頁巖氣儲(chǔ)層損害機(jī)制及保護(hù)水基鉆完井液技術(shù)

黃維安，邱正松，岳星辰，李樹皎，高宏松，曹 杰，劉文迪

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266580;2.中國石油長城鉆探工程公司，北京100101;3.中海油能源發(fā)展股份有限公司天津人力資源服務(wù)分公司，天津300452;4.中國石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266580)

頁巖氣屬于一種新型、非常規(guī)的油氣資源，是儲(chǔ)存于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中的天然氣［1－2］。中國的地質(zhì)條件非常有利于頁巖氣的富集，可采頁巖氣資源潛力位居世界第一［3-4］。頁巖氣自身儲(chǔ)集成藏，其一部分以游離態(tài)存在于孔隙和裂縫中，一部分吸附于有機(jī)質(zhì)和黏土礦物內(nèi)表面，以大面積含氣、隱蔽圈閉機(jī)制、可變的蓋層巖性和較短的烴類運(yùn)移距離為特征［5-7］。因此，在頁巖氣勘探開發(fā)過程中，其儲(chǔ)層受到的傷害遠(yuǎn)大于常規(guī)儲(chǔ)層，直接影響到頁巖氣的解吸、擴(kuò)散和流動(dòng)［8-9］。筆者以勝利油田沙河街組頁巖氣儲(chǔ)層為研究對(duì)象，開展頁巖氣儲(chǔ)層損害機(jī)制及保護(hù)水基鉆井液研究。

1 頁巖氣儲(chǔ)層潛在損害機(jī)制分析

1.1 巖石礦物組成

表1為勝利油田沙河街組頁巖氣儲(chǔ)層全巖礦物組成分析結(jié)果?？梢钥闯?，勝利油田沙河街組頁巖氣儲(chǔ)層中石英平均含量為28%，方解石平均含量為20%，鉀長石和斜長石總平均含量為13%，脆性礦物達(dá)61%，水力壓裂時(shí)易產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)［10－11］。黏土礦物平均含量達(dá)31%，其中利石含量平均達(dá)69%(表2)，這有利于頁巖氣以吸附狀態(tài)賦存，且對(duì)儲(chǔ)層后期壓裂造縫有利［12］，但伊利石為速敏性礦物，因此頁巖氣儲(chǔ)層同時(shí)也存在了潛在速敏性。

表1 勝利油田沙河街組頁巖氣儲(chǔ)層全巖礦物組成分析結(jié)果Table 1 Results of mineral composition of shale gas reservoir in Shahejie Formation of Shengli Oilfield

表2 勝利油田沙河街組頁巖氣儲(chǔ)層黏土礦物相對(duì)含量分析結(jié)果Table 2 Relative contents analysis results of clay minerals of shale gas reservoir in Shahejie Formation of Shengli Oilfield

1.2 巖石礦物微觀構(gòu)造

圖1 勝利油田沙河街組頁巖氣儲(chǔ)層礦物微觀構(gòu)造分析Fig.1 Results of mineral micro-structure analysis of shale gas formation in Shahejie Formation of Shengli Oilfield

圖1為勝利油田沙河街組頁巖氣儲(chǔ)層礦物微觀構(gòu)造分析。可以看出:勝利油田沙河街組頁巖氣儲(chǔ)層紋理和微裂縫發(fā)育，有的礦物顆粒被溶蝕形成溶孔;黏土礦物或夾雜在石英晶體顆粒之間，或填充在溶蝕孔隙中;部分石英晶體被溶蝕形成小碎屑顆粒。頁巖氣儲(chǔ)層中石英和黏土礦物這種“互嵌”、“互填”式微觀構(gòu)造，一方面有利于增加頁巖氣儲(chǔ)層孔隙體積和增強(qiáng)滲透性，同時(shí)也增加了微粒運(yùn)移和速敏性損害機(jī)制。

