頁巖氣儲層工作液傷害機理研究現狀

王 瑞， 吳新民， 馬 云， 白海濤

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

截至2018年6月，中國先后發現并落實了涪陵、長寧-威遠、昭通等頁巖氣田，累計探明地質儲量10 450×109m3，2018年產量110×109m3[1]。目前，頁巖氣開發的研究主要集中在資源評價選區、安全鉆進、高效壓裂和長效開采等方面[2]，但對工作液對頁巖氣產出的影響和與之對應的頁巖儲層傷害及保護技術關注較少。

頁巖氣儲層傷害機理與常規天然氣的不同，頁巖的敏感性礦物、物性及孔隙結構、巖石潤濕性和含水飽和度等特征都存在特殊性，特別是其產出涉及氣體的解吸和擴散過程，不能再以單一的滲透率傷害來對其進行評價，且此問題在面對新發現和接替的深層、高壓、超高壓頁巖氣層系時更為突出，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、擴散和吸附解吸的傷害機理研究進展，包括與頁巖氣滲流傷害相關的頁巖儲層的敏感性和工作液傷害、返排時傷害解除及滲吸、工作液對頁巖氣吸附/解吸與擴散的傷害。提出了該研究方向需要關注和亟待解決的問題。

1 頁巖氣儲層傷害潛在因素

與常規天然氣藏相比，頁巖氣儲層傷害的特殊潛在因素體現在：頁巖為強非均質[3]，其組成富含有機質(干酪根)，質量分數為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]，有機質含量越高，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質成分所以頁巖表面呈現兩性潤濕，同時因經歷生、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，深層頁巖氣藏地質條件更為復雜，對工程技術提出了新的挑戰，即儲層埋藏更深，溫度更高，壓力體系復雜，頁巖塑性增強、閉合壓力高、水平應力差異大，縫網改造難度更大等[15]。這樣外來流體對頁巖氣產出的影響和引發的儲層傷害的特殊性，具體表現在：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，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模大，因毛管力極強，且頁巖氣產出過程涉及氣體吸附與解吸、擴散、滑脫滲流和液體滲吸等多過程多機理，流動關系復雜；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出的影響及工作液傷害與頁巖氣開采中氣體產出過程一一對應，頁巖氣產出，首先是氣體在壓力差的作用下由裂縫流向井筒[17]，然后氣體由基質擴散至裂縫，同時氣體在基質表面進行解吸，兩個階段逐一引發相互連貫和接替。傳統的工作液對儲層的傷害僅關注第一階段，即對滲透率的損傷，其所涉及的主要問題有：一是傳統的儲層敏感性和工作液損傷，二是頁巖氣藏壓裂后返排時的傷害解除。

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力敏感性傷害嚴重，前者因為黏土的水化膨脹，后者因礦物顆粒運移、流體潤滑導致巖石強度降低[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性，而關于有機質的存在對敏感性的影響機理鮮見報道。

關于工件液對頁巖氣儲層的傷害，康毅力等[19]研究認為，鉆井液傷害以固相侵入、應力敏感、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]。對應工作液體系的研究，以研發儲層保護劑和水化抑制劑等為主[23]。

2.2 返排時滲透率傷害的解除

對常規天然氣藏，壓裂時為降低傷害，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中[26]，且頁返排率越低產能反而較高。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與促進。

對頁巖氣井返排率越低產量反而越高的現象，即傷害解除機理，有兩種解釋：一是任凱等[27]認為是因為頁巖氣儲層的水鎖傷害自解除，其主要機理是液相進入儲層補充了地層能量，液相通過滲吸向基巖更深部轉移，伴隨水巖反應誘發了微裂縫進一步延展[28]；二是游利軍等[29]研究發現滲吸使儲層微裂縫擴張、并產生新的微裂縫及縫網導致儲層滲透率增加，以及黏土與水膨脹后減輕了應力敏感傷害[30]，使液體作用由對儲層的傷害轉變成對儲層的改造[31]。

而頁巖儲層對工作液滲吸過程及其影響因素的研究，目前多數觀點認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。針對滲吸分階段不同學者的描述不同，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散吸附兩個階段。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境下的產出具有特殊性[36]，即此時壓裂液在頁巖地層中滲吸滯留的微觀動力學效應，還需深入研究[2]。

3 工作液對頁巖氣擴散和解吸的傷害

3.1 工作液對頁巖氣擴散的傷害

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

就工作液對巖樣中氣體擴散的影響，首先，多名學者研究發現巖樣含水后氣體在其中的擴散系數會降低，如Clarkaon等[37]觀察到甲烷在濕煤樣中的擴散能力較干樣中的大幅度減小；Busch等[38]也發現濕煤樣的擴散系數較干樣降低了40%～50%，其原因為甲烷在水中的擴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散系數較在干樣中降低了80%；Xu等[40]研究認為煤樣含水后減小了其對甲烷的吸附量，使巖樣內外的甲烷濃度梯度降低，從而導致擴散系數較干樣的減小。對頁巖，Yuan等[41]發現無論介孔和微孔擴散系數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，發現因工作液的作用，液體層占據了孔隙內壁，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構的變化。

