頁巖氣鉆井儲層潛在損害分析和保護(hù)技術(shù)探討

童慶恒，張潔，南小寧，趙澤，王雙威，趙志良

（1.中國石油鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，北京102249；3.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗室，北京102249）

專論與綜述

頁巖氣鉆井儲層潛在損害分析和保護(hù)技術(shù)探討

童慶恒1，2，3，張潔1，南小寧1，2，3，趙澤1，2，3，王雙威1，趙志良1

（1.中國石油鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，北京102249；3.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗室，北京102249）

隨著我國傳統(tǒng)油氣資源的日趨緊缺，頁巖氣成為近十年來我國最具有吸引力的新興能源之一。目前，我國頁巖氣研究起步較晚，開發(fā)技術(shù)相對落后，在鉆井的過程中不適當(dāng)?shù)牟僮骷疤幚?，頁巖氣儲層極易受到不可逆的傷害，此時，儲層潛在損害因素分析和保護(hù)技術(shù)討論顯得尤為重要。文章以頁巖氣儲層為例，在系統(tǒng)調(diào)研了國內(nèi)外鉆井過程中頁巖氣儲層相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合我國頁巖氣儲層的地質(zhì)特征，總結(jié)歸納了頁巖氣儲層潛在損害因素與保護(hù)技術(shù)，并提出應(yīng)立即全面開展頁巖氣儲層傷害機(jī)理、評價標(biāo)準(zhǔn)和保護(hù)技術(shù)研究的建議。

頁巖氣；儲層地質(zhì)特征；儲層傷害；儲層保護(hù)

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國對能源消費(fèi)需求不斷攀升，常規(guī)油氣資源產(chǎn)量日益下降，能源供應(yīng)形勢嚴(yán)峻，油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域從常規(guī)油氣資源不可避免向非常規(guī)油氣資源跨越。非常規(guī)油氣資源已越來越受到世界各國的關(guān)注，并展現(xiàn)出巨大的潛力。非常規(guī)油氣資源主要有煤層氣、致密氣、致密油、頁巖氣、頁巖油、油頁巖、油砂、天然瀝青、天然氣水合物等，它們在自然界蘊(yùn)藏豐富，具有良好的開發(fā)利用前景。根據(jù)可采資源量和開采潛力，中國頁巖氣資源潛力約30×1012m3～166×1012m3，可采資源量約為7×1012m3～45×1012m3［1］，與美國相近。開發(fā)和保護(hù)好這些非常規(guī)油氣資源是我國能源行業(yè)面臨的一項重要任務(wù)，也是未來世界能源發(fā)展的趨勢。

頁巖氣（shale gas）是指主體上以吸附和游離狀態(tài)存在于微納米級孔隙度、特低滲透率和富含有機(jī)質(zhì)的暗色泥頁巖或高碳泥頁巖層系中連續(xù)聚集的以甲烷為主的天然氣。在頁巖氣藏中，頁巖氣亦可存在于該層系中的粉、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖或砂巖夾層中［2］。頁巖氣的賦存形式具有多樣性，既可以在天然裂縫和孔隙中以游離方式存在，也可以吸附在干酪根和粘土顆粒表面，甚至還可以在干酪根和瀝青質(zhì)中以溶解狀態(tài)存在。但其主要存在方式為吸附或游離，且吸附和游離氣體含量與巖石結(jié)構(gòu)、礦物組成、孔隙分布、表面有機(jī)成分、黏土含量以及儲藏壓力和溫度等因素有關(guān)。

