页岩气水平井储层保护难点分析与技术对策

童庆恒，张洁，南小宁

（1.中国石油钻井工程技术研究院，北京102206；2.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249）

页岩气水平井储层保护难点分析与技术对策

童庆恒1，2，张洁1，南小宁1，2

（1.中国石油钻井工程技术研究院，北京102206；2.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249）

近年来，国内页岩气的勘探开发进入规模化开发初期阶段，由于页岩气储层具有低孔低渗、成分复杂且含量变化范围大等特点，相关配套的储层保护技术研究仍然匮乏或者存在诸多争议。针对此问题，在充分调研国内外文献的基础上，并结合国内储层保护技术发展现状，笔者大体上从四个方面阐述页岩气水平井储层保护研究面临的难点，分别为：钻井过程中储层保护争议、储层润湿性、储层岩石液体自吸、储层岩石基质渗透率，基于上述四个方面研究难点，笔者同时提出一系列对应的技术对策与研究方向，供相关工程技术人员或研究学者学习和参考，为进一步开展储层保护研究提供借鉴。

页岩气；储层地质特征；储层保护难点；技术对策

目前，世界日益增长的能源需求迫使人们将目光转向非常规油气资源。近年来，水平井和多级分段水力压裂技术的进步使非常规油气的有效开发成为可能，尤其以页岩气为代表的新兴能源最为火热。随着美国和加拿大页岩气成功开发，国内的页岩气革命也在不断加速，但在页岩气开发的过程中，人们往往忽视页岩气储层保护的重要性，且国内目前对页岩气储层研究也处于初始阶段，相关的针对页岩气储层的保护技术还停留在常规储层保护技术层面上，直接影响着页岩气勘探开发的综合经济效益。

因此，在页岩气水平井钻井和储层改造的过程中，解决好储层保护问题就成为成功且持续的开发页岩气的关键。基于页岩气储层特征及相关工艺技术特点，本文在文献资料分析的基础上，就页岩气水平井储层保护技术难点与要求以及下步的研究方向进行了初步探讨。

1 储层一般特征

页岩气是指生成、储集和封盖均发生于页岩系统中，产自极低孔渗、富有机质页岩储层系统并以游离和吸附态赋存为主，存在于微-纳米级孔-缝、颗粒表面的天然气。其气藏主要不受构造控制，大面积不均质连续分布，且无明显圈闭界限，源储盖一体，属于特殊的岩性气藏；有机质丰度高（TOC＞2%），类型较好，并具有较高的成熟度（Ro＞1.1%），以产气为主，同时页岩产层埋藏浅，连续厚度大，一般在30 m～50 m，资源规模大，非均质性强，局部有“甜点”；储集层非常致密，Φ在4%～6%范围，K一般小于0.001 mD，以纳米级孔隙为主；潜在页岩气储层还含有较复杂的矿物组成，主要由石英、长石、斜长石、方解石、白云石等碎屑矿物和高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石、海绿石等常见的粘土矿物构成，并且各矿物成分含量变化范围非常大［1］。其中粘土的含量被认为与页岩样品的压力敏感性直接相关［2］（Alramahi and Sundberg，2012），此外部分粘土矿物会遇水发生水化膨胀，渗透率发生改变，也可能对页岩气储层造成不利的影响。

2 页岩气储层保护难点分析

2.1 钻井过程中的储层保护面临的争议

针对页岩气藏的储层一般特征，目前国内一般采用浅层大位移井、丛式水平井进行开发［3］。但在关于钻井过程中页岩气储层需不需储层保护，国内学者对此争论不休。部分学者认为钻井过程中页岩气储层不需要保护，前期近井地带的储层损害可以在后期的水力压裂过程中得到消除，这一观点同现场生产状况吻合，即水力压裂前，页岩气几乎没有产量。在经过水力压裂等增产措施后，初期气产量递减较快，后期趋于稳定，平均日产1×104m3～2×104m3，因此这些学者认为前期的储层保护措施是多余的，没有进行的必要；以黄维安为代表的国内学者认为页岩气储层必须进行保护，没有前期的储层保护技术措施，后期的施工效果也会相对受到影响，前期的储层保护措施有助于减轻后期的压裂工艺与压裂液对储层的伤害程度，且储层保护投入的程度低于由此产生的增加产量的经济效益，并提出保护页岩储层的水基完井液技术，其室内实验表明该体系能有效防止水敏性，增强水的返排能力，降低页岩渗透率损害率和对甲烷气体的吸附能力，具有优良的页岩气储层综合保护作用［4］。

