盧占國(guó) 李 強(qiáng) 李建兵 宋 菲 劉 恒

（中國(guó)石化勝利油田分公司采油工藝研究院）

非常規(guī)油氣資源（頁(yè)巖油氣、致密砂巖油氣、煤層氣、油頁(yè)巖、油砂和天然氣水合物等）在自然界蘊(yùn)藏豐富（圖1），具有良好的開發(fā)利用前景。其中，頁(yè)巖氣是指主體位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集［1］。

由于非常規(guī)儲(chǔ)層的特殊性，如滲透率低、微裂縫和高毛細(xì)管壓力等，該類儲(chǔ)層在開發(fā)過程中極易受到不可逆的傷害。為了清楚地認(rèn)識(shí)非常規(guī)能源儲(chǔ)層鉆井過程中的儲(chǔ)層傷害問題，以頁(yè)巖儲(chǔ)層為例系統(tǒng)地開展頁(yè)巖鉆井儲(chǔ)層傷害國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀調(diào)研，并分析目前頁(yè)巖鉆井儲(chǔ)層傷害研究存在的問題及不足之處，提出了后續(xù)頁(yè)巖鉆井儲(chǔ)層保護(hù)研究計(jì)劃。

1 頁(yè)巖儲(chǔ)層特征

頁(yè)巖儲(chǔ)層的礦物組成除常見的粘土礦物外，還混雜有石英、長(zhǎng)石、云母、方解石、白云石、黃鐵礦、磷灰石等礦物。對(duì)四川盆地下古生界頁(yè)巖X射線熒光衍射結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，其石英、長(zhǎng)石和黃鐵礦的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%～52%，碳酸鹽礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～20%，粘土礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%～51%（表1［3］）?？梢姡?yè)巖儲(chǔ)層中脆性礦物和粘土礦物含量較高，具有易膨脹、易破碎的特點(diǎn)。

表1 四川盆地及其周緣下古生界黑色頁(yè)巖儲(chǔ)層XRD分析數(shù)據(jù)Table 1 XRD analytical data of black shale reservoir of Lower Paleozoic in Sichuan Basin and its vicinity （w／%）

頁(yè)巖中可能含有大量的孔隙并且在這些孔隙中含有大量的油和游離態(tài)的天然氣，孔隙度大小直接控制著游離態(tài)天然氣的含量。在阿巴拉契亞盆地Ohio頁(yè)巖和密執(zhí)安盆地Antrim頁(yè)巖中，局部孔隙度高達(dá)15%，游離氣體積占孔隙總體積的50%（表2［4］）。頁(yè)巖的基質(zhì)滲透率非常低，一般小于0.1×10－3μm2?？梢姡?yè)巖儲(chǔ)層具有低孔、低滲的特點(diǎn)。

表2 美國(guó)含氣頁(yè)巖主要特征Table 2 Principal characteristics of gas bearing shale in America

2 頁(yè)巖鉆井儲(chǔ)層傷害研究

為了能夠制定合理的頁(yè)巖儲(chǔ)層鉆井儲(chǔ)層保護(hù)研究計(jì)劃，針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的特點(diǎn)，系統(tǒng)地調(diào)研了國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖儲(chǔ)層鉆井儲(chǔ)層傷害研究現(xiàn)狀。從保護(hù)儲(chǔ)集層鉆井技術(shù)和保護(hù)儲(chǔ)集層鉆井液技術(shù)兩方面進(jìn)行闡述。

2.1 保護(hù)頁(yè)巖儲(chǔ)集層的鉆井技術(shù)

鉆井過程中，儲(chǔ)集層傷害的主要因素有兩個(gè)：一是當(dāng)鉆開儲(chǔ)集層時(shí)，存在著井內(nèi)鉆井液有效液柱壓力與地層壓力差，致使鉆井液中的濾液和固相進(jìn)入地層而傷害油氣層；另一個(gè)原因是鉆開儲(chǔ)集層需要一定的時(shí)間，儲(chǔ)集層被鉆井液浸泡而受傷害［5］。

