劉長松，杜永慧，張海燕，裴欣，呂國強，胡慶霞

（1.中國石化中原油田普光分公司，四川 達(dá)州 635002；2.中國石化中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001）

0 引言

水相圈閉損害是指鉆完井及開采過程中，水基工作液侵入超低含水飽和度的致密儲層，并在儲層內(nèi)形成暫時或永久液相滯留，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)出相相對滲透率降低的現(xiàn)象［1-4］。水相圈閉是致密氣藏產(chǎn)生損害的最關(guān)鍵因素［5-7］，為了控制鉆井液對儲層的傷害，保證后期酸化、壓裂等增產(chǎn)措施的有效性，準(zhǔn)確評價鉆井液對儲層的損害程度及侵入深度對儲層保護(hù)措施的制定具有指導(dǎo)意義［8］。引起水相圈閉的主要原因是毛細(xì)管力自吸和液相滯留作用。

在水相圈閉損害評價方面，李皋等［9］采用甲醇混合液飽和風(fēng)干法和毛細(xì)管力自吸離心飽和法建立川西侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組低滲砂巖巖心含水飽和度，當(dāng)含水飽和度大于65%時，氣體相對滲透率接近0，鉆井液濾液造成的水鎖損害大于模擬地層水。張杜杰等［10］采用自發(fā)滲吸及返排方法，評價了塔里木盆地超致密砂巖氣藏的基塊巖樣順序接觸油基/有機鹽鉆井液濾液、有機鹽完井液后的水相圈閉損害，其滲透率損害率分別為86.00%，98.37%。這些主要是針對致密砂巖氣藏開展的鉆井液水相圈閉損害研究，且只有水相圈閉的損害程度，而無鉆井液液相侵入深度的研究結(jié)果。張興來等［11］利用高溫高壓動態(tài)濾失儀測試了不同時間鉆井液污染巖心的濾失量，擬合得到濾失量與時間平方根的線性方程，據(jù)此計算液相侵入深度。該研究中濾失量與時間的關(guān)系方程是基于靜態(tài)濾失的鉆井液靜濾失方程［12］，但開展的是動態(tài)濾失量隨時間變化的實驗，建立的模型與開展的實驗不相符，且假設(shè)侵入地層的濾液充滿污染地層的孔隙，但一般濾液不可能完全充滿受污染地層的孔隙［13］。Marx 等［14］提出利用各段巖心損害率確定侵入深度的方法，包括切片法和梯度法，但存在巖心切割確定的侵入深度誤差大，并產(chǎn)生二次損害等問題。王建華等［15］根據(jù)質(zhì)量守恒方程和徑向摩阻公式，在考慮內(nèi)泥餅的情況下，建立了鉆井液固相和濾液動態(tài)侵入儲層的深度模型，該研究對侵入深度的影響因素考慮較多，參數(shù)獲取困難，計算方法較為繁瑣。

在水相圈閉損害防治方面，劉雪芬等［16］采用氟化物FW-134 將鄂爾多斯盆地典型致密砂巖巖心表面由水潤濕轉(zhuǎn)變?yōu)闅鉂櫇?，加入該化學(xué)劑后巖心自吸含水飽和度由62.0%下降至29.5%，液相返排率由56.3%提高至83.4%，能夠有效防治水相圈閉損害。蔣官澄等［17］采用氟碳表面活性劑Zony18740 將致密砂巖巖心表面由強液濕反轉(zhuǎn)為氣濕，加入氣濕反轉(zhuǎn)劑后，氯化鉀聚合物鉆井液對巖心水相圈閉損害率由53.15% 降至31.47%，氣濕反轉(zhuǎn)劑可有效減少鉆井液水相圈閉損害。以上皆是針對致密砂巖開展的水相圈閉損害與防治研究，但是目前致密碳酸鹽巖氣藏?zé)o適合的水相圈閉損害防治劑。

