黃維安， 雷明， 滕學(xué)清， 朱金智， 李寧， 張震， 周斌

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.塔里木油田公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒 841000 3.渤海鉆探塔里木鉆井分公司，新疆庫爾勒 841000）

致密砂巖氣藏儲量豐富，在中國油氣生產(chǎn)中占有極其重要的地位。據(jù)統(tǒng)計，中國致密氣可采資源量達9×1012～13×1012m3，約占全國天然氣可采資源量的22%。致密砂巖氣藏是富集在低滲透率（小于0.1 mD）、低孔隙度（小于10%）砂巖中的非常規(guī)氣藏，依靠常規(guī)技術(shù)難以開采，需在一定經(jīng)濟和技術(shù)措施下才能獲得工業(yè)天然氣產(chǎn)能[1]。該類氣藏普遍具有低孔低滲、高毛細管力、高含水飽和度、孔喉細小、非均質(zhì)嚴重以及微裂縫發(fā)育等特點，儲層極易受到損害，并且損害難以解除[2-4]。因此，研制保護致密砂巖儲層的低損害鉆井液，最大限度地減輕鉆井過程中造成的儲層損害具有重要意義。筆者以塔里木盆地B區(qū)塊致密砂巖氣藏為例，模擬該區(qū)塊儲層環(huán)境，進行高溫敏感性與水鎖損害評價，并分析儲層固相損害，系統(tǒng)探究致密砂巖氣藏損害特征；運用理想充填技術(shù)與表面活性劑相結(jié)合，優(yōu)化設(shè)計出“協(xié)同增效”型保護致密砂巖氣藏的低損害鉆井液，其可以有效阻止濾液及固相侵入儲層，并利于返排，實現(xiàn)保護B區(qū)塊致密砂巖氣藏的目的。

1 儲層地質(zhì)特征

B區(qū)塊位于塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶，目標層段為白堊系巴什基奇克組（K1bs），儲層埋藏深度較深（大于6 000 m），受極強的熱動力成巖作用和流體作用，儲層巖性致密，儲集空間復(fù)雜[5]。該區(qū)塊儲層孔隙度分布在1.0%～9.4%，平均為6.8%，滲透率分布在0.011～8.56 mD，平均為0.19 mD?？紫抖扰c滲透率關(guān)系較差，儲層巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜，同一孔隙度樣品滲透率分布范圍較寬。儲層總體孔隙發(fā)育程度低，滲透率差，非均質(zhì)性嚴重。

儲層儲集空間主要發(fā)育粒間孔隙，有少量溶蝕孔；孔喉分布呈單峰且偏向粗孔喉，孔隙結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為小孔隙大喉道，儲層孔喉直徑分布在0.04～1.39 μm，平均為0.284 μm；儲層微裂縫發(fā)育，能一定程度上增加儲層儲集空間和改善其滲流性能，裂縫形態(tài)開度不一，開度分布在0.267～70.9 μm，平均為 23.1 μm。

儲集層砂巖類型以長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖為主（見圖1），石英和方解石以膠結(jié)物的形式存在于碎屑顆粒之間[6]。石英含量為29%～52%，平均為44%；長石含量為11%～22%，平均為17%，以鉀長石和斜長石為主，儲集層內(nèi)黏土礦物含量高，在10%以上，含有伊利石、綠泥石、伊蒙混層等敏感性礦物（見表1）。

表1 塔里木盆地B區(qū)塊K1bs儲層巖心礦物組分分析

圖1 塔里木盆地B區(qū)塊巴什基奇克組砂巖成分三角圖

綜合分析以上儲層特征，B區(qū)塊儲層具有孔隙度低、滲透性差、孔喉細小、含天然裂縫、非均質(zhì)性嚴重等特點，潛在嚴重的水鎖效應(yīng)。黏土礦物中伊利石、蒙脫石含量較高，蒙脫石強親水、吸水膨脹，伊利石以不規(guī)則形狀充填于孔隙，將孔隙分隔成大量的微細孔隙，導(dǎo)致強烈吸附水，對束縛水飽和度造成影響，在一定程度上會加劇水鎖損害，并導(dǎo)致水敏等損害。

