巖氣井產(chǎn)能的敏感性組分因素之一，挑戰(zhàn)了常規(guī)油氣藏敏感性礦物定義，增加了敏感性礦物的種類，豐富了敏感性礦物內(nèi)容。

Dfaz A. P.等［40］（2001）研究水基工作液影響頁巖穩(wěn)定性時(shí)提出，頁巖中黏土礦物水化膨脹取決于黏土礦物表面分子間作用力。分子間作用力大小由黏土種類、數(shù)量以及微觀結(jié)構(gòu)決定。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，頁巖中蒙脫石種類比蒙脫石含量對(duì)水化膨脹影響程度更明顯。利用熱重分析法測(cè)量不同溫度區(qū)間內(nèi)，不同濕度下，頁巖中水損失量發(fā)現(xiàn)，溫度低于55 ℃時(shí)，水損失量隨濕度升高下降，這種關(guān)聯(lián)度隨溫度升高下降。推測(cè)頁巖黏土礦物水化膨脹程度在低溫條件下隨液相環(huán)境活度變化而變化較為明顯。結(jié)合不同頁巖樣品黏土礦物的X射線衍射分析結(jié)果，得到結(jié)論，不同頁巖黏土礦物種類、含量以及微觀結(jié)構(gòu)差異較大，導(dǎo)致黏土礦物水化膨脹程度不同。Dfaz A. P.等研究結(jié)論與文獻(xiàn)［39］中根據(jù)頁巖氣儲(chǔ)層黏土含量較高，推測(cè)黏土礦物水化膨脹是降低儲(chǔ)層滲透率的主要因素存在差異。頁巖氣儲(chǔ)層中黏土礦物含量、種類差異較大，黏土礦物種類對(duì)儲(chǔ)層傷害程度的影響是否類似于頁巖穩(wěn)定性，影響程度較高？

文獻(xiàn)［8］對(duì)比Frio頁巖儲(chǔ)層層狀頁巖和塊狀頁巖黏土礦物含量與比表面積關(guān)系發(fā)現(xiàn)，層狀頁巖伊利石/蒙脫石混層含量較高，比表面積較大，但層狀和塊狀孔隙度相同。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，Appalachian盆地泥盆系頁巖儲(chǔ)層以伊利石和石英為主，還含有黃鐵礦和干酪根等。而且，即使在South Texas地區(qū)Appalachian盆地頁巖氣產(chǎn)區(qū)不同井位鉆取頁巖巖樣成分含量差異性較大。以干酪根為例，最高達(dá)30%，最低接近0。Howard James J.沒有進(jìn)一步評(píng)價(jià)這些組分與滲透率、解吸能力、擴(kuò)散能力間的關(guān)系。但研究結(jié)果說明，頁巖氣儲(chǔ)層整體孔隙度與儲(chǔ)層礦物種類和含量無關(guān)。Curtis Mark E.等［41］（2011）同樣指出，地區(qū)不同，頁巖礦物種類、含量不同。除伊利石、蒙皂石、高嶺石等常見黏土礦物外，還有石英、黃鐵礦等礦物。因此，Curtis Mark E.等認(rèn)為不同頁巖氣儲(chǔ)層需要準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其礦物成分，以此優(yōu)化開發(fā)技術(shù)和開發(fā)方案，降低可能引發(fā)的儲(chǔ)層傷害。這些研究結(jié)果，說明頁巖氣儲(chǔ)層礦物組分、分布是十分復(fù)雜的，目前還沒有掌握解吸能力、擴(kuò)散能力與礦物組分、分布間的關(guān)系。如果用常規(guī)油氣藏的一些理論來解釋頁巖氣儲(chǔ)層傷害機(jī)理，就無法指導(dǎo)開發(fā)出適用的頁巖氣儲(chǔ)層傷害控制技術(shù)，同樣也無法治理儲(chǔ)層傷害。

Deville Jay P.等［42］（2011）切片分析北美部分地區(qū)頁巖以伊利石為主，含量24%～55%；其次是蒙脫石/綠泥石混層，28%以下；石英20%～40%。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，伊利石在水基工作液作用下發(fā)生一定程度的運(yùn)移，但儲(chǔ)層傷害程度較小。蒙脫石、蒙脫石/綠泥石混層、伊利石/蒙脫石混層在水基工作液作用下易水化膨脹，堵塞孔道，造成儲(chǔ)層傷害。文獻(xiàn)［4］綜合利用掃描電鏡、能譜分析儀等設(shè)備結(jié)合礦物分析技術(shù)、毛細(xì)管滲吸時(shí)間（Capillary Suction Time）測(cè)試技術(shù)，對(duì)比常規(guī)油氣藏和非常規(guī)油氣藏儲(chǔ)層中黏土礦物含量、產(chǎn)狀以及流體流速、壓力梯度等因素引起水化膨脹造成儲(chǔ)層傷害的程度，發(fā)現(xiàn)并非黏土礦物含量越高，傷害程度越大。頁巖中常見伊利石/蒙脫石混層、蒙脫石/綠泥石混層等不能簡單認(rèn)為是兩種黏土礦物疊加，其產(chǎn)狀、分布情況往往導(dǎo)致實(shí)際水化膨脹、運(yùn)移能力較弱，傷害程度較小。這與常規(guī)理論中黏土礦物含量高，易引發(fā)黏土水化膨脹的傷害儲(chǔ)層理論基本相同。同時(shí)，針對(duì)黏土礦物含量較低的儲(chǔ)層在水基流體環(huán)境下儲(chǔ)層整體滲透率同樣降低的現(xiàn)象，Davis等發(fā)現(xiàn)，測(cè)井得到的地層水飽和度比用相對(duì)滲透率計(jì)算得到的地層水飽和度略小。分析認(rèn)為水基工作流體進(jìn)入地層后，受毛細(xì)管力作用，在井口和裂縫附近形成局部高含水飽和度區(qū)，降低氣相相對(duì)滲透率，損害產(chǎn)能。這樣的觀點(diǎn)與Holditch Stephen A.等認(rèn)為頁巖氣儲(chǔ)層中黏土礦物水化膨脹是導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率下降的主要原因同樣有所不同。陳尚斌等［43］（2011）分析四川盆地南緣下志留系龍馬溪組頁巖礦物成分，發(fā)現(xiàn)黏土含量16.8%～70.1%，石英16.2%～75.2%，方解石5.46%。黏土含量總體較國外高?？梢钥闯?，不同頁巖氣儲(chǔ)層礦物種類、含量不同，儲(chǔ)層傷害類型及機(jī)理不同，不能簡單地認(rèn)為使用某一種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)所有頁巖氣井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。以此推斷，中國頁巖氣開發(fā)，需要加強(qiáng)儲(chǔ)層黏土礦物和全巖礦物分析，結(jié)合工作流體性能和工藝參數(shù)，評(píng)價(jià)儲(chǔ)層傷害程度，優(yōu)選開發(fā)技術(shù)。

