摘要：儲(chǔ)層低滲特征和鉆井液污染是影響低滲氣藏有效建產(chǎn)的主要因素?；谀统邷馗邏簩?shí)驗(yàn)系統(tǒng)和CT 掃描技術(shù)研究了新疆油田南緣區(qū)塊1 個(gè)高溫超高壓致密氣藏（158.6 ?C，146 MPa）滲透率應(yīng)力敏感性以及鉆井液污染特征。研究結(jié)果表明，1）儲(chǔ)層巖芯孔隙中90% 以上為粒間孔，且少量粒間孔被方解石膠結(jié)物和瀝青全充填半充填；2）在凈應(yīng)力110 MPa 下，所考察的兩塊柱塞巖芯（0.001 9 mD，0.032 5 mD）的應(yīng)力敏感滲透率降低率（相對(duì)于儲(chǔ)層實(shí)際凈應(yīng)力下）分別為39.28% 和16.04%，屬于中等偏弱和弱敏感；3）定性和定量表征了另外兩柱塞塊巖芯（0.004 2 mD，0.029 0 mD）在實(shí)際操作工況下鉆井液侵入特征，發(fā)現(xiàn)鉆井液均沒(méi)有突破兩塊巖芯長(zhǎng)度，侵入滲透率為0.029 0 mD 巖芯的深度為3.86 cm，但引起的表皮系數(shù)達(dá)到6.54，表現(xiàn)為嚴(yán)重污染。研究成果對(duì)于掌握高溫超高壓氣藏儲(chǔ)層特征、鉆井液污染認(rèn)識(shí)以及后續(xù)儲(chǔ)層保護(hù)措施建立提供了重要技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：高溫超高壓；致密氣藏；應(yīng)力敏感；鉆井液污染；CT 掃描技術(shù)

引言

隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)步以及社會(huì)對(duì)能源需求的快速增長(zhǎng)，油氣資源勘探開(kāi)發(fā)作業(yè)正逐步向超深層邁進(jìn)。例如，近幾年在新疆南緣、塔里木盆地和四川盆地發(fā)現(xiàn)了一批儲(chǔ)層溫度和壓力整體超過(guò)了100 ?C和100 MPa 的高溫超高壓氣藏，塔里木油田克拉蘇白堊系致密砂巖氣藏的儲(chǔ)層條件更是達(dá)到了180 ?C和138 MPa[1]。這類(lèi)氣藏由于埋藏深，普遍存在著低滲甚至超低滲特征，這對(duì)后期有效產(chǎn)能的建立帶來(lái)了許多困難。目前，影響致密氣藏有效產(chǎn)能建立的因素挺多，其中，鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的污染所引起的表皮效應(yīng)，以及在衰竭式開(kāi)發(fā)過(guò)程儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感特征是兩個(gè)主要因素[2 3]。

與常規(guī)氣藏相比，超高壓低滲氣藏降壓開(kāi)發(fā)過(guò)程儲(chǔ)層巖石承受的有效應(yīng)力變化范圍大幅增加，引起儲(chǔ)層巖石的彈塑性變形更大，從而導(dǎo)致儲(chǔ)層的物性參數(shù)如滲透率和孔隙度等降幅可能更大[4]。魯瑞彬等[5 6] 分別以南海西部L 3 高溫高壓探井（儲(chǔ)層壓力90 MPa）以及塔里木盆地庫(kù)車(chē)區(qū)塊的致密砂巖氣藏（壓力為52～67 MPa）為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比分析大量應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)，明確了高壓氣藏“兩段式”應(yīng)力敏感變化規(guī)律，隨著有效應(yīng)力的增加，滲透率下降明顯分為“先陡后緩”2 段。雷霄等[7] 通過(guò)對(duì)高溫高壓砂巖氣藏（儲(chǔ)層壓力70 MPa）應(yīng)力敏感性的研究發(fā)現(xiàn)，初始滲透率越低，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，且孔隙度對(duì)有效應(yīng)力的敏感性低于滲透率的應(yīng)力敏感性。整體來(lái)看，受制于實(shí)驗(yàn)條件的限制，對(duì)于儲(chǔ)層壓力超過(guò)100 MPa 的超高壓氣藏，相關(guān)巖石應(yīng)力敏感的研究鮮有報(bào)道。