1.3 孔隙結(jié)構(gòu)分析

采用阿基米德原理－氣體膨脹置換法、毛細(xì)冷凝現(xiàn)象和體積等效交換原理［13］，分析了勝利油田沙河街組頁巖氣儲(chǔ)層的孔隙度和孔徑分布特征，結(jié)果見表3和圖2。結(jié)果表明，頁巖樣品的孔隙度分布在0.45% ～2.50%，孔徑范圍在1.7～66.3 nm，平均孔隙直徑主要分布在4.54～6.17 nm。由此可知，頁巖巖心的孔隙不發(fā)育，且大多數(shù)孔隙直徑只有幾個(gè)納米，為典型的低孔隙度儲(chǔ)層。

表3 勝利油田沙河街組頁巖氣儲(chǔ)層的孔隙度及孔徑分布測(cè)量結(jié)果Table 3 Results of porosity measurement and aperture distribution of shale gas reservoir in Shahejie Formation of Shengli Oilfield

圖2 勝利油田沙河街組頁巖氣儲(chǔ)層BJH法孔徑分布測(cè)試曲線Fig.2 Aperture distribution test curve of shale gas reservoir in Shahejie Formation of Shengli Oilfield by BJH method

1.4 頁巖滲透率特征分析

按美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API RP-40要求，采用脈沖衰減法，在模擬地層覆壓條件下，測(cè)試了勝利油田沙河街組頁巖氣儲(chǔ)層對(duì)甲烷氣體的克氏滲透率，其計(jì)算式［14］如下:

式中，K為氣測(cè)滲透率，μm2;p1為巖樣上流的壓力，MPa;V1和V2分別為上、下流容器體積，m3;pf為V1和V2平衡壓力值，MPa;A為樣品橫截面積，m2;L為樣品長度，m;β為流動(dòng)介質(zhì)的壓縮率，MPa－1;μ為黏滯系數(shù)，Pa·s;c為積分常數(shù);t為V1的壓力衰變時(shí)間，s。

測(cè)試結(jié)果表明，勝利油田沙河街組 3.530、3.532、3.572 km巖心的滲透率分別為0.018×10－3、0.026 × 10－3和 0.011 × 10－3μm2，分布在0.011 ×10－3～0.026 ×10－3μm2，屬于超低滲儲(chǔ)層。

2 頁巖氣儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)

對(duì)于超低滲透率的頁巖氣儲(chǔ)層，不能依據(jù)SY/T5358-2010儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行敏感性分析。為此，結(jié)合頁巖氣開采特點(diǎn)，利用頁巖本身毛管自吸效應(yīng)強(qiáng)的特征，采用真空飽和方法使實(shí)驗(yàn)流體進(jìn)入到測(cè)試巖樣中，并通過非穩(wěn)態(tài)的脈沖衰減法測(cè)試巖樣對(duì)高純氮?dú)獾臐B透率變化，以此判斷其敏感性類型及強(qiáng)弱。

2.1 水敏性評(píng)價(jià)

首先用標(biāo)準(zhǔn)鹽水飽和頁巖巖心24 h，用高純氮?dú)鉁y(cè)定巖心的克氏滲透率ki，再分別用次標(biāo)準(zhǔn)鹽水和去離子水飽和巖心，測(cè)試巖心的滲透率ki1和ki2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。從圖3看出，勝利油田沙河街組頁巖巖心的平均水敏性損害程度為26.2%，屬于中等偏弱。

圖3 水敏測(cè)試實(shí)驗(yàn)曲線Fig.3 Experimental curves of water sensitivity test

2.2 鹽敏性評(píng)價(jià)

分別測(cè)試頁巖巖心用標(biāo)準(zhǔn)鹽水、3/4標(biāo)準(zhǔn)鹽水、1/2標(biāo)準(zhǔn)鹽水、1/4標(biāo)準(zhǔn)鹽水、1/8標(biāo)準(zhǔn)鹽水和去離子水真空飽和前后的高純氮?dú)鉂B透率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。從圖4看出，勝利油田沙河街組1號(hào)巖心的臨界礦化度為30 g/L，滲透率損害率為22.5%，2號(hào)巖心的臨界礦化度為20 g/L，滲透率損害率為24.2%，鹽敏損害規(guī)律與水敏損害規(guī)律基本吻合，表明該頁巖氣儲(chǔ)層存在中等偏弱的水敏性損害。

