页岩气储层工作液伤害评价方法研究现状

2019-03-18王瑞吴新民马云张宁生

钻井液与完井液 2019年6期

王瑞，吴新民，马云，张宁生

（1.西安石油大学石油工程学院，西安 710065；2.西部低渗-特低渗油藏开发与治理教育部工程研究中心，西安 710065；3.陕西省油气田特种增产技术重点实验室，西安 710065）

0 引言

2018年，中国页岩气产量达110×108m3，比上年增长20%[1]。经过近年一系列的开采实践，我国页岩气开发取得了长足的进展和丰硕的成果[2]，但也面临资源潜力有限，开采前景不明的制约[3]，要现实“十三五”页岩气储量、产量的持续稳定增长，需要有新层系新区块的发现与接替，深度大于3500 m的深层、高压和超高压页岩气是关注的重点[3-4]，如中国石化涪陵页岩气田江东区块、中国石油川南区块等[1]。

国内目前对深层页岩气开发的研究集中在资源评价选区和安全钻进、高效压裂及长效开采等几个方面[5]，对页岩储层工作液伤害和与之对应的储层保护技术关注较少。实际上，工作液对页岩气产出的伤害涉及气体解吸、扩散和渗流三种传质方式，涉及含有机质、黏土和微纳米孔、裂缝的多成分多尺度的孔隙介质，涉及多相态多成分的气、水和工作液体系，以及深层的高温高压环境，过程和机理复杂。所以，传统基于渗透率的储层伤害评价方法对页岩气藏已不适用，渗透率伤害率也已不能作为其伤害评价的唯一指标[6]，新的储层伤害评价方法和体系亟待建立。

分析了页岩气储层伤害潜在因素以及深层页岩气储层伤害的特殊性，调研了工作液对页岩气渗流、扩散和吸附解吸的伤害评价方法研究进展，包括与页岩气渗流伤害相关的页岩储层的敏感性及工作液伤害，渗吸及返排时伤害解除，工作液对页岩气吸附/解吸与扩散伤害，和工作液对页岩气多尺度传质过程的伤害，并在此基础上讨论了页岩气储层伤害评价参数体系。通过梳理和分析，提出了此方向需要关注和待解决的问题。

1 工作液对页岩气渗流能力的伤害评价

流体作用对页岩气产出的影响及对工作液的伤害与页岩气开采中气体产出过程一一对应，页岩气产出分2个阶段，首先气体在压力差作用下由裂缝流向井筒[7]，然后气体由基质扩散至裂缝，同时气体在基质表面进行解吸，2个阶段逐一引发相互连贯和接替。

1.1 页岩储层敏感性伤害

页岩储层因其富含黏土矿物，所以流体敏感性伤害和应力敏感性伤害会较严重，且因页岩储层中孔隙的直径已经到了纳米级，渗透率极低，毛管力非常强，也就造成其对各类伤害可能特别敏感，如易发生水锁[8]。

传统的储层敏感性评价方法是基于对渗流能力伤害的评价，对页岩气储层，特殊性也是关键在于对渗透率的准确测定和如何模拟液体对岩样的作用。页岩岩样渗透率的测试方法分常规渗透率测定、压力脉冲法渗透率测定、颗粒岩样渗透率测定3种，其优缺点如表1所示。模拟液体对岩样的作用，有抽真空饱和、加压饱和、浸泡烘干、离心、驱替、毛管自吸等方式。具体敏感性伤害评价方法为，对裂缝型页岩岩心，用常规渗透率测定方法进行敏感性实验，对无裂缝岩心或裂缝不规则岩心可用巴西劈裂法对其人工造缝；对基质型或无裂缝型页岩岩心，可先将岩样用液体饱和等方式模拟流体作用，再使用压力脉冲衰减法测渗透率的变化，进行盐敏、水敏、碱敏分析，对应力敏感，改变岩心加持器围压即可，如赵立翠（2013年）等用此法分析了渗流通道类型对应力敏感的影响[9]。

目前页岩储层敏感性评价实验方法面临的突出问题是，评价裂缝型岩心敏感性伤害时裂缝宽度的变化需要监测并分析其对结果的影响，评价基质型岩心敏感性伤害时因页岩太致密导致岩样液体饱和程度无法判断和有效地控制。

1.2 页岩工作液侵入伤害

针对钻井液对页岩储层的伤害，相关研究表明，其类型以固相侵入、应力敏感、液相圈闭为主，具体水基钻井液为水相圈闭和黏土的水化膨胀，油基钻井液为油相圈闭等[10]。压裂液对页岩储层的伤害类型有，压裂液侵入、支撑剂嵌入、添加剂残留、滤饼堵塞、其中以压裂液侵入伤害最为突出[8]。对于工作液对储层伤害的评价方法，页岩气与常规气藏的类似，即钻井液对储层的伤害评价分动态伤害评价和静态伤害评价，压裂液对储层的伤害评价，主要评价其对裂缝导流能力的伤害等，同敏感性伤害评价类似，需要关注的依然是渗透率的准确测量。