在鉆井過(guò)程中，鉆井液中的固體顆粒，會(huì)在地層孔隙壓力和鉆井液液柱壓力之間的壓差作用下，順著儲(chǔ)層的巖石孔隙向著儲(chǔ)層內(nèi)部擴(kuò)散，從而改變井筒附近儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)，減小儲(chǔ)層滲透性、減弱地層流體滲流能力[8 10]。目前，表征鉆井液污染儲(chǔ)層的方法主要還是實(shí)驗(yàn)法，如田巍等[11] 采用先進(jìn)的Auto-floodTM（AFS300TM）驅(qū)替評(píng)價(jià)裝置研究鉆井液污染對(duì)四川盆地川東海相低滲氣藏儲(chǔ)層的傷害，結(jié)果表明，鉆井液傷害主要由復(fù)雜多級(jí)別粒徑顆粒封堵而傷害大孔道引起。邱奕龍等[12] 采用高溫高壓全直徑鉆井液污染評(píng)價(jià)裝置，研究塔里木大北地區(qū)基巖巖芯鉆井液污染傷害評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)壓差是決定其傷害程度的一個(gè)重要因素，壓差越大，滲透率恢復(fù)率越低，傷害比越高，傷害情況越嚴(yán)重。但已報(bào)道實(shí)驗(yàn)裝備以及研究結(jié)果所涉及的氣藏壓力均低于60 MPa。

本文以新疆南緣地區(qū)1 個(gè)高溫超高壓致密氣藏（儲(chǔ)層溫度：158.6 ?C；儲(chǔ)層壓力：146 MPa）為研究對(duì)象，采用自主研發(fā)的耐超高溫高壓滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[13] 對(duì)其儲(chǔ)層巖芯滲透率應(yīng)力敏感和鉆井液污染特征進(jìn)行研究，為該類(lèi)型氣藏的有效開(kāi)發(fā)提供關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

巖芯滲透率應(yīng)力敏感評(píng)價(jià)裝置如圖1 所示，主要包括耐超高溫高壓巖芯夾持器，流體注入和采出3 部分。其中，巖芯夾持器的最高工作條件達(dá)到200 ?C和200 MPa（圖2）。流體注入部分主要包括高壓驅(qū)替泵和盛放氮?dú)獾哪透邏褐虚g容器。流體采出部分主要包括回壓閥、高壓驅(qū)替泵和氣體流量計(jì)。

進(jìn)行實(shí)際工況下鉆井液污染巖芯評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)滲流系統(tǒng)進(jìn)行了部分改造見(jiàn)圖3。主要在耐超高溫高壓夾持器的右端探頭上開(kāi)了兩個(gè)流體流動(dòng)口，兩個(gè)口從內(nèi)部與巖芯端面連通，從外部通過(guò)管線(xiàn)分別與兩個(gè)盛有鉆井液的高壓中間容器相連，實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)鉆井液在夾持器內(nèi)巖芯端面的循環(huán)流動(dòng)。整套系統(tǒng)放置于高溫實(shí)驗(yàn)箱中實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層溫度、壓力條件的建立。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

鉆取獲得目標(biāo)氣藏埋深6 993～6 999 m 柱塞巖芯4 塊，巖芯孔隙度和滲透率測(cè)定結(jié)果如表1 所示?？梢钥闯觯瑵B透率均小于0.1 mD，屬于超深超高壓致密氣藏。

2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 巖芯滲透率應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)

1）將巖芯裝入夾持器中，然后有序地連接好整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；2）設(shè)定回壓閥的工作壓力為氣藏壓力146 MPa；3）通過(guò)高壓驅(qū)替泵為巖芯夾持器內(nèi)巖芯提供一個(gè)基礎(chǔ)圍壓4 MPa 左右，然后往巖芯中緩慢泵入氮?dú)猓陂g逐漸提高巖芯圍壓，確保圍壓較巖芯內(nèi)壓至少高3 MPa，直至巖芯內(nèi)壓達(dá)到儲(chǔ)層壓力146 MPa；4）進(jìn)一步提高巖芯圍壓至氣藏實(shí)際覆壓181 MPa；5）測(cè)定儲(chǔ)層壓力下巖芯滲透率K0；6）保持巖芯圍壓不變，以5 MPa 為間隔逐漸降低巖芯內(nèi)壓，同樣測(cè)定每個(gè)壓力巖芯的滲透率Ki；7）當(dāng)巖芯內(nèi)壓降到設(shè)定值后，再以5 MPa 為間隔往巖芯內(nèi)注氮?dú)馍咂鋲毫Γ瑯訙y(cè)定每個(gè)壓力下巖芯滲透率，直至儲(chǔ)層壓力。基于滲透率變化特征和規(guī)律掌握巖芯的應(yīng)力敏感特征和損害程度。

