刘长松，杜永慧，张海燕，裴欣，吕国强，胡庆霞

（1.中国石化中原油田普光分公司，四川 达州 635002；2.中国石化中原油田分公司石油工程技术研究院，河南 濮阳 457001）

0 引言

水相圈闭损害是指钻完井及开采过程中，水基工作液侵入超低含水饱和度的致密储层，并在储层内形成暂时或永久液相滞留，进而导致产出相相对渗透率降低的现象［1-4］。水相圈闭是致密气藏产生损害的最关键因素［5-7］，为了控制钻井液对储层的伤害，保证后期酸化、压裂等增产措施的有效性，准确评价钻井液对储层的损害程度及侵入深度对储层保护措施的制定具有指导意义［8］。引起水相圈闭的主要原因是毛细管力自吸和液相滞留作用。

在水相圈闭损害评价方面，李皋等［9］采用甲醇混合液饱和风干法和毛细管力自吸离心饱和法建立川西侏罗系蓬莱镇组低渗砂岩岩心含水饱和度，当含水饱和度大于65%时，气体相对渗透率接近0，钻井液滤液造成的水锁损害大于模拟地层水。张杜杰等［10］采用自发渗吸及返排方法，评价了塔里木盆地超致密砂岩气藏的基块岩样顺序接触油基/有机盐钻井液滤液、有机盐完井液后的水相圈闭损害，其渗透率损害率分别为86.00%，98.37%。这些主要是针对致密砂岩气藏开展的钻井液水相圈闭损害研究，且只有水相圈闭的损害程度，而无钻井液液相侵入深度的研究结果。张兴来等［11］利用高温高压动态滤失仪测试了不同时间钻井液污染岩心的滤失量，拟合得到滤失量与时间平方根的线性方程，据此计算液相侵入深度。该研究中滤失量与时间的关系方程是基于静态滤失的钻井液静滤失方程［12］，但开展的是动态滤失量随时间变化的实验，建立的模型与开展的实验不相符，且假设侵入地层的滤液充满污染地层的孔隙，但一般滤液不可能完全充满受污染地层的孔隙［13］。Marx 等［14］提出利用各段岩心损害率确定侵入深度的方法，包括切片法和梯度法，但存在岩心切割确定的侵入深度误差大，并产生二次损害等问题。王建华等［15］根据质量守恒方程和径向摩阻公式，在考虑内泥饼的情况下，建立了钻井液固相和滤液动态侵入储层的深度模型，该研究对侵入深度的影响因素考虑较多，参数获取困难，计算方法较为繁琐。

在水相圈闭损害防治方面，刘雪芬等［16］采用氟化物FW-134 将鄂尔多斯盆地典型致密砂岩岩心表面由水润湿转变为气润湿，加入该化学剂后岩心自吸含水饱和度由62.0%下降至29.5%，液相返排率由56.3%提高至83.4%，能够有效防治水相圈闭损害。蒋官澄等［17］采用氟碳表面活性剂Zony18740 将致密砂岩岩心表面由强液湿反转为气湿，加入气湿反转剂后，氯化钾聚合物钻井液对岩心水相圈闭损害率由53.15% 降至31.47%，气湿反转剂可有效减少钻井液水相圈闭损害。以上皆是针对致密砂岩开展的水相圈闭损害与防治研究，但是目前致密碳酸盐岩气藏无适合的水相圈闭损害防治剂。

针对以上问题，本研究以川东北某致密碳酸盐岩气藏（孔隙度3.44%，渗透率0.11×10-3μm2）为目标，首先分析该气藏岩心的润湿性；然后从产生钻井液水相圈闭的机理着手，开展毛细管自吸实验、考虑侵入-返排过程的水相圈闭损害程度实验以及钻井液动态滤失量随时间的变化实验，根据动态滤失量随时间的变化数据，建立钻井液液相侵入深度计算模型；最后筛选适用于致密碳酸盐岩气藏的水相圈闭损害防治剂，并评价了钻井液加入水相圈闭损害防治剂后对水相圈闭损害的防治效果。水相圈闭损害与防治研究结果为增产措施取得良好效果，以及制定有效的储层保护措施提供了技术支撑。

