页岩气储层损害机制及保护水基钻完井液技术

黄维安，邱正松，岳星辰，李树皎，高宏松，曹 杰，刘文迪

(1.中国石油大学石油工程学院，山东青岛266580;2.中国石油长城钻探工程公司，北京100101;3.中海油能源发展股份有限公司天津人力资源服务分公司，天津300452;4.中国石油大学储运与建筑工程学院，山东青岛266580)

页岩气属于一种新型、非常规的油气资源，是储存于暗色泥页岩或高碳泥页岩中的天然气［1－2］。中国的地质条件非常有利于页岩气的富集，可采页岩气资源潜力位居世界第一［3-4］。页岩气自身储集成藏，其一部分以游离态存在于孔隙和裂缝中，一部分吸附于有机质和黏土矿物内表面，以大面积含气、隐蔽圈闭机制、可变的盖层岩性和较短的烃类运移距离为特征［5-7］。因此，在页岩气勘探开发过程中，其储层受到的伤害远大于常规储层，直接影响到页岩气的解吸、扩散和流动［8-9］。笔者以胜利油田沙河街组页岩气储层为研究对象，开展页岩气储层损害机制及保护水基钻井液研究。

1 页岩气储层潜在损害机制分析

1.1 岩石矿物组成

表1为胜利油田沙河街组页岩气储层全岩矿物组成分析结果。可以看出，胜利油田沙河街组页岩气储层中石英平均含量为28%，方解石平均含量为20%，钾长石和斜长石总平均含量为13%，脆性矿物达61%，水力压裂时易产生裂缝网络［10－11］。黏土矿物平均含量达31%，其中利石含量平均达69%(表2)，这有利于页岩气以吸附状态赋存，且对储层后期压裂造缝有利［12］，但伊利石为速敏性矿物，因此页岩气储层同时也存在了潜在速敏性。

表1 胜利油田沙河街组页岩气储层全岩矿物组成分析结果Table 1 Results of mineral composition of shale gas reservoir in Shahejie Formation of Shengli Oilfield

表2 胜利油田沙河街组页岩气储层黏土矿物相对含量分析结果Table 2 Relative contents analysis results of clay minerals of shale gas reservoir in Shahejie Formation of Shengli Oilfield

1.2 岩石矿物微观构造

图1 胜利油田沙河街组页岩气储层矿物微观构造分析Fig.1 Results of mineral micro-structure analysis of shale gas formation in Shahejie Formation of Shengli Oilfield

图1为胜利油田沙河街组页岩气储层矿物微观构造分析。可以看出:胜利油田沙河街组页岩气储层纹理和微裂缝发育，有的矿物颗粒被溶蚀形成溶孔;黏土矿物或夹杂在石英晶体颗粒之间，或填充在溶蚀孔隙中;部分石英晶体被溶蚀形成小碎屑颗粒。页岩气储层中石英和黏土矿物这种“互嵌”、“互填”式微观构造，一方面有利于增加页岩气储层孔隙体积和增强渗透性，同时也增加了微粒运移和速敏性损害机制。

1.3 孔隙结构分析

采用阿基米德原理－气体膨胀置换法、毛细冷凝现象和体积等效交换原理［13］，分析了胜利油田沙河街组页岩气储层的孔隙度和孔径分布特征，结果见表3和图2。结果表明，页岩样品的孔隙度分布在0.45% ～2.50%，孔径范围在1.7～66.3 nm，平均孔隙直径主要分布在4.54～6.17 nm。由此可知，页岩岩心的孔隙不发育，且大多数孔隙直径只有几个纳米，为典型的低孔隙度储层。

表3 胜利油田沙河街组页岩气储层的孔隙度及孔径分布测量结果Table 3 Results of porosity measurement and aperture distribution of shale gas reservoir in Shahejie Formation of Shengli Oilfield

图2 胜利油田沙河街组页岩气储层BJH法孔径分布测试曲线Fig.2 Aperture distribution test curve of shale gas reservoir in Shahejie Formation of Shengli Oilfield by BJH method

1.4 页岩渗透率特征分析

按美国石油学会标准API RP-40要求，采用脉冲衰减法，在模拟地层覆压条件下，测试了胜利油田沙河街组页岩气储层对甲烷气体的克氏渗透率，其计算式［14］如下:

式中，K为气测渗透率，μm2;p1为岩样上流的压力，MPa;V1和V2分别为上、下流容器体积，m3;pf为V1和V2平衡压力值，MPa;A为样品横截面积，m2;L为样品长度，m;β为流动介质的压缩率，MPa－1;μ为黏滞系数，Pa·s;c为积分常数;t为V1的压力衰变时间，s。