針對以上問題，本研究以川東北某致密碳酸鹽巖氣藏（孔隙度3.44%，滲透率0.11×10-3μm2）為目標(biāo)，首先分析該氣藏巖心的潤濕性；然后從產(chǎn)生鉆井液水相圈閉的機理著手，開展毛細(xì)管自吸實驗、考慮侵入-返排過程的水相圈閉損害程度實驗以及鉆井液動態(tài)濾失量隨時間的變化實驗，根據(jù)動態(tài)濾失量隨時間的變化數(shù)據(jù)，建立鉆井液液相侵入深度計算模型；最后篩選適用于致密碳酸鹽巖氣藏的水相圈閉損害防治劑，并評價了鉆井液加入水相圈閉損害防治劑后對水相圈閉損害的防治效果。水相圈閉損害與防治研究結(jié)果為增產(chǎn)措施取得良好效果，以及制定有效的儲層保護(hù)措施提供了技術(shù)支撐。

1 實驗與計算模型建立

1.1 實驗材料與設(shè)備

實驗巖心為川東北某氣田飛三段巖心，鉆井液為現(xiàn)場鉆開儲層所用的欠飽和鹽水甲聚磺鉆井液，鉆井液濾液為高溫高壓條件下壓制而成。實驗設(shè)備為CMS300 巖心分析儀、DSA25 光學(xué)接觸角測量儀、垂向毛細(xì)管自吸裝置、高速離心機、高溫高壓巖心驅(qū)替裝置、工作液動態(tài)傷害評價儀、核磁共振儀等。

1.2 實驗方法

1.2.1 巖心潤濕性測定實驗

將巖心切割為厚1～2 cm 的薄片，用砂紙打磨光滑，用光學(xué)接觸角測量儀測定水滴在巖心片上的接觸角。

1.2.2 鉆井液濾液水相圈閉損害程度實驗

1.2.2.1 鉆井液濾液毛細(xì)管自吸實驗

巖心樣品烘干至恒重，測量其長度、直徑、干重、孔隙度（?）和滲透率（K）等物性參數(shù)。將巖樣懸掛在垂向自吸實驗裝置的天平下，鉆井液濾液自吸至初始含水飽和度（Swi為10%左右）時取出巖心，測試巖心在初始含水飽和度條件下的氣相滲透率Ki。將巖心放入自吸實驗裝置，記錄每個時間點對應(yīng)的天平讀數(shù)，當(dāng)巖心質(zhì)量接近穩(wěn)定后，取下巖心稱重，在初始測試條件下測試氣相滲透率（Kg2）。數(shù)據(jù)處理后，得到巖心的自吸量（QPV）、自吸速率（v）隨時間的變化曲線。自吸速率計算公式為

式中：ΔQPV為自吸量（自吸體積與孔隙體積的比值）的變化量；ΔT 為自吸時間間隔，h。

1.2.2.2 考慮侵入-返排過程的水相圈閉損害程度實驗

采用毛細(xì)管自吸法建立巖心初始含水飽和度，測定初始含水飽和度下的氣相滲透率；充分飽和鉆井液濾液測量巖心濕重，核磁共振測量巖心T2譜；根據(jù)SY/T 6490—2014《巖樣核磁共振參數(shù)實驗室測量規(guī)范》，利用高速離心機對巖樣進(jìn)行可動水脫水處理，測定離心后巖心T2譜，通過飽和、離心后巖心T2譜確定巖心束縛水飽和度（Swirr）；采用氮氣恒壓驅(qū)替，測定實驗巖心在束縛水飽和度下的氣相滲透率（Kir）。巖心在束縛水飽和度下的滲透率損害率Rd'為

1.2.3 鉆井液動態(tài)濾失量隨時間的變化實驗

采用毛細(xì)管自吸法建立初始含水飽和度，將巖心放入工作液動態(tài)傷害評價儀，施加一定圍壓，再將鉆井液放入泥漿循環(huán)釜體并加熱到儲層溫度，在一定壓差條件下反向循環(huán)鉆井液，鉆井液循環(huán)過程中詳細(xì)記錄動態(tài)濾失量隨時間的變化。

