譚偉雄，白瑞婷，鄒俊，王世華，李鑫磊，游利軍，康毅力，張磊

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300450；2.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500）

0 引言

根據(jù)全球潛山油氣藏統(tǒng)計， 世界范圍內(nèi)變質(zhì)巖潛山油氣儲量占潛山油氣藏總儲量的75%［1］。 潛山區(qū)塊是渤海灣盆地最早開始勘探開發(fā)的地區(qū)， 經(jīng)過長期的油氣開發(fā)，渤海灣盆地在變質(zhì)巖潛山、碳酸鹽巖潛山和火成巖潛山等基巖油氣藏取得了重大突破和成果，為中國的油氣產(chǎn)量提供了重要支撐［2-4］，例如大港的千米橋［5-6］、濟陽的埕島［7-9］、渤中的曹妃甸、冀中的蘇橋等基巖潛山儲層都獲得了高產(chǎn)油氣流［10-12］。2017 年，渤中某區(qū)塊井在孔店組砂礫巖和太古界潛山獲得商業(yè)發(fā)現(xiàn)，揭示了渤海灣盆地渤中凹陷深層天然氣的勘探潛力。渤中某氣田是我國東部首個億噸級大型整裝變質(zhì)巖潛山凝析氣田， 變質(zhì)巖潛山油氣藏成功勘探開發(fā)對海上油氣田增儲上產(chǎn)極具重要意義［13-15］。

變質(zhì)巖潛山儲層在縱向分布上呈現(xiàn)一個較為明顯的分層現(xiàn)象，主要分為風化殼潛山頂部溶蝕帶、裂縫帶和致密帶儲層。在鉆完井過程中，變質(zhì)巖潛山儲層極易發(fā)生鉆井液漏失［16-17］。CBG7-5 井在鉆遇變質(zhì)巖儲層時發(fā)生漏失，漏失量為100～10 000 m3；渤中某區(qū)塊11 口探井作業(yè)中，潛山地層共發(fā)生漏失13 次。 鉆井液漏失導致固相顆粒進入儲層，封堵裂縫通道，降低了潛山儲層的滲透率，儲層損害嚴重，致使油氣生產(chǎn)效率較低。目前針對鉆井液漏失損害已經(jīng)開展了大量工作， 認為固相堵塞和水相圈閉等是儲層主要損害方式， 但對儲層裂縫的損害機理尚不清楚。 為了探明鉆井液對不同寬度裂縫的漏失損害機理， 本文以渤海灣盆地渤中某區(qū)塊為例， 選取該區(qū)塊的鉆井液體系和相似巖性的露頭巖樣，人工造縫模擬不同裂縫寬度的儲層，采用水平井損害評價儀模擬鉆井液侵入過程； 開展鉆井液動態(tài)損害實驗和濾餅承壓實驗， 探究鉆井液封堵效果和損害特征；綜合分析掃描電鏡、壓汞孔喉分布及鉆井液固相粒度分布等數(shù)據(jù)， 明確了渤中地區(qū)變質(zhì)巖潛山儲層鉆井液損害特征，剖析了鉆井液漏失損害機理。

1 實驗樣品與方法

1.1 實驗樣品

實驗樣品選自天津市薊州區(qū)常州村太古界國家地質(zhì)公園，主要為渤中凹陷太古界變質(zhì)巖露頭巖樣。全巖分析結(jié)果表明，巖樣中石英、斜長石、鉀長石、黏土礦物的質(zhì)量分數(shù)分別為24.5%，22.5%，12.0%，7.0%， 另有少量黃鐵礦、菱鐵礦及鐵白云石。黏土礦物以伊利石為主，相對質(zhì)量分數(shù)為43.5%，其次為伊/蒙混層，相對質(zhì)量分數(shù)為27.0%，高嶺石相對質(zhì)量分數(shù)為12.0%，綠泥石相對質(zhì)量分數(shù)為17.0%。 露頭巖樣礦物組分與井下巖心相近，基本物性參數(shù)見表1，鉆井液選擇礦區(qū)現(xiàn)用PDF-HSD 鉆井液體系。

表1 變質(zhì)巖巖樣基本物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of metamorphic rock samples

