頁巖氣水平井儲層保護難點分析與技術(shù)對策

童慶恒，張潔，南小寧

（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（北京）石油工程學院，北京102249）

頁巖氣水平井儲層保護難點分析與技術(shù)對策

童慶恒1，2，張潔1，南小寧1，2

（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（北京）石油工程學院，北京102249）

近年來，國內(nèi)頁巖氣的勘探開發(fā)進入規(guī)?；_發(fā)初期階段，由于頁巖氣儲層具有低孔低滲、成分復(fù)雜且含量變化范圍大等特點，相關(guān)配套的儲層保護技術(shù)研究仍然匱乏或者存在諸多爭議。針對此問題，在充分調(diào)研國內(nèi)外文獻的基礎(chǔ)上，并結(jié)合國內(nèi)儲層保護技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，筆者大體上從四個方面闡述頁巖氣水平井儲層保護研究面臨的難點，分別為：鉆井過程中儲層保護爭議、儲層潤濕性、儲層巖石液體自吸、儲層巖石基質(zhì)滲透率，基于上述四個方面研究難點，筆者同時提出一系列對應(yīng)的技術(shù)對策與研究方向，供相關(guān)工程技術(shù)人員或研究學者學習和參考，為進一步開展儲層保護研究提供借鑒。

頁巖氣；儲層地質(zhì)特征；儲層保護難點；技術(shù)對策

目前，世界日益增長的能源需求迫使人們將目光轉(zhuǎn)向非常規(guī)油氣資源。近年來，水平井和多級分段水力壓裂技術(shù)的進步使非常規(guī)油氣的有效開發(fā)成為可能，尤其以頁巖氣為代表的新興能源最為火熱。隨著美國和加拿大頁巖氣成功開發(fā)，國內(nèi)的頁巖氣革命也在不斷加速，但在頁巖氣開發(fā)的過程中，人們往往忽視頁巖氣儲層保護的重要性，且國內(nèi)目前對頁巖氣儲層研究也處于初始階段，相關(guān)的針對頁巖氣儲層的保護技術(shù)還停留在常規(guī)儲層保護技術(shù)層面上，直接影響著頁巖氣勘探開發(fā)的綜合經(jīng)濟效益。

因此，在頁巖氣水平井鉆井和儲層改造的過程中，解決好儲層保護問題就成為成功且持續(xù)的開發(fā)頁巖氣的關(guān)鍵?；陧搸r氣儲層特征及相關(guān)工藝技術(shù)特點，本文在文獻資料分析的基礎(chǔ)上，就頁巖氣水平井儲層保護技術(shù)難點與要求以及下步的研究方向進行了初步探討。

1 儲層一般特征

頁巖氣是指生成、儲集和封蓋均發(fā)生于頁巖系統(tǒng)中，產(chǎn)自極低孔滲、富有機質(zhì)頁巖儲層系統(tǒng)并以游離和吸附態(tài)賦存為主，存在于微-納米級孔-縫、顆粒表面的天然氣。其氣藏主要不受構(gòu)造控制，大面積不均質(zhì)連續(xù)分布，且無明顯圈閉界限，源儲蓋一體，屬于特殊的巖性氣藏；有機質(zhì)豐度高（TOC＞2%），類型較好，并具有較高的成熟度（Ro＞1.1%），以產(chǎn)氣為主，同時頁巖產(chǎn)層埋藏淺，連續(xù)厚度大，一般在30 m～50 m，資源規(guī)模大，非均質(zhì)性強，局部有“甜點”；儲集層非常致密，Φ在4%～6%范圍，K一般小于0.001 mD，以納米級孔隙為主；潛在頁巖氣儲層還含有較復(fù)雜的礦物組成，主要由石英、長石、斜長石、方解石、白云石等碎屑礦物和高嶺石、蒙脫石、伊利石、綠泥石、海綠石等常見的粘土礦物構(gòu)成，并且各礦物成分含量變化范圍非常大［1］。其中粘土的含量被認為與頁巖樣品的壓力敏感性直接相關(guān)［2］（Alramahi and Sundberg，2012），此外部分粘土礦物會遇水發(fā)生水化膨脹，滲透率發(fā)生改變，也可能對頁巖氣儲層造成不利的影響。