页岩储层敏感性和工作液伤害的评价参数是渗透率和渗透率伤害率。

1.3 渗吸时水锁伤害解除

在大量页岩气开发实践中发现，页岩气藏压后返排率较低，大量液体残留于地层[11]，且页岩返排率越低产能反而越较高。即对页岩气藏，工作液的伤害可能会解除，即由伤害与抑制变成增产与促进。此种现象的机理，主要是页岩气储层的水锁伤害自解除[12]，即液相进入储层补充了地层能量并通过渗吸向基岩更深部转移，同时这一过程伴随水岩反应，诱发了微裂缝的延展，导致储层渗透率的增加。

对返排时的伤害解除的评价，目前主要有页岩对压裂液的渗吸实验和模拟压裂液返排实验2种方法。渗吸实验分自然渗吸和应力状态下渗吸，自然渗吸实验是将称重后的干燥页岩岩心放入用于配制的工作液中并悬挂于天平下部，记录质量随时间的变化，通过质量变化反映自吸水量，应力状态下的渗吸是在岩心加持器中进行。返排模拟实验就是对液体饱和后的岩心进行气体驱替，以模拟返排过程[13]。目前评价实验存在的问题是，如何在储层温压条件下进行，特别是因工作液渗吸引发的微裂缝扩展缺乏可靠的评价方法[6]。

返排时的伤害解除评价参数包括：返排率、初始和终期含水饱和度及其分布特征、渗吸曲线特征、渗吸速率、液相扩散系数、诱发微裂隙尺寸和条数、黏土水化作用参数等[14]，目前详细的评价体系还待建立。

2 工作液对页岩气扩散和解吸的伤害

2.1 对页岩气扩散的伤害

页岩气产出时的扩散过程分为气体在储层连通的孔隙和裂缝中由高浓度区域向低浓度区域的扩散，和气体从基质（或干酪根主体）到基质表面的扩散2个过程[15-16]。工作液对页岩气扩散的伤害，主要因液体层占据了孔隙内壁，黏土接触水后膨胀，2者共同造成孔隙尺寸的减小和孔隙结构的变化，且这种影响与压力、温度和岩样状态的影响密不可分。

对这2个不同阶段，扩散系数测定方法及原理不同，孔隙和裂缝中的扩散系数通过测量柱塞岩心前后气室的气体浓度变化来计算得到（浓度法）（图1），基质中的扩散系数可用气体在颗粒岩样中的解吸或吸附数据结合扩散模型计算得到[17-19]（解吸法）（图2）。而考虑工作液作用的扩散系数测定方法，解吸法可通过对柱塞岩心饱和液体，并控制含水饱和度的做法来实现；浓度法有颗粒岩样饱和液体后再吸附气体然后再扩散、颗粒岩样吸附气体后注入液体再扩散、颗粒岩样吸附后液体注入和气体扩散同时进行3种方法，其中第3种最符合工程中工作液与页岩储层接触的实际状态，但液量和气量的动态计量困难，故目前研究中使用第1种方法的居多[20-21]。

图1 浓度法测定扩散系数实验装置示意图

图2 解吸法测定扩散系数实验装置示意图

目前对气体在页岩的扩散实验研究还较少，通常研究的是煤层气，即选用的为煤样，且作用流体多选用水，同时缺少扩散过程中液量和气量的精确计量。

工作液对页岩气扩散伤害的评价参数，是测量甲烷在页岩中的扩散系数，对比工作液使用前后扩散系数的变化，求出变化率，再结合样品含水饱和度分布、吸水速率，评价其影响。

2.2 对页岩气解吸的伤害

气体在岩样上的吸附与解吸为动态平衡，解吸为其吸附的逆过程，所以可通过分析吸附来研究气体解吸过程。影响页岩吸附气体能力的因素主要有页岩的组成和孔隙结构、岩样粒径和含水率，以及温度和压力等[22]。其中，流体作用对气体吸附的影响，目前主要研究的还只是水对页岩气吸附的影响。此方面的等温吸附实验结果表明，页岩岩样含水对其吸附气体影响较大，且含水率与吸附气量间的相关性复杂，有正相关、负相关和临界含水率等。

研究的实验手段主要有等温吸附实验和气体解吸实验两种方法，如文献[23]所述。等温吸附实验根据实验原理和装置分为容量法和重量法。在研究工作液对页岩气吸附的影响（伤害）时，模拟工作液的作用与解吸法测扩散系数类似，有2种方法：一是颗粒岩样饱和液体后再吸附气体，二是颗粒岩样吸附气体过程中注入液体，同样后者较符合工程实际状态，但液量和气量的动态计量困难。在具体吸附实验中，容量法具有优势，因为该方法可在吸附时注入液体，也可精确控制样品含水率的变化，而重量法中岩样是装在样品桶中悬挂于磁悬浮天平下，无法在吸附解吸过程中注入液体，且若是预先设定好含水率的湿样又因吸附发生在敞开空间，随着充气放气过程，也无法控制样品含水率。除了实验手段，分子模拟方法如蒙特卡洛法（MC）和分子动力学法（MD）等[24]，也可用来模拟页岩气的吸附和解吸[25-27]，此类方法虽然弥补了常规吸附实验研究的缺陷，但在模拟体系、分析算法和构建模型与真实储层的差异方面还待完善，特别是还未有研究考虑页岩的含水饱和度及其黏土遇水膨胀等因素[24]。

