康毅力，邵佳新，游利軍，黃恒清，張 震，張翔宇

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都 610500；2.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000；3.中國石化勝利油田分公司純梁采油廠，山東濱州 256505）

世界范圍非常規(guī)致密型氣藏已成功商業(yè)化開發(fā)利用，勘探開發(fā)技術已經(jīng)取得跨越式發(fā)展。深層致密砂巖氣藏等天然氣資源逐漸成為勘探開發(fā)的新目標和重點領域［1］。塔里木盆地庫車坳陷深層致密砂巖氣藏具有基塊致密、天然裂縫發(fā)育及高溫、高壓和高地應力的特征［2-3］，部分深層致密砂巖氣藏還具有高地層水礦化度、局部存在超低含水飽和度現(xiàn)象［4-6］。

以塔里木盆地庫車坳陷深層致密砂巖氣藏為例，DB-W908井經(jīng)歷四開氣體鉆開氣藏后使用水基壓井液，壓井后五開繼續(xù)氣體鉆進，然后又進行酸壓的過程。氣體鉆開深層致密砂巖氣藏過程中，由于高速氣流循環(huán)使得近井地帶水分蒸發(fā)，產出的天然氣還會攜帶氣藏氣態(tài)水，進一步降低近井地帶氣藏含水飽和度。在氣體鉆進結束后、或中途測試后以及處理井下復雜情況時，一般會轉換為水基工作液壓井并鉆進，或恢復氣體鉆進。即使使用液體鉆開氣藏，也將面臨壓井、酸化和酸壓等過程而增加氣藏含水飽和度。氣體鉆進過程中，氣藏含水飽和度驟降，而后續(xù)水基工作液侵入氣藏又使得近井地帶氣藏含水飽和度驟增。深層致密砂巖氣井完井和生產作業(yè)過程中，氣藏含水飽和度的這種劇烈變化現(xiàn)象，被稱為干濕交替［7］。氣體鉆開氣藏后使用水基工作液交替作業(yè)，或是氣藏生產過程中汽化攜液引起的地層水蒸發(fā)現(xiàn)象，使巖石經(jīng)歷干濕交替，有可能加劇巖石的再變形和再破壞進程［8］。巖石力學及工程地質學者研究指出，巖樣在含水與干燥狀態(tài)下的巖石強度存在明顯差異［9］，且縱橫波速變化顯著［10］，經(jīng)歷過干濕交替的巖石更容易在較低的應力狀態(tài)下發(fā)生裂紋擴展［11］，隨著干濕交替輪次的增加，巖石強度的弱化加劇［12-13］。

前人對近地表層降雨和邊坡水位升降等引發(fā)的干濕交替對巖石強度的作用研究較多，即干濕交替自身對巖石強度的影響。在高溫、高壓、高地應力致密氣藏中，除了干濕交替自身弱化巖石強度外，重點關注了干濕交替過程中酸壓、高速氣流、應力釋放、高地層水礦化度和黏土礦物等對巖石強度弱化的作用。疏松砂巖油氣藏巖石膠結性差，油氣開采過程中近井地帶的出砂現(xiàn)象較為普遍。然而，深層致密砂巖氣藏巖石顆粒膠結程度強，出砂機理與疏松砂巖差別較大，且出砂機理復雜。深層致密砂巖氣藏出砂現(xiàn)象已逐漸引起關注，尤其是經(jīng)歷復雜干濕交替變化的氣井表現(xiàn)更為突出，僅有極少數(shù)學者提出幾種可能的誘因［14-15］。為此，筆者將系統(tǒng)開展深層致密砂巖氣藏巖樣與不同類型液體作用的干濕交替實驗，監(jiān)測實驗前后巖樣的縱橫波傳播速率并計算動態(tài)力學參數(shù)，同時開展干濕交替前后應力敏感性評價實驗。在此基礎上，分析干濕交替誘發(fā)深層致密砂巖氣藏出砂機理，探討其對氣井生產的影響，并提出控制出砂的技術措施和建議。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗巖樣取自塔里木盆地庫車坳陷DB 深層致密砂巖氣藏。平均埋深為5 000 m，溫度為136～145 ℃，壓力為79.46～83.49 MPa，最大和最小水平主地應力分別為148.39 和125.70 MPa，部分地層水礦化度高達200 000 mg/L。巖石類型以巖屑砂巖和砂礫巖為主，膠結類型主要為孔隙式、孔隙-基底式，顆粒接觸關系主要為線接觸。分析儲層巖石學特征，其中石英含量為57.2%～81.7%，平均為68.2%；鉀長石含量為2%～14%，平均約為10.2%；斜長石含量為1%～10%，平均約為5.5%。全巖及黏土礦物分析結果顯示，研究區(qū)塊儲層的石英含量較高，平均達79.5%，黏土礦物的平均含量為5.4%，以伊利石及伊/蒙間層為主，含少量綠泥石和高嶺石。研究區(qū)構造核心區(qū)儲層孔隙度為1%～14%，基塊滲透率為0.004～0.1 mD。裂縫線密度為0.7～1.47 條/m，平均約為1 條/m。選取8 塊巖樣開展干濕交替和應力敏感性評價實驗，巖樣的基礎物性參數(shù)如表1所示。

