宋 煜 劉 成 高浩宏 李 尚 張盼鋒 王子云 韓永勝

1.中國石油浙江油田公司西南采氣廠 2.中國石油浙江油田公司勘探開發(fā)一體化中心

0 引言

水可作為多數(shù)物質(zhì)流動的載體，既能將大陸碎屑物源運移至河流、湖泊、大海，使有機物質(zhì)沉積演化成藏，又能通過驅(qū)替、溶解等各種作用促使油氣藏流動開發(fā)。油氣田水是油氣運聚成藏的動力和載體，油氣的生成、運移、聚集、保存和散失都是在地層水的環(huán)境或是在地層水的參與下進行，通過對常規(guī)油氣田地層水的化學規(guī)律變化研究油氣生、運、聚、散的方法給非常規(guī)頁巖氣田產(chǎn)能影響因素的地質(zhì)研究提供了水化學方面分析的新思路[1-4]。蔣廷學等[5]認為水平井體積壓裂的目標是有效裂縫改造體積（ESRV）的最大化。根據(jù)昭通頁巖氣田水平井體積壓裂改造的實踐認識，頁巖有效裂縫改造體積（ESRV）最大化主要依靠滑溜水壓裂液體系對靶體頁巖的改造作用，導致壓裂液對返排水化學特征的影響較大。水力改造注入非常規(guī)頁巖氣藏內(nèi)部的水是氣藏流體運移的載體，水力改造促使頁巖的游離和吸附氣體溶解是氣藏流體運移的動力[6]。據(jù)王玉滿[7]等研究，川南上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組主力產(chǎn)層發(fā)育深水陸棚沉積的硅質(zhì)、鈣質(zhì)和黏土質(zhì)混合頁巖組合。據(jù)董大忠等[8]研究，五峰組—龍馬溪組頁巖氣形成富集高產(chǎn)主要由“四大因素”控制：沉積環(huán)境、巖相組合、熱演化程度、構(gòu)造保存。據(jù)吳奇[9]等研究，昭通YS108 區(qū)塊內(nèi)，儲層品質(zhì)參數(shù)（如厚度、TOC、孔隙度、硅質(zhì)含量/ 黏土礦物含量等）橫向分布相對穩(wěn)定，高孔隙壓力是保存條件的最佳指示。目前，昭通頁巖氣田氣井生命周期內(nèi)采出水主要為壓裂液的返排，投產(chǎn)5年氣井的壓裂液返排率介于5%～33%，采出水成為頁巖氣田開采后期制約氣井低壓低產(chǎn)階段生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。目前，國內(nèi)外對頁巖氣田采出水的水化學研究應(yīng)用較少，筆者通過動態(tài)監(jiān)測跟蹤昭通頁巖氣田水化學數(shù)據(jù)，分析采出水水化學特征，研究其變化規(guī)律及成因，提出表征頁巖氣藏沉積和保存條件的水化學因素，分析氣井生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)，可為頁巖氣井低壓生產(chǎn)階段排水采氣減少井筒積液提高產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

昭通示范區(qū)龍馬溪組頁巖儲層具有“源儲一體”的氣藏特征，既是好的優(yōu)質(zhì)烴源巖，也可作為良好頁巖氣儲集層。A和B區(qū)塊是昭通示范區(qū)的2個龍馬溪組頁巖建產(chǎn)區(qū)塊（圖1），構(gòu)造位于四川臺凹川南低陡褶帶， A區(qū)塊主體構(gòu)造比較平緩，地層展布穩(wěn)定，地層傾角總體較小，區(qū)塊內(nèi)大斷裂不發(fā)育，主要斷層以逆斷層為主，B區(qū)塊主體構(gòu)造受太陽背斜控制，東南翼較平緩，地層傾角25°～30°，西北翼相對較陡，地層傾角38°～42°。

圖1 昭通頁巖氣田地質(zhì)構(gòu)造圖

昭通地區(qū)龍馬溪組沉積相主要為深水陸棚向淺水陸棚沉積演化序列，龍馬溪組下段區(qū)域主要為深水陸棚亞相沉積，以厭氧灰泥質(zhì)深水陸棚微相為主，巖性主要為黑色、灰黑色頁巖，頁巖中水平層理非常發(fā)育，見黃鐵礦沉積，顯示當時處于低能的還原沉積環(huán)境，水動力較弱，是形成頁巖氣的有利相帶，部分地區(qū)可見濁流沉積[10]。龍馬溪組下段巖性主要為黑色粉砂質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖，發(fā)育厘米級和毫米級的微細紋層，頁巖普遍含黃鐵礦團塊、晶粒，常呈星點狀或紋層狀，地層厚度100～130 m，黑色頁巖并富含大量的耙筆石、柵筆石、雕筆石、鋸筆石等，鏡下薄片可見硅質(zhì)放射蟲。據(jù)王秀萍等[11]對X射線衍射分析測試，川南龍馬溪組下段頁巖礦物組分包括石英、鉀長石、斜長石、方解石、白云石、黃鐵礦、黏土礦物和少量的菱鐵礦、石膏等。