1.2 實驗方法

1.2.1 鉆井液動態(tài)損害評價

采用西南石油大學儲層保護團隊自主研發(fā)的MFC-1 型高溫高壓多功能水平井損害評價儀，模擬鉆井液侵入過程。該裝置由鉆井液釜體、巖心夾持器、加熱系統(tǒng)、恒流/恒壓泵、中間容器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及壓力傳感器組成，可以更真實地模擬儲層溫度、壓力條件開展實驗（見圖1）。

圖1 MFC-1 型高溫高壓多功能水平井損害評價儀Fig.1 MFC-1 high temperature and high pressure multifunctional horizontal well damage evaluation instrument

鉆井液動態(tài)損害實驗具體步驟為：1）選擇實驗巖心，將巖心在烘箱內(nèi)烘干48 h，測量長度、直徑等基本參數(shù)；2）將圍壓設定為5.0 MPa，在該圍壓下夾持4 h；3）在圍壓5.0 MPa 下，向巖心內(nèi)驅(qū)替地層水，利用一定時間內(nèi)計量的流體體積，計算巖樣的初始滲透率；4）待實驗溫度到達80°C，在3.5 MPa 壓差下用鉆井液對巖樣循環(huán)60 min，并計量不同時間的濾失量；5）計算不同時間內(nèi)巖樣裂縫內(nèi)的濾餅滲透率；6）設定不同的返排壓力梯度，測定不同壓力下的返排恢復率（不同壓差下的滲透率與巖樣初始滲透率的比值）。

1.2.2 濾餅承壓能力評價

受真實巖樣造縫的局限性， 所獲得的巖樣人工裂縫寬度往往小于100 滋m，鉆井液一般能夠有效封堵該寬度范圍的裂縫。 為了能更深入分析鉆井液漏失所對應的具體裂縫寬度范圍， 進一步選取不同裂縫寬度的鋼質(zhì)柱塞巖樣， 利用MFC-Ⅰ型高溫高壓多功能水平井損害評價儀開展濾餅承壓實驗。

濾餅承壓實驗具體步驟為：1）在操作系統(tǒng)上設置實驗溫度80°C、壓差3.5 MPa，鉆井液損害時間為60 min，記錄不同時間的鉆井液濾失量；2）當濾餅形成之后， 設置不同承壓壓力梯度， 在每個壓力梯度下承壓10 min，當濾失量突然激增后，則認為濾餅被破壞，破裂前的壓力即為濾餅所能承受的最大壓力。

2 實驗結(jié)果

2.1 鉆井液動態(tài)損害實驗結(jié)果

綜合表2 和圖2 結(jié)果可知，礦區(qū)所用的PDF-HSD鉆井液在溫度80°C、 壓差3.5 MPa 條件下，10 min 內(nèi)能形成有效濾餅封堵裂縫。 在形成濾餅過程中， 時間短，濾失量小。在濾餅形成后，濾失量減少，累計濾失量基本保持不變，對裂縫具有較好的封堵效果。在返排階段，隨著返排壓差的增大，返排恢復率有增大的趨勢。分析可知，巖樣氣測滲透率越大，鉆井液濾失量越大，返排突破壓力越小，最大返排恢復率越大，最大返排恢復率對應的壓差（最佳返排壓差）越小。 鉆井液的最大返排恢復率為75.95%～86.65%。

圖2 鉆井液循環(huán)損害實時結(jié)果分析Fig.2 Real-time result analysis of circulation damage of drilling fluid

表2 鉆井液動態(tài)損害實驗結(jié)果Table 2 Experimental results of dynamic damage of drilling fluid

然而，實驗用巖樣M-1，M-2，M-11 采用巴西劈裂法獲取的裂縫寬度分別為14.77，26.71，43.70 μm，鉆井液在此裂縫寬度范圍內(nèi)能夠快速形成濾餅。 雖然發(fā)生漏失損害的可能性小， 但突破壓力小， 易導致濾餅破裂，可能會造成鉆井液濾液持續(xù)濾失，與地層水、儲層敏感性礦物不配伍，堵塞滲流通道。

2.2 鉆井液濾餅承壓實驗結(jié)果

受巖樣人工裂縫寬度范圍的限制， 進一步采用50～1 000 μm 裂縫寬度的鋼質(zhì)柱塞巖樣， 明確鉆井液漏失的具體裂縫寬度，實驗結(jié)果見表3。 渤中某區(qū)塊現(xiàn)用PDF-HSD 鉆井液體系在溫度80 ℃、 壓差3.5 MPa條件下形成的濾餅， 對于150 μm 及以下寬度的裂縫承壓10.0 MPa 無漏失， 而對于200 μm 寬度的裂縫在7.0 MPa 下失去封堵能力。因此，應加強關(guān)注200 μm 及以上裂縫寬度范圍，此時鉆井液固相和液相持續(xù)侵入而誘發(fā)了儲層損害。

