王 瑞， 吳新民， 馬 云， 白海濤

(西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院; 西部低滲-特低滲油藏開發(fā)與治理教育部工程研究中心;陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065)

截至2018年6月，中國先后發(fā)現(xiàn)并落實(shí)了涪陵、長寧-威遠(yuǎn)、昭通等頁巖氣田，累計(jì)探明地質(zhì)儲量10 450×109m3，2018年產(chǎn)量110×109m3[1]。目前，頁巖氣開發(fā)的研究主要集中在資源評價(jià)選區(qū)、安全鉆進(jìn)、高效壓裂和長效開采等方面[2]，但對工作液對頁巖氣產(chǎn)出的影響和與之對應(yīng)的頁巖儲層傷害及保護(hù)技術(shù)關(guān)注較少。

頁巖氣儲層傷害機(jī)理與常規(guī)天然氣的不同，頁巖的敏感性礦物、物性及孔隙結(jié)構(gòu)、巖石潤濕性和含水飽和度等特征都存在特殊性，特別是其產(chǎn)出涉及氣體的解吸和擴(kuò)散過程，不能再以單一的滲透率傷害來對其進(jìn)行評價(jià)，且此問題在面對新發(fā)現(xiàn)和接替的深層、高壓、超高壓頁巖氣層系時(shí)更為突出，因此值得開展深入研究。

為此，通過討論頁巖氣儲層傷害潛在因素以及深層頁巖氣儲層傷害的特殊性，分析工作液對頁巖氣滲流、擴(kuò)散和吸附解吸的傷害機(jī)理研究進(jìn)展，包括與頁巖氣滲流傷害相關(guān)的頁巖儲層的敏感性和工作液傷害、返排時(shí)傷害解除及滲吸、工作液對頁巖氣吸附/解吸與擴(kuò)散的傷害。提出了該研究方向需要關(guān)注和亟待解決的問題。

1 頁巖氣儲層傷害潛在因素

與常規(guī)天然氣藏相比，頁巖氣儲層傷害的特殊潛在因素體現(xiàn)在：頁巖為強(qiáng)非均質(zhì)[3]，其組成富含有機(jī)質(zhì)(干酪根)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～20.0%[4]，且黏土礦物含量高[5-7]；頁巖中的孔隙除大孔、介孔外，還存在微孔和微裂縫(圖1)[8]，有機(jī)質(zhì)含量越高，微孔含量越多[9]，黏土含量越高，介孔含量越多[10]；因含有黏土礦物和有機(jī)質(zhì)成分所以頁巖表面呈現(xiàn)兩性潤濕，同時(shí)因經(jīng)歷生、排烴階段，造成儲層含水飽和度超低，所以液相潛在損害突出；頁巖氣井鉆井液油基和水基都有使用[11]，壓裂液以滑溜水為主[12-14]。

圖1 頁巖中的微裂縫

與常壓頁巖氣藏相比，深層頁巖氣藏地質(zhì)條件更為復(fù)雜，對工程技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，即儲層埋藏更深，溫度更高，壓力體系復(fù)雜，頁巖塑性增強(qiáng)、閉合壓力高、水平應(yīng)力差異大，縫網(wǎng)改造難度更大等[15]。這樣外來流體對頁巖氣產(chǎn)出的影響和引發(fā)的儲層傷害的特殊性，具體表現(xiàn)在：①儲層致密滲透率更低，造成其對各類傷害可能特別敏感；②儲層含水飽和度更低，儲層吸水能力極強(qiáng)，有可能使水相圈閉傷害更大[16]；③壓裂后外來流體與儲層的接觸規(guī)模大，因毛管力極強(qiáng)，且頁巖氣產(chǎn)出過程涉及氣體吸附與解吸、擴(kuò)散、滑脫滲流和液體滲吸等多過程多機(jī)理，流動(dòng)關(guān)系復(fù)雜；④儲層壓力更大溫度更高，所以一系列傷害問題更為突出。

2 工作液對頁巖氣滲流的傷害

流體作用對頁巖氣產(chǎn)出的影響及工作液傷害與頁巖氣開采中氣體產(chǎn)出過程一一對應(yīng)，頁巖氣產(chǎn)出，首先是氣體在壓力差的作用下由裂縫流向井筒[17]，然后氣體由基質(zhì)擴(kuò)散至裂縫，同時(shí)氣體在基質(zhì)表面進(jìn)行解吸，兩個(gè)階段逐一引發(fā)相互連貫和接替。傳統(tǒng)的工作液對儲層的傷害僅關(guān)注第一階段，即對滲透率的損傷，其所涉及的主要問題有：一是傳統(tǒng)的儲層敏感性和工作液損傷，二是頁巖氣藏壓裂后返排時(shí)的傷害解除。