2.2 頁巖敏感性礦物傷害研究

目前一些學(xué)者已經(jīng)開始針對(duì)頁巖敏感性礦物特征，研究傷害儲(chǔ)層機(jī)理。Ramurthy Muthukumarappan等［44］（2011）運(yùn)用毛細(xì)管吸入時(shí)間測(cè)試儀評(píng)價(jià)Gothic、Haynesville、Eagle Ford、Barnett頁巖對(duì) 4 種不同無機(jī)鹽溶液的敏感性發(fā)現(xiàn)，巖樣對(duì)3%、7%KCl，5%NH4Cl，3%CaCl2溶液敏感性較低，對(duì)淡水敏感性較高。同時(shí)發(fā)現(xiàn)敏感程度隨著頁巖儲(chǔ)層深度增加而降低，推測(cè)方解石含量升高，儲(chǔ)層敏感性礦物含量降低所致。類似的研究成果Dfaz A. P.等在文獻(xiàn)［40］中從活度的角度也有所發(fā)現(xiàn)。因此，我們可以推測(cè)不同頁巖氣儲(chǔ)層對(duì)工作流體礦化度的要求不同。需要針對(duì)不同頁巖氣儲(chǔ)層敏感性礦物不同，設(shè)計(jì)合理的工作流體礦化度。目前認(rèn)為頁巖氣儲(chǔ)層傷害是由于水基工作流體抑制性較低，引起敏感性礦物水化膨脹、分散，傷害儲(chǔ)層。然而文獻(xiàn)［4］也指出，在一些黏土含量較低的儲(chǔ)層中同樣發(fā)生水敏性傷害，其原因是由于水鎖（Aqueous Phase Trapping）所致。黏土水化膨脹、分散造成微粒運(yùn)移傷害是在一定的條件下才能發(fā)生。文獻(xiàn)［4］認(rèn)為，黏土微粒運(yùn)移引發(fā)儲(chǔ)層傷害的前提條件是儲(chǔ)層中黏土微粒位于開放式孔隙中易與工作流體接觸，孔隙、喉道尺寸大于黏土微粒從而提供運(yùn)移通道。但頁巖氣儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙尺寸較小，不能提供黏土微粒運(yùn)移通道，所以也就不會(huì)發(fā)生黏土水化膨脹、分散造成微粒運(yùn)移傷害儲(chǔ)層。

盡管不同學(xué)者對(duì)于水基工作液作用下黏土傷害儲(chǔ)層機(jī)理不一致，但頁巖賦存空間的特殊性已經(jīng)被學(xué)者所認(rèn)識(shí)，頁巖氣儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙度較小，但天然裂縫中膠結(jié)較差的顆粒和人工裂縫中黏土與工作流體接觸后膨脹、分散產(chǎn)生的微?？赡馨l(fā)生運(yùn)移，堵塞孔隙，傷害儲(chǔ)層。這表明常規(guī)油氣藏傷害理論中有些觀點(diǎn)可能不適用，因此需要在充分研究頁巖儲(chǔ)層賦存空間、礦物組分等特性的基礎(chǔ)上，研究不同工作流體與工藝參數(shù)可能引發(fā)傷害類型及程度。

Zeinijahromi A.等［45］（2012）建立頁巖氣井生產(chǎn)指數(shù)與儲(chǔ)層微粒運(yùn)移、裂縫中微粒累積含量間數(shù)學(xué)模型，分析頁巖中高嶺石、伊利石、淤泥（Silt Particle）、非晶質(zhì)硅形成微粒運(yùn)移狀況。研究發(fā)現(xiàn)微粒流過儲(chǔ)層，發(fā)生類似多種分子溶液流過凝膠色譜柱一樣產(chǎn)生分子篩效應(yīng)，一些微粒嵌在儲(chǔ)層孔隙中，堵塞氣流通道，降低儲(chǔ)層滲透率，氣井產(chǎn)能下降。得到這一結(jié)論的還有 Alramahi B.等［46］（2012），室內(nèi)模擬頁巖壓裂作業(yè)發(fā)現(xiàn)，壓裂作業(yè)初期，黏土礦物含量高是影響支撐劑嵌入的主要因素，其他影響因素包括巖石剛度、地層應(yīng)力等。同時(shí)，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明在3.45～6.89 MPa圍壓下，20～40目支撐劑嵌入頁巖柱塞降低了巖樣裂縫滲流能力，傷害氣井產(chǎn)能。

大部分文獻(xiàn)在評(píng)價(jià)黏土影響滲透率進(jìn)而影響產(chǎn)能。實(shí)際上，頁巖氣儲(chǔ)層中一些組分可能影響滲透率進(jìn)而影響產(chǎn)能，還應(yīng)有一些組分影響了解吸擴(kuò)散能力進(jìn)而影響頁巖氣產(chǎn)能。影響頁巖氣產(chǎn)能的儲(chǔ)層敏感性礦物到底有哪些？

與碎屑巖、碳酸鹽巖相比，頁巖氣儲(chǔ)層黏土含量較高，用常規(guī)油氣儲(chǔ)層傷害理論分析，應(yīng)得到的結(jié)論是，工作流體與蒙脫石、蒙脫石/綠泥石混層等黏土礦物不配伍，容易引發(fā)水化膨脹、分散、運(yùn)移，堵塞孔道，降低儲(chǔ)層滲透率，造成儲(chǔ)層傷害。但研究過程中發(fā)現(xiàn)，頁巖氣儲(chǔ)層中黏土礦物種類、產(chǎn)狀不同于常規(guī)油氣儲(chǔ)層，與工作流體接觸程度以及膨脹、運(yùn)移程度較低，這是否與頁巖氣儲(chǔ)層滲透率較低、工作流體侵入程度低有關(guān)？同時(shí)，頁巖黏土礦物表面對(duì)氣體分子具有吸附效應(yīng)，工作流體對(duì)黏土的影響會(huì)不會(huì)進(jìn)而影響?zhàn)ね恋奈揭约敖馕芰?，以及有機(jī)物是不是儲(chǔ)層“敏感性礦物”等問題，需要進(jìn)一步研究。

研究已經(jīng)初步表明，頁巖氣儲(chǔ)層“敏感性礦物”應(yīng)該是儲(chǔ)層敏感性組分，是指影響頁巖氣解吸、擴(kuò)散及滲流能力的儲(chǔ)層組分。至于頁巖氣儲(chǔ)層敏感性組分特征對(duì)頁巖氣產(chǎn)量的影響同樣需要進(jìn)一步的研究并提出相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法以及控制措施。

