页岩气钻井储层潜在损害分析和保护技术探讨

童庆恒，张洁，南小宁，赵泽，王双威，赵志良

（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）石油工程教育部重点实验室，北京102249；3.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京102249）

专论与综述

页岩气钻井储层潜在损害分析和保护技术探讨

童庆恒1，2，3，张洁1，南小宁1，2，3，赵泽1，2，3，王双威1，赵志良1

（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）石油工程教育部重点实验室，北京102249；3.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京102249）

随着我国传统油气资源的日趋紧缺，页岩气成为近十年来我国最具有吸引力的新兴能源之一。目前，我国页岩气研究起步较晚，开发技术相对落后，在钻井的过程中不适当的操作及处理，页岩气储层极易受到不可逆的伤害，此时，储层潜在损害因素分析和保护技术讨论显得尤为重要。文章以页岩气储层为例，在系统调研了国内外钻井过程中页岩气储层相关文献的基础上，并结合我国页岩气储层的地质特征，总结归纳了页岩气储层潜在损害因素与保护技术，并提出应立即全面开展页岩气储层伤害机理、评价标准和保护技术研究的建议。

页岩气；储层地质特征；储层伤害；储层保护

近年来，随着我国经济快速发展，我国对能源消费需求不断攀升，常规油气资源产量日益下降，能源供应形势严峻，油气勘探开发领域从常规油气资源不可避免向非常规油气资源跨越。非常规油气资源已越来越受到世界各国的关注，并展现出巨大的潜力。非常规油气资源主要有煤层气、致密气、致密油、页岩气、页岩油、油页岩、油砂、天然沥青、天然气水合物等，它们在自然界蕴藏丰富，具有良好的开发利用前景。根据可采资源量和开采潜力，中国页岩气资源潜力约30×1012m3～166×1012m3，可采资源量约为7×1012m3～45×1012m3［1］，与美国相近。开发和保护好这些非常规油气资源是我国能源行业面临的一项重要任务，也是未来世界能源发展的趋势。

页岩气（shale gas）是指主体上以吸附和游离状态存在于微纳米级孔隙度、特低渗透率和富含有机质的暗色泥页岩或高碳泥页岩层系中连续聚集的以甲烷为主的天然气。在页岩气藏中，页岩气亦可存在于该层系中的粉、细砂岩、泥质粉砂岩或砂岩夹层中［2］。页岩气的赋存形式具有多样性，既可以在天然裂缝和孔隙中以游离方式存在，也可以吸附在干酪根和粘土颗粒表面，甚至还可以在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。但其主要存在方式为吸附或游离，且吸附和游离气体含量与岩石结构、矿物组成、孔隙分布、表面有机成分、黏土含量以及储藏压力和温度等因素有关。

1　储层地质特征

在页岩气成藏形成过程中，会产生许多微裂缝和孔隙，这些微裂缝和孔隙对页岩气的储存具有重要意义，同时也是页岩气储层伤害机理研究的主要对象。页岩气储层的空气渗透率一般小于1×10-3μm2，孔隙范围为5 nm～200 nm，一般为微裂缝-孔隙结构，裂缝较不发育，因此具有低孔、特低渗致密的物性特征，例如我国川南龙马溪组页岩气储层和美国barnett页岩储层［3］。此外，页岩气储层还含有比较复杂的矿物组成，除常见的黏土矿物（高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石、海绿石）外，还混有石英、长石、方解石等碎屑矿物以及碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐等自生矿物。以四川盆地及周缘下古生界页岩为例，经统计得其矿物组成平均质量分数范围［4］（见表1）。其中部分粘土矿物会遇水发生水化膨胀，容易造成页岩气储层损害。

