深层致密砂岩气藏干湿交替诱发气井出砂实验模拟

康毅力，邵佳新，游利军，黄恒清，张 震，张翔宇

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610500；2.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000；3.中国石化胜利油田分公司纯梁采油厂，山东滨州 256505）

世界范围非常规致密型气藏已成功商业化开发利用，勘探开发技术已经取得跨越式发展。深层致密砂岩气藏等天然气资源逐渐成为勘探开发的新目标和重点领域［1］。塔里木盆地库车坳陷深层致密砂岩气藏具有基块致密、天然裂缝发育及高温、高压和高地应力的特征［2-3］，部分深层致密砂岩气藏还具有高地层水矿化度、局部存在超低含水饱和度现象［4-6］。

以塔里木盆地库车坳陷深层致密砂岩气藏为例，DB-W908井经历四开气体钻开气藏后使用水基压井液，压井后五开继续气体钻进，然后又进行酸压的过程。气体钻开深层致密砂岩气藏过程中，由于高速气流循环使得近井地带水分蒸发，产出的天然气还会携带气藏气态水，进一步降低近井地带气藏含水饱和度。在气体钻进结束后、或中途测试后以及处理井下复杂情况时，一般会转换为水基工作液压井并钻进，或恢复气体钻进。即使使用液体钻开气藏，也将面临压井、酸化和酸压等过程而增加气藏含水饱和度。气体钻进过程中，气藏含水饱和度骤降，而后续水基工作液侵入气藏又使得近井地带气藏含水饱和度骤增。深层致密砂岩气井完井和生产作业过程中，气藏含水饱和度的这种剧烈变化现象，被称为干湿交替［7］。气体钻开气藏后使用水基工作液交替作业，或是气藏生产过程中汽化携液引起的地层水蒸发现象，使岩石经历干湿交替，有可能加剧岩石的再变形和再破坏进程［8］。岩石力学及工程地质学者研究指出，岩样在含水与干燥状态下的岩石强度存在明显差异［9］，且纵横波速变化显著［10］，经历过干湿交替的岩石更容易在较低的应力状态下发生裂纹扩展［11］，随着干湿交替轮次的增加，岩石强度的弱化加剧［12-13］。

前人对近地表层降雨和边坡水位升降等引发的干湿交替对岩石强度的作用研究较多，即干湿交替自身对岩石强度的影响。在高温、高压、高地应力致密气藏中，除了干湿交替自身弱化岩石强度外，重点关注了干湿交替过程中酸压、高速气流、应力释放、高地层水矿化度和黏土矿物等对岩石强度弱化的作用。疏松砂岩油气藏岩石胶结性差，油气开采过程中近井地带的出砂现象较为普遍。然而，深层致密砂岩气藏岩石颗粒胶结程度强，出砂机理与疏松砂岩差别较大，且出砂机理复杂。深层致密砂岩气藏出砂现象已逐渐引起关注，尤其是经历复杂干湿交替变化的气井表现更为突出，仅有极少数学者提出几种可能的诱因［14-15］。为此，笔者将系统开展深层致密砂岩气藏岩样与不同类型液体作用的干湿交替实验，监测实验前后岩样的纵横波传播速率并计算动态力学参数，同时开展干湿交替前后应力敏感性评价实验。在此基础上，分析干湿交替诱发深层致密砂岩气藏出砂机理，探讨其对气井生产的影响，并提出控制出砂的技术措施和建议。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验岩样取自塔里木盆地库车坳陷DB 深层致密砂岩气藏。平均埋深为5 000 m，温度为136～145 ℃，压力为79.46～83.49 MPa，最大和最小水平主地应力分别为148.39 和125.70 MPa，部分地层水矿化度高达200 000 mg/L。岩石类型以岩屑砂岩和砂砾岩为主，胶结类型主要为孔隙式、孔隙-基底式，颗粒接触关系主要为线接触。分析储层岩石学特征，其中石英含量为57.2%～81.7%，平均为68.2%；钾长石含量为2%～14%，平均约为10.2%；斜长石含量为1%～10%，平均约为5.5%。全岩及黏土矿物分析结果显示，研究区块储层的石英含量较高，平均达79.5%，黏土矿物的平均含量为5.4%，以伊利石及伊/蒙间层为主，含少量绿泥石和高岭石。研究区构造核心区储层孔隙度为1%～14%，基块渗透率为0.004～0.1 mD。裂缝线密度为0.7～1.47 条/m，平均约为1 条/m。选取8 块岩样开展干湿交替和应力敏感性评价实验，岩样的基础物性参数如表1所示。

表1 岩样基础物性参数及干湿交替液体类型Table1 Basic physical parameters of rock samples and types of dry-wet alternating liquids

实验用水为根据研究区地层水配制的模拟地层水，总矿化度为209 237.52 mg/L，其中NaHCO3，Na2SO4，NaCl，KCl，MgCl2和CaCl2的质量浓度分别为563.24，649.22，185 905.74，12 441.50，3 524.50 和6 153.32 mg/L。

1.2 实验方法

1.2.1 干湿交替实验

深层致密砂岩干湿交替实验的具体步骤包括：①对岩样进行洗盐和烘干等预处理，岩样DB-1 和DB-2 使用高密度有机盐工作液开展干湿交替实验，岩样DB-3 和DB-4 使用模拟地层水开展干湿交替实验。利用SCMS-J 型声电测试系统（由SCMS-J型声电测试仪、岩心夹持器和数据采集系统构成）测定干岩样在围压为3 MPa 下的纵横波传播速率。②将模拟地层水溶液过滤后分别盛入200 mL 的烧杯内，岩样一端置于60 ℃干燥环境中，另一端置于溶液中，在60 ℃下加热12 h（图1）。③利用SCMS-J型声电测试系统测定干湿交替后岩样在围压为3MPa下的纵横波传播速率。④通过测定的纵横波传播速率计算岩样干湿交替前后的动态杨氏模量和动态泊松比［8］。其计算式分别为：