1.2.4 水相圈閉損害防治劑篩選及效果評價實驗

1.2.4.1 防治劑篩選實驗

首先測定飛三段巖心的初始接觸角；然后采用過濾后的氣藏地層水將A，B，C，D，E，F(xiàn)，G 7 種水相圈閉損害防治劑按照使用的濃度配制成溶液，將巖心片分別放入7 種溶液中，并將溶液置于120 ℃恒溫烘箱24 h；最后取出巖心片烘干，測定水滴在經(jīng)過處理后的巖心片上的接觸角。

1.2.4.2 防治水相圈閉損害效果評價實驗

采用滲透率接近的巖心，用毛細(xì)管自吸法分別飽和鉆井液濾液、鉆井液濾液與水相圈閉損害防治劑的混合溶液，建立初始含水飽和度，測定巖心在初始含水飽和度下的氣相滲透率。采用毛細(xì)管自吸法將巖心樣品分別充分飽和鉆井液濾液、鉆井液濾液與水相圈閉損害防治劑混合溶液，測定自吸含水飽和度。在儲層溫度下老化24 h 后，通過高速離心機對巖樣進(jìn)行可動水脫水處理，離心至質(zhì)量穩(wěn)定，測定巖心在束縛水飽和度下的氣相滲透率，并計算滲透率損害率。

1.3 鉆井液液相侵入深度計算模型

建立鉆井液液相侵入深度計算模型的假設(shè)條件為：1）儲層為均質(zhì)孔隙型儲層；2）鉆井液形成暫堵層后，其液相濾失速率穩(wěn)定；3）濾液與儲層流體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。法魯克·西維［18］根據(jù)大量鉆井液濾失實驗數(shù)據(jù)分析得到，鉆井液在濾失過程中，濾失速率緩慢降低。通過巖心濾失速率與時間的曲線關(guān)系可得：

式中：q（t）1為巖心單位面積的鉆井液濾失速率，mL/（min·m2）；q0為巖心初始濾失速率，mL/（min·m2）；t 為鉆井液浸泡儲層的時間，min；α 為衰減指數(shù)。

實際鉆井中，鉆井液任意時刻的濾失速率q（t）2為

式中：rw為井眼半徑，m；h 為儲層厚度，m。

鉆井液浸泡儲層任意時刻的濾失量Q（t）為

鉆井液在地層中的濾失量不會全部充滿孔隙，只能部分充滿孔隙，根據(jù)物質(zhì)平衡原理可得：

式中：L（t）為t 時刻鉆井液液相侵入深度，m；f 為鉆井液對儲層孔隙的沖洗度。

由式（5）、式（6）可得鉆井液液相侵入深度的計算公式：

2 結(jié)果與討論

2.1 巖心潤濕性實驗結(jié)果

巖心潤濕性與水相圈閉損害程度的關(guān)系密切，巖心若親水，其自吸能力強，且自吸進(jìn)入的液體返排較為困難，水相圈閉損害程度必然較高。飛三段巖心潤濕性實驗結(jié)果見表1。由表1 可以看出，飛三段所有實驗巖心潤濕性接觸角都在20°左右，潤濕性表現(xiàn)為親水。

表1 巖心潤濕性實驗結(jié)果Table 1 Results of core wettability experiments

2.2 鉆井液濾液水相圈閉損害程度實驗結(jié)果

2.2.1 鉆井液濾液毛細(xì)管自吸實驗結(jié)果

毛細(xì)管自吸導(dǎo)致水相圈閉損害的影響因素是儲層的自吸量和自吸速率，自吸量越大、自吸速率越快，水相圈閉損害越嚴(yán)重。鉆井液濾液自吸前后含水飽和度及滲透率變化見表2（表中Swr為鉆井液濾液自吸最終含水飽和度）。鉆井液濾液累計自吸量與累計自吸時間的關(guān)系見圖1，自吸速率隨累計自吸時間的變化見表3。

