塔里木克深致密砂巖氣藏基質鉆井液傷害評價

張路鋒，周福建，張士誠，汪杰，王晉

（中國石油大學（北京）非常規天然氣研究院·油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102200）

0 引言

全球分布的致密氣可采儲量達114萬億立方米，國內致密砂巖氣藏資源也極為豐富，可采儲量可達9～13萬億立方米，約占全國天然氣資源可采資源量的22%。致密砂巖氣藏是未來重要的油氣勘探區域，具有良好的發展前景。由于致密砂巖氣藏具有低孔、低滲、高毛管力以及低含水飽和度的儲層特性，鉆井過程中會引起鉆井液侵入到儲層，可能引發儲層中有效孔隙的堵塞以及各種敏感性傷害，從而導致儲層滲透率降低，進而降低儲層采收率，造成油氣藏開發效率低下[1-3]。塔里木克深區塊現場使用的鉆井液分為油基和水基兩類。與水基鉆井液相比，油基鉆井液具有抗高溫穩定性強、抑制性強、潤滑性好、防塌效果好、抗污染能力強等優點。但是，油基鉆井液也存在以下不足：油相進入地層使得有效流動面積減小，表面活性劑使油層發生潤濕反轉，降低油相滲透率、井眼凈化能力較差、配制成本較高等[4-6]。

目前，針對致密砂巖氣藏的鉆井液傷害評價研究還不成熟，國內還是沿用常規儲層的評價方法，通過室內測定直徑為2.54 cm、長度6 cm左右的小巖心滲透率在污染前后的變化來判斷儲層的傷害程度[7-8]。由于致密砂巖滲透率較低，常規巖心流動實驗驅替壓差大、穩定時間長，并且實驗過程易受到隨時間引起的溫度變化以及測量系統自身流量不精確而造成較大誤差[9]。從而，許多學者使用劈裂的巖心模擬鉆井液對儲層裂縫的傷害，不考慮鉆井液對基質的傷害[10-11]。但是Cipolla等[12]研究表明，當滲透率小于0.0001 mD，裂縫網絡對產能的極限貢獻在80%左右。也就是說，對于致密砂巖鉆井液對基質的傷害不能忽略。因此，有必要開展鉆井液對基質傷害的研究。

目前應用最廣泛的超低滲巖心滲透率測量方法是非穩態方法，包括壓力衰減法、壓力傳導法和周期震蕩法。壓力衰減法是由游利軍和康毅力等提出，并使用此方法評價了大牛地氣田盒3段儲層敏感性傷害[9]。周期振蕩法最早由Kranz等[13]借鑒熱擴散系數測量而提出，被運用到測量低滲巖石的滲透率上。Fischer等[14]進一步詳細闡述了周期振蕩法的理論背景，試驗設計以及數據處理。壓力傳導法是由 W.F .Brace等[15]在 1968 年首次提出，并用于測量Westerly花崗巖滲透系數，此外還給出了該方法的半解析解，但是其假設巖石孔隙度為零與實際巖心差別較大。隨后經Hsieh和Dicker等人[16-18]修正改進，使得此方法在石油行業得以廣泛應用。

考慮到研究區塊儲層滲透率較低，基于學者們對壓力傳導方法研究的基礎上，利用自主設計研發的壓力傳導儀，定量分析了塔里木克深區塊現場使用的油基、水基鉆井液濾液對基質的傷害規律，建立了低滲儲層基質傷害評價的新方法。

1 數學模型

1.1 模型建立

圖1是瞬態壓力傳導方法測量巖心滲透率的物理模型示意圖，初始時刻巖樣下方容器中的壓力為Po，實驗時巖樣上方始終以恒壓Pm驅替流體流動。顯而易見，該物理模型是沿垂直方向的一維滲流問題[19-23]，據此可以建立一個用于求取致密低滲巖樣滲透率的數學模型[24-26]。