圖4 鹽敏測(cè)試實(shí)驗(yàn)曲線Fig.4 Experimental curves of salt sensitivity test

2.3 堿敏性評(píng)價(jià)

配制不同pH值的鹽水。首先用標(biāo)準(zhǔn)鹽水真空飽和巖心(pH=7)，然后逐級(jí)升高pH值，最后一級(jí)鹽水的pH值定為12，測(cè)定每個(gè)pH值下巖心的高純氮?dú)鉂B透率(圖5)。從圖5看出，勝利油田沙河街組1號(hào)巖樣堿敏指數(shù)為23%，2號(hào)巖心堿敏指數(shù)為15.2%，均為中等偏弱堿敏，臨界pH值為10。

圖5 堿敏測(cè)試實(shí)驗(yàn)曲線Fig.5 Experimental curves of alkali sensitivity test

2.4 應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)

在低孔低滲和裂縫性儲(chǔ)層中，應(yīng)力敏感性損害相對(duì)更為嚴(yán)重。應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)是在模擬圍壓條件下考察物性隨有效應(yīng)力的變化關(guān)系。本研究在有效應(yīng)力分別為 2.5、5、7.5、10、20、30、40 MPa 下，測(cè)試了勝利油田沙河街組頁巖巖心的應(yīng)力敏感性損害。頁巖巖樣對(duì)應(yīng)力的敏感性可用Ss表征，Ss越大，巖樣的應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。其計(jì)算式如下:

即

式中，Ss為應(yīng)力敏感性系數(shù);σ和 k為有效應(yīng)力(MPa)和對(duì)應(yīng)有效應(yīng)力點(diǎn)的滲透率(10－3μm2);σ0和k0為初始測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力(MPa)和滲透率(10－3μm2)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6、7?？梢钥闯?，勝利油田沙河街組頁巖巖心受有效應(yīng)力影響較大，有效應(yīng)力小于10 MPa時(shí)，滲透率隨有效應(yīng)力的增加下降較快，有效應(yīng)力大于10 MPa時(shí)，滲透率隨有效應(yīng)力的增加變化較小;從應(yīng)力敏感性系數(shù)看出，滲透率的應(yīng)力敏感程度為中等。

圖6 應(yīng)力敏感性測(cè)試實(shí)驗(yàn)曲線Fig.6 Experimental curves of stress sensitivity test

圖7 應(yīng)力敏感性系數(shù)Fig.7 Stress sensitivity coefficient

3 頁巖氣儲(chǔ)層保護(hù)水基鉆完井液

針對(duì)勝利油田沙河街組頁巖氣儲(chǔ)層低孔隙度、超低滲透性特征，以及存在的水敏性、堿敏性、應(yīng)力敏感性損害，保護(hù)該儲(chǔ)層的水基鉆完井液性能應(yīng)滿足以下幾點(diǎn):

(1)合理的密度。鉆完井液密度過低不足于平衡頁巖氣儲(chǔ)層孔隙壓力，密度過高會(huì)使井底壓差增大，增加鉆完井液侵入頁巖氣儲(chǔ)層的量，加大損害程度。

(2)較強(qiáng)的抑制性。頁巖中的黏土礦物水化產(chǎn)生的微小膨脹也會(huì)堵塞微裂隙，降低儲(chǔ)層導(dǎo)流能力，需加強(qiáng)鉆完井液抑制性，特別是加強(qiáng)防止頁巖表面水化，從根本上降低頁巖氣儲(chǔ)層的水敏性和增強(qiáng)井壁穩(wěn)定性。