1 实验与计算模型建立

1.1 实验材料与设备

实验岩心为川东北某气田飞三段岩心，钻井液为现场钻开储层所用的欠饱和盐水甲聚磺钻井液，钻井液滤液为高温高压条件下压制而成。实验设备为CMS300 岩心分析仪、DSA25 光学接触角测量仪、垂向毛细管自吸装置、高速离心机、高温高压岩心驱替装置、工作液动态伤害评价仪、核磁共振仪等。

1.2 实验方法

1.2.1 岩心润湿性测定实验

将岩心切割为厚1～2 cm 的薄片，用砂纸打磨光滑，用光学接触角测量仪测定水滴在岩心片上的接触角。

1.2.2 钻井液滤液水相圈闭损害程度实验

1.2.2.1 钻井液滤液毛细管自吸实验

岩心样品烘干至恒重，测量其长度、直径、干重、孔隙度（ϕ）和渗透率（K）等物性参数。将岩样悬挂在垂向自吸实验装置的天平下，钻井液滤液自吸至初始含水饱和度（Swi为10%左右）时取出岩心，测试岩心在初始含水饱和度条件下的气相渗透率Ki。将岩心放入自吸实验装置，记录每个时间点对应的天平读数，当岩心质量接近稳定后，取下岩心称重，在初始测试条件下测试气相渗透率（Kg2）。数据处理后，得到岩心的自吸量（QPV）、自吸速率（v）随时间的变化曲线。自吸速率计算公式为

式中：ΔQPV为自吸量（自吸体积与孔隙体积的比值）的变化量；ΔT 为自吸时间间隔，h。

1.2.2.2 考虑侵入-返排过程的水相圈闭损害程度实验

采用毛细管自吸法建立岩心初始含水饱和度，测定初始含水饱和度下的气相渗透率；充分饱和钻井液滤液测量岩心湿重，核磁共振测量岩心T2谱；根据SY/T 6490—2014《岩样核磁共振参数实验室测量规范》，利用高速离心机对岩样进行可动水脱水处理，测定离心后岩心T2谱，通过饱和、离心后岩心T2谱确定岩心束缚水饱和度（Swirr）；采用氮气恒压驱替，测定实验岩心在束缚水饱和度下的气相渗透率（Kir）。岩心在束缚水饱和度下的渗透率损害率Rd'为

1.2.3 钻井液动态滤失量随时间的变化实验

采用毛细管自吸法建立初始含水饱和度，将岩心放入工作液动态伤害评价仪，施加一定围压，再将钻井液放入泥浆循环釜体并加热到储层温度，在一定压差条件下反向循环钻井液，钻井液循环过程中详细记录动态滤失量随时间的变化。

1.2.4 水相圈闭损害防治剂筛选及效果评价实验

1.2.4.1 防治剂筛选实验

首先测定飞三段岩心的初始接触角；然后采用过滤后的气藏地层水将A，B，C，D，E，F，G 7 种水相圈闭损害防治剂按照使用的浓度配制成溶液，将岩心片分别放入7 种溶液中，并将溶液置于120 ℃恒温烘箱24 h；最后取出岩心片烘干，测定水滴在经过处理后的岩心片上的接触角。

1.2.4.2 防治水相圈闭损害效果评价实验

采用渗透率接近的岩心，用毛细管自吸法分别饱和钻井液滤液、钻井液滤液与水相圈闭损害防治剂的混合溶液，建立初始含水饱和度，测定岩心在初始含水饱和度下的气相渗透率。采用毛细管自吸法将岩心样品分别充分饱和钻井液滤液、钻井液滤液与水相圈闭损害防治剂混合溶液，测定自吸含水饱和度。在储层温度下老化24 h 后，通过高速离心机对岩样进行可动水脱水处理，离心至质量稳定，测定岩心在束缚水饱和度下的气相渗透率，并计算渗透率损害率。

1.3 钻井液液相侵入深度计算模型

建立钻井液液相侵入深度计算模型的假设条件为：1）储层为均质孔隙型储层；2）钻井液形成暂堵层后，其液相滤失速率稳定；3）滤液与储层流体不发生化学反应。法鲁克·西维［18］根据大量钻井液滤失实验数据分析得到，钻井液在滤失过程中，滤失速率缓慢降低。通过岩心滤失速率与时间的曲线关系可得：

