页岩气储层工作液伤害机理研究现状

2020-04-08吴新民白海涛

科学技术与工程 2020年3期

王瑞，吴新民，马云，白海涛

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

截至2018年6月，中国先后发现并落实了涪陵、长宁-威远、昭通等页岩气田，累计探明地质储量10 450×109m3，2018年产量110×109m3[1]。目前，页岩气开发的研究主要集中在资源评价选区、安全钻进、高效压裂和长效开采等方面[2]，但对工作液对页岩气产出的影响和与之对应的页岩储层伤害及保护技术关注较少。

页岩气储层伤害机理与常规天然气的不同，页岩的敏感性矿物、物性及孔隙结构、岩石润湿性和含水饱和度等特征都存在特殊性，特别是其产出涉及气体的解吸和扩散过程，不能再以单一的渗透率伤害来对其进行评价，且此问题在面对新发现和接替的深层、高压、超高压页岩气层系时更为突出，因此值得开展深入研究。

为此，通过讨论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，分析工作液对页岩气渗流、扩散和吸附解吸的伤害机理研究进展，包括与页岩气渗流伤害相关的页岩储层的敏感性和工作液伤害、返排时伤害解除及渗吸、工作液对页岩气吸附/解吸与扩散的伤害。提出了该研究方向需要关注和亟待解决的问题。

1 页岩气储层伤害潜在因素

与常规天然气藏相比，页岩气储层伤害的特殊潜在因素体现在：页岩为强非均质[3]，其组成富含有机质(干酪根)，质量分数为1.0%～20.0%[4]，且黏土矿物含量高[5-7]；页岩中的孔隙除大孔、介孔外，还存在微孔和微裂缝(图1)[8]，有机质含量越高，微孔含量越多[9]，黏土含量越高，介孔含量越多[10]；因含有黏土矿物和有机质成分所以页岩表面呈现两性润湿，同时因经历生、排烃阶段，造成储层含水饱和度超低，所以液相潜在损害突出；页岩气井钻井液油基和水基都有使用[11]，压裂液以滑溜水为主[12-14]。

图1 页岩中的微裂缝

与常压页岩气藏相比，深层页岩气藏地质条件更为复杂，对工程技术提出了新的挑战，即储层埋藏更深，温度更高，压力体系复杂，页岩塑性增强、闭合压力高、水平应力差异大，缝网改造难度更大等[15]。这样外来流体对页岩气产出的影响和引发的储层伤害的特殊性，具体表现在：①储层致密渗透率更低，造成其对各类伤害可能特别敏感；②储层含水饱和度更低，储层吸水能力极强，有可能使水相圈闭伤害更大[16]；③压裂后外来流体与储层的接触规模大，因毛管力极强，且页岩气产出过程涉及气体吸附与解吸、扩散、滑脱渗流和液体渗吸等多过程多机理，流动关系复杂；④储层压力更大温度更高，所以一系列伤害问题更为突出。

2 工作液对页岩气渗流的伤害

流体作用对页岩气产出的影响及工作液伤害与页岩气开采中气体产出过程一一对应，页岩气产出，首先是气体在压力差的作用下由裂缝流向井筒[17]，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，两个阶段逐一引发相互连贯和接替。传统的工作液对储层的伤害仅关注第一阶段，即对渗透率的损伤，其所涉及的主要问题有：一是传统的储层敏感性和工作液损伤，二是页岩气藏压裂后返排时的伤害解除。

2.1 储层敏感性和工作液伤害

页岩储层敏感性伤害，因页岩储层富含黏土矿物，所以流体敏感性伤害和应力敏感性伤害严重，前者因为黏土的水化膨胀，后者因矿物颗粒运移、流体润滑导致岩石强度降低[18]。目前的研究多集中在页岩气储层矿物含量与敏感性密切相关性，而关于有机质的存在对敏感性的影响机理鲜见报道。