1　儲層地質(zhì)特征

在頁巖氣成藏形成過程中，會產(chǎn)生許多微裂縫和孔隙，這些微裂縫和孔隙對頁巖氣的儲存具有重要意義，同時也是頁巖氣儲層傷害機(jī)理研究的主要對象。頁巖氣儲層的空氣滲透率一般小于1×10-3μm2，孔隙范圍為5 nm～200 nm，一般為微裂縫-孔隙結(jié)構(gòu)，裂縫較不發(fā)育，因此具有低孔、特低滲致密的物性特征，例如我國川南龍馬溪組頁巖氣儲層和美國barnett頁巖儲層［3］。此外，頁巖氣儲層還含有比較復(fù)雜的礦物組成，除常見的黏土礦物（高嶺石、蒙脫石、伊利石、綠泥石、海綠石）外，還混有石英、長石、方解石等碎屑礦物以及碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽等自生礦物。以四川盆地及周緣下古生界頁巖為例，經(jīng)統(tǒng)計得其礦物組成平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍［4］（見表1）。其中部分粘土礦物會遇水發(fā)生水化膨脹，容易造成頁巖氣儲層損害。

表1　四川下古生界黑色頁巖儲層X衍射分析數(shù)據(jù)

2　儲層潛在損害因素分析

我國對頁巖氣的勘探開發(fā)起步較晚，目前頁巖氣鉆井主要考慮頁巖氣儲層段井壁穩(wěn)定問題，人們對頁巖氣鉆井過程中可能存在的儲層傷害問題研究較少，并且評價頁巖氣鉆井過程中儲層傷害機(jī)理的研究方法以常規(guī)儲層保護(hù)實(shí)驗技術(shù)為主，而常規(guī)儲層保護(hù)實(shí)驗技術(shù)僅適用于空氣滲透率大于1×10-3μm2的碎屑巖巖樣，并不符合低滲的頁巖氣儲層的實(shí)際情況。盡管郭為、Bustin Amanda、M.Howard James J、Luffel D.L.、Karastathis Argyrios等國內(nèi)外諸多學(xué)者采用各種手段測定頁巖氣儲層滲透率、孔隙度，但準(zhǔn)確測定這些表征儲層損害的參數(shù)仍然存在困難，且國內(nèi)外并沒有形成統(tǒng)一的、權(quán)威的測定標(biāo)準(zhǔn)［5］。因此，對于頁巖氣儲層傷害方面，國內(nèi)外并沒有足夠的研究成果證明，造成頁巖氣儲層傷害的明確因素有哪些。本文綜合考慮國內(nèi)外氣井，特別是致密氣井鉆井過程中遇到的問題，結(jié)合頁巖氣井所用鉆井液現(xiàn)狀，分別從頁巖氣儲層與鉆井流體相互作用的角度和鉆井施工過程角度，分析頁巖氣鉆井過程中潛在的儲層損害因素。

2.1儲層與鉆井流體作用導(dǎo)致儲層傷害

頁巖氣鉆井過程中，鉆井液、完井液等鉆井工作流體與頁巖氣儲層巖石、儲層流體直接接觸和作用，可能導(dǎo)致儲層滲透率和孔隙度下降。從頁巖氣儲層和鉆井流體作用角度上看，主要有2個大的方面6個小的方面潛在儲層損害因素：

2.1.1物理損害

2.1.1.1應(yīng)力敏感損害應(yīng)力敏感性是指隨有效應(yīng)力增加，多孔介質(zhì)孔隙度、滲透率急劇降低（一般要降低1/10～1/2）的性質(zhì)。國外早在1979年認(rèn)識到頁巖氣儲層存在的應(yīng)力敏感問題，Stephen A.Holditch等［6］將頁巖中粘土礦物水化膨脹作為頁巖氣儲層應(yīng)力敏感的“罪魁禍?zhǔn)住?。梅青等?］（2010）則認(rèn)為隨有效壓力增加，致密儲層（如頁巖氣儲層）中發(fā)育的裂縫、大量扁平或片狀的喉道及毛細(xì)管閉合，從而造成滲透率大幅度降低。頁巖氣儲層作為一種特殊的致密儲層，上述兩種因素造成的應(yīng)力敏感傷害可能都存在。