3 頁巖巖石表面性質(zhì)儲(chǔ)層傷害研究

與儲(chǔ)層傷害相關(guān)的巖石表面性質(zhì)，主要是巖石表面潤濕性。潤濕性常用界面張力來表征。常規(guī)油氣儲(chǔ)層傷害理論認(rèn)為，巖石表面潤濕性控制孔隙中毛細(xì)管力大小、氣相分布以及孔喉中微粒運(yùn)移，可能造成有效滲透率下降。大多數(shù)情況下，巖石潤濕性與水鎖傷害關(guān)系密切。

3.1 頁巖表面潤濕性特性研究

Holditch Stephen A.基于常規(guī)油氣藏理念，推導(dǎo)出儲(chǔ)層毛細(xì)管力與孔隙度、絕對(duì)滲透率、水飽和度、表面張力間數(shù)學(xué)模型發(fā)現(xiàn)［39］，一定含水飽和度下，毛細(xì)管力由儲(chǔ)層孔隙度、滲透率決定?？紫抖仍酱?，滲透率越高，毛細(xì)管力越小。特低滲氣藏中，儲(chǔ)層孔隙度和毛細(xì)管力決定壓裂液返排效果。毛細(xì)管力增大，返排效果降低，產(chǎn)能降低。其原因認(rèn)為是儲(chǔ)層滲透率越低，毛細(xì)管力越大，地層水鎖的可能性越大。這一結(jié)論與文獻(xiàn)［36-38］統(tǒng)計(jì)頁巖氣井現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)能與壓裂液返排量間成負(fù)相關(guān)有沖突。表明常規(guī)油氣藏傷害理論中，毛細(xì)管力增大降低液相返排效果，產(chǎn)能低，在頁巖氣儲(chǔ)層中并不一定成立。同時(shí)，Holditch Stephen A.通過計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)層滲透率下降至初始值的0.1%時(shí)，儲(chǔ)層發(fā)生水鎖傷害，產(chǎn)能降幅接近100%。推測(cè)其原因可能是黏土礦物表面親水所致。Holditch Stephen A.沒有區(qū)分頁巖氣儲(chǔ)層整體滲透率和基質(zhì)滲透率，其建立數(shù)學(xué)模型可靠性較低。同時(shí)，認(rèn)為黏土礦物表面親水與Perrodon Alain［47］提出頁巖儲(chǔ)層中有機(jī)質(zhì)孔隙表面親油，儲(chǔ)層礦物表面吸附極性分子后同樣表現(xiàn)出親油性相矛盾。所以，Holditch Stephen A.對(duì)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)結(jié)論的解釋存在不合理之處。導(dǎo)致這樣的原因不是研究者本身的原因，而是頁巖氣儲(chǔ)層表面性質(zhì)復(fù)雜所致。

一是，頁巖氣儲(chǔ)層表面性質(zhì)到底是親水還是親油？由此引發(fā)液鎖傷害的機(jī)理是怎樣的？是如常規(guī)油氣藏中僅僅降低滲透率從而降低產(chǎn)能，還是液相進(jìn)入頁巖基質(zhì)，影響氣體解吸擴(kuò)散從而降低產(chǎn)能，又或者兩種傷害模式同時(shí)存在？

二是，目前大多數(shù)頁巖氣鉆井認(rèn)為使用油基鉆井流體比較合適。使用油基鉆井流體的目的是穩(wěn)定井壁還是儲(chǔ)層保護(hù)？如果用于儲(chǔ)層保護(hù)，基質(zhì)內(nèi)部有機(jī)質(zhì)吸附鉆井液中油會(huì)不會(huì)降低儲(chǔ)層滲流能力甚至解吸能力、擴(kuò)散能力？還有原先親水礦物吸附鉆井液中表面活性劑轉(zhuǎn)化為親油會(huì)不會(huì)降低儲(chǔ)層滲流能力甚至是解吸能力和擴(kuò)散能力？以上這些疑問在常規(guī)油氣藏中存在不確定性，對(duì)于頁巖氣儲(chǔ)層更是一時(shí)難以準(zhǔn)確回答的疑問。需要進(jìn)一步深入研究巖石表面潤濕性。

三是，用油基鉆井液鉆完后，再用水基壓裂液壓裂。大量漏失進(jìn)入頁巖氣儲(chǔ)層的油基鉆井液和后續(xù)進(jìn)入的水基壓裂液之間如何相互影響？以及對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層潤濕性又會(huì)有怎樣的影響？值得深入研究。

在此之后，Mahadevan Jagannathan 等［48］（2003）用低滲油氣藏柱塞巖心氣體驅(qū)替實(shí)驗(yàn)證明，巖石潤濕性從親水轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油，有利于氣相驅(qū)替小尺寸孔隙中殘留液相，改善水鎖解除效果。同時(shí)，儲(chǔ)層表面性質(zhì)轉(zhuǎn)變可以提高鹽水汽化速率，降低儲(chǔ)層液相殘留量。以此為由，推薦通過添加表面活性劑、化學(xué)處理劑等提高工作流體與儲(chǔ)層巖石表面配伍性，改善工作流體返排效果，降低水鎖傷害。得到同樣結(jié)論的還有 Parekh Bimal等［49］（2004）。對(duì)比相同生產(chǎn)壓差、絕對(duì)滲透率下，不同巖石潤濕性對(duì)毛細(xì)管力曲線、相對(duì)滲透率曲線影響，發(fā)現(xiàn)巖石表面親油有利于減輕水鎖傷害。因此建議使用親油性壓裂液，可減少儲(chǔ)層相對(duì)滲透率下降的負(fù)面影響，利于產(chǎn)能恢復(fù)。文獻(xiàn)［26］在認(rèn)為壓裂液影響頁巖基質(zhì)表面氣體流動(dòng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究頁巖氣儲(chǔ)層裂縫基質(zhì)絕對(duì)滲透率與產(chǎn)量關(guān)系發(fā)現(xiàn)，不同于常規(guī)油氣儲(chǔ)層，近裂縫基質(zhì)絕對(duì)滲透率傷害小于90%，產(chǎn)能下降幅度較小；絕對(duì)滲透率傷害大于90%，產(chǎn)能降低明顯；絕對(duì)滲透率傷害99.9%，才會(huì)發(fā)生嚴(yán)重水鎖傷害。并推斷絕對(duì)滲透率下降的主要原因是黏土水化膨脹。這個(gè)結(jié)論和大家認(rèn)為滲透率是決定因素有些不同?；|(zhì)滲透率恢復(fù)在10%以上，產(chǎn)能下降幅度較小，表明10%的滲透率足以使氣體從孔隙裂縫中解吸、擴(kuò)散，低于這個(gè)值，就無法解吸、擴(kuò)散。因此，認(rèn)為頁巖氣儲(chǔ)層傷害應(yīng)該存在解吸臨界傷害量和擴(kuò)散臨界傷害量。其大小可用解吸臨界傷害指數(shù)和擴(kuò)散臨界傷害指數(shù)來定量表示。但具體表征方法，由于涉及理論因素和技術(shù)因素很多，深入研究后才能確定。