圖1 鉆井液濾液累計自吸量與累計自吸時間的關(guān)系Fig.1 Relationship between cumulative spontaneous imbibition capacity and cumulative spontaneous imbibition time of drilling fluid filtrate

表2 鉆井液濾液自吸前后含水飽和度及滲透率變化Table 2 Changes in water saturation and permeability before and after spontaneous imbibition of drilling fluid filtrate

表3 鉆井液濾液自吸速率隨累計自吸時間的變化Table 3 Relationship of spontaneous imbibition rate with cumulative spontaneous imbibition time of drilling fluid filtrate

由以上實驗結(jié)果可知：鉆井液在毛細(xì)管自吸初始階段，短時間內(nèi)快速吸水，自吸量急劇增加，隨自吸時間增加，自吸量增幅逐漸降低；自吸速率隨自吸時間增加快速下降。鉆井液濾液自吸最終含水飽和度為57.86%～73.57%（見表2），滲透率損害率為47.14%～72.85%，滲透率越低，自吸量越高，自吸速率越大，損害程度越高。

2.2.2 考慮侵入-返排過程的水相圈閉損害實驗結(jié)果

巖心在束縛水飽和度下的滲透率損害率（即不可恢復(fù)水相圈閉滲透率損害率）能夠反映水相滯留的損害機理，實驗結(jié)果見表4。由表4 可知，鉆井液濾液侵入氣層返排后，飛三段巖心不可恢復(fù)水相圈閉滲透率損害率為31.57%～65.24%（巖心22 存在天然裂縫，滲透率損害率較低），損害程度為中偏弱—中偏強。

表4 考慮侵入-返排過程的水相圈閉損害實驗結(jié)果Table 4 Experimental results of water phase trapping damage considering invasion and flowback process

綜合上述實驗結(jié)果得出，由于飛三段儲層較致密，初始含水飽和度低，束縛水飽和度較高，鉆井液濾液水相圈閉損害程度較高。因此，需要確定鉆井液液相侵入深度，以指導(dǎo)增產(chǎn)措施的有效實施。

2.3 鉆井液液相侵入深度

根據(jù)鉆井液動態(tài)傷害實驗中濾失速率與濾失時間的關(guān)系曲線（見圖2，以巖心3 為例），擬合得到巖心初始濾失速率與衰減指數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場井身結(jié)構(gòu)、鉆完井報告及室內(nèi)實驗等資料，得到井眼半徑、鉆井液浸泡時間、鉆井液對儲層孔隙的沖洗度等參數(shù)，由計算模型得到川東北某氣田飛三段儲層鉆井液液相侵入深度（見表5，表中Q2h為2 h 動態(tài)濾失量）。

圖2 濾失速率與濾失時間的關(guān)系Fig.2 Relationship between loss rate and loss time

表5 鉆井液液相侵入深度模擬計算結(jié)果Table 5 Simulation calculation results of invasion depth of drilling fluid

由計算結(jié)果可知，目前現(xiàn)場所用鉆井液體系在飛三段氣藏中的液相侵入深度為1.878～3.065 m，平均為2.528 m。由此可看出，僅通過射孔無法有效解除鉆井液濾液侵入導(dǎo)致的水相圈閉損害。

2.4 水相圈閉損害防治劑篩選及效果評價實驗結(jié)果

2.4.1 防治劑篩選實驗結(jié)果

由表6 可知，水相圈閉損害防治劑F 作用后，初始接觸角由36.7°上升至82.0°，潤濕性由親水轉(zhuǎn)變至中性潤濕，能夠極大地減小親水地層毛細(xì)管力。因此，確定防治劑F 為該碳酸鹽巖氣藏水相圈閉損害防治劑。

表6 水相圈閉損害防治劑篩選實驗結(jié)果Table 6 Screening results of prevention agents for water phase trapping damage