2.2 巖芯鉆井液污染實(shí)驗(yàn)

1）對(duì)巖芯進(jìn)行CT 掃描，掌握其基礎(chǔ)圖像值；2）將巖芯裝入夾持器中，然后有序地連接好整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將一定體積鉆井液分裝到兩個(gè)耐超高壓中間容器中；3）同樣采用氮?dú)夂鸵簤河徒o巖芯建立地層壓力環(huán)境（內(nèi)壓為146 MPa，圍壓為180 MPa）；將盛鉆井液中間容器內(nèi)壓力壓至151 MPa（基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，井筒中壓力高于儲(chǔ)層壓力5 MPa 左右）；4）設(shè)定高溫實(shí)驗(yàn)箱的工作溫度為地層溫度158.6 ?C，升溫過(guò)程通過(guò)系統(tǒng)所連驅(qū)替泵控制巖芯內(nèi)壓、圍壓、盛鉆井液中間容器內(nèi)壓力均不變；5）當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的溫度、壓力穩(wěn)定后，連通巖芯夾持器和盛鉆井液中間容器之間閥門(mén)，此時(shí)部分鉆井液會(huì)跑入連接管線(xiàn)和夾持器右端探頭的孔道中，記錄下此時(shí)兩個(gè)中間容器內(nèi)剩余的鉆井液總體積V1，并開(kāi)始計(jì)時(shí)；6）同時(shí)啟動(dòng)與盛鉆井液中間容器底部連接的兩個(gè)驅(qū)替泵（一個(gè)進(jìn)泵、一個(gè)退泵），在恒壓條件下讓鉆井液在巖芯端面流動(dòng)，由于壓差的作用，鉆井液會(huì)侵入巖芯，中間容器內(nèi)鉆井液總體積會(huì)逐漸減??；7）當(dāng)其中一個(gè)中間容器內(nèi)活塞達(dá)到頂部或底部時(shí)，調(diào)整兩個(gè)驅(qū)替泵的工作方向，直至兩個(gè)中間容器內(nèi)鉆井液總體積V2 在5 h 內(nèi)均不再變化，說(shuō)明鉆井液在巖芯中侵入過(guò)程完成，記錄下總時(shí)間t，計(jì)算出實(shí)際工況下鉆井液侵入速度V2/t；8）整個(gè)系統(tǒng)緩慢降壓，將巖芯取出再次測(cè)定其滲透率，與實(shí)驗(yàn)之前對(duì)比掌握滲透率降低程度；9）對(duì)取出的巖芯再次進(jìn)行CT掃描，與實(shí)驗(yàn)前CT 基礎(chǔ)值對(duì)比，掌握鉆井液在巖芯中侵入的距離。

3 數(shù)據(jù)處理

基于《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》[14] 計(jì)算每級(jí)壓力下巖芯滲透率，得到滲透率變化率，再進(jìn)一步確定巖芯的滲透率不可逆損害程度，相關(guān)計(jì)算公式為

式中：

Dst—不同凈應(yīng)力下巖樣滲透率變化率，無(wú)因次；

D′st—不可逆應(yīng)力敏感性損害率，無(wú)因次；

Kn—凈應(yīng)力增加過(guò)程中不同凈應(yīng)力下的巖芯滲透率，mD；

Ki—初始滲透率（初始凈應(yīng)力對(duì)應(yīng)的巖芯滲透率），mD；

K′i—恢復(fù)到初始凈應(yīng)力點(diǎn)時(shí)巖芯滲透率，mD。

鉆井液污染導(dǎo)致的巖芯表皮系數(shù)為

式中：

S—表皮系數(shù)，無(wú)因次；

K0—污染前儲(chǔ)層壓力下的巖芯滲透率，mD；

Kd—污染后的巖芯滲透率，mD；

rd—井徑污染深度，cm；

rw—泥漿污染深度，cm。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 鑄體薄片分析

鑒于巖芯表現(xiàn)出的超低滲特征，對(duì)取得的4塊巖芯進(jìn)行了鑄體薄片分析，相關(guān)結(jié)果如圖4 和表2所示?？梢钥闯觯? 塊巖芯中孔隙都以粒間孔為主（超過(guò)了90%），且其中原生粒間孔的占比又超過(guò)了60%，說(shuō)明氣藏成藏后受外在因素干擾少，以原生孔隙為主，這也是造成儲(chǔ)層超低滲特征的主要原因之一。