2.2 储层岩石润湿性

储层岩石润湿性是指岩石对液体的亲和力，正确的认识页岩气储层岩石的润湿性对优选压裂液体系及各种添加剂、研究残余相饱和度和岩石孔隙尺度、研究岩石断裂面水锁堵塞、选择相关毛细管压力和相对渗透率模型用来做油藏工程计算具有非常重要的意义。常规储层岩石的润湿性可以用多种方法来测定，包括：平衡接触角测定法、Amott润湿性指数法、USBM润湿性指数法、自吸实验法、相对渗透率迟滞法、NMR法［5］。但是，常规测试方法难以用来准确测定岩石的润湿性，且页岩气储层岩石的润湿性由很多因素决定，如岩石的矿物成分和岩石表面覆盖物的性质等。以美国Horn River页岩样品为例，常规方法平衡接触角测定显示该样品对油润湿，但基于吸水实验显示，该地区的页岩样品却是对水润湿的。

页岩气储层岩石润湿性测试的最大的困难还是在于岩石复杂的孔隙结构，这些孔隙结构有可能是由疏水的有机材料构成，或者是由亲水的无机材料构成，常规的测试方法几乎不能用来测试致密储层岩石的润湿性，原因在于岩石的超低渗透率［6］。由此可见，关于页岩储层岩石的润湿性的微观机理和主控因素还需做进一步的研究。

2.3 储层岩石液体自吸

目前，当页岩气等非常规油气藏在进行水平井和水力压裂的开发模式时，超低渗透非常规油气藏可以取得很好的经济效益。但在进行水力压裂液体清理阶段时，只有很少的一部分可以被回收，约10%～20%［7］。液体的自发吸入被广泛认为是压裂液损失和水回收失败的主要机理。液体自发吸入到岩石基质去以后，会严重损害储层的绝对渗透率，究其原因，主要是因为岩石基质中粘土膨胀与分散（Scott et al，2007）［8］。更进一步来说，在低渗透储层，毛细管压力可以达到数百Psi，“水锁效应”造成了气体的相对渗透率的下降，影响了气体生产（Shaoul et al，2011）［9］。然而，在页岩气致密储层中，岩石基质对水、盐水、表面活性剂的自吸也被认为是一种提高油气产量的方法（Wang ea tl.，2011，2012）［10，11］，此外，页岩结构中存在粘土矿物也会吸收相当部分的水，这种吸收会在岩石基质中对水形成一个网状流动，进而使粘土层分离形成一个膨胀压力（Chenevert，1970a）［12］。这些膨胀压力会造成岩石基质膨胀和诱导微裂缝的形成，提高储层的绝对渗透率和降低页岩储层岩石基质的密度。总之，关于页岩的有机质、页岩对液体的自吸和页岩的层理结构研究较少，很少有相关报道。同时对不均质性储层来说，影响自吸速率的因素也不明确。

2.4 储层岩石基质渗透率

渗透率是所有的储层岩石性质中最基本的参数之一，对含气储层的勘探与开发具有重要的意义。储层损害评价中，最基本的问题是页岩渗透率测量方法。较准确测定渗透率，则渗透率恢复率的数值可信度高，对应储层损害程度的评价才能较准确。同常规气藏一样，渗透率等参数也是页岩气储层伤害评价的基础参数，然而，由于页岩气储层低孔低渗的特征，许多页岩气藏和超低渗致密气藏的基质渗透率在几十至几百个纳达西范围内，使其难以使用常规的渗透率测量方法，这些岩石的微孔隙结构违背了达西定律成立的基本假设，因此，达西定律并不能描述真实气体的行为以及在多孔介质中迁移现象，而常规的储层保护实验技术却主要是以达西定律为基础，并不适合页岩气储层。尽管国内外很多知名学者如Brace、Luffel、Cui、Metwally、Christopher等都在尝试着提出各种模型或者公式去测定计算页岩气储层岩石的渗透率，但效果不是很理想，与实际情况仍然存在着一定的偏差。目前，一般广泛使用压力脉冲衰减法来测定致密储层渗透率，此法理论成熟、操作简单且计算快捷，但其对样品非均质性和裂缝的影响极为敏感，同时所测的渗透率并不一定完全代表整块岩样的渗透能力［13］。此外，在实验过程中此法极易受各种因素影响，实验数据重复性不强，数据因人而异，国内急需制订关于测定渗透率小于10-3μm2的页岩气储层岩石的行业标准。所以，储层岩石基质渗透率测定也是进行页岩气水平井储层保护直接面对的难题之一。

