塔里木克深致密砂岩气藏基质钻井液伤害评价

张路锋，周福建，张士诚，汪杰，王晋

（中国石油大学（北京）非常规天然气研究院·油气资源与探测国家重点实验室，北京102200）

0 引言

全球分布的致密气可采储量达114万亿立方米，国内致密砂岩气藏资源也极为丰富，可采储量可达9～13万亿立方米，约占全国天然气资源可采资源量的22%。致密砂岩气藏是未来重要的油气勘探区域，具有良好的发展前景。由于致密砂岩气藏具有低孔、低渗、高毛管力以及低含水饱和度的储层特性，钻井过程中会引起钻井液侵入到储层，可能引发储层中有效孔隙的堵塞以及各种敏感性伤害，从而导致储层渗透率降低，进而降低储层采收率，造成油气藏开发效率低下[1-3]。塔里木克深区块现场使用的钻井液分为油基和水基两类。与水基钻井液相比，油基钻井液具有抗高温稳定性强、抑制性强、润滑性好、防塌效果好、抗污染能力强等优点。但是，油基钻井液也存在以下不足：油相进入地层使得有效流动面积减小，表面活性剂使油层发生润湿反转，降低油相渗透率、井眼净化能力较差、配制成本较高等[4-6]。

目前，针对致密砂岩气藏的钻井液伤害评价研究还不成熟，国内还是沿用常规储层的评价方法，通过室内测定直径为2.54 cm、长度6 cm左右的小岩心渗透率在污染前后的变化来判断储层的伤害程度[7-8]。由于致密砂岩渗透率较低，常规岩心流动实验驱替压差大、稳定时间长，并且实验过程易受到随时间引起的温度变化以及测量系统自身流量不精确而造成较大误差[9]。从而，许多学者使用劈裂的岩心模拟钻井液对储层裂缝的伤害，不考虑钻井液对基质的伤害[10-11]。但是Cipolla等[12]研究表明，当渗透率小于0.0001 mD，裂缝网络对产能的极限贡献在80%左右。也就是说，对于致密砂岩钻井液对基质的伤害不能忽略。因此，有必要开展钻井液对基质伤害的研究。

目前应用最广泛的超低渗岩心渗透率测量方法是非稳态方法，包括压力衰减法、压力传导法和周期震荡法。压力衰减法是由游利军和康毅力等提出，并使用此方法评价了大牛地气田盒3段储层敏感性伤害[9]。周期振荡法最早由Kranz等[13]借鉴热扩散系数测量而提出，被运用到测量低渗岩石的渗透率上。Fischer等[14]进一步详细阐述了周期振荡法的理论背景，试验设计以及数据处理。压力传导法是由 W.F .Brace等[15]在 1968 年首次提出，并用于测量Westerly花岗岩渗透系数，此外还给出了该方法的半解析解，但是其假设岩石孔隙度为零与实际岩心差别较大。随后经Hsieh和Dicker等人[16-18]修正改进，使得此方法在石油行业得以广泛应用。

考虑到研究区块储层渗透率较低，基于学者们对压力传导方法研究的基础上，利用自主设计研发的压力传导仪，定量分析了塔里木克深区块现场使用的油基、水基钻井液滤液对基质的伤害规律，建立了低渗储层基质伤害评价的新方法。

1 数学模型

1.1 模型建立

图1是瞬态压力传导方法测量岩心渗透率的物理模型示意图，初始时刻岩样下方容器中的压力为Po，实验时岩样上方始终以恒压Pm驱替流体流动。显而易见，该物理模型是沿垂直方向的一维渗流问题[19-23]，据此可以建立一个用于求取致密低渗岩样渗透率的数学模型[24-26]。