2.1 儲層敏感性和工作液傷害

頁巖儲層敏感性傷害，因頁巖儲層富含黏土礦物，所以流體敏感性傷害和應(yīng)力敏感性傷害嚴(yán)重，前者因?yàn)轲ね恋乃蛎?，后者因礦物顆粒運(yùn)移、流體潤滑導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低[18]。目前的研究多集中在頁巖氣儲層礦物含量與敏感性密切相關(guān)性，而關(guān)于有機(jī)質(zhì)的存在對敏感性的影響機(jī)理鮮見報(bào)道。

關(guān)于工件液對頁巖氣儲層的傷害，康毅力等[19]研究認(rèn)為，鉆井液傷害以固相侵入、應(yīng)力敏感、液相圈閉為主。壓裂傷害主要有壓裂液侵入，以及支撐劑嵌入、添加劑殘留、濾餅堵塞[20-22]。對應(yīng)工作液體系的研究，以研發(fā)儲層保護(hù)劑和水化抑制劑等為主[23]。

2.2 返排時(shí)滲透率傷害的解除

對常規(guī)天然氣藏，壓裂時(shí)為降低傷害，工程中常要求加快返排速度提高返排率[24-25]，但大量頁巖氣開發(fā)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，頁巖氣藏壓后返排率較低，大量液體殘留于地層中[26]，且頁返排率越低產(chǎn)能反而較高。即對頁巖氣藏，工件液侵入傷害會解除，可能由傷害與抑制變成了增產(chǎn)與促進(jìn)。

對頁巖氣井返排率越低產(chǎn)量反而越高的現(xiàn)象，即傷害解除機(jī)理，有兩種解釋：一是任凱等[27]認(rèn)為是因?yàn)轫搸r氣儲層的水鎖傷害自解除，其主要機(jī)理是液相進(jìn)入儲層補(bǔ)充了地層能量，液相通過滲吸向基巖更深部轉(zhuǎn)移，伴隨水巖反應(yīng)誘發(fā)了微裂縫進(jìn)一步延展[28]；二是游利軍等[29]研究發(fā)現(xiàn)滲吸使儲層微裂縫擴(kuò)張、并產(chǎn)生新的微裂縫及縫網(wǎng)導(dǎo)致儲層滲透率增加，以及黏土與水膨脹后減輕了應(yīng)力敏感傷害[30]，使液體作用由對儲層的傷害轉(zhuǎn)變成對儲層的改造[31]。

而頁巖儲層對工作液滲吸過程及其影響因素的研究，目前多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為滲吸過程是分階段的，且與有無裂縫和孔隙尺寸密切相關(guān)。針對滲吸分階段不同學(xué)者的描述不同，如游利軍等[32]將其分為潤濕相飽和度增大和飽和度重新分布；李相臣等[33]將其分為液相自吸和液相擴(kuò)散吸附兩個(gè)階段。裂縫和孔隙尺寸對滲吸的影響研究；游利軍等[34]和康毅力等[35]認(rèn)為裂縫越多自吸越快，孔隙越小毛管力越大，自吸越快。此外，深層頁巖氣在高壓環(huán)境下的產(chǎn)出具有特殊性[36]，即此時(shí)壓裂液在頁巖地層中滲吸滯留的微觀動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，還需深入研究[2]。

3 工作液對頁巖氣擴(kuò)散和解吸的傷害

3.1 工作液對頁巖氣擴(kuò)散的傷害

頁巖氣產(chǎn)出時(shí)的擴(kuò)散過程分為兩步：一是氣體在儲層連通的孔隙和裂縫中由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的擴(kuò)散；二是氣體在氣體從基質(zhì)(或干酪根主體)到基質(zhì)表面的擴(kuò)散，這是因氣體在干酪根(或黏土)表面的解吸造成區(qū)域濃度差引起的。