目前存在的困难在于，页岩气的等温吸附实验装置和方法都是由煤层气的实验装置和方法发展而来的，但页岩对气体的吸附量是煤的1/10以内，所以其吸附实验误差控制麻烦，测试难度大，特别是在进行高压吸附以及在进行工作液对吸附的影响实验时问题将更为突出。同时，目前在页岩气吸附解吸实验研究中还没有考虑页岩对液相水的扩散和渗吸这一动态过程，主要分析了水对岩样中气体吸附解吸影响，没有涉及工作液及其成分，并缺少吸附解吸时液量和气量的精确计量。

工作液对页岩气解吸伤害的评价参数，可测量页岩对甲烷的等温吸附曲线、解吸曲线，拟合得到吸附特性参数，对比工作液使用前后特性参数的变化，求出变化率，再结合样品含水饱和度分布、吸水速率，评价其影响。需注意如果用是的吸附参数，因解吸是其逆过程，所以评价应相反。

3 工作液对页岩气多尺度传质的伤害

对于开采中的页岩气体系，其完整的气体产出过程是在多机理作用（解吸—扩散—渗流）下，多尺度孔隙介质（基质孔隙—自然裂缝—人工裂缝）里，多尺度时间（室内实验的数小时或数天到实际生产的数十年）范围内的耦合传质过程，且机理与空间和时间尺度间还有对应关系，如：基质孔隙中存在解吸、扩散和渗流、自然裂缝和人工裂缝尺度中存在渗流，在裂缝中渗流较快，在大孔和介孔中渗流较慢，而微、纳孔中扩散最慢。在这一过程中工作液对页岩气产出的影响和伤害，将是个动态接替过程，具有空间和时间的多尺度性，也是页岩储层敏感性和工作液侵入伤害、页岩对工作液渗吸引起的水锁及自解除、工作液体对页岩气吸附解吸扩散的影响三者共同作用的结果。所以，单一机理单一尺度的伤害评价离页岩气的实际产出和与工作液的作用仍有距离，需要进一步研究工作液对页岩气多机理多尺度传质过程的伤害评价方法。

目前还未见有模拟工作液对页岩气多尺度传质过程伤害的实验报道，现有的页岩气多尺度多机理产出模拟实验，有岩心串并联渗流实验（图3）、微压差扩散系数测定实验、多测压点耦合传质实验和全直径岩心模拟页岩气产出实验等[28]。

图3 岩心串联渗流实验结构示意图

岩心串并联实验如杨建、康毅力等（2010）设计了裂缝性致密砂岩储层气体传质过程模拟实验，分析了裂缝宽度、裂缝—基块的配置关系等对致密砂岩气体传质效率的影响[29]。

对建立工作液对页岩气多尺度多机理传质伤害的评价参数，有2种尝试方法，一种是将解吸、扩散效应引入渗流，用视渗透率来对其表征，另一种方法是建立完整的多尺度多机理耦合方程，再从中提炼出评价参数。视渗透率的方法又分单一气相和气液两相传质2种：①经计算Kundsen数发现，页岩储层中单相气体传质处于滑脱和过渡扩散区[30]，考虑这两种效应建立传质方程[31]，可以引出一个视渗透率参数[15，32]，再结合吸附引起岩样基质膨胀（解吸反之）和吸附相占据空间减小孔隙尺寸的原理，最后就可建立一个考虑了吸附解吸、扩散和滑脱的视渗透率模型[33]；②根据水的相态平衡，计算出页岩孔隙中含水饱和度的分布，再结合单相气体的传质方程，建立出页岩储层考虑气-液两相传质的相渗透率模型[34]。这样的视渗透率模型可用于伤害评价。建立页岩气多尺度多机理耦合方程，是在宏观模拟中考虑微尺度特征，以实现对整个多尺度区域的准确模拟，目前常采用逐级尺度升级的方法得到宏观尺度上的控制方程，尺度升级有均化理论和体积平均2种方法[35]，但这方面的研究才刚刚开始。

4 页岩气储层工作液伤害评价体系

根据前述的分析可见，页岩气储层工作液伤害评价参数应包括以下几类。①用于有裂缝储层的敏感性以及工作液伤害评价的渗透率及其恢复率；②用于无裂缝储层的敏感性和工作液伤害评价的渗透率及其恢复率；③用于页岩对液体渗吸和水锁及自解除评价参数，如：返排率、初始和终期含水饱和度及其分布特征、渗吸曲线特征、渗吸速率、液相扩散系数、诱发微裂隙尺寸和条数、黏土水化作用参数等；④用于液体对气体吸附、解吸和扩散影响的评价参数，如：吸附特性参数变化率、扩散系数变化率、样品含水饱和度分布、吸水速率等；⑤工作液对页岩气多尺度传质伤害评价参数，视渗透率等。除工作液对页岩气产出的伤害评价参数之外，对各项参数之间的相互关系、所占比重以及评价体系，目前文献中还没有见到相关系统的研究。