2.1.1.2相圈閉損害相圈閉分為油相圈閉和水相圈閉，其中以水相圈閉較為常見。Mitchel Tsar等［8］（2012）認(rèn)為致密氣藏由于儲層喉道細(xì)微、孔隙度狹小，具有很強(qiáng)毛管力。在毛管力作用下液體會自動被吸入巖石中，導(dǎo)致水相飽和度增加，氣相滲透率降低，儲層水相圈閉損害嚴(yán)重。Lijun You，Yili Kang［9］（2009）通過實(shí)驗驗證了鉆井液濾液侵入并滯留在致密地層后，由此引發(fā)了嚴(yán)重的水鎖效應(yīng)。因此相圈閉損害也可能是頁巖氣儲層的一種重要的潛在損害形式。

2.1.1.3微粒運(yùn)移與固相侵入損害鉆井液中各類固相顆粒侵入頁巖氣儲層后和頁巖氣藏孔隙中礦物顆粒的分散運(yùn)移，會導(dǎo)致頁巖氣儲層有效滲透率下降而損害頁巖氣儲層。作為公認(rèn)的可能儲層損害形式，在此僅作簡單論述。

2.1.2化學(xué)損害

2.1.2.1化學(xué)結(jié)垢與處理劑吸附損害鉆井液中處理劑與儲層巖石和流體作用產(chǎn)生化學(xué)沉淀以及處理劑本身的物理吸附，也可能對頁巖氣儲層造成傷害。如鉆井液中堿類物質(zhì)與Ca2+、Mg2+等作用產(chǎn)生的化學(xué)沉淀；高分子處理劑在頁巖氣儲層孔喉上吸附，縮小孔喉直徑。以硅酸鹽鉆井液為例，硅酸鹽鉆井液作為一種有效的油基鉆井液替代品，具有高堿性、強(qiáng)封堵性，在國外先后應(yīng)用于Fayetteville和Barnett頁巖。當(dāng)硅酸鹽鉆井液與地層流體相接觸時，pH值下降，硅酸鹽形成凝膠，硅酸鹽鉆井液還可與儲層中Ca2+、Mg2+反應(yīng)生成沉淀，這兩種作用都會導(dǎo)致儲層孔滲通道堵塞。Ward，I.等［10］（1997）通過實(shí)驗測定巖樣被加入一定量的硅酸鹽鉆井液污染后的滲透率恢復(fù)值，發(fā)現(xiàn)滲透率恢復(fù)程度甚至不足40%?？梢?，硅酸鹽鉆井液確實(shí)會大幅降低儲層滲透率。

2.1.2.2乳液堵塞目前，在水基鉆井液、油基鉆井液和合成基鉆井液這三大類鉆井液中，油基鉆井液在國內(nèi)外頁巖氣井的使用最廣泛。截至到2012年，國外油基鉆井液的應(yīng)用約占50%，其中非常規(guī)油氣藏鉆井60%以上采用油基鉆井液。在加拿大HornRiver盆地和美國Marcellus幾乎全部使用油基鉆井液。國內(nèi)的沁頁HF-1井、渤頁HF-1井、建頁HF-1井、建頁HF-2井、新頁HF-2井、涪頁HF-1井、威201-H3井均采用油基鉆井液體系。盡管沒有確切的研究證明油包水鉆井液濾液進(jìn)入頁巖氣儲層后，由于乳化劑作用，會形成乳液造成頁巖氣儲層損害。但國外墨西哥灣氣田使用油包水鉆井液過程中，地層濾液進(jìn)入儲層產(chǎn)生乳液，導(dǎo)致完井后試氣試采產(chǎn)量低，部分井幾乎沒有產(chǎn)量，而在采用補(bǔ)注處理液消除乳液后，產(chǎn)量明顯上升［11］?？梢?，鉆井過程中，油包水鉆井液濾液進(jìn)入頁巖氣儲層，也可能對頁巖氣儲層造成嚴(yán)重傷害。