2 致密砂巖氣藏損害機理

2.1 儲層高溫敏感性評價

參照SY/T 《5358—2010儲層敏感性流動實驗評價方法》，結(jié)合致密氣藏特點，以氮氣作為流動介質(zhì)，以巖心束縛水飽和度下的氣體滲透率為初始滲透率，在130 ℃、2 MPa凈圍壓條件下，使用DSRT-Ⅱ型低滲敏感性評價試驗儀，進行B區(qū)塊致密砂巖氣藏儲層巖心的高溫敏感性流動實驗。實驗結(jié)果表明，該儲層水敏、鹽敏損害中等偏強，臨界礦化度為36 500～50 187 mg/L；速敏、酸敏、堿敏（臨界pH值為11）損害程度較弱。

2.2 高溫應(yīng)力敏感性

目前對致密砂巖氣藏的應(yīng)力敏感性研究尚未達成共識。多數(shù)研究認為致密氣藏存在較為嚴重的應(yīng)力敏感性，而也有研究認為對致密氣藏應(yīng)力敏感性的機理認識、實驗方法以及評價方法不合理[7-8]。在確保實驗儀器誤差較低的前提下，在130 ℃下，以變驅(qū)替壓力模擬凈應(yīng)力變化，較大程度模擬儲層環(huán)境，評價了B區(qū)塊儲層巖心在變驅(qū)替壓力下高溫應(yīng)力的敏感性見圖2。由圖2可知，凈應(yīng)力從2 MPa增大到17 MPa時，巖心氣測滲透率損害程度達91.3%，凈應(yīng)力降低后滲透率無法恢復(fù)，儲層應(yīng)力敏感性強。

圖2 B區(qū)塊儲層巖心變驅(qū)替壓力下高溫應(yīng)力的敏感性實驗

2.3 水鎖損害

水鎖損害被認為是致密砂巖氣藏最嚴重的損害因素之一，損害率一般達70%～90%[9-12]。選用B區(qū)塊儲層巖心，應(yīng)用巖心流動實驗，在130 ℃下，測試不同含水飽和度下巖心滲透率（見圖3）。

圖3 塔里木盆地B區(qū)塊儲層巖心水鎖損害實驗

由圖3可知，B區(qū)塊含水飽和度從平均束縛水飽和度37%增加到接近100%后，巖心滲透率從0.003 7 mD降低到0.000 13 mD，滲透率損害率達96.5%，水鎖損害極強。

6.運用實驗問題情境教學(xué)，提升學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)方法。在化學(xué)實驗中，由于受多種因素的影響，難免會出現(xiàn)失敗或異?，F(xiàn)象，表面上它影響了教學(xué)效果，實際上它正是在科學(xué)探究中培養(yǎng)和提升學(xué)生嚴謹求實的科學(xué)態(tài)度的好素材。教師如果善于抓住機會，運用問題情境教學(xué)，就會取得意想不到的效果，達到正常實驗難以實現(xiàn)的目標。

2.4 致密砂巖氣藏固相損害

固相損害主要是因為固相粒徑與孔徑或微裂縫開度不匹配，導(dǎo)致不能迅速形成致密泥餅以阻止固相繼續(xù)侵入儲層。對致密砂巖氣藏來說，因為孔喉細小，固相侵入淺而量少，只在近井地帶形成損害。而致密砂巖氣藏微裂縫的存在，會導(dǎo)致鉆井液中的固相侵入裂縫內(nèi)部，或者被不規(guī)則的裂縫表面吸附、捕集而附著在裂縫表面，降低裂縫的導(dǎo)流能力，造成固相損害。測試了B區(qū)塊現(xiàn)場磺化防塌、鉀聚磺鉆井液固相顆粒的主要粒徑分布情況（見表2）。由表2可知，磺化防塌鉆井液粒徑小于10 μm和介于10～45 μm的固相顆粒含量分別約占50%和40%，按照2/3架橋規(guī)則，對直徑小于15 μm的孔隙及微裂縫具有一定的封堵能力；鉀聚磺鉆井液粒徑小于8 μm和介于8～40 μm的固相顆粒含量分別約占50%和40%，對直徑小于12 μm的孔隙及微裂縫具有一定的封堵能力。由B區(qū)塊儲層地質(zhì)特征可知，該區(qū)塊儲層平均孔喉直徑0.284 μm，平均裂縫開度23.1 μm。由此可見，該區(qū)塊鉆井液無法對微裂縫的有效封堵，會造成微裂縫固相損害。

表2 塔里木盆地B區(qū)塊現(xiàn)場鉆井液主要粒徑分布

3 致密砂巖氣藏低損害水基鉆井液保護技術(shù)

