渤中某區(qū)塊太古界潛山裂縫性變質(zhì)巖儲(chǔ)層鉆井液損害分析

譚偉雄，白瑞婷，鄒俊，王世華，李鑫磊，游利軍，康毅力，張磊

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300450；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500）

0 引言

根據(jù)全球潛山油氣藏統(tǒng)計(jì)， 世界范圍內(nèi)變質(zhì)巖潛山油氣儲(chǔ)量占潛山油氣藏總儲(chǔ)量的75%［1］。 潛山區(qū)塊是渤海灣盆地最早開(kāi)始勘探開(kāi)發(fā)的地區(qū)， 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的油氣開(kāi)發(fā)，渤海灣盆地在變質(zhì)巖潛山、碳酸鹽巖潛山和火成巖潛山等基巖油氣藏取得了重大突破和成果，為中國(guó)的油氣產(chǎn)量提供了重要支撐［2-4］，例如大港的千米橋［5-6］、濟(jì)陽(yáng)的埕島［7-9］、渤中的曹妃甸、冀中的蘇橋等基巖潛山儲(chǔ)層都獲得了高產(chǎn)油氣流［10-12］。2017 年，渤中某區(qū)塊井在孔店組砂礫巖和太古界潛山獲得商業(yè)發(fā)現(xiàn)，揭示了渤海灣盆地渤中凹陷深層天然氣的勘探潛力。渤中某氣田是我國(guó)東部首個(gè)億噸級(jí)大型整裝變質(zhì)巖潛山凝析氣田， 變質(zhì)巖潛山油氣藏成功勘探開(kāi)發(fā)對(duì)海上油氣田增儲(chǔ)上產(chǎn)極具重要意義［13-15］。

變質(zhì)巖潛山儲(chǔ)層在縱向分布上呈現(xiàn)一個(gè)較為明顯的分層現(xiàn)象，主要分為風(fēng)化殼潛山頂部溶蝕帶、裂縫帶和致密帶儲(chǔ)層。在鉆完井過(guò)程中，變質(zhì)巖潛山儲(chǔ)層極易發(fā)生鉆井液漏失［16-17］。CBG7-5 井在鉆遇變質(zhì)巖儲(chǔ)層時(shí)發(fā)生漏失，漏失量為100～10 000 m3；渤中某區(qū)塊11 口探井作業(yè)中，潛山地層共發(fā)生漏失13 次。 鉆井液漏失導(dǎo)致固相顆粒進(jìn)入儲(chǔ)層，封堵裂縫通道，降低了潛山儲(chǔ)層的滲透率，儲(chǔ)層損害嚴(yán)重，致使油氣生產(chǎn)效率較低。目前針對(duì)鉆井液漏失損害已經(jīng)開(kāi)展了大量工作， 認(rèn)為固相堵塞和水相圈閉等是儲(chǔ)層主要損害方式， 但對(duì)儲(chǔ)層裂縫的損害機(jī)理尚不清楚。 為了探明鉆井液對(duì)不同寬度裂縫的漏失損害機(jī)理， 本文以渤海灣盆地渤中某區(qū)塊為例， 選取該區(qū)塊的鉆井液體系和相似巖性的露頭巖樣，人工造縫模擬不同裂縫寬度的儲(chǔ)層，采用水平井損害評(píng)價(jià)儀模擬鉆井液侵入過(guò)程； 開(kāi)展鉆井液動(dòng)態(tài)損害實(shí)驗(yàn)和濾餅承壓實(shí)驗(yàn)， 探究鉆井液封堵效果和損害特征；綜合分析掃描電鏡、壓汞孔喉分布及鉆井液固相粒度分布等數(shù)據(jù)， 明確了渤中地區(qū)變質(zhì)巖潛山儲(chǔ)層鉆井液損害特征，剖析了鉆井液漏失損害機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品選自天津市薊州區(qū)常州村太古界國(guó)家地質(zhì)公園，主要為渤中凹陷太古界變質(zhì)巖露頭巖樣。全巖分析結(jié)果表明，巖樣中石英、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為24.5%，22.5%，12.0%，7.0%， 另有少量黃鐵礦、菱鐵礦及鐵白云石。黏土礦物以伊利石為主，相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.5%，其次為伊/蒙混層，相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27.0%，高嶺石相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.0%，綠泥石相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.0%。 露頭巖樣礦物組分與井下巖心相近，基本物性參數(shù)見(jiàn)表1，鉆井液選擇礦區(qū)現(xiàn)用PDF-HSD 鉆井液體系。