2 頁巖氣儲層保護難點分析

2.1 鉆井過程中的儲層保護面臨的爭議

針對頁巖氣藏的儲層一般特征，目前國內(nèi)一般采用淺層大位移井、叢式水平井進行開發(fā)［3］。但在關(guān)于鉆井過程中頁巖氣儲層需不需儲層保護，國內(nèi)學者對此爭論不休。部分學者認為鉆井過程中頁巖氣儲層不需要保護，前期近井地帶的儲層損害可以在后期的水力壓裂過程中得到消除，這一觀點同現(xiàn)場生產(chǎn)狀況吻合，即水力壓裂前，頁巖氣幾乎沒有產(chǎn)量。在經(jīng)過水力壓裂等增產(chǎn)措施后，初期氣產(chǎn)量遞減較快，后期趨于穩(wěn)定，平均日產(chǎn)1×104m3～2×104m3，因此這些學者認為前期的儲層保護措施是多余的，沒有進行的必要；以黃維安為代表的國內(nèi)學者認為頁巖氣儲層必須進行保護，沒有前期的儲層保護技術(shù)措施，后期的施工效果也會相對受到影響，前期的儲層保護措施有助于減輕后期的壓裂工藝與壓裂液對儲層的傷害程度，且儲層保護投入的程度低于由此產(chǎn)生的增加產(chǎn)量的經(jīng)濟效益，并提出保護頁巖儲層的水基完井液技術(shù)，其室內(nèi)實驗表明該體系能有效防止水敏性，增強水的返排能力，降低頁巖滲透率損害率和對甲烷氣體的吸附能力，具有優(yōu)良的頁巖氣儲層綜合保護作用［4］。

2.2 儲層巖石潤濕性

儲層巖石潤濕性是指巖石對液體的親和力，正確的認識頁巖氣儲層巖石的潤濕性對優(yōu)選壓裂液體系及各種添加劑、研究殘余相飽和度和巖石孔隙尺度、研究巖石斷裂面水鎖堵塞、選擇相關(guān)毛細管壓力和相對滲透率模型用來做油藏工程計算具有非常重要的意義。常規(guī)儲層巖石的潤濕性可以用多種方法來測定，包括：平衡接觸角測定法、Amott潤濕性指數(shù)法、USBM潤濕性指數(shù)法、自吸實驗法、相對滲透率遲滯法、NMR法［5］。但是，常規(guī)測試方法難以用來準確測定巖石的潤濕性，且頁巖氣儲層巖石的潤濕性由很多因素決定，如巖石的礦物成分和巖石表面覆蓋物的性質(zhì)等。以美國Horn River頁巖樣品為例，常規(guī)方法平衡接觸角測定顯示該樣品對油潤濕，但基于吸水實驗顯示，該地區(qū)的頁巖樣品卻是對水潤濕的。

頁巖氣儲層巖石潤濕性測試的最大的困難還是在于巖石復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)，這些孔隙結(jié)構(gòu)有可能是由疏水的有機材料構(gòu)成，或者是由親水的無機材料構(gòu)成，常規(guī)的測試方法幾乎不能用來測試致密儲層巖石的潤濕性，原因在于巖石的超低滲透率［6］。由此可見，關(guān)于頁巖儲層巖石的潤濕性的微觀機理和主控因素還需做進一步的研究。

2.3 儲層巖石液體自吸

目前，當頁巖氣等非常規(guī)油氣藏在進行水平井和水力壓裂的開發(fā)模式時，超低滲透非常規(guī)油氣藏可以取得很好的經(jīng)濟效益。但在進行水力壓裂液體清理階段時，只有很少的一部分可以被回收，約10%～20%［7］。液體的自發(fā)吸入被廣泛認為是壓裂液損失和水回收失敗的主要機理。液體自發(fā)吸入到巖石基質(zhì)去以后，會嚴重損害儲層的絕對滲透率，究其原因，主要是因為巖石基質(zhì)中粘土膨脹與分散（Scott et al，2007）［8］。更進一步來說，在低滲透儲層，毛細管壓力可以達到數(shù)百Psi，“水鎖效應(yīng)”造成了氣體的相對滲透率的下降，影響了氣體生產(chǎn)（Shaoul et al，2011）［9］。然而，在頁巖氣致密儲層中，巖石基質(zhì)對水、鹽水、表面活性劑的自吸也被認為是一種提高油氣產(chǎn)量的方法（Wang ea tl.，2011，2012）［10，11］，此外，頁巖結(jié)構(gòu)中存在粘土礦物也會吸收相當部分的水，這種吸收會在巖石基質(zhì)中對水形成一個網(wǎng)狀流動，進而使粘土層分離形成一個膨脹壓力（Chenevert，1970a）［12］。這些膨脹壓力會造成巖石基質(zhì)膨脹和誘導(dǎo)微裂縫的形成，提高儲層的絕對滲透率和降低頁巖儲層巖石基質(zhì)的密度?？傊?，關(guān)于頁巖的有機質(zhì)、頁巖對液體的自吸和頁巖的層理結(jié)構(gòu)研究較少，很少有相關(guān)報道。同時對不均質(zhì)性儲層來說，影響自吸速率的因素也不明確。