3.2 頁巖壓裂工程傷害潤濕性研究

目前，學(xué)者集中于壓裂作業(yè)中工作流體、施工參數(shù)傷害頁巖潤濕性研究，也取得了一定的成果。Penny G. S.等［50］（2006）分析 Barnett頁巖壓裂作業(yè)參數(shù)、產(chǎn)量、瞬間關(guān)井壓力等現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及毛細(xì)管力、氣相相對(duì)滲透率、液相飽和度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)指出，工作流體與巖石界面張力是污染帶毛細(xì)管力較高的原因之一。當(dāng)?shù)貙訅毫Σ蛔阋钥朔?xì)管力，易引發(fā)水鎖傷害。以此為依據(jù)，提出使用微乳化這類界面張力極低的壓裂液，降低工作液與巖石間界面張力，改善巖石表面潤濕性帶來的不利影響。

Mahadevan Jagannathan 等［51］（2007）建立毛細(xì)管力、氣體壓縮性、壓降、溫度以及滲透率等參數(shù)間數(shù)學(xué)模型研究飽和液相孔隙中氣體流動(dòng)提出，頁巖氣開采生產(chǎn)壓差建立后，液相在毛細(xì)管力和生產(chǎn)氣流作用下從氣體高飽和度區(qū)流向低飽和度區(qū)，最終流向井口。井口高溫環(huán)境的蒸發(fā)作用，有利于減輕水鎖。提高流體速度，有利于清除殘留工作液。文獻(xiàn)［28］通過實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)模擬壓裂過程也認(rèn)為，氣流流速下降嚴(yán)重影響儲(chǔ)層中殘留工作液清除效果。流速越高，工作液清除效果越好。

Mahadevan Jagan 等［52］（2009）利用線性流進(jìn)入裂縫的數(shù)學(xué)模型研究水鎖原因及解除對(duì)策發(fā)現(xiàn)，低孔隙度氣藏，毛細(xì)管壓力較大，氣體緩解水鎖傷害能力較差，壓裂液排出效率越低。液相侵入深度較小時(shí)，解除水鎖主要方式是毛細(xì)管力自吸；液相侵入深度較大，解除水鎖主要方式是毛細(xì)管力自吸和蒸發(fā)；侵入液黏度較大，毛細(xì)管力作用可忽略，解除水鎖主要蒸發(fā)為主。遺憾的是，Mahadevan Jagan等沒有與生產(chǎn)結(jié)合起來分析實(shí)際作業(yè)效果。研究結(jié)論和水鎖嚴(yán)重導(dǎo)致返排低一致的是文獻(xiàn)［50］，Penny G. S.等在分析頁巖氣井現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)時(shí)指出，鉆井、完井、修井和排采等作業(yè)過程中，水基工作液侵入是引發(fā)水鎖的主要原因。頁巖氣儲(chǔ)層壓裂作業(yè)時(shí)，壓裂液侵入深度越大，水鎖越嚴(yán)重，儲(chǔ)層傷害也越嚴(yán)重。這2篇文獻(xiàn)中關(guān)于水鎖嚴(yán)重導(dǎo)致返排低的研究成果乍一看，可以用文獻(xiàn)［18］指出的頁巖中有機(jī)多孔介質(zhì)表面親油致使水鎖概率較高來解釋。但Wang F. P.等在文獻(xiàn)［18］中提出，頁巖氣儲(chǔ)層對(duì)氣液混合流體具有“過濾”作用，阻礙液相進(jìn)入有機(jī)質(zhì)內(nèi)部，從而在有機(jī)質(zhì)孔隙內(nèi)部形成氣體單相流，沒有液相進(jìn)入就無法水鎖。文獻(xiàn)［18］進(jìn)一步研究指出，游離氣在有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)通道中流動(dòng)受滑脫效應(yīng)影響，不符合達(dá)西定律。但是，游離氣在裂縫中的流動(dòng)符合達(dá)西定律。這可能為建立單一流體數(shù)學(xué)模型提供了依據(jù)，又對(duì)用滲流模型的合理性提出了挑戰(zhàn)。

關(guān)于儲(chǔ)層表面潤濕性影響水鎖傷害，文獻(xiàn)［29］在研究生物被膜傷害儲(chǔ)層時(shí)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在低滲透率儲(chǔ)層中，毛細(xì)管力大，液相返排效果差，引發(fā)水鎖傷害。表面親油支撐劑清除液相效果好于親水支撐劑。進(jìn)一步印證了文獻(xiàn)［49］的結(jié)論。問題是，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐已經(jīng)表明，返排效果差，不一定產(chǎn)量低?？磥韺?shí)驗(yàn)室的研究，還沒有擺脫常規(guī)油氣藏的實(shí)驗(yàn)方法。頁巖氣儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，合理性、實(shí)用性很重要。

Guo Boyun 等［53］（2011）建立頁巖氣井生產(chǎn)效率與儲(chǔ)層整體孔隙度、整體滲透率等物性參數(shù)及壓裂液濾失系數(shù)、粘度系數(shù)等流體性能參數(shù)間數(shù)學(xué)模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)，壓裂作業(yè)中裂縫填充層滲透率傷害影響氣井生產(chǎn)效率的程度，由儲(chǔ)層整體孔隙度、整體滲透率等儲(chǔ)層物性和壓裂液濾失系數(shù)、粘度系數(shù)等工作流體性能共同決定。模擬裂縫長度609.6m（2 000 ft），寬度 30.5 m（100 ft），工作流體濾失系數(shù)（0.61～3.05）×10-3m/min0.5，初濾失系數(shù)（0.041～0.41）×10-3m，工作流體侵入深度0.518～9.650 m，且工作液侵入深度隨著濾失系數(shù)、初濾失系數(shù)增大而增大。頁巖氣儲(chǔ)層物性決定裂縫填充層傷害發(fā)生與否，壓裂液性能參數(shù)決定傷害程度。但沒有定量傷害程度與儲(chǔ)層物性、壓裂液性能之間的關(guān)系。

對(duì)于壓裂液性能影響產(chǎn)能，LeBlanc Don等［54］（2011）對(duì)比滑溜水與液態(tài)丙烷壓裂液壓裂北美Frederick Brook頁巖效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，使用液態(tài)丙烷壓裂液造縫效果優(yōu)于滑溜水，裂縫有效半徑為后者的兩倍。同時(shí)，壓裂液返排率遠(yuǎn)高于滑溜水，接近100%。氣井初始產(chǎn)量同時(shí)提高。文獻(xiàn)認(rèn)為，液態(tài)丙烷壓裂液與儲(chǔ)層巖石間界面張力低于滑溜水壓裂液，導(dǎo)致返排率較高。

