頁巖氣儲層工作液傷害評價方法研究現狀

王瑞，吳新民，馬云，張寧生

（1.西安石油大學石油工程學院，西安 710065；2.西部低滲-特低滲油藏開發與治理教育部工程研究中心，西安 710065；3.陜西省油氣田特種增產技術重點實驗室，西安 710065）

0 引言

2018年，中國頁巖氣產量達110×108m3，比上年增長20%[1]。經過近年一系列的開采實踐，我國頁巖氣開發取得了長足的進展和豐碩的成果[2]，但也面臨資源潛力有限，開采前景不明的制約[3]，要現實“十三五”頁巖氣儲量、產量的持續穩定增長，需要有新層系新區塊的發現與接替，深度大于3500 m的深層、高壓和超高壓頁巖氣是關注的重點[3-4]，如中國石化涪陵頁巖氣田江東區塊、中國石油川南區塊等[1]。

國內目前對深層頁巖氣開發的研究集中在資源評價選區和安全鉆進、高效壓裂及長效開采等幾個方面[5]，對頁巖儲層工作液傷害和與之對應的儲層保護技術關注較少。實際上，工作液對頁巖氣產出的傷害涉及氣體解吸、擴散和滲流三種傳質方式，涉及含有機質、黏土和微納米孔、裂縫的多成分多尺度的孔隙介質，涉及多相態多成分的氣、水和工作液體系，以及深層的高溫高壓環境，過程和機理復雜。所以，傳統基于滲透率的儲層傷害評價方法對頁巖氣藏已不適用，滲透率傷害率也已不能作為其傷害評價的唯一指標[6]，新的儲層傷害評價方法和體系亟待建立。

分析了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，調研了工作液對頁巖氣滲流、擴散和吸附解吸的傷害評價方法研究進展，包括與頁巖氣滲流傷害相關的頁巖儲層的敏感性及工作液傷害，滲吸及返排時傷害解除，工作液對頁巖氣吸附/解吸與擴散傷害，和工作液對頁巖氣多尺度傳質過程的傷害，并在此基礎上討論了頁巖氣儲層傷害評價參數體系。通過梳理和分析，提出了此方向需要關注和待解決的問題。

1 工作液對頁巖氣滲流能力的傷害評價

流體作用對頁巖氣產出的影響及對工作液的傷害與頁巖氣開采中氣體產出過程一一對應，頁巖氣產出分2個階段，首先氣體在壓力差作用下由裂縫流向井筒[7]，然后氣體由基質擴散至裂縫，同時氣體在基質表面進行解吸，2個階段逐一引發相互連貫和接替。

1.1 頁巖儲層敏感性傷害

頁巖儲層因其富含黏土礦物，所以流體敏感性傷害和應力敏感性傷害會較嚴重，且因頁巖儲層中孔隙的直徑已經到了納米級，滲透率極低，毛管力非常強，也就造成其對各類傷害可能特別敏感，如易發生水鎖[8]。

傳統的儲層敏感性評價方法是基于對滲流能力傷害的評價，對頁巖氣儲層，特殊性也是關鍵在于對滲透率的準確測定和如何模擬液體對巖樣的作用。頁巖巖樣滲透率的測試方法分常規滲透率測定、壓力脈沖法滲透率測定、顆粒巖樣滲透率測定3種，其優缺點如表1所示。模擬液體對巖樣的作用，有抽真空飽和、加壓飽和、浸泡烘干、離心、驅替、毛管自吸等方式。具體敏感性傷害評價方法為，對裂縫型頁巖巖心，用常規滲透率測定方法進行敏感性實驗，對無裂縫巖心或裂縫不規則巖心可用巴西劈裂法對其人工造縫；對基質型或無裂縫型頁巖巖心，可先將巖樣用液體飽和等方式模擬流體作用，再使用壓力脈沖衰減法測滲透率的變化，進行鹽敏、水敏、堿敏分析，對應力敏感，改變巖心加持器圍壓即可，如趙立翠（2013年）等用此法分析了滲流通道類型對應力敏感的影響[9]。