表1 巖樣基礎物性參數(shù)及干濕交替液體類型Table1 Basic physical parameters of rock samples and types of dry-wet alternating liquids

實驗用水為根據(jù)研究區(qū)地層水配制的模擬地層水，總礦化度為209 237.52 mg/L，其中NaHCO3，Na2SO4，NaCl，KCl，MgCl2和CaCl2的質量濃度分別為563.24，649.22，185 905.74，12 441.50，3 524.50 和6 153.32 mg/L。

1.2 實驗方法

1.2.1 干濕交替實驗

深層致密砂巖干濕交替實驗的具體步驟包括：①對巖樣進行洗鹽和烘干等預處理，巖樣DB-1 和DB-2 使用高密度有機鹽工作液開展干濕交替實驗，巖樣DB-3 和DB-4 使用模擬地層水開展干濕交替實驗。利用SCMS-J 型聲電測試系統(tǒng)（由SCMS-J型聲電測試儀、巖心夾持器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構成）測定干巖樣在圍壓為3 MPa 下的縱橫波傳播速率。②將模擬地層水溶液過濾后分別盛入200 mL 的燒杯內，巖樣一端置于60 ℃干燥環(huán)境中，另一端置于溶液中，在60 ℃下加熱12 h（圖1）。③利用SCMS-J型聲電測試系統(tǒng)測定干濕交替后巖樣在圍壓為3MPa下的縱橫波傳播速率。④通過測定的縱橫波傳播速率計算巖樣干濕交替前后的動態(tài)楊氏模量和動態(tài)泊松比［8］。其計算式分別為：

圖1 深層致密砂巖干濕交替實驗模擬示意Fig.1 Simulation of dry-wet alternation experiment with samples of deep tight sandstone gas reservoir

1.2.2 應力敏感實驗

深層致密砂巖氣藏普遍具有天然裂縫發(fā)育等特點，孔隙是主要的儲集空間，裂縫是重要的滲流通道，鉆完井及生產過程中裂縫的滲透能力變化直接影響著深層致密砂巖氣藏的單井產氣量。開采過程中地層壓力衰竭導致裂縫面滑移、破壞產生破碎巖石骨架顆粒，裂縫面的砂粒極有可能影響深層致密砂巖氣藏的應力敏感性。考慮井筒內干濕交替環(huán)境變化設計實驗，具體實驗步驟為：①對巖樣進行洗鹽和烘干等預處理，將巖樣DB-5—DB-8 均切割為兩半，一半開展應力敏感實驗，另一半干濕交替后開展應力敏感實驗。②將預先處理好的巖樣放入巖心夾持器，在40 MPa圍壓下進行巖樣預處理。③測試有效應力為3，5，10，20，30，35，40，50和55 MPa 條件下的巖樣滲透率，采用應力敏感系數(shù)法［14］進行應力敏感程度評價，當敏感系數(shù)為［0，0.05］，（0.05，0.3］，（0.3，0.5］，（0.5，0.7］，（0.7，1］和大于1時，損害程度分別為無、弱、中等偏弱、中等偏強、強和極強。應力敏感系數(shù)計算公式為：