2.1.2.3潤濕反轉(zhuǎn)與生物損害鉆井液中部分表面活性劑侵入頁巖氣儲層后，可能改變頁巖氣儲層孔道的潤濕性，從而使頁巖氣儲層的氣相有效滲透率降低。此外，鉆井液中如果存在細(xì)菌，這些細(xì)菌可能會在地層孔隙中進(jìn)行繁殖、衰亡，細(xì)菌的代謝產(chǎn)物和細(xì)菌的消亡產(chǎn)物將會堵塞頁巖氣儲層滲流通道，從而使頁巖氣層儲層有效滲透率降低［12］。

2.2施工過程導(dǎo)致的儲層傷害

從鉆井工程作業(yè)角度看，頁巖氣鉆井過程中，主要有3個小方面的儲層潛在損害因素：

2.2.1壓差損害為了確保鉆井安全，在鉆井施工中通常使鉆井液柱壓力大于地層壓力1.0 MPa～2.0 MPa［13］。過平衡鉆井雖然有利于安全鉆進(jìn)，但鉆井液極易侵入頁巖氣儲層。在形成泥餅前，在壓差作用下侵入頁巖儲層的固體顆粒可能堵塞頁巖氣儲滲通道；侵入頁巖儲層的水相可能引起粘土水化分散、微粒運(yùn)移而堵塞頁巖氣儲層滲流通道。此外，隨著施工作業(yè)時間的延長，頁巖氣儲層壓差損害程度也會加劇。

2.2.2鉆井液返速和鉆具摩擦擠入損害當(dāng)鉆井液環(huán)空返速過大時，鉆井液循環(huán)對井壁的沖蝕和切削作用，以及井眼不規(guī)則或鉆具彎曲形成鉆具與井壁的摩擦均會導(dǎo)致井壁濾餅變薄，甚至井壁部分裸露。當(dāng)井壁泥餅遭到破壞后，鉆井液固相微粒和水相侵入頁巖氣儲層，同樣可能導(dǎo)致固體顆粒堵塞、粘土水化分散和膨脹等形式的儲層傷害。同時，鉆具在井眼中偏心轉(zhuǎn)動、滑動還會使一些微粒和鉆屑被擠入地層，造成儲層傷害。通過井壁取心和全尺寸巖心分析可以說明此現(xiàn)象的存在［14］。

2.2.3起下鉆損害起下鉆時引起的鉆井液壓力波動變化也會損害頁巖氣儲層。快速起鉆時會降低鉆井液壓力從而可能造成泥餅脫落，在起鉆結(jié)束后，需要重新形成一定泥餅；而下鉆過快則會增大鉆井液對井底的激動壓力，加速鉆井液固相顆粒和濾液侵入地層，增加鉆井液濾液和固相顆粒侵入頁巖氣儲層深度。

3　儲層保護(hù)技術(shù)措施

正如貝克休斯的Lucas G.M.S等［15］（2011）強(qiáng)調(diào)的，儲層保護(hù)不應(yīng)該以治理為主，而應(yīng)該以預(yù)防為主。因此，針對上述總計9個小的方面儲層潛在損害因素，并結(jié)合頁巖氣儲層其自身特殊性，提出以下相應(yīng)的儲層保護(hù)技術(shù)措施：

（1）優(yōu)質(zhì)的鉆井液體系：鉆井液作為鉆井的血液，除了人們所熟知的7大功用外，一種優(yōu)質(zhì)的鉆井液體系在鉆頁巖儲層時可以大大降低甚至消除頁巖氣儲層潛在物理和化學(xué)損害因素，如為了能夠大幅度減小鉆井過程中產(chǎn)生的水鎖損害和生物損害，可以在鉆井工作液中添加適用于低滲透儲層的防水鎖劑、氧化劑和各種殺菌劑等；為了減輕微粒運(yùn)移與固相侵入損害，可以在鉆井液體系中添加粘土微粒防運(yùn)移劑和屏蔽暫堵劑，所以優(yōu)質(zhì)的鉆井液體系是頁巖氣儲層保護(hù)的關(guān)鍵。目前，運(yùn)用屏蔽暫堵技術(shù)來保護(hù)頁巖氣儲層是一個較好的方向，但國內(nèi)適用于頁巖儲層的微納米屏蔽暫堵技術(shù)還比較落后，需要作進(jìn)一步的研究。