关于工件液对页岩气储层的伤害，康毅力等[19]研究认为，钻井液伤害以固相侵入、应力敏感、液相圈闭为主。压裂伤害主要有压裂液侵入，以及支撑剂嵌入、添加剂残留、滤饼堵塞[20-22]。对应工作液体系的研究，以研发储层保护剂和水化抑制剂等为主[23]。

2.2 返排时渗透率伤害的解除

对常规天然气藏，压裂时为降低伤害，工程中常要求加快返排速度提高返排率[24-25]，但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中[26]，且页返排率越低产能反而较高。即对页岩气藏，工件液侵入伤害会解除，可能由伤害与抑制变成了增产与促进。

对页岩气井返排率越低产量反而越高的现象，即伤害解除机理，有两种解释：一是任凯等[27]认为是因为页岩气储层的水锁伤害自解除，其主要机理是液相进入储层补充了地层能量，液相通过渗吸向基岩更深部转移，伴随水岩反应诱发了微裂缝进一步延展[28]；二是游利军等[29]研究发现渗吸使储层微裂缝扩张、并产生新的微裂缝及缝网导致储层渗透率增加，以及黏土与水膨胀后减轻了应力敏感伤害[30]，使液体作用由对储层的伤害转变成对储层的改造[31]。

而页岩储层对工作液渗吸过程及其影响因素的研究，目前多数观点认为渗吸过程是分阶段的，且与有无裂缝和孔隙尺寸密切相关。针对渗吸分阶段不同学者的描述不同，如游利军等[32]将其分为润湿相饱和度增大和饱和度重新分布；李相臣等[33]将其分为液相自吸和液相扩散吸附两个阶段。裂缝和孔隙尺寸对渗吸的影响研究；游利军等[34]和康毅力等[35]认为裂缝越多自吸越快，孔隙越小毛管力越大，自吸越快。此外，深层页岩气在高压环境下的产出具有特殊性[36]，即此时压裂液在页岩地层中渗吸滞留的微观动力学效应，还需深入研究[2]。

3 工作液对页岩气扩散和解吸的伤害

3.1 工作液对页岩气扩散的伤害

页岩气产出时的扩散过程分为两步：一是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；二是气体在气体从基质(或干酪根主体)到基质表面的扩散，这是因气体在干酪根(或黏土)表面的解吸造成区域浓度差引起的。

就工作液对岩样中气体扩散的影响，首先，多名学者研究发现岩样含水后气体在其中的扩散系数会降低，如Clarkaon等[37]观察到甲烷在湿煤样中的扩散能力较干样中的大幅度减小；Busch等[38]也发现湿煤样的扩散系数较干样降低了40%～50%，其原因为甲烷在水中的扩散可以忽略而水分子吸附层却减小了孔径；Pan等[39]测量到甲烷在含水煤样中的介孔和微孔扩散系数较在干样中降低了80%；Xu等[40]研究认为煤样含水后减小了其对甲烷的吸附量，使岩样内外的甲烷浓度梯度降低，从而导致扩散系数较干样的减小。对页岩，Yuan等[41]发现无论介孔和微孔扩散系数都因页岩中水的存在而降低；Lyu等[42]专门分析了页岩吸水后膨胀的问题，发现因工作液的作用，液体层占据了孔隙内壁，黏土接触水后膨胀，两者一同造成孔隙尺寸的减小和孔隙结构的变化。