表1 變質(zhì)巖巖樣基本物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of metamorphic rock samples

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 鉆井液動(dòng)態(tài)損害評(píng)價(jià)

采用西南石油大學(xué)儲(chǔ)層保護(hù)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的MFC-1 型高溫高壓多功能水平井損害評(píng)價(jià)儀，模擬鉆井液侵入過(guò)程。該裝置由鉆井液釜體、巖心夾持器、加熱系統(tǒng)、恒流/恒壓泵、中間容器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及壓力傳感器組成，可以更真實(shí)地模擬儲(chǔ)層溫度、壓力條件開(kāi)展實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖1）。

圖1 MFC-1 型高溫高壓多功能水平井損害評(píng)價(jià)儀Fig.1 MFC-1 high temperature and high pressure multifunctional horizontal well damage evaluation instrument

鉆井液動(dòng)態(tài)損害實(shí)驗(yàn)具體步驟為：1）選擇實(shí)驗(yàn)巖心，將巖心在烘箱內(nèi)烘干48 h，測(cè)量長(zhǎng)度、直徑等基本參數(shù)；2）將圍壓設(shè)定為5.0 MPa，在該圍壓下夾持4 h；3）在圍壓5.0 MPa 下，向巖心內(nèi)驅(qū)替地層水，利用一定時(shí)間內(nèi)計(jì)量的流體體積，計(jì)算巖樣的初始滲透率；4）待實(shí)驗(yàn)溫度到達(dá)80°C，在3.5 MPa 壓差下用鉆井液對(duì)巖樣循環(huán)60 min，并計(jì)量不同時(shí)間的濾失量；5）計(jì)算不同時(shí)間內(nèi)巖樣裂縫內(nèi)的濾餅滲透率；6）設(shè)定不同的返排壓力梯度，測(cè)定不同壓力下的返排恢復(fù)率（不同壓差下的滲透率與巖樣初始滲透率的比值）。

1.2.2 濾餅承壓能力評(píng)價(jià)

受真實(shí)巖樣造縫的局限性， 所獲得的巖樣人工裂縫寬度往往小于100 滋m，鉆井液一般能夠有效封堵該寬度范圍的裂縫。 為了能更深入分析鉆井液漏失所對(duì)應(yīng)的具體裂縫寬度范圍， 進(jìn)一步選取不同裂縫寬度的鋼質(zhì)柱塞巖樣， 利用MFC-Ⅰ型高溫高壓多功能水平井損害評(píng)價(jià)儀開(kāi)展濾餅承壓實(shí)驗(yàn)。