2 實驗結果與分析

2.1 干濕交替實驗

當干濕交替的液體為高密度有機鹽工作液時，巖樣DB-1 和DB-2 的動態(tài)楊氏模量和動態(tài)泊松比整體均呈現(xiàn)降低趨勢（圖2），干濕交替過程產生裂縫是引起巖樣動態(tài)力學參數(shù)降低的主要原因。巖樣DB-1 的動態(tài)楊氏模量和巖樣DB-2 的動態(tài)泊松比分別在3～4 和2～3 輪次回升，這可能是鹽析產生的結晶鹽在裂縫中生長而改變了縱橫波的傳播速率所致。當干濕交替的液體為模擬地層水時，巖樣DB-3 和DB-4 的動態(tài)楊氏模量和動態(tài)泊松比依然整體呈現(xiàn)降低趨勢（圖2）。巖樣DB-3和DB-4的動態(tài)泊松比在3～4 輪次降幅較大，這表明巖樣內的裂縫可能發(fā)生了擴展和貫通。巖樣DB-3 在第5 輪次干濕交替后巖石強度弱化（圖3a），巖樣端面掉落了大量巖屑（圖3b）。

圖2 不同液體多輪次干濕交替深層致密砂巖巖樣動態(tài)楊氏模量和動態(tài)泊松比變化Fig.2 Changes of dynamic Young’s modulus and dynamic Poisson’s ratio of samples of deep tight sandstone gas reservoir with different liquids and multiple rounds of dry-wet alternation

圖3 巖樣DB-3第5輪次干濕交替后巖樣端面狀態(tài)變化Fig.3 Changes of end face state of sample DB-3 after fifth dry-wet alternation

2.2 應力敏感實驗

應力敏感性評價結果表明（表2），深層致密砂巖基塊巖樣的應力敏感系數(shù)為0.50～0.89，應力敏感程度為中等偏弱—強，裂縫巖樣的應力敏感系數(shù)為0.43～0.45，應力敏感程度為中等偏弱，深層致密砂巖氣藏基塊巖樣的應力敏感程度大于裂縫巖樣。干濕交替后基塊巖樣的應力敏感程度增加，裂縫巖樣的應力敏感程度降低。

表2 應力敏感實驗結果對比Table2 Comparison of experimental results of stress sensitivity

3 干濕交替誘發(fā)深層致密砂巖氣藏出砂機理

3.1 氣體鉆井及生產階段

3.1.1 地層孔隙壓力釋放改變近井地帶應力分布

氣體鉆井鉆開氣藏后，由于井筒處于負壓狀態(tài)，孔隙與井筒間存在較大的壓力差，尤其是鉆遇高壓產層時，高速氣流產出時對裂縫面的巖石顆粒產生拖拽力，導致巖石顆粒脫落［16］。氣體鉆進過程鉆遇高壓含氣裂縫時，氣體會通過基塊孔喉和裂縫等通道產出，強烈的耦合作用使近井地帶應力分布和巖石力學性質處于變化中，隨著氣體產出，這種動態(tài)變化程度也逐漸加劇，同時導致近井地帶地層巖石強度降低。氣體鉆進過程井底巖石的壓力主要來自氣體壓力和地應力（垂向地應力、最大水平主地應力和最小水平主地應力）。研究區(qū)天然裂縫發(fā)育，裂縫內可能封閉高壓氣體。氣體鉆進過程鉆遇含氣裂縫，井筒與裂縫接近時，裂縫面的周向應力和徑向應力差值增大，巖石發(fā)生壓剪和壓剪-拉伸破壞［17］。當井筒附近的巖石強度不足以抵抗圈閉高壓氣體和破壞時，將會導致小規(guī)模的“巖爆”，天然氣和巖石碎屑從氣藏中一起噴出［18］。除此之外，高速氣流本身會對井壁形成沖蝕，井壁的巖石微粒被剝落，引起井底出砂。