由頁(yè)巖儲(chǔ)層特征可知，頁(yè)巖儲(chǔ)層具有易膨脹和易破碎的特點(diǎn)，受鉆井液浸泡頁(yè)巖儲(chǔ)層容易膨脹破碎（圖2）。因此，為避免鉆井過程中出現(xiàn)井壁縮頸或坍塌，須開展頁(yè)巖鉆井井壁穩(wěn)定性研究［6］。

鉆井過程中泥頁(yè)巖地層井壁穩(wěn)定問題十分復(fù)雜，許多研究工作者［7－13］從井壁穩(wěn)定的巖石力學(xué)分析和鉆井液化學(xué)兩方面著手，對(duì)這一問題進(jìn)行了大量研究，并取得了一定成效。其中，巖石力學(xué)研究?jī)?nèi)容主要包括原地應(yīng)力狀態(tài)的確定、巖石力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定、井眼圍巖應(yīng)力分析和穩(wěn)定性分析等，其最終目的是確定保持井眼穩(wěn)定的合理鉆井液密度；鉆井液化學(xué)主要用于研究泥頁(yè)巖水化膨脹的機(jī)理，尋找抑制泥頁(yè)巖水化膨脹的化學(xué)添加劑和鉆井液體系，最大限度地減少鉆井液對(duì)地層的負(fù)面影響。

通過對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層井壁穩(wěn)定性的大量研究成果總結(jié)發(fā)現(xiàn)：

（1）巖石力學(xué)強(qiáng)度、水敏膨脹應(yīng)變、吸附水量、抗壓強(qiáng)度、粘聚力、化學(xué)位差、水力壓差等參數(shù)是研究泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性所需的關(guān)鍵參數(shù)［7－10］。

（2）井壁穩(wěn)定性研究是一個(gè)復(fù)雜的過程，造成井壁失穩(wěn)的原因涉及到巖石力學(xué)、鉆井液化學(xué)、巖石力學(xué)與鉆井液化學(xué)耦合等多個(gè)方面。但由于井壁不穩(wěn)問題的高度復(fù)雜性，造成已有的研究成果相互之間并不一致，且各種理論都存在一定缺陷［11］。

（3）鉆井液進(jìn)入泥頁(yè)巖后，在擴(kuò)散、對(duì)流和滲透三種機(jī)理的作用下，鉆井液和泥頁(yè)巖之間發(fā)生水分子和溶質(zhì)的傳遞，改變了近井眼處有效應(yīng)力狀態(tài)，使泥頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度減弱，粘聚力降低，從而對(duì)井壁穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響［8，10］。

2.2 保護(hù)頁(yè)巖儲(chǔ)集層的鉆井液技術(shù)

鉆井液濾液引起的儲(chǔ)層傷害主要表現(xiàn)為：其一，油氣層的粘土礦物發(fā)生水化膨脹、分散運(yùn)移、溶蝕分散，其傷害程度取決于粘土礦物的含量、類型、分布狀況及濾液性質(zhì)和濾失總量；其二，鉆井液進(jìn)入油氣層產(chǎn)生水鎖、乳化、潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)和化學(xué)沉淀。因此，要求鉆井液在具有其基本功能外，還應(yīng)具有保護(hù)儲(chǔ)層的要求［5］。

頁(yè)巖儲(chǔ)層中水是天然的堵塞相，它將導(dǎo)致難以修復(fù)的儲(chǔ)層傷害。通過降低表面（界面）張力和改變潤(rùn)濕性（從強(qiáng)水濕變成油濕）可以抑制鉆井液中流體的滲透［14］。利用特殊的表面活性劑、可溶性水溶劑、大分子添加劑等可以降低非常規(guī)氣藏水基鉆井液滲透和自吸現(xiàn)象引起的儲(chǔ)層損害。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的特點(diǎn)，研究了多種鉆井液，其性能與應(yīng)用情況見表3。

表3 頁(yè)巖儲(chǔ)層鉆井液性能及應(yīng)用Table 3 Properties and applications of drilling fluid for shale reservoir