2.4 儲層巖石基質(zhì)滲透率

滲透率是所有的儲層巖石性質(zhì)中最基本的參數(shù)之一，對含氣儲層的勘探與開發(fā)具有重要的意義。儲層損害評價中，最基本的問題是頁巖滲透率測量方法。較準確測定滲透率，則滲透率恢復(fù)率的數(shù)值可信度高，對應(yīng)儲層損害程度的評價才能較準確。同常規(guī)氣藏一樣，滲透率等參數(shù)也是頁巖氣儲層傷害評價的基礎(chǔ)參數(shù)，然而，由于頁巖氣儲層低孔低滲的特征，許多頁巖氣藏和超低滲致密氣藏的基質(zhì)滲透率在幾十至幾百個納達西范圍內(nèi)，使其難以使用常規(guī)的滲透率測量方法，這些巖石的微孔隙結(jié)構(gòu)違背了達西定律成立的基本假設(shè)，因此，達西定律并不能描述真實氣體的行為以及在多孔介質(zhì)中遷移現(xiàn)象，而常規(guī)的儲層保護實驗技術(shù)卻主要是以達西定律為基礎(chǔ)，并不適合頁巖氣儲層。盡管國內(nèi)外很多知名學者如Brace、Luffel、Cui、Metwally、Christopher等都在嘗試著提出各種模型或者公式去測定計算頁巖氣儲層巖石的滲透率，但效果不是很理想，與實際情況仍然存在著一定的偏差。目前，一般廣泛使用壓力脈沖衰減法來測定致密儲層滲透率，此法理論成熟、操作簡單且計算快捷，但其對樣品非均質(zhì)性和裂縫的影響極為敏感，同時所測的滲透率并不一定完全代表整塊巖樣的滲透能力［13］。此外，在實驗過程中此法極易受各種因素影響，實驗數(shù)據(jù)重復(fù)性不強，數(shù)據(jù)因人而異，國內(nèi)急需制訂關(guān)于測定滲透率小于10-3μm2的頁巖氣儲層巖石的行業(yè)標準。所以，儲層巖石基質(zhì)滲透率測定也是進行頁巖氣水平井儲層保護直接面對的難題之一。

3 技術(shù)對策與研究方向

前面從四個大的方面論述了國內(nèi)頁巖氣開發(fā)過程中關(guān)于儲層保護研究所面臨的亟待解決的難點，面對難點，并結(jié)合國內(nèi)頁巖氣儲層特征研究現(xiàn)狀，利用國內(nèi)外現(xiàn)有的儲層保護技術(shù)理論與實踐，提出以下幾點相應(yīng)的儲層保護技術(shù)對策與研究方向：

（1）迅速消除鉆井過程中儲層保護爭議，即開展鉆井過程儲層損害與壓裂后頁巖產(chǎn)氣量關(guān)系研究，從經(jīng)濟效益上來衡量儲層保護技術(shù)投入與產(chǎn)量之間的變化關(guān)系，并從中尋找到平衡點。具體的工程上儲層保護技術(shù)措施為：鉆井實踐過程中盡量采用價格低廉且儲層保護效果較好的完井液體系，降低甚至消除頁巖氣儲層潛在的物理和化學損害因素，避免前期的技術(shù)措施對儲層造成不利影響，為后期的開采工藝打下一個良好的開端。

（2）深入研究頁巖氣儲層巖石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙通道表面覆蓋物，找出影響儲層巖石潤濕性的主控因素，總結(jié)歸納有機頁巖潤濕性變化機理，使得相關(guān)儲層保護措施有的放矢、主次分明，避免過去用于解決次要影響因素的開采成本，宏觀上技術(shù)對策表現(xiàn)為優(yōu)化壓裂液配方，防止儲層巖石發(fā)生液相堵塞，增強氣體的導(dǎo)流能力。

（3）開展頁巖氣儲層巖石基質(zhì)對壓裂液基液的自吸行為與滲透率的關(guān)系研究，以自吸速率、自吸體積量方面為主，明確影響自吸速率、自吸體積量的主要因素，同時研究離子擴散速率和巖石基質(zhì)的層理結(jié)構(gòu)對自吸體積影響等方面變化規(guī)律，相對應(yīng)的工程上的技術(shù)對策為針對特定的頁巖氣儲層，優(yōu)選壓裂液體系，合理的制定壓裂液返排指標，保證頁巖氣的滲透率。

（4）研究或優(yōu)選一套測定致密頁巖滲透率的方法，制定成行業(yè)標準，并開展巖基質(zhì)裂縫滲透率的計算與模擬，準確的描述壓裂后氣體在裂縫的導(dǎo)流能力，為形成頁巖氣儲層保護系列室內(nèi)實驗技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論與建議