圖1 壓力傳導滲透率測定示意圖

根據滲流力學建立模型的方法與步驟，可知，巖心內一維擴散方程：

由于本實驗系統并不需要測量巖樣x=L處的流速（出口流速）。因此，通過壓縮系數對公式（5）進行修正：

1.2 模型求解

利用已有的邊界條件和初始條件，基于拉普拉斯變換，求解上述擴散方程。

首先，將擴散方程（1）變換到拉氏空間：

易知方程（7）為二階非齊次方程，因此，其通解為：

由于方程（8）中的系數C1和C2的值取決于邊界條件，為了求解系數C1和C2，必須將邊界條件變換成拉普拉斯形式。

邊界條件：

將邊界條件（9）帶入到方程（8），聯立求解，可以得到系數C1和C2：

因此，擴散方程（7）的通解可表示成式（11）：

針對方程（11），使用Carslaw等[24]給出的解，如下所示：

由于參數φn極大地取決于巖樣的孔隙體積與下游容器體積之比，當上述比值較小，方程在x=L時可簡化成如下方程：

式中，P（L，t）是下游壓力隨時間變化，其值等于巖樣在x=L處的壓力，即巖樣下端面的壓力，MPa與時間曲線的斜率；L為巖樣的高度，cm。

2 目標儲層

目標儲層位于中國西北部塔里木盆地，埋藏深度超過6000 m，是典型的超高溫、 高壓儲層。目標儲層厚度約為300 m，為分析其孔、 滲特征，鉆取273根巖心，進行室內實驗（見表1）。巖心孔隙度分布在1.5%～7.6%，平均孔隙度為4.1%；巖心滲透率分布為小于 0.000 1 mD～2.905 mD，平均滲透率為 0.055 mD。

表1 目標儲層巖心孔隙度、滲透率分布頻率

3 室內實驗

3.1 壓力傳導滲透率儀

壓力傳導滲透率儀是由中國石油大學（北京）儲層改造中心自主研發，由Core-Lab公司制作，其主要由 ISCO 泵（排量范圍為 0.000 01～60 mL/min）、儲液罐、三孔巖心釜（巖心夾持器）、恒溫箱以及數據采集傳輸系統等組成，見圖1。

圖2 壓力傳導滲透率儀（左）和三孔巖心釜（右）

3.2 實驗用巖樣

實驗中所使用的巖樣為塔里木克深儲層致密砂巖巖心，實驗巖樣信息如表2所示。

表2 實驗巖樣

實驗巖樣制備步驟如下：①使用線切割將從現場取回來的全直徑巖心，加工成3.6 cm×3.6 cm×15 cm的長方體巖心柱；②將加工好的巖心柱放入聚碳酸脂塑料管正中間，使巖心柱與塑料管的幾何中心一致，倒入環氧樹脂膠，靜止24 h；③待環氧樹脂膠干后，將整個體系放入110 ℃的恒溫箱，加熱1 h，確保巖心柱與環氧樹脂膠膠結為一體；④最后，使用線切割將其切為一個個0.65 cm厚的薄片。巖樣實物圖見圖3。

圖3 巖樣實物圖

3.3 實驗用鉆井液

塔里木克深致密砂巖儲層現場所用的鉆井液配方如下。

油基鉆井液 2%主乳化劑+3%輔乳化劑+2%有機土+2%氧化鈣+3%瀝青類降濾失劑+240 mL 0#柴油+ 60 mL氯化鈣溶液（20%）+加重材料

水基鉆井液 4%膨潤土漿+9%SMP-2+3%SPNH+1%PAC+0.5%AP-220+4%FT-1+3%碳酸鈣+2% 氫氧化鈉+加重材料

3.4 實驗步驟

①將煤油、鉆井液、標準鹽水裝入儲液罐中，巖樣放入三孔巖心釜中，連接好儀器，檢漏；②先上下游同時抽真空1 h，之后以一恒定壓力向下游注入煤油，壓力穩定后記為下游初始壓力Po；③下游壓力穩定后，以大于下游初始壓力的恒定壓力Pm向上游注入煤油，并以Pm的流動壓力持續流動；④監測下游壓力隨時間的變化，即P（L，t）；⑤繪與t的關系曲線，并求取曲線的斜率ζ，利用公式（13）計算初始滲透率k1；⑥使用氮氣瓶恒壓驅替工作液，使工作液在巖樣上游持續流動3 h；⑦工作液傷害結束后，重復步驟②～⑤，可計算出傷害后的滲透率k2；⑧通過公式λd=（k1-k2）/k1×100%計算鉆井液對巖樣的傷害程度。