表1　四川下古生界黑色页岩储层X衍射分析数据

2　储层潜在损害因素分析

我国对页岩气的勘探开发起步较晚，目前页岩气钻井主要考虑页岩气储层段井壁稳定问题，人们对页岩气钻井过程中可能存在的储层伤害问题研究较少，并且评价页岩气钻井过程中储层伤害机理的研究方法以常规储层保护实验技术为主，而常规储层保护实验技术仅适用于空气渗透率大于1×10-3μm2的碎屑岩岩样，并不符合低渗的页岩气储层的实际情况。尽管郭为、Bustin Amanda、M.Howard James J、Luffel D.L.、Karastathis Argyrios等国内外诸多学者采用各种手段测定页岩气储层渗透率、孔隙度，但准确测定这些表征储层损害的参数仍然存在困难，且国内外并没有形成统一的、权威的测定标准［5］。因此，对于页岩气储层伤害方面，国内外并没有足够的研究成果证明，造成页岩气储层伤害的明确因素有哪些。本文综合考虑国内外气井，特别是致密气井钻井过程中遇到的问题，结合页岩气井所用钻井液现状，分别从页岩气储层与钻井流体相互作用的角度和钻井施工过程角度，分析页岩气钻井过程中潜在的储层损害因素。

2.1储层与钻井流体作用导致储层伤害

页岩气钻井过程中，钻井液、完井液等钻井工作流体与页岩气储层岩石、储层流体直接接触和作用，可能导致储层渗透率和孔隙度下降。从页岩气储层和钻井流体作用角度上看，主要有2个大的方面6个小的方面潜在储层损害因素：

2.1.1物理损害

2.1.1.1应力敏感损害应力敏感性是指随有效应力增加，多孔介质孔隙度、渗透率急剧降低（一般要降低1/10～1/2）的性质。国外早在1979年认识到页岩气储层存在的应力敏感问题，Stephen A.Holditch等［6］将页岩中粘土矿物水化膨胀作为页岩气储层应力敏感的“罪魁祸首”。梅青等［7］（2010）则认为随有效压力增加，致密储层（如页岩气储层）中发育的裂缝、大量扁平或片状的喉道及毛细管闭合，从而造成渗透率大幅度降低。页岩气储层作为一种特殊的致密储层，上述两种因素造成的应力敏感伤害可能都存在。

2.1.1.2相圈闭损害相圈闭分为油相圈闭和水相圈闭，其中以水相圈闭较为常见。Mitchel Tsar等［8］（2012）认为致密气藏由于储层喉道细微、孔隙度狭小，具有很强毛管力。在毛管力作用下液体会自动被吸入岩石中，导致水相饱和度增加，气相渗透率降低，储层水相圈闭损害严重。Lijun You，Yili Kang［9］（2009）通过实验验证了钻井液滤液侵入并滞留在致密地层后，由此引发了严重的水锁效应。因此相圈闭损害也可能是页岩气储层的一种重要的潜在损害形式。

2.1.1.3微粒运移与固相侵入损害钻井液中各类固相颗粒侵入页岩气储层后和页岩气藏孔隙中矿物颗粒的分散运移，会导致页岩气储层有效渗透率下降而损害页岩气储层。作为公认的可能储层损害形式，在此仅作简单论述。

2.1.2化学损害

2.1.2.1化学结垢与处理剂吸附损害钻井液中处理剂与储层岩石和流体作用产生化学沉淀以及处理剂本身的物理吸附，也可能对页岩气储层造成伤害。如钻井液中碱类物质与Ca2+、Mg2+等作用产生的化学沉淀；高分子处理剂在页岩气储层孔喉上吸附，缩小孔喉直径。以硅酸盐钻井液为例，硅酸盐钻井液作为一种有效的油基钻井液替代品，具有高碱性、强封堵性，在国外先后应用于Fayetteville和Barnett页岩。当硅酸盐钻井液与地层流体相接触时，pH值下降，硅酸盐形成凝胶，硅酸盐钻井液还可与储层中Ca2+、Mg2+反应生成沉淀，这两种作用都会导致储层孔渗通道堵塞。Ward，I.等［10］（1997）通过实验测定岩样被加入一定量的硅酸盐钻井液污染后的渗透率恢复值，发现渗透率恢复程度甚至不足40%。可见，硅酸盐钻井液确实会大幅降低储层渗透率。