2 水化學特征及成因分析

據(jù)霍秋立等[3]研究，海拉爾盆地地層水礦化度為1 740～25 000 mg/L，松遼盆地為960～14 000 mg/ L，吐魯番盆地為2 000～120 000 mg/ L，塔里木盆地最高介于22 000～320 000 mg/ L。昭通頁巖氣田采出水總礦化度范圍為1 517～53 991 mg/ L，兩個區(qū)塊采出水主要成分上表現(xiàn)一致，顯示出海相深水陸棚沉積環(huán)境的特點，但是兩個區(qū)塊在主要成分的離子濃度上表現(xiàn)出不同的水化學特征。

2.1 水化學特征

對昭通頁巖氣田羅場向斜南翼A區(qū)塊89組水樣取樣，對昭通頁巖氣田太陽背斜及云山壩向斜B區(qū)塊10組水樣取樣，并進行Cl－及Na+、K+的對比分析（圖2、圖3），結(jié)果表明：A區(qū)塊地層水總礦化度平均值35 041 mg/ L，與海水鹽度相當。其中Cl－含量709～32 614mg/ L，平均值20 972 mg /L，Cl－和總礦化度表現(xiàn)出特別強的相關(guān)性，A區(qū)塊Na+與K+含量306～18 838 mg/ L，平均值12 639 mg/ L，Na+與K+同樣和總礦化度表現(xiàn)出較好相關(guān)性，其Cl－占總礦化度的59%，Na+與K+占到36%，HCO3－平均含量444 mg/L，礦化度占比1.7%，表明A區(qū)塊Cl－、Na+與K+是控制氣田采出水礦化度的主要成分；而B區(qū)塊地層水總礦化度平均值15 816 mg/ L。其中Cl－含量2871～15 208 mg/ L，平均值8 965 mg/ L，Cl－和總礦化度表現(xiàn)出特別強的相關(guān)性，其Na+與K+含量2 105～9 475 mg/ L，平均值5 822 mg/ L，Na+與K+和總礦化度同樣表現(xiàn)出較好相關(guān)性，Cl－占總礦化度的56%，Na+與K+占比37%，HCO3－平均714 mg/ L，占比6.2%，表明B區(qū)塊Cl－、Na+與K+是控制氣田采出水礦化度的主要成分。

分析認為A區(qū)塊89組水型基本都為CaCl2型，B區(qū)塊10組水型中有50%為NaHCO3型，B區(qū)塊采出水水樣總礦化度、Cl－、Na+與K+含量較A區(qū)塊偏低50%以上。Cl－、Na+與K+是昭通氣田采出水礦化度的主要成分，兩個區(qū)塊采出水主要成分的離子濃度特征差異顯著。

2.2 水化學特征成因

地層水和油氣的流動是沉積盆地內(nèi)物質(zhì)和能量傳輸?shù)闹匾^程。油氣田地層水可以提供流體成因、流動和水—巖相互作用的重要信息[12]。地層水化學特征與油氣的生、運、聚、散過程有著十分密切的關(guān)系[13]。成礦地質(zhì)階段，在外生作用下，Cl－在自然的水巖系統(tǒng)中具有很強的遷移能力，與Na+、K+等形成易溶于水的化合物，在干旱的內(nèi)陸盆地、潟湖海灣中沉淀形成鹽類[14]?；羟锪⒌萚3]認為Cl－含量常用來說明地下水的礦化度，認為這種相關(guān)關(guān)系是蒸發(fā)濃縮作用的結(jié)果。工區(qū)內(nèi)兩個不同化學特征區(qū)塊的Cl－均與總礦化度表現(xiàn)出較強的相關(guān)性，反映出兩個區(qū)塊龍馬溪組頁巖在蒸發(fā)濃縮作用下沉積的共同特點。鹽化系數(shù) γCl－/(γHCO3－+γCO32－)主要反映地層水的濃縮程度（γ表示溶液中離子含量），其值越大，反映蒸發(fā)作用越強[15]。A區(qū)塊鹽化系數(shù)平均值為49.6，B區(qū)塊鹽化系數(shù)平均值為15.4，反映出研究區(qū)A區(qū)塊蒸發(fā)作用強，水循環(huán)慢。