2.4.2 效果評價實驗結(jié)果

實驗結(jié)果見表7，巖心6-1 和巖心6-2 飽和的是未加入水相圈閉損害防治劑的鉆井液濾液，巖心6-3和巖心11 飽和的是加入水相圈閉損害防治劑的鉆井液濾液。由表7 可知：未加入水相圈閉損害防治劑的鉆井液濾液的平均自吸量（）為0.571 PV，平均水相圈閉滲透率損害率（）為49.7%；加入水相圈閉損害防治劑的鉆井液濾液的平均自吸量為0.363 PV，平均水相圈閉滲透率損害率為19.4%。加入防治劑后，自吸量減少了0.208 PV，起到了預(yù)防水相圈閉損害的目的，水相圈閉滲透率損害率降低了30.3%，能夠有效解除水相圈閉損害。

表7 加入防治劑后水相圈閉損害效果評價實驗結(jié)果Table 7 Evaluation results of water phase trapping damage effect after the addition of prevention agents

3 鉆井液水相圈閉損害預(yù)防、解除措施

3.1 預(yù)防措施

由于無法避免致密碳酸鹽巖氣藏的水相圈閉損害，鉆井過程中需要采取相應(yīng)措施減小鉆井液的侵入量，達(dá)到預(yù)防水相圈閉損害的目的。具體措施為：1）由于致密碳酸鹽巖氣藏飛三段儲層高含硫化氫，鉆開儲層時無法采用欠平衡鉆井，應(yīng)盡量采用近平衡鉆井以減小鉆井液的侵入量；2）采用理想的屏蔽暫堵技術(shù)，通過優(yōu)化鉆井液中固相顆粒的粒徑分布，從而形成滲透率接近0 的屏蔽環(huán)，以控制鉆井液液相侵入深度，同時改進(jìn)鉆井液降濾失性能，降低鉆井液濾失量；3）通過注入適用于飛三段氣藏的水相圈閉損害防治劑改變巖石表面潤濕性，從而降低毛細(xì)管力，減小毛細(xì)管自吸量；4）提高鉆速與減少鉆井事故，以縮短鉆井液暴露時間。

3.2 解除措施

在水相圈閉損害已經(jīng)發(fā)生的情況下，需采取相應(yīng)的解除措施減少水相圈閉對氣藏的損害。具體措施為：1）酸化、壓裂等增產(chǎn)措施需要穿過鉆井液液相侵入產(chǎn)生的污染帶，即酸化、壓裂的有效半徑至少達(dá)到3 m 以上才能有效解除鉆井液液相侵入產(chǎn)生的損害；2）通過注入適用于飛三段氣藏的水相圈閉損害防治劑改變巖石表面潤濕性，降低毛細(xì)管力，增加液相返排，從而降低水相圈閉滲透率損害率；3）延長關(guān)井時間，增大生產(chǎn)壓差；4）地層熱處理，減少水相圈閉損害。

4 結(jié)論

1）致密碳酸鹽巖氣藏飛三段儲層鉆井液濾液自吸最終含水飽和度為57.86%～73.57%，滲透率損害率為47.14%～72.85%，滲透率越低，自吸量、自吸速率越大；飛三段不可恢復(fù)水相圈閉滲透率損害率為31.57%～65.24%，鉆井液液相侵入深度平均為2.528 m，損害程度較高，鉆井液濾液造成的水相圈閉損害不容忽視。

2）適用于致密碳酸鹽巖氣藏的水相圈閉損害防治劑F 能夠有效降低毛細(xì)管自吸量及水相圈閉滲透率損害率，起到水相圈閉損害防治的作用。

3）依據(jù)水相圈閉損害程度實驗結(jié)果、鉆井液濾液侵入深度研究結(jié)果，以及適用于致密碳酸鹽巖氣藏的水相圈閉損害與防治研究結(jié)果提出的鉆井液水相圈閉損害預(yù)防、解除措施，更能保證增產(chǎn)措施與儲層保護(hù)措施的有效性。