目前頁巖儲層敏感性評價實驗方法面臨的突出問題是，評價裂縫型巖心敏感性傷害時裂縫寬度的變化需要監測并分析其對結果的影響，評價基質型巖心敏感性傷害時因頁巖太致密導致巖樣液體飽和程度無法判斷和有效地控制。

1.2 頁巖工作液侵入傷害

針對鉆井液對頁巖儲層的傷害，相關研究表明，其類型以固相侵入、應力敏感、液相圈閉為主，具體水基鉆井液為水相圈閉和黏土的水化膨脹，油基鉆井液為油相圈閉等[10]。壓裂液對頁巖儲層的傷害類型有，壓裂液侵入、支撐劑嵌入、添加劑殘留、濾餅堵塞、其中以壓裂液侵入傷害最為突出[8]。對于工作液對儲層傷害的評價方法，頁巖氣與常規氣藏的類似，即鉆井液對儲層的傷害評價分動態傷害評價和靜態傷害評價，壓裂液對儲層的傷害評價，主要評價其對裂縫導流能力的傷害等，同敏感性傷害評價類似，需要關注的依然是滲透率的準確測量。

頁巖儲層敏感性和工作液傷害的評價參數是滲透率和滲透率傷害率。

1.3 滲吸時水鎖傷害解除

在大量頁巖氣開發實踐中發現，頁巖氣藏壓后返排率較低，大量液體殘留于地層[11]，且頁巖返排率越低產能反而越較高。即對頁巖氣藏，工作液的傷害可能會解除，即由傷害與抑制變成增產與促進。此種現象的機理，主要是頁巖氣儲層的水鎖傷害自解除[12]，即液相進入儲層補充了地層能量并通過滲吸向基巖更深部轉移，同時這一過程伴隨水巖反應，誘發了微裂縫的延展，導致儲層滲透率的增加。

對返排時的傷害解除的評價，目前主要有頁巖對壓裂液的滲吸實驗和模擬壓裂液返排實驗2種方法。滲吸實驗分自然滲吸和應力狀態下滲吸，自然滲吸實驗是將稱重后的干燥頁巖巖心放入用于配制的工作液中并懸掛于天平下部，記錄質量隨時間的變化，通過質量變化反映自吸水量，應力狀態下的滲吸是在巖心加持器中進行。返排模擬實驗就是對液體飽和后的巖心進行氣體驅替，以模擬返排過程[13]。目前評價實驗存在的問題是，如何在儲層溫壓條件下進行，特別是因工作液滲吸引發的微裂縫擴展缺乏可靠的評價方法[6]。

返排時的傷害解除評價參數包括：返排率、初始和終期含水飽和度及其分布特征、滲吸曲線特征、滲吸速率、液相擴散系數、誘發微裂隙尺寸和條數、黏土水化作用參數等[14]，目前詳細的評價體系還待建立。

2 工作液對頁巖氣擴散和解吸的傷害

2.1 對頁巖氣擴散的傷害

頁巖氣產出時的擴散過程分為氣體在儲層連通的孔隙和裂縫中由高濃度區域向低濃度區域的擴散，和氣體從基質（或干酪根主體）到基質表面的擴散2個過程[15-16]。工作液對頁巖氣擴散的傷害，主要因液體層占據了孔隙內壁，黏土接觸水后膨脹，2者共同造成孔隙尺寸的減小和孔隙結構的變化，且這種影響與壓力、溫度和巖樣狀態的影響密不可分。

對這2個不同階段，擴散系數測定方法及原理不同，孔隙和裂縫中的擴散系數通過測量柱塞巖心前后氣室的氣體濃度變化來計算得到（濃度法）（圖1），基質中的擴散系數可用氣體在顆粒巖樣中的解吸或吸附數據結合擴散模型計算得到[17-19]（解吸法）（圖2）。而考慮工作液作用的擴散系數測定方法，解吸法可通過對柱塞巖心飽和液體，并控制含水飽和度的做法來實現；濃度法有顆粒巖樣飽和液體后再吸附氣體然后再擴散、顆粒巖樣吸附氣體后注入液體再擴散、顆粒巖樣吸附后液體注入和氣體擴散同時進行3種方法，其中第3種最符合工程中工作液與頁巖儲層接觸的實際狀態，但液量和氣量的動態計量困難，故目前研究中使用第1種方法的居多[20-21]。