表3 鉆井液濾餅承壓實驗結(jié)果Table 3 Experimental results of pressure bearing test of drilling fluid cake

3 討論與分析

為進一步明確鉆井液長時間侵入造成的儲層損害，基于掃描電鏡分析和鉆井液固相粒度分布特征， 明確了儲層主要敏感性礦物類型及其與鉆井液濾液的配伍性，分析了濾液對儲層的損害特征，明確了固相顆粒的侵入程度，綜合揭示了研究區(qū)鉆井液損害機理。

3.1 濾液與地層水不配伍誘發(fā)損害

隨著裂縫寬度的增加，鉆井液濾失量呈現(xiàn)增大趨勢，同時裂縫內(nèi)濾餅的突破壓力較小，易引發(fā)漏失，鉆井液與儲層流體不配伍而導致儲層損害。 根據(jù)SY/T 5523—2016《油田水分析方法》，使用離子色譜儀ICS-1100 對渤中某區(qū)塊的地層水礦化度和離子組分進行分析，實驗結(jié)果見表4。 地層水礦化度高達194 973.76 mg/L，偏堿性（pH 值為8.62），主要為NaHCO3型。 根據(jù)離子組成及其質(zhì)量濃度配制模擬地層水，并開展高溫（80 ℃）下PDF-HSD 鉆井液濾液與高礦化度地層水的順序接觸實驗。 由圖3（紅圈中為固相顆粒）可知：濾液與地層水按1∶1（體積比，下同）混合，靜置24 h 后，混合液濁度略有增加，過濾后濾紙上無明顯固相顆粒產(chǎn)生，濾液與地層水配伍性較好；濾液與地層水按1∶2 混合，靜置24 h 后，混合液濁度略有增加，過濾后濾紙上有少量固相顆粒產(chǎn)生，濾液與地層水配伍性較好；濾液與地層水按2∶1 混合，靜置24 h 后，混合液濁度略有增加，過濾后濾紙上有固相顆粒產(chǎn)生，濾液與地層水配伍性變差。因此，鉆井液濾液在儲層中持續(xù)長時間濾失，接觸地層水后易發(fā)生反應，出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，降低儲層滲流能力，造成儲層損害。

圖3 鉆井液與地層水配伍性Fig.3 Compatibility of drilling fluid and formation water

表4 地層水離子組成Table 4 Ion composition of formation water

3.2 濾液浸泡誘發(fā)敏感性礦物分散運移

通過分析渤中某區(qū)塊太古界變質(zhì)巖儲層段敏感性礦物掃描電鏡照片（見圖4）可知，黏土礦物主要為絲片狀和絲縷狀伊利石、伊/蒙混層及鈉長石，以絲片狀伊/蒙混層呈薄膜式包裹于顆粒表面、絲片狀和絲縷狀伊利石充填粒間孔隙和鈉長石溶蝕分散于粒內(nèi)溶孔3種形式賦存，與鉆井液濾液接觸后引發(fā)水敏損害，黏土礦物易失穩(wěn)脫落。

圖4 渤中某區(qū)塊太古界潛山變質(zhì)巖礦物掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 Scanning electron microscope photography of minerals of Archaean buried hill metamorphic rocks in a block of Bozhong

3.3 固相顆粒與儲層孔縫結(jié)構(gòu)不匹配

采用激光粒度儀得到鉆井液固相粒度分布， 顆粒累積粒度分布頻率達到10%，50%，90%所對應的粒徑分別為3.48，42.45，121.17 μm（見圖5a）。 通過壓汞實驗得到基塊巖樣孔喉分布， 孔喉半徑中值為0.064～0.214 μm，孔喉半徑0.16～0.63 μm 為變質(zhì)巖主要滲透率貢獻區(qū)間（見圖5b）。 對比分析可知，鉆井液的固相顆粒粒徑大于變質(zhì)巖的孔喉半徑， 固相顆粒不易侵入基塊巖樣，易在裂縫面上沉積形成濾餅封堵裂縫。由鉆井液動態(tài)損害和濾餅承壓實驗結(jié)果可知： 寬度小于200 μm 的裂縫，以濾失損害為主；寬度大于200 μm 的裂縫發(fā)生漏失損害，存在濾液和固相損害。