3.1.2 鹽結晶誘發(fā)致密砂巖裂縫萌生和延伸

圖4 不同輪次干濕交替后巖樣側面的鹽析現(xiàn)象Fig.4 Salting out on sides of rock sample after different rounds of dry-wet alternation

圖5 多輪次干濕交替前后巖樣掃描電鏡觀測結果Fig.5 SEM images of rock samples before and after multiple rounds of dry-wet alternation

隨著干濕交替輪次的增加，巖樣側面出現(xiàn)大量結晶鹽（圖4）。在蒸發(fā)泵作用下，巖樣頂端孔隙水的鹽度逐漸增大，巖樣內部出現(xiàn)結晶鹽（圖5）。結晶鹽會沿著粒間孔縫積聚生長、附著在伊/蒙間層等親水性黏土礦物表面層狀生長［4］。干濕交替過程中，無機鹽在孔隙或微裂縫中結晶時，結晶鹽的生長將受到孔隙空間的限制，從而對孔隙或裂縫面產生壓力，即結晶應力，研究顯示多孔介質中結晶應力極易誘發(fā)介質損傷［19-20］。鹽析對深層致密砂巖的損害形式包括裂縫面的巖屑剝落和裂縫網(wǎng)絡的擴展［21］，最終導致巖石強度降低。近井地帶氣體流速快，汽化攜液作用將加速裂縫內鹽析，導致近井地帶約5 m范圍易發(fā)生鹽析［22-23］。

氣藏生產階段，近井地帶附近會形成壓降漏斗，氣體從遠離井筒的位置逐漸流向井筒過程中溫度會降低，但由于垂直方向的地溫梯度及水平方向熱流作用，近井地帶的溫度變化幅度很小，因此將該過程近似為等溫降壓過程。深層致密砂巖氣藏具有局部超低含水飽和度特征，高毛管壓力使得高礦化度地層水運移強烈［24］，在近井地帶形成的壓降漏斗范圍內，等溫條件下壓力降低，液態(tài)水會向氣相蒸發(fā)，引起近井地帶氣藏發(fā)生鹽析。

3.2 氣液轉換鉆完井

3.2.1 干濕交替輪次增加巖石強度降低

巖樣一端與液體接觸，另一端暴露在干燥環(huán)境中，巖樣頂端孔隙水強烈蒸發(fā)時，底端液體通過毛管壓力不斷地運輸至巖樣頂端，使得暴露在干燥環(huán)境中的一端不斷地進行干濕交替，此過程類似于“蒸發(fā)泵”作用機制［25］。干濕交替后巖石強度測試結果表明，巖石強度的降低主要是由于干濕交替誘發(fā)巖樣內部萌生裂縫，干濕交替輪次的增加促進裂縫的擴張、貫通，使巖樣在較低應力下發(fā)生裂縫的擴展［10，26］。裂縫的存在為水分蒸發(fā)和滲吸增加輸運通道，破壞了巖樣完整性。巖樣脫水過程中，裂縫面失去較多水分，加速了裂縫的擴展加深［24］。壓裂液和酸液隨著裂縫的擴展逐漸侵入天然裂縫，會增加裂縫內孔隙壓力，裂縫內有效正應力降低，裂縫面間摩擦阻力減小，促使裂縫面發(fā)生摩滑［27］。巖樣經(jīng)過液體浸泡后，裂縫面間微凸體強度減弱，在裂縫面摩滑過程中發(fā)生屈服破壞，導致部分骨架顆粒脫落。

3.2.2 黏土礦物吸水與脫水降低巖石顆粒膠結強度

深層致密砂巖氣藏天然裂縫發(fā)育，水力裂縫溝通天然裂縫形成的新裂縫網(wǎng)絡，將加速液相侵入速率，使裂縫面兩側基塊含水飽和度升高［28］。含水巖石的裂縫擴展速率是干燥巖石擴展速率的2～3倍［29］，且裂縫尖端孔隙水壓力的增加會加速裂縫的擴展，引起巖石強度降低。黏土礦物是致密砂巖的重要膠結物，水基工作液侵入使得儲層含水飽和度增加，黏土礦物吸水后膨脹分散，使得巖石顆粒膠結程度弱化。在高速循環(huán)氣流和氣藏高溫的雙重作用下，氣藏含水飽和度降低過程中黏土礦物中的吸附水脫出，使得黏土微粒間的結合力弱化，進而降低巖石顆粒的膠結強度。酸壓過程中，酸液侵入會溶蝕致密砂巖的巖石骨架顆粒（石英、長石）和膠結物（黏土礦物等），降低巖石強度使得巖石顆粒脫落，同時也會增加氣藏的含水飽和度。