测试结果表明，胜利油田沙河街组 3.530、3.532、3.572 km岩心的渗透率分别为0.018×10－3、0.026 × 10－3和 0.011 × 10－3μm2，分布在0.011 ×10－3～0.026 ×10－3μm2，属于超低渗储层。

2 页岩气储层敏感性评价

对于超低渗透率的页岩气储层，不能依据SY/T5358-2010储层敏感性流动实验评价方法进行敏感性分析。为此，结合页岩气开采特点，利用页岩本身毛管自吸效应强的特征，采用真空饱和方法使实验流体进入到测试岩样中，并通过非稳态的脉冲衰减法测试岩样对高纯氮气的渗透率变化，以此判断其敏感性类型及强弱。

2.1 水敏性评价

首先用标准盐水饱和页岩岩心24 h，用高纯氮气测定岩心的克氏渗透率ki，再分别用次标准盐水和去离子水饱和岩心，测试岩心的渗透率ki1和ki2。实验结果见图3。从图3看出，胜利油田沙河街组页岩岩心的平均水敏性损害程度为26.2%，属于中等偏弱。

图3 水敏测试实验曲线Fig.3 Experimental curves of water sensitivity test

2.2 盐敏性评价

分别测试页岩岩心用标准盐水、3/4标准盐水、1/2标准盐水、1/4标准盐水、1/8标准盐水和去离子水真空饱和前后的高纯氮气渗透率。实验结果见图4。从图4看出，胜利油田沙河街组1号岩心的临界矿化度为30 g/L，渗透率损害率为22.5%，2号岩心的临界矿化度为20 g/L，渗透率损害率为24.2%，盐敏损害规律与水敏损害规律基本吻合，表明该页岩气储层存在中等偏弱的水敏性损害。

图4 盐敏测试实验曲线Fig.4 Experimental curves of salt sensitivity test

2.3 碱敏性评价

配制不同pH值的盐水。首先用标准盐水真空饱和岩心(pH=7)，然后逐级升高pH值，最后一级盐水的pH值定为12，测定每个pH值下岩心的高纯氮气渗透率(图5)。从图5看出，胜利油田沙河街组1号岩样碱敏指数为23%，2号岩心碱敏指数为15.2%，均为中等偏弱碱敏，临界pH值为10。

图5 碱敏测试实验曲线Fig.5 Experimental curves of alkali sensitivity test

2.4 应力敏感性评价

在低孔低渗和裂缝性储层中，应力敏感性损害相对更为严重。应力敏感性评价是在模拟围压条件下考察物性随有效应力的变化关系。本研究在有效应力分别为 2.5、5、7.5、10、20、30、40 MPa 下，测试了胜利油田沙河街组页岩岩心的应力敏感性损害。页岩岩样对应力的敏感性可用Ss表征，Ss越大，岩样的应力敏感性越强。其计算式如下:

即

式中，Ss为应力敏感性系数;σ和 k为有效应力(MPa)和对应有效应力点的渗透率(10－3μm2);σ0和k0为初始测点的有效应力(MPa)和渗透率(10－3μm2)。

实验结果见图6、7。可以看出，胜利油田沙河街组页岩岩心受有效应力影响较大，有效应力小于10 MPa时，渗透率随有效应力的增加下降较快，有效应力大于10 MPa时，渗透率随有效应力的增加变化较小;从应力敏感性系数看出，渗透率的应力敏感程度为中等。

图6 应力敏感性测试实验曲线Fig.6 Experimental curves of stress sensitivity test

图7 应力敏感性系数Fig.7 Stress sensitivity coefficient

3 页岩气储层保护水基钻完井液

针对胜利油田沙河街组页岩气储层低孔隙度、超低渗透性特征，以及存在的水敏性、碱敏性、应力敏感性损害，保护该储层的水基钻完井液性能应满足以下几点:

(1)合理的密度。钻完井液密度过低不足于平衡页岩气储层孔隙压力，密度过高会使井底压差增大，增加钻完井液侵入页岩气储层的量，加大损害程度。

(2)较强的抑制性。页岩中的黏土矿物水化产生的微小膨胀也会堵塞微裂隙，降低储层导流能力，需加强钻完井液抑制性，特别是加强防止页岩表面水化，从根本上降低页岩气储层的水敏性和增强井壁稳定性。

(3)较低的表面张力。页岩中有机质和黏土矿物颗粒具有较大的比表面积，外来流体表面张力较低，液体分子能占据更多的有机质和黏土矿物表面，减少甲烷吸附的有效表面积，促进页岩气的解析;同时外来流体的表面张力越低，在微裂隙中形成的毛细管压力越小，减小水锁效应对气体流动的影响。