图1 压力传导渗透率测定示意图

根据渗流力学建立模型的方法与步骤，可知，岩心内一维扩散方程：

由于本实验系统并不需要测量岩样x=L处的流速（出口流速）。因此，通过压缩系数对公式（5）进行修正：

1.2 模型求解

利用已有的边界条件和初始条件，基于拉普拉斯变换，求解上述扩散方程。

首先，将扩散方程（1）变换到拉氏空间：

易知方程（7）为二阶非齐次方程，因此，其通解为：

由于方程（8）中的系数C1和C2的值取决于边界条件，为了求解系数C1和C2，必须将边界条件变换成拉普拉斯形式。

边界条件：

将边界条件（9）带入到方程（8），联立求解，可以得到系数C1和C2：

因此，扩散方程（7）的通解可表示成式（11）：

针对方程（11），使用Carslaw等[24]给出的解，如下所示：

由于参数φn极大地取决于岩样的孔隙体积与下游容器体积之比，当上述比值较小，方程在x=L时可简化成如下方程：

式中，P（L，t）是下游压力随时间变化，其值等于岩样在x=L处的压力，即岩样下端面的压力，MPa与时间曲线的斜率；L为岩样的高度，cm。

2 目标储层

目标储层位于中国西北部塔里木盆地，埋藏深度超过6000 m，是典型的超高温、 高压储层。目标储层厚度约为300 m，为分析其孔、 渗特征，钻取273根岩心，进行室内实验（见表1）。岩心孔隙度分布在1.5%～7.6%，平均孔隙度为4.1%；岩心渗透率分布为小于 0.000 1 mD～2.905 mD，平均渗透率为 0.055 mD。

表1 目标储层岩心孔隙度、渗透率分布频率

3 室内实验

3.1 压力传导渗透率仪

压力传导渗透率仪是由中国石油大学（北京）储层改造中心自主研发，由Core-Lab公司制作，其主要由 ISCO 泵（排量范围为 0.000 01～60 mL/min）、储液罐、三孔岩心釜（岩心夹持器）、恒温箱以及数据采集传输系统等组成，见图1。

图2 压力传导渗透率仪（左）和三孔岩心釜（右）

3.2 实验用岩样

实验中所使用的岩样为塔里木克深储层致密砂岩岩心，实验岩样信息如表2所示。

表2 实验岩样

实验岩样制备步骤如下：①使用线切割将从现场取回来的全直径岩心，加工成3.6 cm×3.6 cm×15 cm的长方体岩心柱；②将加工好的岩心柱放入聚碳酸脂塑料管正中间，使岩心柱与塑料管的几何中心一致，倒入环氧树脂胶，静止24 h；③待环氧树脂胶干后，将整个体系放入110 ℃的恒温箱，加热1 h，确保岩心柱与环氧树脂胶胶结为一体；④最后，使用线切割将其切为一个个0.65 cm厚的薄片。岩样实物图见图3。

图3 岩样实物图

3.3 实验用钻井液

塔里木克深致密砂岩储层现场所用的钻井液配方如下。

油基钻井液 2%主乳化剂+3%辅乳化剂+2%有机土+2%氧化钙+3%沥青类降滤失剂+240 mL 0#柴油+ 60 mL氯化钙溶液（20%）+加重材料

水基钻井液 4%膨润土浆+9%SMP-2+3%SPNH+1%PAC+0.5%AP-220+4%FT-1+3%碳酸钙+2% 氢氧化钠+加重材料

3.4 实验步骤

①将煤油、钻井液、标准盐水装入储液罐中，岩样放入三孔岩心釜中，连接好仪器，检漏；②先上下游同时抽真空1 h，之后以一恒定压力向下游注入煤油，压力稳定后记为下游初始压力Po；③下游压力稳定后，以大于下游初始压力的恒定压力Pm向上游注入煤油，并以Pm的流动压力持续流动；④监测下游压力随时间的变化，即P（L，t）；⑤绘与t的关系曲线，并求取曲线的斜率ζ，利用公式（13）计算初始渗透率k1；⑥使用氮气瓶恒压驱替工作液，使工作液在岩样上游持续流动3 h；⑦工作液伤害结束后，重复步骤②～⑤，可计算出伤害后的渗透率k2；⑧通过公式λd=（k1-k2）/k1×100%计算钻井液对岩样的伤害程度。