3.2.3 類球狀風化剝落裂縫面巖石顆粒

球狀風化是風化過程中巖石裂隙開裂的同時形成橢球狀巖核，并且?guī)r核在后續(xù)風化中產生完整的同心殼并繼續(xù)剝落的過程［30］。該過程一般分為裂縫形成及擴展、巖核形成和同心殼分層剝落三個階段［31］。深層致密砂巖氣藏天然裂縫發(fā)育，氣體鉆井導致井筒附近地應力重新分布，地應力的擾動促使天然裂縫發(fā)生擴展。酸壓過程中，隨著孔隙壓力的增加，天然裂縫易發(fā)生剪切錯動或張性破壞，形成復雜裂縫網(wǎng)絡，氣液轉換鉆完井引發(fā)的多輪次干濕交替也會加劇裂縫的擴展貫通，形成大尺度的交錯風化裂隙。高速氣流在裂隙邊界產生劇烈的剝離作用，使得巖核逐漸形成，酸壓過程中水基工作液侵入使得黏土礦物吸水膨脹，而黏土礦物膨脹會加速橢球狀巖核的形成。巖核形成以后，黏土礦物的膨脹還會產生應力拱作用，黏土礦物總膨脹率只需達到0.25%就會產生拱形開裂，使得同心殼逐層剝落。

4 干濕交替現(xiàn)象及控砂方法

4.1 不同階段的干濕交替現(xiàn)象

深層致密砂巖氣藏巖石顆粒膠結程度強，巖石基于拉伸破壞產出的地層砂主要為裂縫內的地層微粒和附著于裂縫面的骨架砂或巖屑，而非疏松砂巖中的骨架砂；支撐劑返吐也會成為氣藏出砂的來源。研究區(qū)深層致密砂巖氣井累積出砂井數(shù)從2013年的2口井增加到2016年的26口井，鑒于此探討研究區(qū)深層致密砂巖氣藏完井及生產階段的干濕交替現(xiàn)象。

完井階段干濕交替現(xiàn)象 以塔里木盆地庫車坳陷某深層致密砂巖氣藏為例，四開采用氣體鉆開氣藏后使用壓井液，壓完井后五開繼續(xù)氣體鉆進，然后進行酸化壓裂。氣體鉆井后使用工作液引發(fā)近井地帶產生干濕交替現(xiàn)象。富含有機鹽的工作液在儲層高溫條件下返排時會蒸發(fā)，從而發(fā)生干濕交替及其引發(fā)的流體浸泡和少量鹽析現(xiàn)象。

生產階段干濕交替現(xiàn)象 隨著氣藏氣體產出，近井地帶在高溫低壓狀態(tài)下地層水蒸發(fā)劇烈，從而在近井地帶氣藏與井筒內發(fā)生干濕交替。生產后期，隨著氣體不斷產出，邊底水會發(fā)生錐進，導致近井地帶氣藏出現(xiàn)干濕交替現(xiàn)象，同時在進行注氣補償?shù)貙幽芰康倪^程中，汽化攜液作用也會引發(fā)干濕交替現(xiàn)象。干濕交替誘發(fā)裂縫萌生和擴展，在干濕交替及其鹽析產生的結晶應力作用下會導致巖石強度降低。

4.2 針對干濕交替誘發(fā)出砂的控砂方法

分階段抓主要矛盾 完井階段干濕交替主要是由于酸壓過程中液相侵入氣藏提供“濕”的來源，氣體鉆井的氣體循環(huán)是“干”的主要誘因。應減少干濕交替輪次和工作液的使用，及時返排工作液。而在生產過程中，隨著氣體不斷產出，邊底水會發(fā)生錐進現(xiàn)象，邊底水的錐進提供“濕”的主要來源。氣體產出時的汽化攜液與氣藏高溫是“干”的主要誘因。應合理控制生產壓差，避免近井地帶巖石被壓碎而出砂。