(4)pH值不宜过高。页岩气储层存在碱敏性损害，pH值过高的强碱性钻完井液会降低储层的渗透率，钻井液的pH值不宜过高，最好不超过10。

为有效降低液锁损害，研发了具有低表面张力特性和润湿反转特性的微乳型页岩气储层保护剂YYBH-1;为抑制水敏性损害，开发了高效聚胺类表面水化抑制剂BMYZ-1。通过优化其他处理剂和配伍性优化，研制出了页岩气储层水基钻井液体系YYZJY:3% ～4%膨润土+0.15% ～0.3%高黏羧甲基纤维素CMC-HV+1% ～2%羧甲基淀粉CMS+1%～2%微纳米级可变形弹性封堵防塌剂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体系的基本性能及抑制性评价结果见表4。可以看出，YYZJY体系黏度和切力适中，API和高温高压滤失量均较低，页岩回收率达99.21%、页岩膨胀率降低达76.44%，抑制性强。

表4 YYZJY体系的基本性能及抑制性评价结果Table 4 Evaluation results of basic performance and inhibition of YYZJY system

3.2 润湿性及低表面张力特性

将胜利油田沙河街组页岩岩样磨光片在2000号金相砂纸上抛光、去氧化膜，放入2% ～5%的NaOH溶液中煮沸2～5 min，分别测试用YYZJY体系滤液处理前后页岩表面对标准盐水的接触角和25℃下用铂金板法测定实验液的表面张力，结果见图8、9。

图8 YYZJY体系对页岩润湿性的影响Fig.8 Effect of YYZJY system on wettability of shale

图9 YYZJY体系滤液表面张力随浓度的变化Fig.9 Surface tension change with filtration of YYZJY system in tested liquid

从图8看出，YYZJY体系滤液处理后，胜利油田沙河街组页岩对标准盐水的接触角增大、亲水性减弱，这有利于返排页岩气储层中的水、降低其饱和度。从图9看出，YYZJY体系滤液在实验液中浓度增大，实验液表面张力降低，当其浓度达到4%后，表面张力降低缓慢，最终趋于平稳值22.6 mN/m，YYZJY体系滤液的低表面张力特性有利于降低其毛管压力、促进其返排。

3.3 对页岩渗透率伤害评价

选用胜利油田沙河街组页岩岩心，利用PDP-200型气体渗透率测量仪测量岩心饱和前后渗透率的大小，并计算渗透率损害率。采用真空饱和方法使实验流体进入到测试岩样中。从表5看出，实验流体对岩心渗透率均有不同程度的损害，清水对岩心渗透率的损害率最高(68.5%)，YYZJY体系滤液最低(41.2%)，较清水有显著降低，其保护页岩气储层效果最佳。

表5 实验流体对岩心渗透率伤害实验结果Table 5 Results of core permeability damage by different experiment fluids

3.4 对页岩吸附特性影响评价

页岩气的产出经历解析－扩散－渗流的过程，与常规气藏不同，页岩气的产出还需考虑外来流体对解吸过程的影响［15］。将胜利油田沙河街组页岩岩心饱和不同实验流体，测试了它们对页岩吸附性能的影响。根据等温吸附理论［16－17］，可通过Langmuir参数反映解吸难易程度，Langmuir体积VL是每克吸附剂的表面覆盖满单分子层时的吸附量，表征煤具有的最大吸附能力，Langmuir压力pL是解吸速率常数与吸附常数的比值，表示页岩的吸附量为其最大吸附量一半时的压力。因此，吸附等温实验中VL越小pL越大，则越有利于页岩气的解吸。从表6和图10看出，经YYZJY体系滤液处理后的岩样吸附量最小，且Langmuir体积VL最小，最有利于页岩气解析，经YYBH-1溶液处理后的岩样其次。

表6 不同实验流体作用后页岩吸附等温线Langmuir参数Table 6 Langmuir parameters of adsorption isotherm after shale absord different fluids

图10 YYZJY体系滤液对页岩吸附特性影响Fig.10 Effect of filtration of YYZJY system on characterization of adsorption of shale

4 结论

(1)胜利油田沙河街组页岩气储层黏土矿物以伊利石为主，发育微裂隙，孔隙度分布在0.45% ～2.50%，平均孔隙直径主要分布在4.54～6.17 nm，渗透率小于0.03×10－3μm2，为低孔超低渗储层。

(2)胜利油田沙河街组页岩气储层存在中等偏弱水敏性和碱敏性，中等程度应力敏感性损害。

(3)研制的页岩气储层水基钻井液可有效抑制水敏性，通过降低滤液表面张力和改变润湿性增强水的返排能力，降低页岩渗透率损害率和促进甲烷气体解吸附，具有综合的页岩气储层保护作用。

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