2.1.2.2乳液堵塞目前，在水基钻井液、油基钻井液和合成基钻井液这三大类钻井液中，油基钻井液在国内外页岩气井的使用最广泛。截至到2012年，国外油基钻井液的应用约占50%，其中非常规油气藏钻井60%以上采用油基钻井液。在加拿大HornRiver盆地和美国Marcellus几乎全部使用油基钻井液。国内的沁页HF-1井、渤页HF-1井、建页HF-1井、建页HF-2井、新页HF-2井、涪页HF-1井、威201-H3井均采用油基钻井液体系。尽管没有确切的研究证明油包水钻井液滤液进入页岩气储层后，由于乳化剂作用，会形成乳液造成页岩气储层损害。但国外墨西哥湾气田使用油包水钻井液过程中，地层滤液进入储层产生乳液，导致完井后试气试采产量低，部分井几乎没有产量，而在采用补注处理液消除乳液后，产量明显上升［11］。可见，钻井过程中，油包水钻井液滤液进入页岩气储层，也可能对页岩气储层造成严重伤害。

2.1.2.3润湿反转与生物损害钻井液中部分表面活性剂侵入页岩气储层后，可能改变页岩气储层孔道的润湿性，从而使页岩气储层的气相有效渗透率降低。此外，钻井液中如果存在细菌，这些细菌可能会在地层孔隙中进行繁殖、衰亡，细菌的代谢产物和细菌的消亡产物将会堵塞页岩气储层渗流通道，从而使页岩气层储层有效渗透率降低［12］。

2.2施工过程导致的储层伤害

从钻井工程作业角度看，页岩气钻井过程中，主要有3个小方面的储层潜在损害因素：

2.2.1压差损害为了确保钻井安全，在钻井施工中通常使钻井液柱压力大于地层压力1.0 MPa～2.0 MPa［13］。过平衡钻井虽然有利于安全钻进，但钻井液极易侵入页岩气储层。在形成泥饼前，在压差作用下侵入页岩储层的固体颗粒可能堵塞页岩气储渗通道；侵入页岩储层的水相可能引起粘土水化分散、微粒运移而堵塞页岩气储层渗流通道。此外，随着施工作业时间的延长，页岩气储层压差损害程度也会加剧。

2.2.2钻井液返速和钻具摩擦挤入损害当钻井液环空返速过大时，钻井液循环对井壁的冲蚀和切削作用，以及井眼不规则或钻具弯曲形成钻具与井壁的摩擦均会导致井壁滤饼变薄，甚至井壁部分裸露。当井壁泥饼遭到破坏后，钻井液固相微粒和水相侵入页岩气储层，同样可能导致固体颗粒堵塞、粘土水化分散和膨胀等形式的储层伤害。同时，钻具在井眼中偏心转动、滑动还会使一些微粒和钻屑被挤入地层，造成储层伤害。通过井壁取心和全尺寸岩心分析可以说明此现象的存在［14］。

2.2.3起下钻损害起下钻时引起的钻井液压力波动变化也会损害页岩气储层。快速起钻时会降低钻井液压力从而可能造成泥饼脱落，在起钻结束后，需要重新形成一定泥饼；而下钻过快则会增大钻井液对井底的激动压力，加速钻井液固相颗粒和滤液侵入地层，增加钻井液滤液和固相颗粒侵入页岩气储层深度。

3　储层保护技术措施

正如贝克休斯的Lucas G.M.S等［15］（2011）强调的，储层保护不应该以治理为主，而应该以预防为主。因此，针对上述总计9个小的方面储层潜在损害因素，并结合页岩气储层其自身特殊性，提出以下相应的储层保护技术措施：