濾餅承壓實(shí)驗(yàn)具體步驟為：1）在操作系統(tǒng)上設(shè)置實(shí)驗(yàn)溫度80°C、壓差3.5 MPa，鉆井液損害時(shí)間為60 min，記錄不同時(shí)間的鉆井液濾失量；2）當(dāng)濾餅形成之后， 設(shè)置不同承壓壓力梯度， 在每個(gè)壓力梯度下承壓10 min，當(dāng)濾失量突然激增后，則認(rèn)為濾餅被破壞，破裂前的壓力即為濾餅所能承受的最大壓力。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 鉆井液動(dòng)態(tài)損害實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜合表2 和圖2 結(jié)果可知，礦區(qū)所用的PDF-HSD鉆井液在溫度80°C、 壓差3.5 MPa 條件下，10 min 內(nèi)能形成有效濾餅封堵裂縫。 在形成濾餅過(guò)程中， 時(shí)間短，濾失量小。在濾餅形成后，濾失量減少，累計(jì)濾失量基本保持不變，對(duì)裂縫具有較好的封堵效果。在返排階段，隨著返排壓差的增大，返排恢復(fù)率有增大的趨勢(shì)。分析可知，巖樣氣測(cè)滲透率越大，鉆井液濾失量越大，返排突破壓力越小，最大返排恢復(fù)率越大，最大返排恢復(fù)率對(duì)應(yīng)的壓差（最佳返排壓差）越小。 鉆井液的最大返排恢復(fù)率為75.95%～86.65%。

圖2 鉆井液循環(huán)損害實(shí)時(shí)結(jié)果分析Fig.2 Real-time result analysis of circulation damage of drilling fluid

表2 鉆井液動(dòng)態(tài)損害實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of dynamic damage of drilling fluid

然而，實(shí)驗(yàn)用巖樣M-1，M-2，M-11 采用巴西劈裂法獲取的裂縫寬度分別為14.77，26.71，43.70 μm，鉆井液在此裂縫寬度范圍內(nèi)能夠快速形成濾餅。 雖然發(fā)生漏失損害的可能性小， 但突破壓力小， 易導(dǎo)致濾餅破裂，可能會(huì)造成鉆井液濾液持續(xù)濾失，與地層水、儲(chǔ)層敏感性礦物不配伍，堵塞滲流通道。

2.2 鉆井液濾餅承壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果

受巖樣人工裂縫寬度范圍的限制， 進(jìn)一步采用50～1 000 μm 裂縫寬度的鋼質(zhì)柱塞巖樣， 明確鉆井液漏失的具體裂縫寬度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。 渤中某區(qū)塊現(xiàn)用PDF-HSD 鉆井液體系在溫度80 ℃、 壓差3.5 MPa條件下形成的濾餅， 對(duì)于150 μm 及以下寬度的裂縫承壓10.0 MPa 無(wú)漏失， 而對(duì)于200 μm 寬度的裂縫在7.0 MPa 下失去封堵能力。因此，應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注200 μm 及以上裂縫寬度范圍，此時(shí)鉆井液固相和液相持續(xù)侵入而誘發(fā)了儲(chǔ)層損害。

表3 鉆井液濾餅承壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of pressure bearing test of drilling fluid cake

3 討論與分析

為進(jìn)一步明確鉆井液長(zhǎng)時(shí)間侵入造成的儲(chǔ)層損害，基于掃描電鏡分析和鉆井液固相粒度分布特征， 明確了儲(chǔ)層主要敏感性礦物類(lèi)型及其與鉆井液濾液的配伍性，分析了濾液對(duì)儲(chǔ)層的損害特征，明確了固相顆粒的侵入程度，綜合揭示了研究區(qū)鉆井液損害機(jī)理。

3.1 濾液與地層水不配伍誘發(fā)損害

隨著裂縫寬度的增加，鉆井液濾失量呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，同時(shí)裂縫內(nèi)濾餅的突破壓力較小，易引發(fā)漏失，鉆井液與儲(chǔ)層流體不配伍而導(dǎo)致儲(chǔ)層損害。 根據(jù)SY/T 5523—2016《油田水分析方法》，使用離子色譜儀ICS-1100 對(duì)渤中某區(qū)塊的地層水礦化度和離子組分進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。 地層水礦化度高達(dá)194 973.76 mg/L，偏堿性（pH 值為8.62），主要為NaHCO3型。 根據(jù)離子組成及其質(zhì)量濃度配制模擬地層水，并開(kāi)展高溫（80 ℃）下PDF-HSD 鉆井液濾液與高礦化度地層水的順序接觸實(shí)驗(yàn)。 由圖3（紅圈中為固相顆粒）可知：濾液與地層水按1∶1（體積比，下同）混合，靜置24 h 后，混合液濁度略有增加，過(guò)濾后濾紙上無(wú)明顯固相顆粒產(chǎn)生，濾液與地層水配伍性較好；濾液與地層水按1∶2 混合，靜置24 h 后，混合液濁度略有增加，過(guò)濾后濾紙上有少量固相顆粒產(chǎn)生，濾液與地層水配伍性較好；濾液與地層水按2∶1 混合，靜置24 h 后，混合液濁度略有增加，過(guò)濾后濾紙上有固相顆粒產(chǎn)生，濾液與地層水配伍性變差。因此，鉆井液濾液在儲(chǔ)層中持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間濾失，接觸地層水后易發(fā)生反應(yīng)，出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，降低儲(chǔ)層滲流能力，造成儲(chǔ)層損害。