4 结果与讨论

4.1 油基钻井液伤害

裂缝性致密砂岩气藏具有低孔低渗、裂缝发育、局部超低含水饱和度、高毛管压力、地层压力异常、高伤害潜力等特征，塔里木油田克深区块具有以上所有特征，是典型的裂缝性致密砂岩气藏。油基钻井液在该区块广泛应用，使用现场的油基钻井液滤液开展了基质伤害实验。由于实验岩心致密且黏土含量较高，容易受到水锁、水敏等伤害。为了避免渗透率测量过程中，测试流体造成实验岩心渗透率降低，上游流体选择煤油，为了消除砂岩的渗析作用，下游流体也选择煤油。图4、图5是实验岩样油基钻井液伤害的压力曲线，由于上下游存在渗透压差以及水力作用，下游压力会随着时间逐渐上升，最终达到稳定值，同时由于砂岩的半透膜效应不明显，下游压力最终达到上游压力水平。从图4、图5中可以看出，砂岩岩样伤害前下游压力上升速度较快，较短的时间压力达到稳定，伤害后下游压力上升慢，下游压力达到稳定需要的时间较伤害前长，说明钻井液对砂岩基质存在一定的伤害。

图6、图7是砂岩实验岩样钻井液伤害前后渗透率计算曲线。

图4 油基钻井液对KS-2#岩心伤害压力传导曲线

图5 油基钻井液对KS-2#岩心伤害压力传导曲线

图6 油基钻井液对KS-2#岩样伤害渗透率计算曲线

图7 油基钻井液对KS-3#岩样伤害渗透率计算曲线

通过拟合上下游实时压差与初始压差之比的对数值与时间的关系，可以得到斜率，利用公式（13）可以求出渗透率。易知KS-2#岩样伤害前后渗透率分别为 0.65×10-3mD、0.45×10-3mD，伤害率30.77%；KS-3#岩样伤害前后渗透率分别为1.025×10-3mD、0.7×10-3mD，伤害率为 31.71%。

4.2 水基钻井液伤害

图8、 图9是克深砂岩岩样受水基钻井液伤害的压力曲线，由于上下游存在渗透压差以及水力作用，下游压力会随着时间逐渐上升，最终达到稳定值。从图8、图9可以看出，与油基钻井液伤害类似，克深致密砂岩伤害前下游压力上升速度较快，较短的时间压力达到稳定，伤害后下游压力上升慢，下游压力达到稳定需要的时间较伤害前长，说明水基钻井液对砂岩基质也存在一定的伤害。

图8 水基钻井液对KS-4#岩样压力传导曲线

图9 水基钻井液对KS-5#岩样压力传导曲线

图10、图11是克深砂岩实验岩样水基钻井液伤害前后渗透率计算曲线。

图10 水基钻井液对KS-4#岩样伤害渗透率计算曲线

图11 水基钻井液对KS-5#岩样伤害渗透率计算曲线

由图10、图11可知，KS-4#岩样伤害前后渗透率分别为 1.28×10-3、0.98×10-3mD，伤害率23.53%；KS-5#岩样伤害前后渗透率分别为0.63×10-3mD、0.48×10-3mD，伤害率 23.81%。

5 结论

1.克深致密砂岩油基钻井液平均伤害率为31.24%，水基钻井液平均伤害率为23.67%。水基钻井液对基质伤害程度略低于油基钻井液，但是现场使用什么类型的钻井液需要综合考虑。

2.实验中上下游压力最终趋于一致，说明砂岩膜效应不明显。

3.仅仅评价了油基/水基钻井液对储层基质的伤害，但瞬态压力传导方法并不局限与此。该方法还可以用来评价致密低渗储层敏感性伤害。