其次，工作液对岩样中气体扩散的影响与压力、温度和岩样状态的影响密不可分，共同作用。解吸法扩散系数测定实验中，吸附平衡压力和温度相当于真实页岩气藏的储层压力和温度，颗粒粒径对应储层中的裂缝规模。其中，压力对扩散系数的影响存在三种观点：①无影响，如杨其銮[43]；②负相关，如李相臣等[44]；③正相关，如聂百胜等[45]；④阶段性差异，即需要细分不同尺寸孔隙中的扩散，如Busch 等[38]研究了甲烷在煤中的扩散情况，发现扩散系数随吸附平衡压力的增大而减小只在缓慢吸附段和高压时出现；Yuan等[41]发现吸附平衡压力对不同类型扩散的影响有异。单一温度对扩散的影响，是温度越高扩散系数越大，但在储层中温度的影响是与压力相关联的，它们共同的作用机理是影响了气体在岩样上的吸附和解吸平衡，而吸附和解吸又会引起基质的膨胀和收缩，从而引起孔径的变化，以决定了扩散类型，并最终影响扩散系数。李相臣等[44]认为压力是岩样孔隙结构和吸附特性对解吸扩散的宏观表现，非决定作用，这与Busch等[38]和Yuan等[41]的研究结果相同，只是对此现象出现的压力范围和孔隙尺寸进行了限定。样品状态如颗粒粒径决定了介孔和微孔的数量以及颗粒的外表面积和孔隙内比表面积的比例，也就决定了扩散过程中在孔隙与裂缝中的扩散和由基质内到基质表面扩散两个阶段所占的比例，这在有工作液存在时影响将更明显。Siemons等[46]研究表明水对小颗粒煤样的扩散系数的抑制更明显。

3.2 工作液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[47]，所以可通过分析吸附来研究气体解吸过程。影响吸附的主要因素包括页岩的矿物和有机质组成及含量、页岩的孔隙类型和结构、岩样状态如粒径和含水率，以及外部环境如温度和压力等[48]。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[49]，且岩样含水对其吸附气体量间相关性较复杂，也存在争议。首先，最初也是大多研究认为，岩样含水将降低其对气体的吸附量(也就是可增加解吸量)，即平衡湿样对气体的吸附量低于干样对气体的。Joubert等[50]在分析煤对气体的吸附时，建议必须考虑样品湿度的影响，样品含水量对煤吸附气体的影响还存在一临界值(近于煤样的饱和吸附水含量)，超过此值含水对吸附无影响[51]；Krooss等[52]研究发现平衡湿样对甲烷的吸附量较干样降低20%～24%；Guo等[53]发现样品湿度降低了低阶煤对气体的吸附量，降低程度随湿度的增加而增加，且岩样湿度和岩样对气体的吸附量间不是简单的负相关，湿度超过某值后其对吸附无影响。其次，有学者发现样品含水量越大，对气体吸附量不降反增。Sang等[54]研究发现注水煤样对吸附气体的规律和平衡湿样以及干样的明显不同，煤中的液态水的存在可使煤基质对气体的吸附量增加，推测因为水影响了基质表面的润湿性。再者，还有研究关注样品含水、孔隙结构和吸附规律间的关系。Ross等[10]强调湿度对页岩吸附气体量有影响是明确的，但湿度是先改变了页岩孔隙结构，再间接影响吸附量的。Zhang等[55]认为水份占据了黏土矿物里的吸附位，但并没有覆盖有机质表面的吸附位，黏土含水引起颗粒膨胀和堵塞孔道，降低了气体进入孔隙并吸附于孔隙内壁的能力。Clarkson等[56]和Bustin等[57]也认为页岩里的黏土表面会大部分被水占据，实际上岩样的湿度恢复，即岩样吸附气体前的干燥处理时，样品的孔隙结构已然发生了改变。

含水状态下的页岩气的吸附和解吸机理，目前有三种理论：传统的气—固吸附理论[47，58]、气-固和气-液界面复合吸附解吸理论[59-61]、气-固和液-固界面复合吸附解吸理论[62-63](表1、图2)，后两者考虑了气体在页岩储层中气-固、气-液和液-固界面的吸附，但这些理论缺少实验和分子模拟方面的验证。

表1 三种考虑液相存在的吸附理论

图2 三种考虑流相存在的吸附理论示意图

综上可知，工作液对页岩气产出的影响，涉及气体的解吸、扩散和渗流三种传质方式，有机质、黏土矿物和有微米孔、纳米孔、裂缝、无裂缝多成分、多尺度孔隙介质，水蒸气、液态水和吸附、溶解、游离态气体的多相态，工作液体系的复杂成分和深层的温压环境，以及对气体产出的抑制和促进这种两种效应，过程和机理复杂，这些因素间的相互作用关系还待深入研究。