就工作液對巖樣中氣體擴(kuò)散的影響，首先，多名學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)巖樣含水后氣體在其中的擴(kuò)散系數(shù)會降低，如Clarkaon等[37]觀察到甲烷在濕煤樣中的擴(kuò)散能力較干樣中的大幅度減小；Busch等[38]也發(fā)現(xiàn)濕煤樣的擴(kuò)散系數(shù)較干樣降低了40%～50%，其原因?yàn)榧淄樵谒械臄U(kuò)散可以忽略而水分子吸附層卻減小了孔徑；Pan等[39]測量到甲烷在含水煤樣中的介孔和微孔擴(kuò)散系數(shù)較在干樣中降低了80%；Xu等[40]研究認(rèn)為煤樣含水后減小了其對甲烷的吸附量，使巖樣內(nèi)外的甲烷濃度梯度降低，從而導(dǎo)致擴(kuò)散系數(shù)較干樣的減小。對頁巖，Yuan等[41]發(fā)現(xiàn)無論介孔和微孔擴(kuò)散系數(shù)都因頁巖中水的存在而降低；Lyu等[42]專門分析了頁巖吸水后膨脹的問題，發(fā)現(xiàn)因工作液的作用，液體層占據(jù)了孔隙內(nèi)壁，黏土接觸水后膨脹，兩者一同造成孔隙尺寸的減小和孔隙結(jié)構(gòu)的變化。

其次，工作液對巖樣中氣體擴(kuò)散的影響與壓力、溫度和巖樣狀態(tài)的影響密不可分，共同作用。解吸法擴(kuò)散系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)中，吸附平衡壓力和溫度相當(dāng)于真實(shí)頁巖氣藏的儲層壓力和溫度，顆粒粒徑對應(yīng)儲層中的裂縫規(guī)模。其中，壓力對擴(kuò)散系數(shù)的影響存在三種觀點(diǎn)：①無影響，如楊其鑾[43]；②負(fù)相關(guān)，如李相臣等[44]；③正相關(guān)，如聶百勝等[45]；④階段性差異，即需要細(xì)分不同尺寸孔隙中的擴(kuò)散，如Busch 等[38]研究了甲烷在煤中的擴(kuò)散情況，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散系數(shù)隨吸附平衡壓力的增大而減小只在緩慢吸附段和高壓時(shí)出現(xiàn)；Yuan等[41]發(fā)現(xiàn)吸附平衡壓力對不同類型擴(kuò)散的影響有異。單一溫度對擴(kuò)散的影響，是溫度越高擴(kuò)散系數(shù)越大，但在儲層中溫度的影響是與壓力相關(guān)聯(lián)的，它們共同的作用機(jī)理是影響了氣體在巖樣上的吸附和解吸平衡，而吸附和解吸又會引起基質(zhì)的膨脹和收縮，從而引起孔徑的變化，以決定了擴(kuò)散類型，并最終影響擴(kuò)散系數(shù)。李相臣等[44]認(rèn)為壓力是巖樣孔隙結(jié)構(gòu)和吸附特性對解吸擴(kuò)散的宏觀表現(xiàn)，非決定作用，這與Busch等[38]和Yuan等[41]的研究結(jié)果相同，只是對此現(xiàn)象出現(xiàn)的壓力范圍和孔隙尺寸進(jìn)行了限定。樣品狀態(tài)如顆粒粒徑?jīng)Q定了介孔和微孔的數(shù)量以及顆粒的外表面積和孔隙內(nèi)比表面積的比例，也就決定了擴(kuò)散過程中在孔隙與裂縫中的擴(kuò)散和由基質(zhì)內(nèi)到基質(zhì)表面擴(kuò)散兩個(gè)階段所占的比例，這在有工作液存在時(shí)影響將更明顯。Siemons等[46]研究表明水對小顆粒煤樣的擴(kuò)散系數(shù)的抑制更明顯。

3.2 工作液對頁巖氣解吸的傷害

氣體在巖樣上的吸附與解吸為動(dòng)態(tài)平衡，解吸為其吸附的逆過程[47]，所以可通過分析吸附來研究氣體解吸過程。影響吸附的主要因素包括頁巖的礦物和有機(jī)質(zhì)組成及含量、頁巖的孔隙類型和結(jié)構(gòu)、巖樣狀態(tài)如粒徑和含水率，以及外部環(huán)境如溫度和壓力等[48]。其中，流體作用對氣體吸附的影響，目前主要研究的還只是水對頁巖氣吸附的影響。