(3)較低的表面張力。頁巖中有機(jī)質(zhì)和黏土礦物顆粒具有較大的比表面積，外來流體表面張力較低，液體分子能占據(jù)更多的有機(jī)質(zhì)和黏土礦物表面，減少甲烷吸附的有效表面積，促進(jìn)頁巖氣的解析;同時(shí)外來流體的表面張力越低，在微裂隙中形成的毛細(xì)管壓力越小，減小水鎖效應(yīng)對(duì)氣體流動(dòng)的影響。

(4)pH值不宜過高。頁巖氣儲(chǔ)層存在堿敏性損害，pH值過高的強(qiáng)堿性鉆完井液會(huì)降低儲(chǔ)層的滲透率，鉆井液的pH值不宜過高，最好不超過10。

為有效降低液鎖損害，研發(fā)了具有低表面張力特性和潤濕反轉(zhuǎn)特性的微乳型頁巖氣儲(chǔ)層保護(hù)劑YYBH-1;為抑制水敏性損害，開發(fā)了高效聚胺類表面水化抑制劑BMYZ-1。通過優(yōu)化其他處理劑和配伍性優(yōu)化，研制出了頁巖氣儲(chǔ)層水基鉆井液體系YYZJY:3% ～4%膨潤土+0.15% ～0.3%高黏羧甲基纖維素CMC-HV+1% ～2%羧甲基淀粉CMS+1%～2%微納米級(jí)可變形彈性封堵防塌劑WNF-1+0.1% ～0.2%YYBH-1+0.4% ～0.6%BMYZ-1。

3.1 基本性能及抑制性

YYZJY體系的基本性能及抑制性評(píng)價(jià)結(jié)果見表4?？梢钥闯觯琘YZJY體系黏度和切力適中，API和高溫高壓濾失量均較低，頁巖回收率達(dá)99.21%、頁巖膨脹率降低達(dá)76.44%，抑制性強(qiáng)。

表4 YYZJY體系的基本性能及抑制性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Evaluation results of basic performance and inhibition of YYZJY system

3.2 潤濕性及低表面張力特性

將勝利油田沙河街組頁巖巖樣磨光片在2000號(hào)金相砂紙上拋光、去氧化膜，放入2% ～5%的NaOH溶液中煮沸2～5 min，分別測(cè)試用YYZJY體系濾液處理前后頁巖表面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鹽水的接觸角和25℃下用鉑金板法測(cè)定實(shí)驗(yàn)液的表面張力，結(jié)果見圖8、9。

圖8 YYZJY體系對(duì)頁巖潤濕性的影響Fig.8 Effect of YYZJY system on wettability of shale

圖9 YYZJY體系濾液表面張力隨濃度的變化Fig.9 Surface tension change with filtration of YYZJY system in tested liquid

從圖8看出，YYZJY體系濾液處理后，勝利油田沙河街組頁巖對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鹽水的接觸角增大、親水性減弱，這有利于返排頁巖氣儲(chǔ)層中的水、降低其飽和度。從圖9看出，YYZJY體系濾液在實(shí)驗(yàn)液中濃度增大，實(shí)驗(yàn)液表面張力降低，當(dāng)其濃度達(dá)到4%后，表面張力降低緩慢，最終趨于平穩(wěn)值22.6 mN/m，YYZJY體系濾液的低表面張力特性有利于降低其毛管壓力、促進(jìn)其返排。

3.3 對(duì)頁巖滲透率傷害評(píng)價(jià)

選用勝利油田沙河街組頁巖巖心，利用PDP-200型氣體滲透率測(cè)量?jī)x測(cè)量巖心飽和前后滲透率的大小，并計(jì)算滲透率損害率。采用真空飽和方法使實(shí)驗(yàn)流體進(jìn)入到測(cè)試巖樣中。從表5看出，實(shí)驗(yàn)流體對(duì)巖心滲透率均有不同程度的損害，清水對(duì)巖心滲透率的損害率最高(68.5%)，YYZJY體系濾液最低(41.2%)，較清水有顯著降低，其保護(hù)頁巖氣儲(chǔ)層效果最佳。