（1）优质的钻井液体系：钻井液作为钻井的血液，除了人们所熟知的7大功用外，一种优质的钻井液体系在钻页岩储层时可以大大降低甚至消除页岩气储层潜在物理和化学损害因素，如为了能够大幅度减小钻井过程中产生的水锁损害和生物损害，可以在钻井工作液中添加适用于低渗透储层的防水锁剂、氧化剂和各种杀菌剂等；为了减轻微粒运移与固相侵入损害，可以在钻井液体系中添加粘土微粒防运移剂和屏蔽暂堵剂，所以优质的钻井液体系是页岩气储层保护的关键。目前，运用屏蔽暂堵技术来保护页岩气储层是一个较好的方向，但国内适用于页岩储层的微纳米屏蔽暂堵技术还比较落后，需要作进一步的研究。

（2）钻井施工损害因素上的储层保护：对于页岩气储层，在开钻前，进行合理的井身结构设计并在钻机上安装起下钻速度警报器，同时优选钻井液排量，使钻头和循环系统的水力能量分配达到最合理，减小甚至消除起下钻损害和钻井液返速损害；在钻井过程中，增加工作液的润滑性和携屑清洗井眼的能力，减小岩粉挤入损害，尽量缩短作业时间并实时调控井底压力，以确保储层段井底压力始终低于地层压力，即利用欠平衡钻井技术防止压差对页岩气储层造成压差损害，此外，欠平衡钻井技术还可以部分抑制水相圈闭损害。美国haynesville页岩就是采用欠平衡和控压钻井技术的成功案例，不仅保护了页岩气储层，同时平均缩短了20 d钻井周期。

4　结论与建议

（1）页岩气储层与常规储层相比较更复杂，需要考虑的因素更多，其储层的评价与损害机理方面还研究的不够透彻，随着国家对新能源的重视，建议全面开展页岩储层伤害机理研究，确定页岩气储层主要损害机理，建立一套适合我国地质情况的页岩气储层评价标准。

（2）选择何种页岩气储层保护技术，需要首先分析储层孔隙结构的特点、所含粘土矿物的分布、类型及数量、地层水的性质及各种微粒的类型，根据储层的潜在影响，进行敏感性评价，确定出储层的敏感程度，并提出页岩气层保护技术措施。

（3）从钻井开钻到诱喷的过程中，页岩气储层保护工作需要事先做到未雨绸缪，储层保护措施才能将页岩气储层损害降低到最低。

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The analyses on potential damages and the discussions on protection technologies in shale gas reservoir drilling

TONG Qingheng1，2，3，ZHANG Jie1，NAN Xiaoning1，2，3，ZHAO Ze1，2，3，WANG Shuangwei1，ZHAO Zhiliang1
（1.CNPC Drilling Research Institute，Beijing 102206，China；2.MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；3.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

With the increasing scarcity of conventional oil and gas resources，shale gas has become one of the most attractive emerging energy in the past decade at home.Currently，China's study on shale gas start late，development technology is relatively backward，the improper operation and conduct during the drilling may lead to shale gas reservoirs vulnerable to irreversible damage.At this time，the analysis of reservoir potential damage factors and thediscussions of protection techniques are particularly important.In this paper，based on the shale gas reservoir as an example，after a system of research on domestic and foreign relevant literature for shale gas reservoir in the process of drilling，and combine with China's shale gas reservoir geological features，we have summarized the potential damage factors of shale gas reservoir and protection technology，propose that we should immediately carry out a comprehensive research on shale gas reservoir damage mechanism，the evaluation criteria and protection technology.

shale gas；geologic characteristic of reservoir；reservoir damage；reservoir protection

油气工程

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.02.001

TE258

A

1673-5285（2015）02-0001-05

2014－12-22

国家自然科学石油化工联合基金重点支持项目，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的研究工作，邮箱：819173690@qq.com。