其次，工作液對巖樣中氣體擴散的影響與壓力、溫度和巖樣狀態的影響密不可分，共同作用。解吸法擴散系數測定實驗中，吸附平衡壓力和溫度相當于真實頁巖氣藏的儲層壓力和溫度，顆粒粒徑對應儲層中的裂縫規模。其中，壓力對擴散系數的影響存在三種觀點：①無影響，如楊其鑾[43]；②負相關，如李相臣等[44]；③正相關，如聶百勝等[45]；④階段性差異，即需要細分不同尺寸孔隙中的擴散，如Busch 等[38]研究了甲烷在煤中的擴散情況，發現擴散系數隨吸附平衡壓力的增大而減小只在緩慢吸附段和高壓時出現；Yuan等[41]發現吸附平衡壓力對不同類型擴散的影響有異。單一溫度對擴散的影響，是溫度越高擴散系數越大，但在儲層中溫度的影響是與壓力相關聯的，它們共同的作用機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的膨脹和收縮，從而引起孔徑的變化，以決定了擴散類型，并最終影響擴散系數。李相臣等[44]認為壓力是巖樣孔隙結構和吸附特性對解吸擴散的宏觀表現，非決定作用，這與Busch等[38]和Yuan等[41]的研究結果相同，只是對此現象出現的壓力范圍和孔隙尺寸進行了限定。樣品狀態如顆粒粒徑決定了介孔和微孔的數量以及顆粒的外表面積和孔隙內比表面積的比例，也就決定了擴散過程中在孔隙與裂縫中的擴散和由基質內到基質表面擴散兩個階段所占的比例，這在有工作液存在時影響將更明顯。Siemons等[46]研究表明水對小顆粒煤樣的擴散系數的抑制更明顯。

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態平衡，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質組成及含量、頁巖的孔隙類型和結構、巖樣狀態如粒徑和含水率，以及外部環境如溫度和壓力等[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驗結果表明，頁巖巖樣含水對其吸附氣體影響較大[49]，且巖樣含水對其吸附氣體量間相關性較復雜，也存在爭議。首先，最初也是大多研究認為，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，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]研究發現平衡濕樣對甲烷的吸附量較干樣降低20%～24%；Guo等[53]發現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，且巖樣濕度和巖樣對氣體的吸附量間不是簡單的負相關，濕度超過某值后其對吸附無影響。其次，有學者發現樣品含水量越大，對氣體吸附量不降反增。Sang等[54]研究發現注水煤樣對吸附氣體的規律和平衡濕樣以及干樣的明顯不同，煤中的液態水的存在可使煤基質對氣體的吸附量增加，推測因為水影響了基質表面的潤濕性。再者，還有研究關注樣品含水、孔隙結構和吸附規律間的關系。Ross等[10]強調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構，再間接影響吸附量的。Zhang等[55]認為水份占據了黏土礦物里的吸附位，但并沒有覆蓋有機質表面的吸附位，黏土含水引起顆粒膨脹和堵塞孔道，降低了氣體進入孔隙并吸附于孔隙內壁的能力。Clarkson等[56]和Bustin等[57]也認為頁巖里的黏土表面會大部分被水占據，實際上巖樣的濕度恢復，即巖樣吸附氣體前的干燥處理時，樣品的孔隙結構已然發生了改變。

含水狀態下的頁巖氣的吸附和解吸機理，目前有三種理論：傳統的氣—固吸附理論[47，58]、氣-固和氣-液界面復合吸附解吸理論[59-61]、氣-固和液-固界面復合吸附解吸理論[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，但這些理論缺少實驗和分子模擬方面的驗證。

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，工作液對頁巖氣產出的影響，涉及氣體的解吸、擴散和滲流三種傳質方式，有機質、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，水蒸氣、液態水和吸附、溶解、游離態氣體的多相態，工作液體系的復雜成分和深層的溫壓環境，以及對氣體產出的抑制和促進這種兩種效應，過程和機理復雜，這些因素間的相互作用關系還待深入研究。

4 結論

綜上所述，工作液對頁巖氣儲層傷害研究需要關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力敏感性傷害嚴重，有機質的存在對敏感性的影響機理還未見分析。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與促進。

(2)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，兩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。

(3)含水狀態下的頁巖氣的吸附和解吸機理，目前有氣-固和氣-液界面復合吸附解吸理論和氣-固和液-固界面復合吸附解吸理論，但其還缺少實驗和分子模擬方面的驗證。

(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散的影響三者間的相互作用機理待分析。