Cheng Y.［55］（2012）建立頁巖氣儲(chǔ)層整體滲透率、液相相對(duì)滲透率與儲(chǔ)層溫度、壓力、孔隙度、水飽和度、裂縫長度、導(dǎo)流性以及工作流體排量、侵入深度等因素間數(shù)值模型，研究儲(chǔ)層中水相運(yùn)移、分布，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層整體滲透率、毛細(xì)管力、污染帶液相相對(duì)滲透率等因素，控制液相在地層中的流動(dòng)和分布，決定水基工作液返排效果。其中，毛細(xì)管力影響液相清除效果作用較大。正常情況下，滑溜水返排量只有注入量的10%～20%，大部分殘留在地層中，提高儲(chǔ)層中液相飽和度，降低氣體流速。Cheng Y.計(jì)算裂縫中液相流動(dòng)規(guī)律發(fā)現(xiàn)，污染區(qū)毛細(xì)管力增大導(dǎo)致相對(duì)滲透率降低，水鎖傷害發(fā)生。如果污染區(qū)外圍儲(chǔ)層毛細(xì)管力較高，將液相迅速吸入頁巖基質(zhì)，有利于降低污染區(qū)液相飽和度，提高氣井產(chǎn)能。這一結(jié)論是不是可以解釋低返排高產(chǎn)能原因？液相在基質(zhì)和裂縫中，如果被迅速吸入，則提高產(chǎn)量，同時(shí)降低液相返排量；如果不能被迅速吸收，則產(chǎn)量不高，而液相返排量較高，這取決于地層自身特性?？梢姡P(guān)于這方面的原因還需要從頁巖氣儲(chǔ)層的理化性能入手。同時(shí)，也為研究壓裂液改造儲(chǔ)層的產(chǎn)量效果，提出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。即評(píng)價(jià)工作流體是否被儲(chǔ)層基質(zhì)所吸收以及吸收程度大小。

看來，頁巖氣儲(chǔ)層巖石表面是親油的。常規(guī)油氣藏儲(chǔ)層表面潤濕性引發(fā)水鎖傷害，造成產(chǎn)能下降研究成果相對(duì)較多。部分學(xué)者將常規(guī)油氣藏研究成果運(yùn)用于頁巖表面潤濕性研究，提出改善鉆井液、壓裂液等工作流體與儲(chǔ)層配伍性等措施是降低水鎖傷害的有效手段。但頁巖氣現(xiàn)場(chǎng)壓裂作業(yè)效果表明，常規(guī)油氣藏中水鎖傷害條件、機(jī)理并不完全適用于以吸附為氣體主要存儲(chǔ)方式的親油性頁巖氣儲(chǔ)層。

頁巖內(nèi)部賦存空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有機(jī)質(zhì)和無機(jī)礦物交互分布，導(dǎo)致頁巖表面潤濕性并非單一親水或者親油，還會(huì)因?yàn)楣ぷ髁黧w不同發(fā)生變化。頁巖氣開發(fā)過程中潤濕性如何變化以及是否僅僅影響儲(chǔ)層滲透率，對(duì)氣體解吸、擴(kuò)散影響如何，均缺乏研究。但有一點(diǎn)可以肯定，工作流體殘留于頁巖中會(huì)影響產(chǎn)能，至于向提高產(chǎn)能發(fā)展還是向降低產(chǎn)能發(fā)展，需要更深一層次的研究。

4 頁巖氣藏環(huán)境儲(chǔ)層傷害研究

頁巖氣存在的儲(chǔ)層，有溫度、壓力和應(yīng)力等自然條件，稱之為頁巖氣藏環(huán)境。既是儲(chǔ)層傷害的內(nèi)因也是儲(chǔ)層保護(hù)方案的重要參數(shù)。由于溫度和壓力參數(shù)以及有機(jī)質(zhì)種類及含量影響吸附和解吸性能，吸附和解吸溫度、壓力也是頁巖氣環(huán)境的重要因素。

4.1 頁巖氣藏環(huán)境特性研究

2011年，Curtis Mark E.等在文獻(xiàn)［41］研究儲(chǔ)層礦物類型與儲(chǔ)層傷害的關(guān)系時(shí)也指出，氣藏環(huán)境主要是指儲(chǔ)層的壓力、溫度、鹽度、pH值、水飽和度等，但沒有進(jìn)一步研究它們與儲(chǔ)層傷害間的關(guān)系。文獻(xiàn)［38］利用常規(guī)油氣儲(chǔ)層傷害理論分析頁巖氣儲(chǔ)層溫度、壓力等物性參數(shù)影響水基鉆井流體性能時(shí)認(rèn)為，頁巖氣儲(chǔ)層高溫高壓環(huán)境削弱水基工作液性能，易增加儲(chǔ)層中液相殘留量，降低儲(chǔ)層絕對(duì)滲透率，造成儲(chǔ)層傷害。低滲氣藏中，地層壓力是污染帶工作流體返排效果的決定因素之一。

與此有異曲同工的是，文獻(xiàn)［22］評(píng)價(jià)影響壓裂效果相關(guān)因素時(shí)指出，低滲非常規(guī)氣藏中，生產(chǎn)壓差是決定污染區(qū)液相清除效果的主要因素之一。如果儲(chǔ)層壓力太低，生產(chǎn)壓差可能無法解除液相侵入傷害儲(chǔ)層。文獻(xiàn)［50］通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究巖樣柱塞液相返排體積與氣體流速間關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證文獻(xiàn)［22］的結(jié)論，指出低滲氣藏開發(fā)中，生產(chǎn)壓差越大，水鎖清除效果越好。文獻(xiàn)［29］研究生物被膜對(duì)氣體流動(dòng)影響后認(rèn)為，如果生產(chǎn)壓力小于或較為接近毛細(xì)管力，毛細(xì)管效應(yīng)造成水鎖傷害更為嚴(yán)重。文獻(xiàn)［49］利用Texas大學(xué)化學(xué)驅(qū)計(jì)算機(jī)模擬程序，推導(dǎo)出生產(chǎn)壓差與毛細(xì)管力比值和儲(chǔ)層水飽和度、氣井液相返排周期間數(shù)學(xué)關(guān)系時(shí)同樣發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)壓差與毛細(xì)管力比值越大，氣流速率越高，井眼附近液相蒸發(fā)速率越高，抑制水鎖傷害效果越好。對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)的研究成果不難發(fā)現(xiàn)，這些室內(nèi)研究成果基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)或者數(shù)學(xué)模型。與實(shí)際情況不同的是，室內(nèi)可以加大驅(qū)壓，而生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)地層壓力是一定的，且頁巖氣井氣帶水生產(chǎn)，大幅度降低壓差比較困難。根據(jù)頁巖氣儲(chǔ)層特點(diǎn)，深化細(xì)化室內(nèi)研究工作，也是頁巖氣儲(chǔ)層傷害的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