圖2 昭通頁巖氣田Cl－離子與總礦化度關(guān)系圖

霍秋立等[3]認為較高的礦化度反映出儲層封閉性較好，水動力較弱，有利于油氣藏的保存。工區(qū)A區(qū)塊礦化度遠高于B區(qū)塊，反映出A區(qū)塊頁巖儲層封閉性相對較好，油氣藏保存條件較好?；轂t等[1]發(fā)現(xiàn)地層水礦化度和Cl－質(zhì)量濃度隨深度逐漸增大的趨勢符合垂向分帶規(guī)律，反映延長組地層封閉性較好。昭通氣田兩個區(qū)塊頁巖儲層Cl－和儲層深度分別呈現(xiàn)出對應(yīng)的垂向分帶規(guī)律，但是太陽背斜構(gòu)造地層傾角較大的儲層中Cl－（B1、B2、B3井）并無垂向分帶規(guī)律（圖4），反映出龍馬溪組頁巖儲層流體系統(tǒng)的封閉性整體較好，B區(qū)塊太陽背斜構(gòu)造地層傾角較大部位封閉性差。

圖4 昭通頁巖氣田儲層深度與Cl－關(guān)系圖

頁巖生烴期，儲層埋深不斷加大，有機質(zhì)成熟度持續(xù)升高，氣體大量生成，頁巖儲層內(nèi)流體壓力快速增加，使頁巖氣儲層呈現(xiàn)明顯的超壓現(xiàn)象。而且隨著泥頁巖埋深增大，儲層受上下圍巖的壓力增大，頁巖氣的封閉條件相對變好。昭通頁巖氣田生烴晚期，龍馬溪組儲層由構(gòu)造沉降轉(zhuǎn)為構(gòu)造抬升，頁巖孔隙內(nèi)的氣體具有體積膨脹的趨勢，并且隨著儲層埋深的減少，儲層流體壓力大幅降低，但局部儲層的壓力系數(shù)仍可以繼續(xù)變大，受構(gòu)造抬升上覆地層減薄的作用，局部可發(fā)育規(guī)模較大的斷層，對頁巖氣儲集會造成破壞[10]。梁興[16]等研究，保存條件對經(jīng)歷強烈改造的構(gòu)造拗陷型頁巖氣賦存區(qū)有著至關(guān)重要的控制作用。A區(qū)塊構(gòu)造位于羅場向斜南翼，主體構(gòu)造比較平緩，地層展布穩(wěn)定，地層傾角總體較小，區(qū)塊內(nèi)大斷裂不發(fā)育，氣藏得以較好保存；B區(qū)塊主體構(gòu)造位于太陽背斜，東南翼較平緩，地層傾角25°～30°，西北翼相對較陡，地層傾角38°～42°，后期構(gòu)造抬升對儲層的擠壓和剝蝕是該區(qū)塊保存條件變差的主要原因。

頁巖成巖過程，因為沉積物的“去流體”作用，頁巖經(jīng)壓實后，原來所含水大約將失去75%，剩下25%則被封閉在頁巖的孔隙里[17]。杜洋[6]等證明頁巖巖心經(jīng)滑溜水壓裂液浸泡不僅改善了天然氣滲流通道，使天然氣更容易采出，還有利于巖心表面吸附氣向游離氣轉(zhuǎn)化。Wang[18]等通過頁巖接觸鹽水實驗后發(fā)現(xiàn)頁巖滲透率增大，可能是由于礦物的溶解以及微裂縫擴展引起。Dehghanpour[19]等采用去離子水、不同濃度 KCl 溶液及煤油等針對頁巖開展自吸實驗，發(fā)現(xiàn)頁巖自吸會產(chǎn)生誘導微裂縫，并使巖石滲透率增大。本區(qū)開發(fā)經(jīng)驗認為，人工水力改造作用加速了頁巖氣藏鹽類及氣體的溶解作用，含Na+、K+、Cl－等離子的鹽類礦物被破壞，以離子形式快速溶解于填充液中，注入地層的混合液與殘留地層水及圍巖充分溶解、混合。沉積水體鹽度越高，構(gòu)造保存條件越好，氣藏采出水礦化度越高。A區(qū)塊儲層沉積和構(gòu)造保存條件好，B區(qū)塊相對較差，且改造過程容易溝通地層水，于是形成工區(qū)現(xiàn)今兩個區(qū)塊不同的水化學特征。地下水中Cl－主要有5種： ①沉積巖中巖鹽及其他氯化物的溶解；②巖漿巖中含氯礦物的溶解；③海水，④火山噴發(fā)物的溶濾；⑤人類活動[20]。研究認為，頁巖氣藏采出水中的Cl－及堿金屬Na+、K+來源于頁巖儲層沉積鹽類壓裂改造后的溶解作用，采出水中不同的水化學特征反映頁巖成藏過程特殊的沉積環(huán)境和保存條件。影響工區(qū)龍馬溪組產(chǎn)能的主要地質(zhì)因素是儲層的沉積環(huán)境和保存條件，Cl－與總礦化度的相關(guān)性、鹽化系數(shù)等可作為表征儲層沉積環(huán)境的綜合判斷因素，Cl－與頁巖儲層的垂向分帶規(guī)律、總礦化度等可作為表征儲層保存條件的綜合判斷因素。