3 技术对策与研究方向

前面从四个大的方面论述了国内页岩气开发过程中关于储层保护研究所面临的亟待解决的难点，面对难点，并结合国内页岩气储层特征研究现状，利用国内外现有的储层保护技术理论与实践，提出以下几点相应的储层保护技术对策与研究方向：

（1）迅速消除钻井过程中储层保护争议，即开展钻井过程储层损害与压裂后页岩产气量关系研究，从经济效益上来衡量储层保护技术投入与产量之间的变化关系，并从中寻找到平衡点。具体的工程上储层保护技术措施为：钻井实践过程中尽量采用价格低廉且储层保护效果较好的完井液体系，降低甚至消除页岩气储层潜在的物理和化学损害因素，避免前期的技术措施对储层造成不利影响，为后期的开采工艺打下一个良好的开端。

（2）深入研究页岩气储层岩石的微观孔隙结构及孔隙通道表面覆盖物，找出影响储层岩石润湿性的主控因素，总结归纳有机页岩润湿性变化机理，使得相关储层保护措施有的放矢、主次分明，避免过去用于解决次要影响因素的开采成本，宏观上技术对策表现为优化压裂液配方，防止储层岩石发生液相堵塞，增强气体的导流能力。

（3）开展页岩气储层岩石基质对压裂液基液的自吸行为与渗透率的关系研究，以自吸速率、自吸体积量方面为主，明确影响自吸速率、自吸体积量的主要因素，同时研究离子扩散速率和岩石基质的层理结构对自吸体积影响等方面变化规律，相对应的工程上的技术对策为针对特定的页岩气储层，优选压裂液体系，合理的制定压裂液返排指标，保证页岩气的渗透率。

（4）研究或优选一套测定致密页岩渗透率的方法，制定成行业标准，并开展岩基质裂缝渗透率的计算与模拟，准确的描述压裂后气体在裂缝的导流能力，为形成页岩气储层保护系列室内实验技术奠定基础。

4 结论与建议

（1）储层保护技术研究是一项长期系统的工程，随着科学技术的进步，所研究的对象相较于常规储层，结构将会更复杂，考虑的因素更多，应该加大对储层保护技术研究人力物力的投入，为非常规油气资源的高效开采保驾护航。

（2）克服页岩气水平井储层保护难点，分析储层潜在的损害因素，研究和揭示页岩气储层伤害机理，提前预防或减轻储层损害，为后续的现场保护措施提供理论依据。

（3）充分调研国外相关技术文献，吸取国外经验教训，并结合国内储层保护技术研究现状，形成适合我国地质条件的一系列储层保护技术，缩短我国与先进国家在储层保护技术研究上的差距。

［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］王中华.页岩气水平井钻井液技术的难点及选用原则［J］.中外能源，2012，（4）：43-47.

［4］黄维安，邱正松，岳星辰，等.页岩气储层损害机制及保护水基钻完井液技术［J］.中国石油大学学报（自然科学版），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］赵立翠，王珊珊，高旺来，等.页岩储层渗透率测量方法研究进展［J］.断块油气田，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

国家自然科学石油化工联合基金重点支持项目“页岩气钻探中的井壁稳定及高效钻完井基础研究”，项目编号：U1262201。

童庆恒，男（1988-），湖北黄冈人，中国石油大学（北京）在读硕士研究生，目前在中国石油集团钻井工程技术研究院实习，主要从事钻井液、完井液与储层保护技术相关研究工作，邮箱：819173690@qq.com。