圖1 濃度法測定擴散系數實驗裝置示意圖

圖2 解吸法測定擴散系數實驗裝置示意圖

目前對氣體在頁巖的擴散實驗研究還較少，通常研究的是煤層氣，即選用的為煤樣，且作用流體多選用水，同時缺少擴散過程中液量和氣量的精確計量。

工作液對頁巖氣擴散傷害的評價參數，是測量甲烷在頁巖中的擴散系數，對比工作液使用前后擴散系數的變化，求出變化率，再結合樣品含水飽和度分布、吸水速率，評價其影響。

2.2 對頁巖氣解吸的傷害

氣體在巖樣上的吸附與解吸為動態平衡，解吸為其吸附的逆過程，所以可通過分析吸附來研究氣體解吸過程。影響頁巖吸附氣體能力的因素主要有頁巖的組成和孔隙結構、巖樣粒徑和含水率，以及溫度和壓力等[22]。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驗結果表明，頁巖巖樣含水對其吸附氣體影響較大，且含水率與吸附氣量間的相關性復雜，有正相關、負相關和臨界含水率等。

研究的實驗手段主要有等溫吸附實驗和氣體解吸實驗兩種方法，如文獻[23]所述。等溫吸附實驗根據實驗原理和裝置分為容量法和重量法。在研究工作液對頁巖氣吸附的影響（傷害）時，模擬工作液的作用與解吸法測擴散系數類似，有2種方法：一是顆粒巖樣飽和液體后再吸附氣體，二是顆粒巖樣吸附氣體過程中注入液體，同樣后者較符合工程實際狀態，但液量和氣量的動態計量困難。在具體吸附實驗中，容量法具有優勢，因為該方法可在吸附時注入液體，也可精確控制樣品含水率的變化，而重量法中巖樣是裝在樣品桶中懸掛于磁懸浮天平下，無法在吸附解吸過程中注入液體，且若是預先設定好含水率的濕樣又因吸附發生在敞開空間，隨著充氣放氣過程，也無法控制樣品含水率。除了實驗手段，分子模擬方法如蒙特卡洛法（MC）和分子動力學法（MD）等[24]，也可用來模擬頁巖氣的吸附和解吸[25-27]，此類方法雖然彌補了常規吸附實驗研究的缺陷，但在模擬體系、分析算法和構建模型與真實儲層的差異方面還待完善，特別是還未有研究考慮頁巖的含水飽和度及其黏土遇水膨脹等因素[24]。

目前存在的困難在于，頁巖氣的等溫吸附實驗裝置和方法都是由煤層氣的實驗裝置和方法發展而來的，但頁巖對氣體的吸附量是煤的1/10以內，所以其吸附實驗誤差控制麻煩，測試難度大，特別是在進行高壓吸附以及在進行工作液對吸附的影響實驗時問題將更為突出。同時，目前在頁巖氣吸附解吸實驗研究中還沒有考慮頁巖對液相水的擴散和滲吸這一動態過程，主要分析了水對巖樣中氣體吸附解吸影響，沒有涉及工作液及其成分，并缺少吸附解吸時液量和氣量的精確計量。

工作液對頁巖氣解吸傷害的評價參數，可測量頁巖對甲烷的等溫吸附曲線、解吸曲線，擬合得到吸附特性參數，對比工作液使用前后特性參數的變化，求出變化率，再結合樣品含水飽和度分布、吸水速率，評價其影響。需注意如果用是的吸附參數，因解吸是其逆過程，所以評價應相反。

3 工作液對頁巖氣多尺度傳質的傷害

對于開采中的頁巖氣體系，其完整的氣體產出過程是在多機理作用（解吸—擴散—滲流）下，多尺度孔隙介質（基質孔隙—自然裂縫—人工裂縫）里，多尺度時間（室內實驗的數小時或數天到實際生產的數十年）范圍內的耦合傳質過程，且機理與空間和時間尺度間還有對應關系，如：基質孔隙中存在解吸、擴散和滲流、自然裂縫和人工裂縫尺度中存在滲流，在裂縫中滲流較快，在大孔和介孔中滲流較慢，而微、納孔中擴散最慢。在這一過程中工作液對頁巖氣產出的影響和傷害，將是個動態接替過程，具有空間和時間的多尺度性，也是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散的影響三者共同作用的結果。所以，單一機理單一尺度的傷害評價離頁巖氣的實際產出和與工作液的作用仍有距離，需要進一步研究工作液對頁巖氣多機理多尺度傳質過程的傷害評價方法。