（1）儲層保護技術(shù)研究是一項長期系統(tǒng)的工程，隨著科學技術(shù)的進步，所研究的對象相較于常規(guī)儲層，結(jié)構(gòu)將會更復(fù)雜，考慮的因素更多，應(yīng)該加大對儲層保護技術(shù)研究人力物力的投入，為非常規(guī)油氣資源的高效開采保駕護航。

（2）克服頁巖氣水平井儲層保護難點，分析儲層潛在的損害因素，研究和揭示頁巖氣儲層傷害機理，提前預(yù)防或減輕儲層損害，為后續(xù)的現(xiàn)場保護措施提供理論依據(jù)。

（3）充分調(diào)研國外相關(guān)技術(shù)文獻，吸取國外經(jīng)驗教訓，并結(jié)合國內(nèi)儲層保護技術(shù)研究現(xiàn)狀，形成適合我國地質(zhì)條件的一系列儲層保護技術(shù)，縮短我國與先進國家在儲層保護技術(shù)研究上的差距。

［1］Pedlow，J.，&Sharma，M.Changes in Shale Fracture Conductivity due to Interactions with Water-Based Fluids［C］.SPE 168586，2014.

［2］Alramahi，B.，&Sundberg，M.I.Proppant Embedment and Conductivity of Hydraulic Fractures in Shales［C］.ARMA-2012-291，2012.

［3］王中華.頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)的難點及選用原則［J］.中外能源，2012，（4）：43-47.

［4］黃維安，邱正松，岳星辰，等.頁巖氣儲層損害機制及保護水基鉆完井液技術(shù)［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2014，（3）：99-105.

［5］Ghanbari，E.，Xu，M.，Dehghanpour，H.，&Bearinger，D.Advances in Understanding Liquid Flow in Gas Shales［C］. SPE 171653，2014.

［6］Lan，Q.，Xu，M.，Dehghanpour，H.，&Wood，J.Advances in Understanding Wettability of Tight and Shale Gas Formations［C］.SPE 170969，2014.

［7］Y.Cheng.Impact of Water Dynamics in Fractures on the Performance of Hydraulically Fractured Wells in Gas-Shale Reservoirs［C］.SPE 127863，2012.

［8］Scott，H.，Patey，I.T.M.，&Byrne，M.T.Return Permeability Measurements-Proceed With Caution［C］.SPE 107812，2007.

［9］Shaoul，J.R.，van Zelm，L.F.，&de Pater，C.J.Damage Mechanisms in Unconventional-Gas-Well Stimulation A New Look at an Old Problem［C］.SPE 142479，2011.

［10］Wang，D.，Butler，R.，Liu，H.，&Ahmed，S.Flow-Rate Behavior and Imbibition in Shale Rock［C］.SPE 138521，2011.

［11］Wang，D.，Seright，R.S.，&Zhang，J.Wettability Survey in Bakken Shale Using Surfactant Formulation Imbibition［C］. SPE 153853，2012.

［12］Chenevert，M.E.Shale Alteration by Water Adsorption［C］. SPE-2401，1970.

［13］趙立翠，王珊珊，高旺來，等.頁巖儲層滲透率測量方法研究進展［J］.斷塊油氣田，2013，（6）：763-767.

The analyses on the difficulties and the discussions on the technical solutions in reservoir protection of shale gas horizontal wells

TONG Qingheng1，2，ZHANG Jie1，NAN Xiaoning1，2
（1.CNPC Drilling Research Institute，Beijing 102206，China；2.China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Recently，the exploration and development of domestic shale gas have entered the early stage of large-scale development.Since the shale gas reservoir with features of the low porosity and permeability，complex composition and its content vary in large range and so on，our country lack related research on reservoir protection or corresponding reservoir protection technology still exist a lot of controversy.For this problem，after a system of research on domestic and foreign relevant literature for shale gas reservoir，and combined with the present situation of domestic reservoir protection technology，the author generally describes the difficulties that we faced on reservoir protection of shale gas horizontal wells from four aspects，the controversy of reservoir protection in drilling process，the wettability of reservoir，spontaneous imbibition of reservoir，the permeability of reservoir rock matrix.Based on the four research difficulties above，the author also proposed a series of technical measures and corresponding research directions for related engineering and technical personnels or researchers to study and discuss，while also can provide a reference for further study on reservoir protection.

shale gas；geologic characteristics of reservoir；the difficulties of reservoir protection；technical measures

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.08.001

TE258.3

A

1673-5285（2015）08-0001-04

2015－06-25

國家自然科學石油化工聯(lián)合基金重點支持項目“頁巖氣鉆探中的井壁穩(wěn)定及高效鉆完井基礎(chǔ)研究”，項目編號：U1262201。

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