3 排采特征

頁巖氣開采過程中，通過進行水化學數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測，進行流體物性與生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，研究積液對頁巖氣井生產(chǎn)特征的影響，能夠為氣藏成因與產(chǎn)能分析、排采工藝、氣藏流體流動等基礎(chǔ)研究提供及時準確的參考數(shù)據(jù)。通過對采出水中Cl－含量的動態(tài)跟蹤，得到壓裂液返排和生產(chǎn)階段的動態(tài)變化特征。

3.1 Cl-離子變化特征及原因

頁巖儲層改造完成后，注入的壓裂液快速返排，返排前期采出水量介于300～400 m3/d。壓后返排階段，跟蹤工區(qū)內(nèi)5個平臺19口井返排數(shù)據(jù)（圖5）分析，發(fā)現(xiàn)A、B區(qū)塊內(nèi)（其中E1井位于B區(qū)塊）氣井壓裂液表現(xiàn)出相同的返排規(guī)律：①同一平臺各井Cl－變化區(qū)間較為接近（圖中相同顏色的為同一井組）；②各井Cl－不斷升高，趨近最高值，之后較長時間內(nèi)保持在一穩(wěn)定范圍內(nèi)，且不隨生產(chǎn)制度調(diào)整變化；③在產(chǎn)量達到峰值時，Cl－接近測試期間最高值；④相比返排階段，生產(chǎn)階段Cl－波動較大，但整體保持在相對較高范圍（圖6）。

圖5 昭通頁巖氣田不同井組返排液Cl－變化特征圖

圖6 昭通頁巖氣田返排階段和生產(chǎn)階段Cl－離子變化特征圖

返排初期，受地層圍巖應(yīng)力作用，填充主縫網(wǎng)的壓裂液首先排出，被壓開的縫網(wǎng)緩慢閉合，地層返出流體以水相為主，主縫網(wǎng)填充液流動性強，與鹽類離子溶解混合程度低，以壓裂液返排為主，Cl－含量低。此階段若是生產(chǎn)制度調(diào)整幅度過大，部分縫網(wǎng)快速閉合，該段產(chǎn)能將得不到有效動用，而且上覆圍巖對于改造后頁巖及填充固體顆粒的壓實過程不可逆轉(zhuǎn)。主縫網(wǎng)基本閉合，氣藏各段應(yīng)力達到平衡后，致密頁巖儲層已經(jīng)改造成較穩(wěn)定的流動氣藏，氣體分子、鹽類離子開始隨返排液向低壓區(qū)滲流，并在井筒內(nèi)氣液分離，游離氣相積聚成連續(xù)氣相、攜帶鹽類溶液返出。當大部分改造層段得到動用后，測試產(chǎn)氣量接近穩(wěn)定值，氣藏流體流動性增強，已經(jīng)充分溶解在地層深部的不同濃度的鹽溶液隨返排液不斷排出，不同井段的鹽類離子再次混合，Cl－含量達到較高值，并穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，一個穩(wěn)定流動的頁巖氣藏正式改造完成。

3.2 生產(chǎn)特征

A區(qū)塊氣井投產(chǎn)后表現(xiàn)為“兩高一低”（高壓、高產(chǎn)、低返排）的生產(chǎn)特征，典型井A1井投產(chǎn)首月平均壓力15.9 MPa，平均日產(chǎn)氣7.9×104m3，平均日產(chǎn)水15.9 m3，返排率11.5%（圖7）。

B區(qū)塊氣井投產(chǎn)后表現(xiàn)為“兩低一高”（低壓、低產(chǎn)、高返排）的生產(chǎn)特征，典型井B1井投產(chǎn)首月平均壓力4.5 MPa，平均日產(chǎn)氣2.4×104m3，平均日產(chǎn)水55.3 m3，返排率29.6%（圖8）。