圖5 渤中區(qū)塊鉆井液粒度分析及巖樣孔喉分析Fig.5 Analysis of drilling fluid particle size and rock sample pore throat in Bozhong block

如圖6 所示， 結(jié)合鉆井液粒度分析數(shù)據(jù)和動態(tài)損害實驗結(jié)果認為：PDF-HSD 鉆井液體系對寬度50 μm左右的裂縫具有較好的封堵能力； 隨著裂縫寬度的增加，鉆井液侵入裂縫內(nèi)的固相含量增大，形成裂縫內(nèi)濾餅的厚度增大，但濾餅結(jié)構(gòu)變差，其對裂縫的封堵效果會變差，承壓能力降低。 根據(jù)濾餅承壓實驗結(jié)果，PDFHSD 鉆井液體系封堵最大的裂縫寬度為200 μm。將濾餅承壓實驗后的鋼質(zhì)柱塞巖樣剖開發(fā)現(xiàn)：在200 μm 以下裂縫內(nèi)，存在黏稠狀殘余固相，同時裂縫寬度越小，裂縫內(nèi)殘余固相也越少；在300 μm 以上的裂縫內(nèi)，表面濕潤光滑，殘余固相少，只在侵入端入口和出口尾部存在少量的殘余固相。

圖6 不同裂縫寬度巖樣鉆井液固相侵入Fig.6 Solid phase invasion of drilling fluid in rock samples with variable fracture width

圖7 巖樣裂縫面掃描電鏡分析Fig.7 SEM analysis of fracture surface of rock samples

在此基礎上， 提出PDF-HSD 鉆井液體系對潛山變質(zhì)巖巖樣的3 種損害模式：當裂縫寬度大于300 μm時， 鉆井液無法封堵裂縫， 完全漏失； 當裂縫寬度為200～300 μm 時，能形成裂縫內(nèi)濾餅，但不能完全封堵裂縫，且鉆井液固相顆粒封堵裂縫，降低了有效裂縫寬度， 加劇了儲層應力敏感損害； 當裂縫寬度小于200 μm 時，能形成裂縫內(nèi)濾餅，且能夠完全封堵裂縫，以濾失損害為主。

根據(jù)動態(tài)損害后巖樣裂縫面的掃描電鏡分析（見圖7），鉆井液固相顆粒主要附著在侵入端近端，隨著深度增加，固相顆粒逐漸減少。固相顆粒附著在裂縫面導致巖樣有效裂縫寬度降低，裂縫滲透率減少，同時固相顆粒還會強化裂縫應力敏感損害程度［18-19］。

4 結(jié)論

1）根據(jù)動態(tài)損害實驗結(jié)果，巖樣氣測滲透率越大，鉆井液濾失量越大，返排突破壓力越小，最大返排恢復率越大，最大返排恢復率對應的壓差越小。鉆井液的最大返排恢復率為75.95%～89.98%。 雖然濾餅滲透率較小，但液相持續(xù)濾失，長時間浸泡加劇了鉆井液損害。

2）根據(jù)濾餅承壓實驗結(jié)果，鉆井液能夠有效封堵200 μm 及以下寬度的裂縫， 對于200 μm 以上寬度的裂縫則不能進行有效封堵。 將損害后的鋼質(zhì)柱塞巖樣剖開發(fā)現(xiàn)，裂縫寬度越大，鉆井液向巖樣內(nèi)侵入的深度越大，同時殘余固相也越多。 因此，在儲層條件下裂縫寬度越大，鉆井液向儲層漏失的損害程度越大，導致儲層滲透率降低，從而降低油氣井產(chǎn)量。

3）PDF-HSD 鉆井液體系對潛山變質(zhì)巖巖樣的3種損害模式為：當裂縫寬度大于300 μm 時，鉆井液無法封堵裂縫，完全漏失；當裂縫寬度為200～300 μm 時，能形成裂縫內(nèi)濾餅，但不能完全封堵裂縫，且鉆井液固相顆粒封堵裂縫，降低了有效裂縫寬度，加劇了儲層應力敏感損害；當裂縫寬度小于200 μm 時，能形成裂縫內(nèi)濾餅，且能夠完全封堵裂縫，以濾失損害為主。