B區(qū)塊原用磺化防塌、鉀聚磺鉆井液在流變性能、抑制性能、防塌性能方面效果較優(yōu)，然而儲層保護效果較差。鉆井液在封堵致密砂巖氣藏微孔喉及部分微裂縫的同時，無法封堵大開度裂縫，鉆井液固相及濾液會大程度侵入儲層，造成固相損害，并引起水敏及嚴重的水鎖損害。因此，根據(jù)B區(qū)塊致密砂巖氣藏地質(zhì)特性，確定保護該儲層低損害鉆井液優(yōu)化設(shè)計的基本思路為：①運用理想充填理論，提高微裂縫封堵能力，阻止鉆井液固相及濾液侵入儲層；②優(yōu)選表面活性劑，有效降低表面張力，防止或及時解除水鎖損害，促進返排。

3.1 理想充填技術(shù)

B區(qū)塊致密砂巖氣藏微裂縫寬度多分布在10～100 μm，采用D90規(guī)則研究剛性粒子與可變形粒子的復(fù)配使用，以減少水鎖損害與微細顆粒的侵入[13-16]。測試5種暫堵材料的粒徑分布，并與研究區(qū)塊孔喉及微裂縫油?；€對比（見圖4）。由圖4可以看出，TYZ-8暫堵材料粒徑分布相對靠近裂縫油保基線，對裂縫有一定的封堵效果，但曲線線性關(guān)系較差，顆粒的堆積效率不高，顆粒與顆粒之間無法形成理想充填，需要進行剛性粒子的復(fù)配并輔以可變形粒子，以滿足微裂縫的理想充填。其中，YX-2粒徑分布線性關(guān)系好，且居于孔喉油保基線與裂縫油?；€中間，復(fù)配效果好。乳化石蠟EW作為可變形粒子，粒徑分布與孔喉油保基線靠近，封堵孔隙性能效果顯著。

圖4 暫堵劑粒徑平方根與累積體積分布曲線

選擇TYZ-8、YX-2、EW進行復(fù)配，通過計算可知其質(zhì)量比按64%∶15%∶21%進行復(fù)配，可形成微裂縫的理想充填，優(yōu)化的復(fù)配暫堵劑與油保基線見圖5。

圖5 優(yōu)化的復(fù)配暫堵劑與油層保護基線關(guān)系

由此可知，優(yōu)化的復(fù)配暫堵劑與油層保護基線基本重合，略靠近基線右側(cè)，考慮顆粒的剪切磨損，可形成理想充填。根據(jù)經(jīng)驗，復(fù)配暫堵劑適宜加量為3%。

3.2 表面活性劑優(yōu)選

在鉆井液中加入表面活性劑，可以消除毛細管力對水相的束縛，緩解水鎖損害。選取B區(qū)塊致密砂巖巖樣，測量7種表面活性劑溶液在巖樣表面的接觸角，并測試這些表面活性劑溶液的表面張力σ，以σ與cosθ的乘積大小評價幾種表面活性劑防水鎖能力，結(jié)果見表3。σcosθ值越小，產(chǎn)生的毛細管力越小，水相越易返排，水鎖損害越弱。對幾種表面活性劑的進一步解水鎖能力的評價，可見文獻[14]。由表3可知，SATRO-1的σcosθ值最小，可有效緩解水鎖損害。因此優(yōu)選SATRO-1為防水鎖劑，加量為0.4%。

表3 不同表面活性劑地層水溶液在B區(qū)巖樣表面的接觸角

4 優(yōu)化鉆井液儲層保護性能評價

1#磺化防塌鉆井液 2%膨潤土+0.1%燒堿+5%SMP-Ⅲ+3%SPNH+2%PSC-Ⅱ+3%EFD-2+2%PRH-1+2%TYZ-8+1%YX-1+1%YX-2+加重劑（加重至1.9 g/cm3）

2#鉀聚磺鉆井液 4%膨潤土+0.3%燒堿+4%SMP-Ⅲ +2.5%PSC-Ⅱ+2.5%EFD-2+4%PRH-1+加重劑+7%氯化鉀

3#優(yōu)化磺化防塌鉆井液 2%膨潤土+ 0.1%燒堿 +5%SMP-Ⅲ+3%SPNH+2%PSC-Ⅱ +3%EFD-2+2%PRH-1+3%理想充填復(fù)配暫堵劑+0.4%防水鎖劑SATRO-1+加重劑