目前還未見有模擬工作液對頁巖氣多尺度傳質過程傷害的實驗報道，現有的頁巖氣多尺度多機理產出模擬實驗，有巖心串并聯滲流實驗（圖3）、微壓差擴散系數測定實驗、多測壓點耦合傳質實驗和全直徑巖心模擬頁巖氣產出實驗等[28]。

圖3 巖心串聯滲流實驗結構示意圖

巖心串并聯實驗如楊建、康毅力等（2010）設計了裂縫性致密砂巖儲層氣體傳質過程模擬實驗，分析了裂縫寬度、裂縫—基塊的配置關系等對致密砂巖氣體傳質效率的影響[29]。

對建立工作液對頁巖氣多尺度多機理傳質傷害的評價參數，有2種嘗試方法，一種是將解吸、擴散效應引入滲流，用視滲透率來對其表征，另一種方法是建立完整的多尺度多機理耦合方程，再從中提煉出評價參數。視滲透率的方法又分單一氣相和氣液兩相傳質2種：①經計算Kundsen數發現，頁巖儲層中單相氣體傳質處于滑脫和過渡擴散區[30]，考慮這兩種效應建立傳質方程[31]，可以引出一個視滲透率參數[15，32]，再結合吸附引起巖樣基質膨脹（解吸反之）和吸附相占據空間減小孔隙尺寸的原理，最后就可建立一個考慮了吸附解吸、擴散和滑脫的視滲透率模型[33]；②根據水的相態平衡，計算出頁巖孔隙中含水飽和度的分布，再結合單相氣體的傳質方程，建立出頁巖儲層考慮氣-液兩相傳質的相滲透率模型[34]。這樣的視滲透率模型可用于傷害評價。建立頁巖氣多尺度多機理耦合方程，是在宏觀模擬中考慮微尺度特征，以實現對整個多尺度區域的準確模擬，目前常采用逐級尺度升級的方法得到宏觀尺度上的控制方程，尺度升級有均化理論和體積平均2種方法[35]，但這方面的研究才剛剛開始。

4 頁巖氣儲層工作液傷害評價體系

根據前述的分析可見，頁巖氣儲層工作液傷害評價參數應包括以下幾類。①用于有裂縫儲層的敏感性以及工作液傷害評價的滲透率及其恢復率；②用于無裂縫儲層的敏感性和工作液傷害評價的滲透率及其恢復率；③用于頁巖對液體滲吸和水鎖及自解除評價參數，如：返排率、初始和終期含水飽和度及其分布特征、滲吸曲線特征、滲吸速率、液相擴散系數、誘發微裂隙尺寸和條數、黏土水化作用參數等；④用于液體對氣體吸附、解吸和擴散影響的評價參數，如：吸附特性參數變化率、擴散系數變化率、樣品含水飽和度分布、吸水速率等；⑤工作液對頁巖氣多尺度傳質傷害評價參數，視滲透率等。除工作液對頁巖氣產出的傷害評價參數之外，對各項參數之間的相互關系、所占比重以及評價體系，目前文獻中還沒有見到相關系統的研究。

5 結論

1.頁巖儲層敏感性和工作液傷害實驗中基質巖樣液體飽和程度判定方法和裂縫對結果的影響需分析，滲吸引起的水鎖傷害解除需要建立可靠的評價滲吸引發的微裂縫擴展的方法。

2.工作液對頁巖氣擴散的傷害評價要提高解吸擴散實驗過程中液量和氣量計量精確程度，而工作液對頁巖氣擴散的傷害評價需要降低吸附解吸誤差，并引入頁巖對液相水的擴散和滲吸。

3.工作液對頁巖氣產出的影響和傷害，將是個動態接替過程，具有空間和時間的多尺度性，還未見工作液對頁巖氣多尺度傳質過程傷害的實驗研究，考慮多機理多尺度耦合的完整實驗評價方法與體系還待建立。