劉洪林等［56］（2009）預(yù)測(cè)四川盆地頁巖氣較有利地層是下志留統(tǒng)龍馬溪組和下寒武統(tǒng)九老洞組，地層深度分別在2 188～4 131 m和1 948～4 618 m，屬于海相沉積。聶海寬等［57］（2009）指出，中國南方地區(qū)頁巖有利區(qū)預(yù)測(cè)深度為3 800 m。目前缺乏文獻(xiàn)研究我國頁巖氣儲(chǔ)層溫度，大部分研究人員仍然利用地層溫度梯度確定室內(nèi)實(shí)驗(yàn)溫度參數(shù)，這降低了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的精確性和可靠性。與文獻(xiàn)［43］統(tǒng)計(jì)北美三大頁巖產(chǎn)區(qū)井深1 219～4 267 m和井底溫度49～193 ℃，比較相近。但我國略深。Volk L. J.在文獻(xiàn)［23］對(duì)比22 ℃和70 ℃下，以氮?dú)鉃榻橘|(zhì)，在6.9 MPa圍壓下，測(cè)量低滲透率儲(chǔ)層柱塞浸泡壓裂液前后整體滲透率降低程度，研究壓裂液侵入頁巖氣儲(chǔ)層的傷害程度，發(fā)現(xiàn)溫度越高，傷害程度越大。認(rèn)為不同溫度下，壓裂液粘度不同導(dǎo)致侵入低滲透率儲(chǔ)層柱塞程度不同，傷害儲(chǔ)層程度不同。Deville Jay P在文獻(xiàn)［42］中分析水基工作液在北美Haynesville、Fayetteville、Barnett頁巖氣產(chǎn)區(qū)應(yīng)用情況也指出，普通水基工作液在各種地層鉆孔時(shí)受地層壓力和溫度等環(huán)境影響較大，頁巖氣儲(chǔ)層也不例外。頁巖氣儲(chǔ)層高溫高壓環(huán)境對(duì)水基工作流體密度、濾失性控制提出了更高的要求。

Freeman C. M.等［58］（2010）整理北美主要頁巖氣產(chǎn)區(qū)氣井儲(chǔ)層水飽和度數(shù)據(jù)指出，New Albany頁巖氣儲(chǔ)層水飽和度為80%，Lewis頁巖氣儲(chǔ)層為20%，總體平均值為50%。不同頁巖氣儲(chǔ)層，含水飽和度不同。建立氣井產(chǎn)能與含水飽和度、氣體解吸量、熱效應(yīng)以及非達(dá)西流之間輔助函數(shù)，分析函數(shù)認(rèn)為高含水飽和度對(duì)頁巖氣產(chǎn)能影響較小，但會(huì)大幅度增加氣井出水量。這為理想頁巖氣井高產(chǎn)量低返排量的解釋提供了研究方向。

4.2 頁巖氣藏環(huán)境傷害研究

目前對(duì)頁巖氣藏環(huán)境傷害的研究仍然處于起步階段。King George E.［59］（2010）研究北美頁巖氣產(chǎn)區(qū)氣井產(chǎn)量與井深關(guān)系，推測(cè)儲(chǔ)層壓力在成藏過程中起重要作用。多數(shù)情況下，地層壓力越大，孔隙和天然裂縫中氣體儲(chǔ)集量越高，有機(jī)質(zhì)吸附氣含量也越高，潛在產(chǎn)能越大。遺憾的是，King George E.沒有進(jìn)一步深入研究地層壓力對(duì)頁巖氣吸附解吸以及擴(kuò)散的影響，缺乏具體實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

文獻(xiàn)［11］建立頁巖氣井產(chǎn)量與儲(chǔ)層整體滲透率、溫度、壓力等儲(chǔ)層物性間數(shù)學(xué)模型，研究不同深度頁巖氣儲(chǔ)層，氣體滑脫效應(yīng)對(duì)產(chǎn)能影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，500 m以上淺地層氣體滑脫效應(yīng)對(duì)產(chǎn)能影響較大，500～1 000 m存在一定影響，1 000 m以下深地層影響幾乎為零?？梢钥闯?，不同深度儲(chǔ)層地層壓力不同，影響氣體滲流不同，但是否影響氣體解吸、擴(kuò)散仍需研究。

段永剛等［60］利用Langmuir等溫吸附方程描述頁巖氣吸附解吸現(xiàn)象，結(jié)合頁巖氣滲流特征建立頁巖氣儲(chǔ)層基質(zhì)、裂縫雙重介質(zhì)壓裂井滲流模型，反演頁巖氣井產(chǎn)能遞減曲線。發(fā)現(xiàn)相對(duì)于常規(guī)油氣藏，頁巖氣解吸特性促使產(chǎn)能遞減較慢且生產(chǎn)周期較長。Langmuir體積越大，壓力傳播越慢，壓力遞減越慢。增加人工裂縫長度只能短期提高產(chǎn)能，長期效果一般。段永剛等的言外之意是，儲(chǔ)層加大壓裂規(guī)模只是增加初期單井日產(chǎn)量，對(duì)提高頁巖氣井穩(wěn)產(chǎn)意義不大。這與文獻(xiàn)［9］和［3］發(fā)現(xiàn)頁巖氣儲(chǔ)層孔隙相互連通，無需壓裂作業(yè)同樣產(chǎn)量理想相對(duì)應(yīng)。

Wade Adam 等［61］（2012）運(yùn)用商業(yè)化地質(zhì)和油藏模擬軟件結(jié)合北美Marcellus頁巖氣儲(chǔ)層參數(shù)，研究壓裂作業(yè)前后儲(chǔ)層中應(yīng)力場(chǎng)變化，發(fā)現(xiàn)壓裂作業(yè)后井眼附近儲(chǔ)層應(yīng)力集中較高，隨開采時(shí)間增加不斷上升。裂縫越短，應(yīng)力峰值越高。過高的應(yīng)力易破壞井眼規(guī)則性及管柱完整性，降低氣井壽命。這可能是對(duì)壓裂造成儲(chǔ)層傷害的又一新的研究方向。至于應(yīng)力與儲(chǔ)層產(chǎn)能的關(guān)系有待于進(jìn)一步研究。

張志英等［62］（2012）利用壓力 0.1～20 MPa、溫度最高達(dá)200 ℃實(shí)驗(yàn)設(shè)備，研究鄂爾多斯盆地頁巖巖樣吸附、解吸規(guī)律發(fā)現(xiàn)，頁巖吸附量隨著壓力增大而增大，隨著溫度升高而降低。提出頁巖黏土含量較高，使用Langmuir模型模擬效果較差，使用修正后雙Langmuir模型擬合效果較好。與其有相似結(jié)論的是，李武廣等［63］（2012）通過對(duì)四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組巖樣吸附、解吸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫度越高，頁巖吸附能力越低。隨著溫度升高，頁巖解吸量增大，升溫可以提高頁巖解吸時(shí)間和解吸速率。認(rèn)為頁巖氣吸附、解吸作為瞬間變化過程，需要更加精密的研究手段和設(shè)備做進(jìn)一步研究。LihuiLab在完成頁巖吸附解吸室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了一些特殊現(xiàn)象。分析數(shù)據(jù)時(shí)，懷疑目前的氣體吸附解吸理論對(duì)頁巖氣吸附解吸的適用性。