此方面的等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，頁巖巖樣含水對其吸附氣體影響較大[49]，且?guī)r樣含水對其吸附氣體量間相關(guān)性較復(fù)雜，也存在爭議。首先，最初也是大多研究認(rèn)為，巖樣含水將降低其對氣體的吸附量(也就是可增加解吸量)，即平衡濕樣對氣體的吸附量低于干樣對氣體的。Joubert等[50]在分析煤對氣體的吸附時(shí)，建議必須考慮樣品濕度的影響，樣品含水量對煤吸附氣體的影響還存在一臨界值(近于煤樣的飽和吸附水含量)，超過此值含水對吸附無影響[51]；Krooss等[52]研究發(fā)現(xiàn)平衡濕樣對甲烷的吸附量較干樣降低20%～24%；Guo等[53]發(fā)現(xiàn)樣品濕度降低了低階煤對氣體的吸附量，降低程度隨濕度的增加而增加，且?guī)r樣濕度和巖樣對氣體的吸附量間不是簡單的負(fù)相關(guān)，濕度超過某值后其對吸附無影響。其次，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)樣品含水量越大，對氣體吸附量不降反增。Sang等[54]研究發(fā)現(xiàn)注水煤樣對吸附氣體的規(guī)律和平衡濕樣以及干樣的明顯不同，煤中的液態(tài)水的存在可使煤基質(zhì)對氣體的吸附量增加，推測因?yàn)樗绊懥嘶|(zhì)表面的潤濕性。再者，還有研究關(guān)注樣品含水、孔隙結(jié)構(gòu)和吸附規(guī)律間的關(guān)系。Ross等[10]強(qiáng)調(diào)濕度對頁巖吸附氣體量有影響是明確的，但濕度是先改變了頁巖孔隙結(jié)構(gòu)，再間接影響吸附量的。Zhang等[55]認(rèn)為水份占據(jù)了黏土礦物里的吸附位，但并沒有覆蓋有機(jī)質(zhì)表面的吸附位，黏土含水引起顆粒膨脹和堵塞孔道，降低了氣體進(jìn)入孔隙并吸附于孔隙內(nèi)壁的能力。Clarkson等[56]和Bustin等[57]也認(rèn)為頁巖里的黏土表面會大部分被水占據(jù)，實(shí)際上巖樣的濕度恢復(fù)，即巖樣吸附氣體前的干燥處理時(shí)，樣品的孔隙結(jié)構(gòu)已然發(fā)生了改變。

含水狀態(tài)下的頁巖氣的吸附和解吸機(jī)理，目前有三種理論：傳統(tǒng)的氣—固吸附理論[47，58]、氣-固和氣-液界面復(fù)合吸附解吸理論[59-61]、氣-固和液-固界面復(fù)合吸附解吸理論[62-63](表1、圖2)，后兩者考慮了氣體在頁巖儲層中氣-固、氣-液和液-固界面的吸附，但這些理論缺少實(shí)驗(yàn)和分子模擬方面的驗(yàn)證。

表1 三種考慮液相存在的吸附理論

圖2 三種考慮流相存在的吸附理論示意圖

綜上可知，工作液對頁巖氣產(chǎn)出的影響，涉及氣體的解吸、擴(kuò)散和滲流三種傳質(zhì)方式，有機(jī)質(zhì)、黏土礦物和有微米孔、納米孔、裂縫、無裂縫多成分、多尺度孔隙介質(zhì)，水蒸氣、液態(tài)水和吸附、溶解、游離態(tài)氣體的多相態(tài)，工作液體系的復(fù)雜成分和深層的溫壓環(huán)境，以及對氣體產(chǎn)出的抑制和促進(jìn)這種兩種效應(yīng)，過程和機(jī)理復(fù)雜，這些因素間的相互作用關(guān)系還待深入研究。

4 結(jié)論

綜上所述，工作液對頁巖氣儲層傷害研究需要關(guān)注和待解決的主要問題如下。

(1)頁巖儲層流體敏感性傷害和應(yīng)力敏感性傷害嚴(yán)重，有機(jī)質(zhì)的存在對敏感性的影響機(jī)理還未見分析。對頁巖氣藏，工件液侵入傷害會解除，可能由傷害與抑制變成了增產(chǎn)與促進(jìn)。

(2)工作液對頁巖氣擴(kuò)散的傷害，主要因液體層占據(jù)了孔隙內(nèi)壁，黏土接觸水后膨脹，兩者共同造成孔隙尺寸的減小和孔隙結(jié)構(gòu)的變化，且這種影響與壓力、溫度和巖樣狀態(tài)的影響密不可分。

(3)含水狀態(tài)下的頁巖氣的吸附和解吸機(jī)理，目前有氣-固和氣-液界面復(fù)合吸附解吸理論和氣-固和液-固界面復(fù)合吸附解吸理論，但其還缺少實(shí)驗(yàn)和分子模擬方面的驗(yàn)證。

(4)頁巖儲層敏感性和工作液侵入傷害、頁巖對工作液滲吸引起的水鎖及自解除、工作液體對頁巖氣吸附解吸擴(kuò)散的影響三者間的相互作用機(jī)理待分析。