圖3 鉆井液與地層水配伍性Fig.3 Compatibility of drilling fluid and formation water

表4 地層水離子組成Table 4 Ion composition of formation water

3.2 濾液浸泡誘發(fā)敏感性礦物分散運(yùn)移

通過(guò)分析渤中某區(qū)塊太古界變質(zhì)巖儲(chǔ)層段敏感性礦物掃描電鏡照片（見(jiàn)圖4）可知，黏土礦物主要為絲片狀和絲縷狀伊利石、伊/蒙混層及鈉長(zhǎng)石，以絲片狀伊/蒙混層呈薄膜式包裹于顆粒表面、絲片狀和絲縷狀伊利石充填粒間孔隙和鈉長(zhǎng)石溶蝕分散于粒內(nèi)溶孔3種形式賦存，與鉆井液濾液接觸后引發(fā)水敏損害，黏土礦物易失穩(wěn)脫落。

圖4 渤中某區(qū)塊太古界潛山變質(zhì)巖礦物掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 Scanning electron microscope photography of minerals of Archaean buried hill metamorphic rocks in a block of Bozhong

3.3 固相顆粒與儲(chǔ)層孔縫結(jié)構(gòu)不匹配

采用激光粒度儀得到鉆井液固相粒度分布， 顆粒累積粒度分布頻率達(dá)到10%，50%，90%所對(duì)應(yīng)的粒徑分別為3.48，42.45，121.17 μm（見(jiàn)圖5a）。 通過(guò)壓汞實(shí)驗(yàn)得到基塊巖樣孔喉分布， 孔喉半徑中值為0.064～0.214 μm，孔喉半徑0.16～0.63 μm 為變質(zhì)巖主要滲透率貢獻(xiàn)區(qū)間（見(jiàn)圖5b）。 對(duì)比分析可知，鉆井液的固相顆粒粒徑大于變質(zhì)巖的孔喉半徑， 固相顆粒不易侵入基塊巖樣，易在裂縫面上沉積形成濾餅封堵裂縫。由鉆井液動(dòng)態(tài)損害和濾餅承壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知： 寬度小于200 μm 的裂縫，以濾失損害為主；寬度大于200 μm 的裂縫發(fā)生漏失損害，存在濾液和固相損害。

圖5 渤中區(qū)塊鉆井液粒度分析及巖樣孔喉分析Fig.5 Analysis of drilling fluid particle size and rock sample pore throat in Bozhong block

如圖6 所示， 結(jié)合鉆井液粒度分析數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)損害實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為：PDF-HSD 鉆井液體系對(duì)寬度50 μm左右的裂縫具有較好的封堵能力； 隨著裂縫寬度的增加，鉆井液侵入裂縫內(nèi)的固相含量增大，形成裂縫內(nèi)濾餅的厚度增大，但濾餅結(jié)構(gòu)變差，其對(duì)裂縫的封堵效果會(huì)變差，承壓能力降低。 根據(jù)濾餅承壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果，PDFHSD 鉆井液體系封堵最大的裂縫寬度為200 μm。將濾餅承壓實(shí)驗(yàn)后的鋼質(zhì)柱塞巖樣剖開(kāi)發(fā)現(xiàn)：在200 μm 以下裂縫內(nèi)，存在黏稠狀殘余固相，同時(shí)裂縫寬度越小，裂縫內(nèi)殘余固相也越少；在300 μm 以上的裂縫內(nèi)，表面濕潤(rùn)光滑，殘余固相少，只在侵入端入口和出口尾部存在少量的殘余固相。