4 結果與討論

4.1 油基鉆井液傷害

裂縫性致密砂巖氣藏具有低孔低滲、裂縫發育、局部超低含水飽和度、高毛管壓力、地層壓力異常、高傷害潛力等特征，塔里木油田克深區塊具有以上所有特征，是典型的裂縫性致密砂巖氣藏。油基鉆井液在該區塊廣泛應用，使用現場的油基鉆井液濾液開展了基質傷害實驗。由于實驗巖心致密且黏土含量較高，容易受到水鎖、水敏等傷害。為了避免滲透率測量過程中，測試流體造成實驗巖心滲透率降低，上游流體選擇煤油，為了消除砂巖的滲析作用，下游流體也選擇煤油。圖4、圖5是實驗巖樣油基鉆井液傷害的壓力曲線，由于上下游存在滲透壓差以及水力作用，下游壓力會隨著時間逐漸上升，最終達到穩定值，同時由于砂巖的半透膜效應不明顯，下游壓力最終達到上游壓力水平。從圖4、圖5中可以看出，砂巖巖樣傷害前下游壓力上升速度較快，較短的時間壓力達到穩定，傷害后下游壓力上升慢，下游壓力達到穩定需要的時間較傷害前長，說明鉆井液對砂巖基質存在一定的傷害。

圖6、圖7是砂巖實驗巖樣鉆井液傷害前后滲透率計算曲線。

圖4 油基鉆井液對KS-2#巖心傷害壓力傳導曲線

圖5 油基鉆井液對KS-2#巖心傷害壓力傳導曲線

圖6 油基鉆井液對KS-2#巖樣傷害滲透率計算曲線

圖7 油基鉆井液對KS-3#巖樣傷害滲透率計算曲線

通過擬合上下游實時壓差與初始壓差之比的對數值與時間的關系，可以得到斜率，利用公式（13）可以求出滲透率。易知KS-2#巖樣傷害前后滲透率分別為 0.65×10-3mD、0.45×10-3mD，傷害率30.77%；KS-3#巖樣傷害前后滲透率分別為1.025×10-3mD、0.7×10-3mD，傷害率為 31.71%。

4.2 水基鉆井液傷害

圖8、 圖9是克深砂巖巖樣受水基鉆井液傷害的壓力曲線，由于上下游存在滲透壓差以及水力作用，下游壓力會隨著時間逐漸上升，最終達到穩定值。從圖8、圖9可以看出，與油基鉆井液傷害類似，克深致密砂巖傷害前下游壓力上升速度較快，較短的時間壓力達到穩定，傷害后下游壓力上升慢，下游壓力達到穩定需要的時間較傷害前長，說明水基鉆井液對砂巖基質也存在一定的傷害。

圖8 水基鉆井液對KS-4#巖樣壓力傳導曲線

圖9 水基鉆井液對KS-5#巖樣壓力傳導曲線

圖10、圖11是克深砂巖實驗巖樣水基鉆井液傷害前后滲透率計算曲線。

圖10 水基鉆井液對KS-4#巖樣傷害滲透率計算曲線

圖11 水基鉆井液對KS-5#巖樣傷害滲透率計算曲線

由圖10、圖11可知，KS-4#巖樣傷害前后滲透率分別為 1.28×10-3、0.98×10-3mD，傷害率23.53%；KS-5#巖樣傷害前后滲透率分別為0.63×10-3mD、0.48×10-3mD，傷害率 23.81%。

5 結論

1.克深致密砂巖油基鉆井液平均傷害率為31.24%，水基鉆井液平均傷害率為23.67%。水基鉆井液對基質傷害程度略低于油基鉆井液，但是現場使用什么類型的鉆井液需要綜合考慮。

2.實驗中上下游壓力最終趨于一致，說明砂巖膜效應不明顯。

3.僅僅評價了油基/水基鉆井液對儲層基質的傷害，但瞬態壓力傳導方法并不局限與此。該方法還可以用來評價致密低滲儲層敏感性傷害。