4#優(yōu)化鉀聚磺鉆井液 2#+3%理想充填復(fù)配暫堵劑+0.4%防水鎖劑SATRO-1

優(yōu)化前后鉆井液基本性能見表4。由表4可以看出，優(yōu)化磺化防塌鉆井液保證了較好的塑性黏度，并控制切力在合理范圍，高溫高壓濾失量降低；優(yōu)化鉀聚磺鉆井液比原配方有較高的黏度及切力，且濾失量有較大程度的改善，中壓濾失量為0。

表4 優(yōu)化前后鉆井液基本性能

將優(yōu)化鉆井液濾液與模擬地層水按不同比例混合，在室溫及90 ℃下觀察現(xiàn)象。實驗發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化鉆井液與地層水在不同比例不同溫度下皆無沉淀產(chǎn)生，與儲層地層水之間有良好的配伍性。

使用B區(qū)塊致密砂巖巖心，進行動態(tài)污染實驗，評價滲透率恢復(fù)值，結(jié)果見表5。由表5可知，優(yōu)化鉆井液滲透率恢復(fù)值在85%以上，較原鉆井液有大程度改善。依據(jù)理想充填技術(shù)設(shè)計的復(fù)配暫堵劑可在巖心表面形成致密的暫堵帶，阻止鉆井液微細固相及濾液侵入巖心；優(yōu)選的表面活性劑具有優(yōu)異的解水鎖能力，能促進返排，減弱水鎖損害。2者在鉆井液中協(xié)同增效，可實現(xiàn)對致密砂巖氣藏的有效保護。

表5 優(yōu)化前后鉆井液滲透率恢復(fù)值評價結(jié)果

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

通過室內(nèi)研究與現(xiàn)場應(yīng)用，綜合分析B區(qū)塊儲層損害較為嚴重的原因在于，使用的鉆井液體系無法有效封堵儲層微裂縫，濾液與固相侵入儲層，造成嚴重的水鎖損害及固相對微裂縫的損害?，F(xiàn)場使用的儲層保護劑未進行粒徑匹配設(shè)計，對微裂縫的封堵效果差，侵入的濾液無法有效返排，導(dǎo)致儲層損害較為嚴重。

B區(qū)塊B1井使用的是磺化防塌鉆井液體系，該體系具有較優(yōu)的流變性能、抑制性能和防塌性能，然而儲層保護效果較差，地層測試表明，該井表皮系數(shù)大，污染嚴重。在此體系基礎(chǔ)上，加入理想充填復(fù)配暫堵劑和優(yōu)選的表面活性劑，應(yīng)用于B2井同一儲層，其地層測試結(jié)果見表6。由表6可知，利用全壓力史擬合檢驗圖擬合出的表皮系數(shù)，B1井遠大于B2井，使用研制的低損害鉆井液對儲層的初始污染明顯降低；近似均質(zhì)求參的表皮系數(shù)，污染下降很多，表明高污染可能源于地層不完全打開等原因，B2井地層的打開程度高，暫堵層能有效解除。在B2井使用的低損害鉆井液具有優(yōu)異的儲層保護能力，能有效降低地層污染程度。

表6 優(yōu)化鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果

6 結(jié)論

1.B區(qū)塊致密砂巖氣藏具有孔喉細小、滲透性差、束縛水飽和度高、非均質(zhì)性嚴重及微裂縫發(fā)育等特點。室內(nèi)實驗結(jié)果表明，該儲層最嚴重的損害特征為應(yīng)力敏感損害（損害率為91.3%）、水鎖損害（損害率為96.5%）以及微裂縫固相損害。

2.運用理想充填理論，通過對粒徑不等的剛性顆粒與可變形粒子進行復(fù)配，能保證高效快速封堵微孔喉的同時，封堵微裂縫，阻止鉆井液微細固相及濾液侵入巖心。

3.優(yōu)選高效表面活性劑，與理想充填2者相結(jié)合，優(yōu)化設(shè)計“協(xié)同增效”型保護致密砂巖氣藏的低損害鉆井液。優(yōu)化鉆井液具有良好的流變性，與地層水配伍，并且?guī)r心滲透率恢復(fù)值較原鉆井液有大程度改善，達85%以上，儲層保護效果顯著。

4.研制的優(yōu)化鉆井液在B區(qū)塊巴什基奇克組儲層中取得成功應(yīng)用，鉆井后儲層表皮系數(shù)極大降低，鉆井液對儲層的污染明顯降低。