4.2 巖芯滲透率應(yīng)力敏感

應(yīng)力敏感性是氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程一種常見(jiàn)特征，能夠引起儲(chǔ)層裂縫寬度和滲透率的變化，從而影響鉆井堵漏作業(yè)、儲(chǔ)層流體的流動(dòng)特性以及油氣井的產(chǎn)能[15]。鑒于目標(biāo)氣藏超高壓、超低滲的儲(chǔ)層特征，論文選取1 號(hào)和8 號(hào)柱塞巖芯對(duì)其滲透率應(yīng)力敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用定圍壓降內(nèi)壓的方式，實(shí)驗(yàn)溫度為常溫，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

可以看出，以原始有效應(yīng)力（34 MPa）為基礎(chǔ)，隨著凈應(yīng)力的升高，巖芯滲透率先快速降低，在凈應(yīng)力超過(guò)70 MPa 后下降幅度逐漸變緩，最后在凈應(yīng)力110 MPa 下滲透率降低率分別為39.28% 和16.04%，這與文獻(xiàn)中提到的“兩段式”變化特征基本一致，表明目標(biāo)高溫超高壓致密氣藏滲透率應(yīng)力敏感不強(qiáng)。但由于儲(chǔ)層本身的滲透率屬于超低滲，弱應(yīng)力敏感同樣會(huì)對(duì)天然氣的流動(dòng)產(chǎn)生明顯的影響，在產(chǎn)能方程和滲流模型建立過(guò)程同樣應(yīng)該考慮進(jìn)去。

隨著巖芯內(nèi)壓的恢復(fù)，滲透率逐漸升高，但即使恢復(fù)到原始地層壓力下，1 號(hào)和8 號(hào)兩塊巖芯滲透率的恢復(fù)率也只有80.00% 和93.75%，存在20.00%和6.25% 的不可逆損害。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》[14]，兩塊巖芯的滲透率損害程度均為弱。

4.3 巖芯鉆井液污染特征

隨著開(kāi)發(fā)的進(jìn)行，滲透率應(yīng)力敏感性會(huì)在整個(gè)氣藏儲(chǔ)層中體現(xiàn)，而鉆井液污染主要體現(xiàn)在井筒周?chē)?，但?duì)致密儲(chǔ)層的流體滲流傷害往往更明顯[16]。本部分進(jìn)一步選取3 號(hào)和10 號(hào)兩塊巖芯進(jìn)行了實(shí)際工況下的鉆井液污染評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件在實(shí)驗(yàn)部分已詳細(xì)說(shuō)明，鉆井液流動(dòng)速度設(shè)定為0.01 L/h。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6 和圖7。

圖6 給出了鉆井液侵入量與時(shí)間的變化關(guān)系，可以看出，巖芯中的鉆井液侵入量開(kāi)始幾乎呈現(xiàn)線(xiàn)性增加，其中，10 號(hào)巖芯由于滲透率相對(duì)更高，這種線(xiàn)性特征更明顯。隨后，侵入速度逐漸變緩。最后3 號(hào)和10 號(hào)巖芯的累計(jì)鉆井液侵入量分別為0.054 和1.110 mL，所耗費(fèi)的時(shí)間分別為35 h 和28 h，對(duì)應(yīng)的鉆井液的侵入速度分別為0.001 5 和0.039 0 mL/h?？梢缘贸觯瑤r芯滲透率越高，鉆井液侵入時(shí)間越長(zhǎng)，侵入程度越明顯。但需要說(shuō)明的是，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鉆井液的侵入距離都沒(méi)有突破兩塊巖芯的長(zhǎng)度，如圖7 所示，3 號(hào)和10 號(hào)巖芯與鉆井液接觸端形成了一層泥餅，而巖芯的另一端卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鉆井液的痕跡（巖芯側(cè)面的黑色是高溫環(huán)境下膠皮套留下的痕跡），表明了鉆井液并沒(méi)有穿透整個(gè)巖芯長(zhǎng)度。對(duì)取出的巖芯烘干稱(chēng)重和測(cè)定滲透率表明，3 號(hào)和10 號(hào)巖芯的質(zhì)量較實(shí)驗(yàn)前干巖芯分別增加了0.019 8 和0.011 1 g，滲透率分別降低了88.10% 和85.86%（表3），這是由于鉆井液的固體顆粒侵入巖芯后殘留所致。

