页岩钻井储层伤害研究进展

卢占国 李 强 李建兵 宋 菲 刘 恒

（中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院）

非常规油气资源（页岩油气、致密砂岩油气、煤层气、油页岩、油砂和天然气水合物等）在自然界蕴藏丰富（图1），具有良好的开发利用前景。其中，页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集［1］。

由于非常规储层的特殊性，如渗透率低、微裂缝和高毛细管压力等，该类储层在开发过程中极易受到不可逆的伤害。为了清楚地认识非常规能源储层钻井过程中的储层伤害问题，以页岩储层为例系统地开展页岩钻井储层伤害国内外研究现状调研，并分析目前页岩钻井储层伤害研究存在的问题及不足之处，提出了后续页岩钻井储层保护研究计划。

1 页岩储层特征

页岩储层的矿物组成除常见的粘土矿物外，还混杂有石英、长石、云母、方解石、白云石、黄铁矿、磷灰石等矿物。对四川盆地下古生界页岩X射线荧光衍射结果分析发现，其石英、长石和黄铁矿的平均质量分数为35%～52%，碳酸盐矿物平均质量分数为3%～20%，粘土矿物平均质量分数为32%～51%（表1［3］）。可见，页岩储层中脆性矿物和粘土矿物含量较高，具有易膨胀、易破碎的特点。

表1 四川盆地及其周缘下古生界黑色页岩储层XRD分析数据Table 1 XRD analytical data of black shale reservoir of Lower Paleozoic in Sichuan Basin and its vicinity （w／%）

页岩中可能含有大量的孔隙并且在这些孔隙中含有大量的油和游离态的天然气，孔隙度大小直接控制着游离态天然气的含量。在阿巴拉契亚盆地Ohio页岩和密执安盆地Antrim页岩中，局部孔隙度高达15%，游离气体积占孔隙总体积的50%（表2［4］）。页岩的基质渗透率非常低，一般小于0.1×10－3μm2。可见，页岩储层具有低孔、低渗的特点。

表2 美国含气页岩主要特征Table 2 Principal characteristics of gas bearing shale in America

2 页岩钻井储层伤害研究

为了能够制定合理的页岩储层钻井储层保护研究计划，针对页岩储层的特点，系统地调研了国内外页岩储层钻井储层伤害研究现状。从保护储集层钻井技术和保护储集层钻井液技术两方面进行阐述。

2.1 保护页岩储集层的钻井技术

钻井过程中，储集层伤害的主要因素有两个：一是当钻开储集层时，存在着井内钻井液有效液柱压力与地层压力差，致使钻井液中的滤液和固相进入地层而伤害油气层；另一个原因是钻开储集层需要一定的时间，储集层被钻井液浸泡而受伤害［5］。

由页岩储层特征可知，页岩储层具有易膨胀和易破碎的特点，受钻井液浸泡页岩储层容易膨胀破碎（图2）。因此，为避免钻井过程中出现井壁缩颈或坍塌，须开展页岩钻井井壁稳定性研究［6］。

钻井过程中泥页岩地层井壁稳定问题十分复杂，许多研究工作者［7－13］从井壁稳定的岩石力学分析和钻井液化学两方面着手，对这一问题进行了大量研究，并取得了一定成效。其中，岩石力学研究内容主要包括原地应力状态的确定、岩石力学性质的测定、井眼围岩应力分析和稳定性分析等，其最终目的是确定保持井眼稳定的合理钻井液密度；钻井液化学主要用于研究泥页岩水化膨胀的机理，寻找抑制泥页岩水化膨胀的化学添加剂和钻井液体系，最大限度地减少钻井液对地层的负面影响。

通过对页岩储层井壁稳定性的大量研究成果总结发现：

（1）岩石力学强度、水敏膨胀应变、吸附水量、抗压强度、粘聚力、化学位差、水力压差等参数是研究泥页岩井壁稳定性所需的关键参数［7－10］。

（2）井壁稳定性研究是一个复杂的过程，造成井壁失稳的原因涉及到岩石力学、钻井液化学、岩石力学与钻井液化学耦合等多个方面。但由于井壁不稳问题的高度复杂性，造成已有的研究成果相互之间并不一致，且各种理论都存在一定缺陷［11］。