式中：q（t）1为岩心单位面积的钻井液滤失速率，mL/（min·m2）；q0为岩心初始滤失速率，mL/（min·m2）；t 为钻井液浸泡储层的时间，min；α 为衰减指数。

实际钻井中，钻井液任意时刻的滤失速率q（t）2为

式中：rw为井眼半径，m；h 为储层厚度，m。

钻井液浸泡储层任意时刻的滤失量Q（t）为

钻井液在地层中的滤失量不会全部充满孔隙，只能部分充满孔隙，根据物质平衡原理可得：

式中：L（t）为t 时刻钻井液液相侵入深度，m；f 为钻井液对储层孔隙的冲洗度。

由式（5）、式（6）可得钻井液液相侵入深度的计算公式：

2 结果与讨论

2.1 岩心润湿性实验结果

岩心润湿性与水相圈闭损害程度的关系密切，岩心若亲水，其自吸能力强，且自吸进入的液体返排较为困难，水相圈闭损害程度必然较高。飞三段岩心润湿性实验结果见表1。由表1 可以看出，飞三段所有实验岩心润湿性接触角都在20°左右，润湿性表现为亲水。

表1 岩心润湿性实验结果Table 1 Results of core wettability experiments

2.2 钻井液滤液水相圈闭损害程度实验结果

2.2.1 钻井液滤液毛细管自吸实验结果

毛细管自吸导致水相圈闭损害的影响因素是储层的自吸量和自吸速率，自吸量越大、自吸速率越快，水相圈闭损害越严重。钻井液滤液自吸前后含水饱和度及渗透率变化见表2（表中Swr为钻井液滤液自吸最终含水饱和度）。钻井液滤液累计自吸量与累计自吸时间的关系见图1，自吸速率随累计自吸时间的变化见表3。

图1 钻井液滤液累计自吸量与累计自吸时间的关系Fig.1 Relationship between cumulative spontaneous imbibition capacity and cumulative spontaneous imbibition time of drilling fluid filtrate

表2 钻井液滤液自吸前后含水饱和度及渗透率变化Table 2 Changes in water saturation and permeability before and after spontaneous imbibition of drilling fluid filtrate

表3 钻井液滤液自吸速率随累计自吸时间的变化Table 3 Relationship of spontaneous imbibition rate with cumulative spontaneous imbibition time of drilling fluid filtrate

由以上实验结果可知：钻井液在毛细管自吸初始阶段，短时间内快速吸水，自吸量急剧增加，随自吸时间增加，自吸量增幅逐渐降低；自吸速率随自吸时间增加快速下降。钻井液滤液自吸最终含水饱和度为57.86%～73.57%（见表2），渗透率损害率为47.14%～72.85%，渗透率越低，自吸量越高，自吸速率越大，损害程度越高。

2.2.2 考虑侵入-返排过程的水相圈闭损害实验结果

岩心在束缚水饱和度下的渗透率损害率（即不可恢复水相圈闭渗透率损害率）能够反映水相滞留的损害机理，实验结果见表4。由表4 可知，钻井液滤液侵入气层返排后，飞三段岩心不可恢复水相圈闭渗透率损害率为31.57%～65.24%（岩心22 存在天然裂缝，渗透率损害率较低），损害程度为中偏弱—中偏强。

表4 考虑侵入-返排过程的水相圈闭损害实验结果Table 4 Experimental results of water phase trapping damage considering invasion and flowback process

综合上述实验结果得出，由于飞三段储层较致密，初始含水饱和度低，束缚水饱和度较高，钻井液滤液水相圈闭损害程度较高。因此，需要确定钻井液液相侵入深度，以指导增产措施的有效实施。

2.3 钻井液液相侵入深度

根据钻井液动态伤害实验中滤失速率与滤失时间的关系曲线（见图2，以岩心3 为例），拟合得到岩心初始滤失速率与衰减指数。根据现场井身结构、钻完井报告及室内实验等资料，得到井眼半径、钻井液浸泡时间、钻井液对储层孔隙的冲洗度等参数，由计算模型得到川东北某气田飞三段储层钻井液液相侵入深度（见表5，表中Q2h为2 h 动态滤失量）。

图2 滤失速率与滤失时间的关系Fig.2 Relationship between loss rate and loss time

表5 钻井液液相侵入深度模拟计算结果Table 5 Simulation calculation results of invasion depth of drilling fluid