表5 實(shí)驗(yàn)流體對(duì)巖心滲透率傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of core permeability damage by different experiment fluids

3.4 對(duì)頁巖吸附特性影響評(píng)價(jià)

頁巖氣的產(chǎn)出經(jīng)歷解析－擴(kuò)散－滲流的過程，與常規(guī)氣藏不同，頁巖氣的產(chǎn)出還需考慮外來流體對(duì)解吸過程的影響［15］。將勝利油田沙河街組頁巖巖心飽和不同實(shí)驗(yàn)流體，測(cè)試了它們對(duì)頁巖吸附性能的影響。根據(jù)等溫吸附理論［16－17］，可通過Langmuir參數(shù)反映解吸難易程度，Langmuir體積VL是每克吸附劑的表面覆蓋滿單分子層時(shí)的吸附量，表征煤具有的最大吸附能力，Langmuir壓力pL是解吸速率常數(shù)與吸附常數(shù)的比值，表示頁巖的吸附量為其最大吸附量一半時(shí)的壓力。因此，吸附等溫實(shí)驗(yàn)中VL越小pL越大，則越有利于頁巖氣的解吸。從表6和圖10看出，經(jīng)YYZJY體系濾液處理后的巖樣吸附量最小，且Langmuir體積VL最小，最有利于頁巖氣解析，經(jīng)YYBH-1溶液處理后的巖樣其次。

表6 不同實(shí)驗(yàn)流體作用后頁巖吸附等溫線Langmuir參數(shù)Table 6 Langmuir parameters of adsorption isotherm after shale absord different fluids

圖10 YYZJY體系濾液對(duì)頁巖吸附特性影響Fig.10 Effect of filtration of YYZJY system on characterization of adsorption of shale

4 結(jié)論

(1)勝利油田沙河街組頁巖氣儲(chǔ)層黏土礦物以伊利石為主，發(fā)育微裂隙，孔隙度分布在0.45% ～2.50%，平均孔隙直徑主要分布在4.54～6.17 nm，滲透率小于0.03×10－3μm2，為低孔超低滲儲(chǔ)層。

(2)勝利油田沙河街組頁巖氣儲(chǔ)層存在中等偏弱水敏性和堿敏性，中等程度應(yīng)力敏感性損害。

(3)研制的頁巖氣儲(chǔ)層水基鉆井液可有效抑制水敏性，通過降低濾液表面張力和改變潤濕性增強(qiáng)水的返排能力，降低頁巖滲透率損害率和促進(jìn)甲烷氣體解吸附，具有綜合的頁巖氣儲(chǔ)層保護(hù)作用。

［1］ JARVIE D，HILL R J，RUBLE T E，et al.Unconventional shale-gas systems:the Mississippian Barnett shale of north-central Texas as one model for thermogenic shalegas assessment［J］.AAPG Bulletin，2007，91(4):475-499.

［2］ HILL R J，ZHANG E，KATZ B J，et al.Modeling of gas generation from the Barnett Shale，F(xiàn)ort Worth Basin，Texas［J］.AAPG Bulletin 2007，91(4):501-521.

［3］ 鄒才能，董大忠，王社教，等.中國頁巖氣形成機(jī)理、地質(zhì)特征及資源潛力［J］.石油勘探與開發(fā)，2010，37(6):641-653.

ZOU Cai-neng，DONG Da-zhong，WANG She-jiao，et al.Geological characteristics，formation mechanism and resource potential of shale gas in China［J］.Petroleum Exploration and Development，2010，37(6):641-653.

［4］ 張麗雅，李艷霞，李凈紅，等.頁巖氣成藏條件及中上揚(yáng)子區(qū)志留系頁巖氣勘探前景分析［J］.地質(zhì)科技情報(bào)，2011，30(6):90-93.

ZHANG Li-ya，LI Yan-xia，LI Jing-hong，et al.Accumulation conditions for shale gas and it's future exploration of silurian in the central-upper Yangtze region［J］.Geological Science and Technology Information，2011，30(6):90-93.