Magara K.［64］提出，頁巖中驅(qū)動(dòng)水的鹽度只有頁巖束縛水濃度的1/3，活度低，黏土吸收驅(qū)動(dòng)水能力強(qiáng)。文獻(xiàn)［9］粉碎50份Appalachian盆地泥盆系頁巖樣品，利用Dean-Steak抽提器測(cè)得鹽度（4.9～19.2）×104mg/L，頁巖氣儲(chǔ)層垂直方向上鹽度變化較大。提出鹽度分布與干酪根含量有關(guān)。但沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，缺乏具體數(shù)據(jù)支持。文獻(xiàn)［10］實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，頁巖巖樣干燥后殘留鹽分充填孔隙，導(dǎo)致室內(nèi)孔隙度測(cè)量誤差，誤差最高達(dá)0.5%。Orangi A.等［65］實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)頁巖氣儲(chǔ)層中鹽度分布不均勻。文獻(xiàn)［4］提出，工作流體鹽度過高，導(dǎo)致儲(chǔ)層黏土礦物分散、運(yùn)移，堵塞孔隙，引發(fā)儲(chǔ)層傷害。目前就收集到的文獻(xiàn)來看，缺乏系統(tǒng)研究頁巖氣儲(chǔ)層中鹽度分布、大小變化范圍，更沒有形成鹽度傷害儲(chǔ)層機(jī)理及程度的成熟理論。文獻(xiàn)［4］利用毛管吸入時(shí)間測(cè)試不同頁巖對(duì)工作流體鹽度敏感性發(fā)現(xiàn)，不同頁巖氣儲(chǔ)層礦物組分、含量以及井底溫度不同，敏感程度不同。這些研究成果為淡水工作液造成黏土水化膨脹、堵塞孔道提供了一定的證據(jù)。因此，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為選擇油基工作流體。但是，沒有有效的證據(jù)證實(shí)油基能夠保護(hù)儲(chǔ)層。因此，需根據(jù)不同頁巖氣儲(chǔ)層礦物種類、含量及溫度、鹽度等物性，選擇合適的工作流體及施工工藝，降低儲(chǔ)層傷害。

頁巖氣藏環(huán)境與常規(guī)油氣藏環(huán)境相比，涉及因素更多，影響儲(chǔ)層產(chǎn)能機(jī)理更復(fù)雜，目前研究還很不系統(tǒng)。頁巖氣藏不同于常規(guī)油氣藏，儲(chǔ)層中氣體分子吸附、解吸過程受溫度、壓力影響較大。同時(shí)，目前大規(guī)模水力壓裂返排量較低，導(dǎo)致頁巖氣儲(chǔ)層氣體流動(dòng)環(huán)境以氣液混合相為主。較高的液相飽和度對(duì)頁巖氣解吸、擴(kuò)散影響缺乏研究。但可喜的是，一些學(xué)者已經(jīng)開始研究頁巖氣儲(chǔ)層溫度、壓力等環(huán)境參數(shù)變化對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)能影響。下一步應(yīng)結(jié)合頁巖氣儲(chǔ)層特性研究，弄清楚頁巖氣鉆完井、壓裂、排采作業(yè)過程中儲(chǔ)層環(huán)境參數(shù)變化規(guī)律，為研究環(huán)境與產(chǎn)能間的關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

5 頁巖氣流體性質(zhì)儲(chǔ)層傷害研究

頁巖氣流體性質(zhì)，是指頁巖氣中甲烷、二氧化碳、水相等不同組分以及頁巖氣自身物理化學(xué)特性。外因作用下，頁巖氣組分含量、物理化學(xué)性質(zhì)變化可能成為儲(chǔ)層傷害潛在因素，引發(fā)產(chǎn)能變化。

文獻(xiàn)［47］在研究北美North Dakota州Bakken頁巖氣儲(chǔ)層表面性質(zhì)時(shí)也研究儲(chǔ)層礦物組分對(duì)氣體分子吸附脫附效應(yīng)指出，頁巖氣是富含有機(jī)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層中形成的單相連續(xù)流，液相含量增高，毛細(xì)管力作用下堵塞氣流通道，降低氣相滲透率。文獻(xiàn)［18］對(duì)比北美 Haynesville、Barnett、Marcellus產(chǎn)區(qū)頁巖孔隙度分布提出，頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙和無機(jī)礦物孔隙表面潤濕性、孔隙尺寸及微觀結(jié)構(gòu)不同，對(duì)氣流流動(dòng)影響程度不同。有機(jī)質(zhì)孔隙過濾氣流中液相，形成氣相單相流。無機(jī)礦物中氣體流動(dòng)在液相與儲(chǔ)層巖石間毛細(xì)管力作用下，形成氣液混合流。但沒有進(jìn)一步研究，頁巖氣在開采過程中，流體的組分或含量會(huì)發(fā)生變化，造成變化的影響因素，以及組分變化所帶來的儲(chǔ)層傷害。文獻(xiàn)［24］研究泥盆紀(jì)頁巖氣開采過程中氣體成分變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，頁巖氣主要成分隨生產(chǎn)時(shí)間不斷變化，其中甲烷、乙烷組分比例隨時(shí)間增長而下降。Schettler Jr P. D.等由此推測(cè)，頁巖氣是不同裂縫流出不同氣體，然后匯聚的混合氣。不同氣體在儲(chǔ)層中吸附解吸特性不同，乙烷吸附能力大于甲烷，導(dǎo)致氣流中乙烷相對(duì)甲烷比例不斷增加。但沒研究組分或含量變化對(duì)產(chǎn)能帶來的影響和對(duì)策。

Ambrose Ray J.等［66］（2011）測(cè)定 Barnett、Eagle Ford、Marcellus頁巖氣儲(chǔ)層流體主要由甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和二氧化碳組成。文獻(xiàn)［65］在研究頁巖氣儲(chǔ)層物性對(duì)水平井壓裂技術(shù)產(chǎn)能的影響時(shí)，也指出Eagle Ford有些頁巖氣井生產(chǎn)的頁巖氣含有少量凝析油、易揮發(fā)油等，但沒有研究不同組分具體含量。氣體中存在二氧化碳這個(gè)問題，文獻(xiàn)［42］研究頁巖氣井氣流對(duì)水基鉆井流體性能影響時(shí)指出，頁巖氣儲(chǔ)層中含有二氧化碳?xì)怏w，在流向地面過程中，削弱工作流體性能，增加儲(chǔ)層液相殘留量，造成儲(chǔ)層傷害。利用這些研究結(jié)論可以推測(cè)，生產(chǎn)過程中頁巖氣儲(chǔ)層溫度、壓力等環(huán)境因素變化，可能引發(fā)頁巖氣相態(tài)、種類等變化，導(dǎo)致液鎖、積液等，傷害儲(chǔ)層，進(jìn)而影響儲(chǔ)層產(chǎn)能。