由计算结果可知，目前现场所用钻井液体系在飞三段气藏中的液相侵入深度为1.878～3.065 m，平均为2.528 m。由此可看出，仅通过射孔无法有效解除钻井液滤液侵入导致的水相圈闭损害。

2.4 水相圈闭损害防治剂筛选及效果评价实验结果

2.4.1 防治剂筛选实验结果

由表6 可知，水相圈闭损害防治剂F 作用后，初始接触角由36.7°上升至82.0°，润湿性由亲水转变至中性润湿，能够极大地减小亲水地层毛细管力。因此，确定防治剂F 为该碳酸盐岩气藏水相圈闭损害防治剂。

表6 水相圈闭损害防治剂筛选实验结果Table 6 Screening results of prevention agents for water phase trapping damage

2.4.2 效果评价实验结果

实验结果见表7，岩心6-1 和岩心6-2 饱和的是未加入水相圈闭损害防治剂的钻井液滤液，岩心6-3和岩心11 饱和的是加入水相圈闭损害防治剂的钻井液滤液。由表7 可知：未加入水相圈闭损害防治剂的钻井液滤液的平均自吸量（）为0.571 PV，平均水相圈闭渗透率损害率（）为49.7%；加入水相圈闭损害防治剂的钻井液滤液的平均自吸量为0.363 PV，平均水相圈闭渗透率损害率为19.4%。加入防治剂后，自吸量减少了0.208 PV，起到了预防水相圈闭损害的目的，水相圈闭渗透率损害率降低了30.3%，能够有效解除水相圈闭损害。

表7 加入防治剂后水相圈闭损害效果评价实验结果Table 7 Evaluation results of water phase trapping damage effect after the addition of prevention agents

3 钻井液水相圈闭损害预防、解除措施

3.1 预防措施

由于无法避免致密碳酸盐岩气藏的水相圈闭损害，钻井过程中需要采取相应措施减小钻井液的侵入量，达到预防水相圈闭损害的目的。具体措施为：1）由于致密碳酸盐岩气藏飞三段储层高含硫化氢，钻开储层时无法采用欠平衡钻井，应尽量采用近平衡钻井以减小钻井液的侵入量；2）采用理想的屏蔽暂堵技术，通过优化钻井液中固相颗粒的粒径分布，从而形成渗透率接近0 的屏蔽环，以控制钻井液液相侵入深度，同时改进钻井液降滤失性能，降低钻井液滤失量；3）通过注入适用于飞三段气藏的水相圈闭损害防治剂改变岩石表面润湿性，从而降低毛细管力，减小毛细管自吸量；4）提高钻速与减少钻井事故，以缩短钻井液暴露时间。

3.2 解除措施

在水相圈闭损害已经发生的情况下，需采取相应的解除措施减少水相圈闭对气藏的损害。具体措施为：1）酸化、压裂等增产措施需要穿过钻井液液相侵入产生的污染带，即酸化、压裂的有效半径至少达到3 m 以上才能有效解除钻井液液相侵入产生的损害；2）通过注入适用于飞三段气藏的水相圈闭损害防治剂改变岩石表面润湿性，降低毛细管力，增加液相返排，从而降低水相圈闭渗透率损害率；3）延长关井时间，增大生产压差；4）地层热处理，减少水相圈闭损害。

4 结论

1）致密碳酸盐岩气藏飞三段储层钻井液滤液自吸最终含水饱和度为57.86%～73.57%，渗透率损害率为47.14%～72.85%，渗透率越低，自吸量、自吸速率越大；飞三段不可恢复水相圈闭渗透率损害率为31.57%～65.24%，钻井液液相侵入深度平均为2.528 m，损害程度较高，钻井液滤液造成的水相圈闭损害不容忽视。

2）适用于致密碳酸盐岩气藏的水相圈闭损害防治剂F 能够有效降低毛细管自吸量及水相圈闭渗透率损害率，起到水相圈闭损害防治的作用。

3）依据水相圈闭损害程度实验结果、钻井液滤液侵入深度研究结果，以及适用于致密碳酸盐岩气藏的水相圈闭损害与防治研究结果提出的钻井液水相圈闭损害预防、解除措施，更能保证增产措施与储层保护措施的有效性。