3.3 頁巖氣井筒流壓特征

C井和D井均位于A區(qū)塊，投產(chǎn)2年后均出現(xiàn)油套壓差增大、氣井產(chǎn)量快速下降、產(chǎn)水減少的積液特征。提取穩(wěn)定生產(chǎn)1年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，得知C井連續(xù)生產(chǎn)，平均油壓4.9 MPa，產(chǎn)氣量平均4.4×104m3/d，產(chǎn)水量平均為0.5 m3/d；D井間歇性生產(chǎn)，每天關(guān)井4～5h，平均油壓9.1 MPa，產(chǎn)氣量平均3.3×104m3/d，產(chǎn)水量平均為7.3 m3/d。兩口井表現(xiàn)出連續(xù)穩(wěn)定低產(chǎn)水和間歇高產(chǎn)水的不同生產(chǎn)特征，可能與儲層改造縫網(wǎng)的復雜程度有關(guān)。

圖7 昭通頁巖氣田A1井歷史生產(chǎn)曲線

圖8 昭通頁巖氣田B1井歷史生產(chǎn)曲線

針對兩口不同產(chǎn)水特征的典型井，進行井筒流壓監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該兩口井直井段分別在2 000 m和1 900 m處存在液相增多的積液特征。通過開展針對性的泡沫排水工藝措施，該兩口井產(chǎn)量得到了恢復。井筒壓力監(jiān)測顯示：C井在低頻次大劑量泡排制度下可快速排出積液，恢復連續(xù)生產(chǎn)狀態(tài)，D井在高頻次低劑量泡排制度下可連續(xù)排出積液，同時產(chǎn)量可保持連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)。

C井泡排措施前井筒流壓梯度為0.132 MPa/100m，在2 000 m存在壓力梯度突變且2 000 m以下能夠延續(xù)，判斷在2 000 m以下流體中含水增加，為明顯的氣水混合物，判斷為氣水混合狀態(tài)。泡排后流壓梯度為0.015 MPa/100m，顯示為純氣段，表明井筒積液得到有效清除。

D井泡排措施前井筒平均流壓梯度為0.126 MPa/100m，1 900 m以下壓力梯度有明顯增大，顯示1 900 m以下流體中含水明顯增加，判斷為氣水混合段塞流。泡排后平均流壓梯度為0.117 MPa/100m，泡排后井筒內(nèi)壓力梯度有一定程度減少，但仍然含有少量水，段塞流現(xiàn)象有所減緩。

4 結(jié)論

1）昭通頁巖氣田A、B兩個區(qū)塊表現(xiàn)出不同的水化學特征，總體上其采出水中Cl－、Na+和K+均與礦化度呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，且含量占比較高，是氣田水礦物質(zhì)含量的主要成分，說明龍馬溪組頁巖海相深水陸棚相沉積是在較強蒸發(fā)濃縮環(huán)境下形成。但在大規(guī)模水力壓裂改造后，其采出水表現(xiàn)出不同的生產(chǎn)和水化學特征，反映出A區(qū)塊在沉積成藏過程中水體流動緩慢，蒸發(fā)作用強，氣藏保存條件較好，B區(qū)塊背斜構(gòu)造部位地層傾角較大儲層保存條件較差。

2）頁巖氣井返排初期，地層返出流體以液相水為主，返排液Cl－和壓裂液Cl－含量接近。當大部分改造層段氣相突破后，氣藏流體流動性增強，溶解在地層深部的不同濃度的鹽溶液不斷排出、交匯、混合，Cl－離子濃度達到較高值，地層流體流動、鹽類物質(zhì)溶解、圍巖與支撐應(yīng)力趨于穩(wěn)定值。通過Cl－離子的動態(tài)監(jiān)測，可以及時判斷頁巖儲層鹽類離子的溶解及改造效果。

3）對于具有套壓快速增加、產(chǎn)量快速下降、產(chǎn)水降低等生產(chǎn)特征的氣井，認為是由井筒液相突然增加造成，泡排措施大劑量加藥后，積液可快速清除，產(chǎn)量能夠迅速恢復；對于具有套壓緩慢增加、產(chǎn)量緩慢減少、產(chǎn)水降低等特征的氣井，認為是持續(xù)少量出水引起液面逐漸上升造成的，連續(xù)加藥后，可達到持續(xù)排液的目的，從而使產(chǎn)氣量逐步增加。通過井筒流壓監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)井筒流體狀態(tài)對氣井產(chǎn)量的影響。