（3）钻井液进入泥页岩后，在扩散、对流和渗透三种机理的作用下，钻井液和泥页岩之间发生水分子和溶质的传递，改变了近井眼处有效应力状态，使泥页岩抗压强度减弱，粘聚力降低，从而对井壁稳定性产生不利的影响［8，10］。

2.2 保护页岩储集层的钻井液技术

钻井液滤液引起的储层伤害主要表现为：其一，油气层的粘土矿物发生水化膨胀、分散运移、溶蚀分散，其伤害程度取决于粘土矿物的含量、类型、分布状况及滤液性质和滤失总量；其二，钻井液进入油气层产生水锁、乳化、润湿反转和化学沉淀。因此，要求钻井液在具有其基本功能外，还应具有保护储层的要求［5］。

页岩储层中水是天然的堵塞相，它将导致难以修复的储层伤害。通过降低表面（界面）张力和改变润湿性（从强水湿变成油湿）可以抑制钻井液中流体的渗透［14］。利用特殊的表面活性剂、可溶性水溶剂、大分子添加剂等可以降低非常规气藏水基钻井液渗透和自吸现象引起的储层损害。国内外学者针对泥页岩储层的特点，研究了多种钻井液，其性能与应用情况见表3。

表3 页岩储层钻井液性能及应用Table 3 Properties and applications of drilling fluid for shale reservoir

为了方便对不同种类钻井液的对比，C.H.van der Zwaag［24］制定了评估钻井液储层伤害的标准，该套标准由信息、模拟和分析3部分组成，其评估钻井液储层伤害的基准参数有渗透率恢复值、滤液侵入深度、流动效率、效益损失等。

在钻井液储层伤害评价方法方面，除了原始的室内实验外，还可以结合一些数值评估软件——非常规油藏钻井及完井（D＆C）顾问软件［25］，该套软件包含钻井、完井、压裂和生产4个模块。软件中的每个模块是相对独立的，多模块结合可以处理非常规气藏开发过程中遇到的多种问题。

2.3 存在的问题

通过对国内外研究现状调研发现，目前页岩钻井储层伤害及储层保护研究存在以下问题：

（1）虽然泥页岩地层井壁稳定性研究时间比较长，研究内容相对较广，但是其研究大多数是针对常规储层钻井过程中遇到泥页岩层段时出现井壁稳定性差的问题开展的。研究成果对于油页岩、页岩气等非常规储层适用性如何有待于进一步研究。

（2）钻井液对泥页岩类非常规储层伤害机理研究不够深入。目前研究成果还没有涵盖钻井液造成储层伤害的所有因素，应开展更全面的研究。

（3）国内外学者对泥页岩钻井液配制技术进行了研究，并取得了一定效果［15－23］，但没有形成规模，且对适用的储层类型及局限性的研究相对较少。

3 结论及展望

储层伤害不仅降低了油气井产出或注入能力、降低采收率，还不同程度地伤害了宝贵的油气资源。因此，在页岩钻井过程中，必须根据油气藏特性及潜在问题，充分认识所钻储层在钻井过程中伤害机理的基础上，准确分析伤害原因，然后有针对性地采取钻井作业，才能起到保护油气层的作用，以保证油气层的及时发现和保持原有产能，从而使保护油气层系统工程的第一个环节达到预期效果。

但目前的页岩钻井储层伤害及保护研究还存在一些不足之处，要提高页岩储层钻井的成功率必须改进页岩钻井储层保护技术。建议在以下方面开展页岩钻井储层保护研究：

（1）在常规储层中泥页岩层段井壁稳定性研究成果的基础上，针对非常规储层自身特点，结合胜利油田济阳坳陷储层特征开展井壁稳定性研究。

（2）采用物理模拟实验和数值计算方法全面开展页岩钻井储层伤害机理研究，并将储层物性和流体物性参数（如压力、基岩渗透率、孔隙度、气相组成、吸附类型、扩散系数等）列入研究范围。

（3）对已取得应用效果的钻井液（如MEG钻井液、无固相聚合物钻井液、KCl／Mn3O4钻井液、硅钾基防塌钻井液等）进行系统的优选研究，并确定其适用性和局限性。

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