為了方便對(duì)不同種類鉆井液的對(duì)比，C.H.van der Zwaag［24］制定了評(píng)估鉆井液儲(chǔ)層傷害的標(biāo)準(zhǔn)，該套標(biāo)準(zhǔn)由信息、模擬和分析3部分組成，其評(píng)估鉆井液儲(chǔ)層傷害的基準(zhǔn)參數(shù)有滲透率恢復(fù)值、濾液侵入深度、流動(dòng)效率、效益損失等。

在鉆井液儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)方法方面，除了原始的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)外，還可以結(jié)合一些數(shù)值評(píng)估軟件——非常規(guī)油藏鉆井及完井（D＆C）顧問軟件［25］，該套軟件包含鉆井、完井、壓裂和生產(chǎn)4個(gè)模塊。軟件中的每個(gè)模塊是相對(duì)獨(dú)立的，多模塊結(jié)合可以處理非常規(guī)氣藏開發(fā)過程中遇到的多種問題。

2.3 存在的問題

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前頁(yè)巖鉆井儲(chǔ)層傷害及儲(chǔ)層保護(hù)研究存在以下問題：

（1）雖然泥頁(yè)巖地層井壁穩(wěn)定性研究時(shí)間比較長(zhǎng)，研究?jī)?nèi)容相對(duì)較廣，但是其研究大多數(shù)是針對(duì)常規(guī)儲(chǔ)層鉆井過程中遇到泥頁(yè)巖層段時(shí)出現(xiàn)井壁穩(wěn)定性差的問題開展的。研究成果對(duì)于油頁(yè)巖、頁(yè)巖氣等非常規(guī)儲(chǔ)層適用性如何有待于進(jìn)一步研究。

（2）鉆井液對(duì)泥頁(yè)巖類非常規(guī)儲(chǔ)層傷害機(jī)理研究不夠深入。目前研究成果還沒有涵蓋鉆井液造成儲(chǔ)層傷害的所有因素，應(yīng)開展更全面的研究。

（3）國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泥頁(yè)巖鉆井液配制技術(shù)進(jìn)行了研究，并取得了一定效果［15－23］，但沒有形成規(guī)模，且對(duì)適用的儲(chǔ)層類型及局限性的研究相對(duì)較少。

3 結(jié)論及展望

儲(chǔ)層傷害不僅降低了油氣井產(chǎn)出或注入能力、降低采收率，還不同程度地傷害了寶貴的油氣資源。因此，在頁(yè)巖鉆井過程中，必須根據(jù)油氣藏特性及潛在問題，充分認(rèn)識(shí)所鉆儲(chǔ)層在鉆井過程中傷害機(jī)理的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確分析傷害原因，然后有針對(duì)性地采取鉆井作業(yè)，才能起到保護(hù)油氣層的作用，以保證油氣層的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和保持原有產(chǎn)能，從而使保護(hù)油氣層系統(tǒng)工程的第一個(gè)環(huán)節(jié)達(dá)到預(yù)期效果。

但目前的頁(yè)巖鉆井儲(chǔ)層傷害及保護(hù)研究還存在一些不足之處，要提高頁(yè)巖儲(chǔ)層鉆井的成功率必須改進(jìn)頁(yè)巖鉆井儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)。建議在以下方面開展頁(yè)巖鉆井儲(chǔ)層保護(hù)研究：

（1）在常規(guī)儲(chǔ)層中泥頁(yè)巖層段井壁穩(wěn)定性研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層自身特點(diǎn)，結(jié)合勝利油田濟(jì)陽(yáng)坳陷儲(chǔ)層特征開展井壁穩(wěn)定性研究。

（2）采用物理模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法全面開展頁(yè)巖鉆井儲(chǔ)層傷害機(jī)理研究，并將儲(chǔ)層物性和流體物性參數(shù)（如壓力、基巖滲透率、孔隙度、氣相組成、吸附類型、擴(kuò)散系數(shù)等）列入研究范圍。

（3）對(duì)已取得應(yīng)用效果的鉆井液（如MEG鉆井液、無(wú)固相聚合物鉆井液、KCl／Mn3O4鉆井液、硅鉀基防塌鉆井液等）進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)選研究，并確定其適用性和局限性。

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