優(yōu)化工作液用量并減少滯留液量 氣體鉆開及后續(xù)完井作業(yè)應精細設計工作流體，盡量減少高對比度干濕交替輪次。在深層致密砂巖氣藏巖樣的相對滲透率曲線中，存在某一含水飽和度區(qū)域，在該區(qū)域內氣、水兩相均無法發(fā)生有效流動，該區(qū)域被定義為獄滲區(qū)。近井地帶工作液侵入氣藏將造成含水飽和度升高，導致近井地帶氣藏含水飽和度上升至獄滲區(qū)含水飽和度范圍內，影響氣、水滲流能力。因此持續(xù)使用水基工作液，也要及時返排，促進返排，盡力降低滯留液量。

防止壓裂支撐劑返吐 壓裂液返排速度過快會導致支撐劑回流返吐，使得裂縫的導流能力降低。利用纖維控砂工藝使懸浮攜砂能力和支撐劑固定能力增強。壓裂液中加入硬纖維在砂體中分布形成三維網(wǎng)狀結構，增大砂體強度，或是在壓裂液中加入軟纖維，形成細粉砂結合體，提高細粉砂的臨界流速，從而起到穩(wěn)砂固砂作用。

適度出砂與防砂工藝結合 適度出砂主要包括兩個方面，第一是出砂量的適度。深層致密砂巖氣藏生產過程中有效應力增大，引起裂縫閉合，而干濕交替導致巖石強度降低，使得裂縫面的砂粒脫落［32］，適度的出砂可對裂縫形成自支撐，保持裂縫的導流能力。第二是出砂粒徑的適度。根據(jù)氣藏砂的粒徑及分布頻率，有選擇地阻止大于或者等于某一粒徑的氣藏砂隨流體的運移，并通過這些砂的堆積，形成濾砂屏障，進而阻擋較小粒徑的氣藏砂隨流體運移，在形成濾砂屏障以前允許更小粒徑的氣藏砂隨氣運移，從而達到防止一定粒徑氣藏砂產出的目的。同時采用繞絲篩管控制深層致密砂巖氣藏出砂。

5 結論

氣體鉆進過程中，地層孔隙壓力釋放改變近井地帶應力、氣體沖蝕裂縫面和鹽析產生的結晶應力都會對巖石強度產生不同程度的損傷。

氣液轉換鉆完井過程中，干濕交替、裂縫面摩滑、酸液溶蝕和含水飽和度變化引發(fā)的黏土礦物吸水與脫水和類球狀風化對巖石裂縫面的剝落都會弱化巖石強度。

干濕交替后裂縫巖樣應力敏感程度降低，干濕交替誘發(fā)砂粒脫落對裂縫形成支撐而弱化裂縫應力敏感程度，使裂縫保持導流能力。

減少干濕交替輪次和液相侵入量，難以避免進入的液相要快速返排，防止酸液的過渡溶蝕作用。壓裂過程加入纖維以防止支撐劑返吐，采用繞絲篩管控制氣藏出砂。

氣體鉆井引發(fā)深部巖體封閉應力釋放使深層致密砂巖氣藏出砂成為一種必然現(xiàn)象，而干濕交替成為深層致密砂巖氣藏出砂的一個新機理，為研究深層致密砂巖氣藏出砂機理提供新思路。

符號解釋

E——動態(tài)楊氏模量，GPa；

i——測試點序號；

K0——初始有效應力σ0對應的滲透率，mD；

Ki——各測試點的有效應力σi對應的滲透率，mD；

v——動態(tài)泊松比，f；

Vp——致密砂巖縱波傳播速率，km/s；

Vs——致密砂巖橫波傳播速率，km/s；

SS——應力敏感系數(shù)，f；

ρ——致密砂巖密度，g/cm3；

σ0——初始有效應力，MPa；

σi——各測試點的有效應力，MPa。