（2）鉆井施工損害因素上的儲層保護(hù)：對于頁巖氣儲層，在開鉆前，進(jìn)行合理的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計并在鉆機(jī)上安裝起下鉆速度警報器，同時優(yōu)選鉆井液排量，使鉆頭和循環(huán)系統(tǒng)的水力能量分配達(dá)到最合理，減小甚至消除起下鉆損害和鉆井液返速損害；在鉆井過程中，增加工作液的潤滑性和攜屑清洗井眼的能力，減小巖粉擠入損害，盡量縮短作業(yè)時間并實(shí)時調(diào)控井底壓力，以確保儲層段井底壓力始終低于地層壓力，即利用欠平衡鉆井技術(shù)防止壓差對頁巖氣儲層造成壓差損害，此外，欠平衡鉆井技術(shù)還可以部分抑制水相圈閉損害。美國haynesville頁巖就是采用欠平衡和控壓鉆井技術(shù)的成功案例，不僅保護(hù)了頁巖氣儲層，同時平均縮短了20 d鉆井周期。

4　結(jié)論與建議

（1）頁巖氣儲層與常規(guī)儲層相比較更復(fù)雜，需要考慮的因素更多，其儲層的評價與損害機(jī)理方面還研究的不夠透徹，隨著國家對新能源的重視，建議全面開展頁巖儲層傷害機(jī)理研究，確定頁巖氣儲層主要損害機(jī)理，建立一套適合我國地質(zhì)情況的頁巖氣儲層評價標(biāo)準(zhǔn)。

（2）選擇何種頁巖氣儲層保護(hù)技術(shù)，需要首先分析儲層孔隙結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、所含粘土礦物的分布、類型及數(shù)量、地層水的性質(zhì)及各種微粒的類型，根據(jù)儲層的潛在影響，進(jìn)行敏感性評價，確定出儲層的敏感程度，并提出頁巖氣層保護(hù)技術(shù)措施。

（3）從鉆井開鉆到誘噴的過程中，頁巖氣儲層保護(hù)工作需要事先做到未雨綢繆，儲層保護(hù)措施才能將頁巖氣儲層損害降低到最低。

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The analyses on potential damages and the discussions on protection technologies in shale gas reservoir drilling

TONG Qingheng1，2，3，ZHANG Jie1，NAN Xiaoning1，2，3，ZHAO Ze1，2，3，WANG Shuangwei1，ZHAO Zhiliang1
（1.CNPC Drilling Research Institute，Beijing 102206，China；2.MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；3.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

With the increasing scarcity of conventional oil and gas resources，shale gas has become one of the most attractive emerging energy in the past decade at home.Currently，China's study on shale gas start late，development technology is relatively backward，the improper operation and conduct during the drilling may lead to shale gas reservoirs vulnerable to irreversible damage.At this time，the analysis of reservoir potential damage factors and thediscussions of protection techniques are particularly important.In this paper，based on the shale gas reservoir as an example，after a system of research on domestic and foreign relevant literature for shale gas reservoir in the process of drilling，and combine with China's shale gas reservoir geological features，we have summarized the potential damage factors of shale gas reservoir and protection technology，propose that we should immediately carry out a comprehensive research on shale gas reservoir damage mechanism，the evaluation criteria and protection technology.

shale gas；geologic characteristic of reservoir；reservoir damage；reservoir protection

油氣工程

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.02.001

TE258

A

1673-5285（2015）02-0001-05

2014－12-22

國家自然科學(xué)石油化工聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項目，項目編號：U1262201。

童慶恒，男（1988-），湖北黃岡人，中國石油大學(xué)（北京）在讀碩士研究生，目前在中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院實(shí)習(xí)，主要從事鉆井液、完井液與儲層保護(hù)技術(shù)相關(guān)的研究工作，郵箱：819173690@qq.com。