頁巖氣儲(chǔ)層流體性質(zhì)對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害，只是運(yùn)用常規(guī)油氣藏評(píng)價(jià)思路和評(píng)價(jià)方法，處于發(fā)現(xiàn)問題階段。尚未發(fā)現(xiàn)結(jié)合頁巖氣組分和含量以及變化的文獻(xiàn)，研究頁巖氣鉆完井、增產(chǎn)改造、排采和提高產(chǎn)收率作業(yè)中儲(chǔ)層流體可能引發(fā)的儲(chǔ)層傷害程度及傷害機(jī)理。常規(guī)氣井自身流體造成的產(chǎn)能下降，已在產(chǎn)氣過程中成為十分重要的考慮因素和亟需解決的問題。而頁巖氣因?yàn)樯婕皻怏w的解吸、擴(kuò)散，情況更加復(fù)雜。應(yīng)該說，研究頁巖氣排采過程中流體的變化對(duì)產(chǎn)能的影響，關(guān)系頁巖氣井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對(duì)策和措施，意義重大。

6 結(jié)論

目前，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為鉆井和壓裂是頁巖氣開發(fā)兩大關(guān)鍵工程，有少數(shù)學(xué)者已提出質(zhì)疑。盡管三十多年來，集中于鉆井和壓裂儲(chǔ)層傷害的文獻(xiàn)較多，壓裂更集中。這可能是認(rèn)為壓裂可以提高頁巖氣產(chǎn)能并克服壓裂前的所有的儲(chǔ)層傷害所致。這種以常規(guī)油氣藏評(píng)價(jià)方法為出發(fā)點(diǎn)的研究成果是，以孔隙度和滲透率宏觀特性為基礎(chǔ)，評(píng)價(jià)鉆井、壓裂過程中，特別是壓裂過程中聚合物、支撐劑對(duì)儲(chǔ)層的傷害，取得進(jìn)展。至于細(xì)菌、黏土、儲(chǔ)層環(huán)境和流體特性等對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)能的影響剛剛起步。遺憾的是，儲(chǔ)層傷害的機(jī)理研究大多停留在用物理模型建立的數(shù)學(xué)模擬上，微觀證據(jù)不多，有些研究成果還存在差異甚至矛盾，有些可以相互解釋但缺乏系統(tǒng)歸納。所有這些問題，不能完全歸結(jié)于研究者的實(shí)驗(yàn)手段或研究方法，還有部分原因是頁巖氣作為一種新的能源，產(chǎn)能影響因素的復(fù)雜性和多樣性，也是重要的原因。

不管怎樣，相信伴隨著頁巖氣投入加大，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)是回報(bào)的標(biāo)志。頁巖氣儲(chǔ)層傷害問題，逐漸會(huì)為從事頁巖氣勘探開發(fā)工作的人們所重視，在未來的幾年里，應(yīng)重點(diǎn)做好兩方面工作。

一是，全面展開頁巖氣儲(chǔ)層傷害基礎(chǔ)理論研究。針對(duì)頁巖氣解吸、擴(kuò)散和滲流特點(diǎn)，全面開展頁巖賦存空間、敏感性組分、儲(chǔ)層表面性質(zhì)和氣藏環(huán)境、流體性質(zhì)等潛在的儲(chǔ)層傷害因素，為頁巖氣開發(fā)前儲(chǔ)層傷害控制和開發(fā)后儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

二是，重點(diǎn)研究頁巖氣儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)方法。在基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘探開發(fā)過程，配套從室內(nèi)到現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法。先室內(nèi)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層優(yōu)劣以及開發(fā)技術(shù)適用性，然后發(fā)展數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)結(jié)合的礦場(chǎng)評(píng)價(jià)方法。

總之，頁巖氣開發(fā)剛起步，頁巖氣儲(chǔ)層傷害研究需做大量的、有效的實(shí)驗(yàn)工作和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析。

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（修改稿收到日期 2013-07-02）

Review to shale gas formation damage for 30 years

ZHENG Lihui1,2, WEI Panfeng1

（1. College of Petroleum engineering,China University of Petroleum,Beijing102249,China;2. CNPC Key Laboratory for Petroleum Drilling Engineering Lost Circulation Control Division,Wuhan430100,China）

The current researches on shale gas formation damage derive from the conventional theory of sandstone reservoir and carbonate rock reservoir. To review the researches of shale gas formation damage, factors affecting penetration ability were focused on.It was thought that the internal factors have mainly been recognized as listed below: the low-permeability leads to water block; the high content of clay tends to swell and block channels; shale surface capillary force increases resistance to gas fl ow; the conditions of high temperature and high pressure do harm to the performance of working fl uids and easy to increase the reservoir fl uids residual; the CO2fl ow contaminates the working fl uids and increases the residual. While the external factors of formation damage include the following items: the swell of clays caused by the insuff i cient inhibition ability of working fl uids; the invasion and residual of working fl uids as well as the additives; the biof i lms generated by working fl uids obstruct gas fl ow in reservoir; and the liquid volatilization speed around the borehole is too low to prevent water blocking and causes channel blocking, which results from low production pressure. The mechanisms of the formation damage during desorption and diffusion process in shale gas has not been systematically researched as well as the effects of different processes such as drilling and completing, reservoir stimulation and drainage on desorption and diffusion capacity. The basic theory on the formation damage of the shale gas has not been established. Moreover, there is no agreed evaluation criterion on shale gas formation damage indoor and in the fi eld on shale gas.

shale gas; formation damage; permeability; working fl uids; desorption; diffusion

鄭力會(huì)，魏攀峰. 頁巖氣儲(chǔ)層傷害30年研究成果回顧［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（4）：1-16.

TE258

A

1000 – 7393（ 2013 ） 04 – 0001 – 16

中國石油科技創(chuàng)新基金“頁巖氣儲(chǔ)層傷害機(jī)理研究”（編號(hào)：2011D-5006-0207）資助。

鄭力會(huì)，1968年生。2005年獲中國石油大學(xué)（北京）油氣井工程博士學(xué)位，主要從事儲(chǔ)層傷害基礎(chǔ)理論與控制技術(shù)研究，研究員，博導(dǎo)，楚天學(xué)者特聘教授。電話：010-89733378。E-mail：zhenglihui@cup.edu.cn。

〔編輯

付麗霞〕