為了進(jìn)一步掌握鉆井液固體顆粒在巖芯的侵入程度，進(jìn)一步對(duì)比10 號(hào)巖芯受鉆井液污染前后CT分析結(jié)果（圖8）。在巖芯Z 方向上選了幾個(gè)代表性的點(diǎn)，對(duì)比了實(shí)驗(yàn)前后的灰度值差值，其中，CT 灰度值差值中的綠色部分為鉆井液在巖芯中殘留物引起的差值變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，離巖芯端面1.68 cm 處，鉆井液殘留物較均勻地分布在巖芯的孔隙結(jié)構(gòu)中。在離巖芯端面2.77 cm 處，巖芯的孔隙結(jié)構(gòu)中鉆井液固體顆粒的量明顯減少，證明鉆井液中的懸浮固體顆粒進(jìn)入地層，封堵了部分孔隙通道，減小儲(chǔ)層滲透率并且減弱后續(xù)流體的滲流能力。而在離巖芯端面3.86 cm 左右只能依稀發(fā)現(xiàn)少量殘留的鉆井液痕跡，本文將這個(gè)距離定為目標(biāo)基質(zhì)巖芯中鉆井液侵入的最深距離。最后，進(jìn)一步基于式（3）確定鉆井液引起的表皮系數(shù)為6.54，屬于嚴(yán)重污染程度。需要說(shuō)明的是在實(shí)際過(guò)程中，如果氣藏儲(chǔ)層中存在裂縫或縫洞這些多重介質(zhì)特征，鉆井液的污染特征會(huì)不同。

5 結(jié)論

1）目標(biāo)高溫超高壓致密氣藏的巖芯孔隙中90% 以上為粒間孔，其中，少量粒間孔被方解石膠結(jié)物和瀝青全充填—半充填，與超低滲儲(chǔ)層特征匹配。

2）隨著凈應(yīng)力增加，巖芯滲透率先直線(xiàn)降低，后趨緩，表現(xiàn)為“兩段式”特征。在凈應(yīng)力為110 MPa 下，1 號(hào)巖芯（0.001 9 mD）和8 號(hào)巖芯（0.032 5 mD）的滲透率降低率分別為39.28% 和16.04%，巖芯表現(xiàn)為中等偏弱和弱應(yīng)力敏感特征。儲(chǔ)層壓力恢復(fù)后，滲透率不可逆損害率分別為20.00% 和6.25%。

3）在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作工況下進(jìn)行了鉆井液污染巖芯試驗(yàn)評(píng)價(jià)，3 號(hào)和10 號(hào)兩塊巖芯的鉆井液侵入速度分別為0.001 5 和0.039 0 mL/h，鉆井液沒(méi)有突破巖芯長(zhǎng)度，滲透率分別降低了88.10% 和85.86%。

進(jìn)一步結(jié)合CT 掃描，明確10 號(hào)巖芯中鉆井液侵入深度為3.86 cm，造成的表皮系數(shù)為6.54，鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的污染程度表現(xiàn)為嚴(yán)重污染。

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作者簡(jiǎn)介。

胡元偉，1984 年生，男，漢族，湖北崇陽(yáng)人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事油氣藏工程和數(shù)值模擬方面的研究工作。E-mail：hyw9981@126.com

楊碩孔，1998 年生，男，漢族，山東濟(jì)寧人，碩士，主要從事油氣田開(kāi)發(fā)方面的研究工作。E-mail：1808884741@qq.com

仇鵬，1984 年生，男，漢族，寧夏中衛(wèi)人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事氣藏評(píng)價(jià)、天然氣開(kāi)發(fā)及儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)等方面的科研工作。E-mail：qiupeng@petrochina.com.cn

劉煌，1986 年生，男，漢族，湖南新化人，副研究員，博士，主要從事油氣田開(kāi)發(fā)研究工作。E-mail：liuhuangswpu@sina.com

趙傳凱，1995 年生，男，漢族，新疆克拉瑪依人，工程師，碩士，主要從事氣藏工程研究工作。E-mail：zhaock@petrochina.com.cn

編輯：牛靜靜

基金項(xiàng)目：四川省科技廳重點(diǎn)基金（2021YFQ0044）