圖6 不同裂縫寬度巖樣鉆井液固相侵入Fig.6 Solid phase invasion of drilling fluid in rock samples with variable fracture width

圖7 巖樣裂縫面掃描電鏡分析Fig.7 SEM analysis of fracture surface of rock samples

在此基礎(chǔ)上， 提出PDF-HSD 鉆井液體系對(duì)潛山變質(zhì)巖巖樣的3 種損害模式：當(dāng)裂縫寬度大于300 μm時(shí)， 鉆井液無(wú)法封堵裂縫， 完全漏失； 當(dāng)裂縫寬度為200～300 μm 時(shí)，能形成裂縫內(nèi)濾餅，但不能完全封堵裂縫，且鉆井液固相顆粒封堵裂縫，降低了有效裂縫寬度， 加劇了儲(chǔ)層應(yīng)力敏感損害； 當(dāng)裂縫寬度小于200 μm 時(shí)，能形成裂縫內(nèi)濾餅，且能夠完全封堵裂縫，以濾失損害為主。

根據(jù)動(dòng)態(tài)損害后巖樣裂縫面的掃描電鏡分析（見(jiàn)圖7），鉆井液固相顆粒主要附著在侵入端近端，隨著深度增加，固相顆粒逐漸減少。固相顆粒附著在裂縫面導(dǎo)致巖樣有效裂縫寬度降低，裂縫滲透率減少，同時(shí)固相顆粒還會(huì)強(qiáng)化裂縫應(yīng)力敏感損害程度［18-19］。

4 結(jié)論

1）根據(jù)動(dòng)態(tài)損害實(shí)驗(yàn)結(jié)果，巖樣氣測(cè)滲透率越大，鉆井液濾失量越大，返排突破壓力越小，最大返排恢復(fù)率越大，最大返排恢復(fù)率對(duì)應(yīng)的壓差越小。鉆井液的最大返排恢復(fù)率為75.95%～89.98%。 雖然濾餅滲透率較小，但液相持續(xù)濾失，長(zhǎng)時(shí)間浸泡加劇了鉆井液損害。

2）根據(jù)濾餅承壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果，鉆井液能夠有效封堵200 μm 及以下寬度的裂縫， 對(duì)于200 μm 以上寬度的裂縫則不能進(jìn)行有效封堵。 將損害后的鋼質(zhì)柱塞巖樣剖開(kāi)發(fā)現(xiàn)，裂縫寬度越大，鉆井液向巖樣內(nèi)侵入的深度越大，同時(shí)殘余固相也越多。 因此，在儲(chǔ)層條件下裂縫寬度越大，鉆井液向儲(chǔ)層漏失的損害程度越大，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率降低，從而降低油氣井產(chǎn)量。

3）PDF-HSD 鉆井液體系對(duì)潛山變質(zhì)巖巖樣的3種損害模式為：當(dāng)裂縫寬度大于300 μm 時(shí)，鉆井液無(wú)法封堵裂縫，完全漏失；當(dāng)裂縫寬度為200～300 μm 時(shí)，能形成裂縫內(nèi)濾餅，但不能完全封堵裂縫，且鉆井液固相顆粒封堵裂縫，降低了有效裂縫寬度，加劇了儲(chǔ)層應(yīng)力敏感損害；當(dāng)裂縫寬度小于200 μm 時(shí)，能形成裂縫內(nèi)濾餅，且能夠完全封堵裂縫，以濾失損害為主。