［5］ 聶海寬，張金川，李玉喜.四川盆地及其周緣下寒武統(tǒng)頁巖氣聚集條件［J］.石油學(xué)報(bào)，2011，32(6):959-967.

NIE Hai-kuan，ZHANG Jin-chuan，LI Yu-xi.Accumulation conditions of the Lower Cambrian shale gas in the Sichuan Basin and its periphery［J］.Acta Petrolei Sinica，2011，32(6):959-967.

［6］ 聶海寬，唐玄，邊瑞康.頁巖氣成藏控制因素及中國南方頁巖氣發(fā)育有利區(qū)預(yù)測(cè)［J］.石油學(xué)報(bào)，2009，30(4):484-491.

NIE Hai-kuan，TANG Xuan，BIAN Rui-kang.Controlling factors for shale gas accumulation and prediction of potential development area in shale gas reservoir of South China［J］.Acta Petrolei Sinica，2009，30(4):484-491.

［7］ 張雪芬，陸現(xiàn)彩，張林曄，等.頁巖氣的賦存形式研究及其石油地質(zhì)意義［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2010，25(6):597-604.

ZHANG Xue-fen，LU Xian-cai，ZHANG Lin-ye，et al.Occurrence of shale gas and their petroleum geological significance［J］.Advances in Earth Science，2010，25(6):597-604.

［8］ ROSS D J，BUSTIN R M.Characterizing the shale gas resource potential of Devonian-Mississippian strata in the western Canada sedimentary basin:application of an integrated formation evaluation［J］.AAPG Bulletin，2008，92(1):87-125.

［9］ BUSTIN R M.Gas shale tapped for big play［J］.AAPG Explorer，2005，26(2):5-7.

［10］ 田華，張水昌，柳少波，等.壓汞法和氣體吸附法研究富有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙特征［J］.石油學(xué)報(bào)，2012，33(3):419-427.

TIAN Hua，ZHANG Shui-chang，LIU Shao-bo，et al.Determination of organic-rich shale pore features by mercury injection and gas adsorption methods［J］.Acta Petrolei Sinica，2012，33(3):419-427.

［11］ 王玉滿，董大忠，李建忠，等.川南下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣儲(chǔ)層特征［J］.石油學(xué)報(bào)，2012，33(4):551-561.

WANG Yu-man，DONG Da-zhong，LI Jian-zhong，et al.Reservoir characteristics of shale gas in Longmaxi Formation of the Lower Silurian，southern Sichuan ［J］.Acta Petrolei Sinica，2012，33(4):551-561.

［12］ 孫海成，湯達(dá)禎.四川盆地南部構(gòu)造頁巖氣儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版，2011，41(增刊1):34-40.

SUN Hai-cheng，TANG Da-zhen.Shale gas formation fracture stimulation in the south Sichuan Basin［J］.Journal of Jilin University(Earth Science Edition)，2011，41(s1):34-40.

［13］ MANIKA P，ARPITA P，MERRICK J，et al.Rock physics of the unconventional［J］.The Leading Edge，2009:34-38.

［14］ JAVADPOUR f.Nanopores and apparent permeability of gas flow in mudrocks［J］.Journal of Canadian Petroleum Technology，2009，48(8):15-20.

［15］ RAMOS S.The effect of shale composition on the gas sorption potential of organic-rich mud rocks in the Western Canadian sedimentary basin［D］.Vancouver:The University of British Columbia，2004，30-34.

［16］ CHALMERS G，BUSTIN R.The organic matter distribution and methane capacity of the Lower Cretaceous strata of Northeastern British Columbia［J］.International Journal of Coal Geology，2007，70(1):223-239.

［17］ ROSS D J K，BUSTIN R M.The importance of shale composition and pore structure upon gas storage potential of shale gas reservoirs［J］.Marine and Petroleum Geology，2009，26(6):916-927.