图1 深层致密砂岩干湿交替实验模拟示意Fig.1 Simulation of dry-wet alternation experiment with samples of deep tight sandstone gas reservoir

1.2.2 应力敏感实验

深层致密砂岩气藏普遍具有天然裂缝发育等特点，孔隙是主要的储集空间，裂缝是重要的渗流通道，钻完井及生产过程中裂缝的渗透能力变化直接影响着深层致密砂岩气藏的单井产气量。开采过程中地层压力衰竭导致裂缝面滑移、破坏产生破碎岩石骨架颗粒，裂缝面的砂粒极有可能影响深层致密砂岩气藏的应力敏感性。考虑井筒内干湿交替环境变化设计实验，具体实验步骤为：①对岩样进行洗盐和烘干等预处理，将岩样DB-5—DB-8 均切割为两半，一半开展应力敏感实验，另一半干湿交替后开展应力敏感实验。②将预先处理好的岩样放入岩心夹持器，在40 MPa围压下进行岩样预处理。③测试有效应力为3，5，10，20，30，35，40，50和55 MPa 条件下的岩样渗透率，采用应力敏感系数法［14］进行应力敏感程度评价，当敏感系数为［0，0.05］，（0.05，0.3］，（0.3，0.5］，（0.5，0.7］，（0.7，1］和大于1时，损害程度分别为无、弱、中等偏弱、中等偏强、强和极强。应力敏感系数计算公式为：

2 实验结果与分析

2.1 干湿交替实验

当干湿交替的液体为高密度有机盐工作液时，岩样DB-1 和DB-2 的动态杨氏模量和动态泊松比整体均呈现降低趋势（图2），干湿交替过程产生裂缝是引起岩样动态力学参数降低的主要原因。岩样DB-1 的动态杨氏模量和岩样DB-2 的动态泊松比分别在3～4 和2～3 轮次回升，这可能是盐析产生的结晶盐在裂缝中生长而改变了纵横波的传播速率所致。当干湿交替的液体为模拟地层水时，岩样DB-3 和DB-4 的动态杨氏模量和动态泊松比依然整体呈现降低趋势（图2）。岩样DB-3和DB-4的动态泊松比在3～4 轮次降幅较大，这表明岩样内的裂缝可能发生了扩展和贯通。岩样DB-3 在第5 轮次干湿交替后岩石强度弱化（图3a），岩样端面掉落了大量岩屑（图3b）。

图2 不同液体多轮次干湿交替深层致密砂岩岩样动态杨氏模量和动态泊松比变化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

图3 岩样DB-3第5轮次干湿交替后岩样端面状态变化Fig.3 Changes of end face state of sample DB-3 after fifth dry-wet alternation

2.2 应力敏感实验

应力敏感性评价结果表明（表2），深层致密砂岩基块岩样的应力敏感系数为0.50～0.89，应力敏感程度为中等偏弱—强，裂缝岩样的应力敏感系数为0.43～0.45，应力敏感程度为中等偏弱，深层致密砂岩气藏基块岩样的应力敏感程度大于裂缝岩样。干湿交替后基块岩样的应力敏感程度增加，裂缝岩样的应力敏感程度降低。

表2 应力敏感实验结果对比Table2 Comparison of experimental results of stress sensitivity

3 干湿交替诱发深层致密砂岩气藏出砂机理

3.1 气体钻井及生产阶段

3.1.1 地层孔隙压力释放改变近井地带应力分布

气体钻井钻开气藏后，由于井筒处于负压状态，孔隙与井筒间存在较大的压力差，尤其是钻遇高压产层时，高速气流产出时对裂缝面的岩石颗粒产生拖拽力，导致岩石颗粒脱落［16］。气体钻进过程钻遇高压含气裂缝时，气体会通过基块孔喉和裂缝等通道产出，强烈的耦合作用使近井地带应力分布和岩石力学性质处于变化中，随着气体产出，这种动态变化程度也逐渐加剧，同时导致近井地带地层岩石强度降低。气体钻进过程井底岩石的压力主要来自气体压力和地应力（垂向地应力、最大水平主地应力和最小水平主地应力）。研究区天然裂缝发育，裂缝内可能封闭高压气体。气体钻进过程钻遇含气裂缝，井筒与裂缝接近时，裂缝面的周向应力和径向应力差值增大，岩石发生压剪和压剪-拉伸破坏［17］。当井筒附近的岩石强度不足以抵抗圈闭高压气体和破坏时，将会导致小规模的“岩爆”，天然气和岩石碎屑从气藏中一起喷出［18］。除此之外，高速气流本身会对井壁形成冲蚀，井壁的岩石微粒被剥落，引起井底出砂。

3.1.2 盐结晶诱发致密砂岩裂缝萌生和延伸

图4 不同轮次干湿交替后岩样侧面的盐析现象Fig.4 Salting out on sides of rock sample after different rounds of dry-wet alternation

图5 多轮次干湿交替前后岩样扫描电镜观测结果Fig.5 SEM images of rock samples before and after multiple rounds of dry-wet alternation

随着干湿交替轮次的增加，岩样侧面出现大量结晶盐（图4）。在蒸发泵作用下，岩样顶端孔隙水的盐度逐渐增大，岩样内部出现结晶盐（图5）。结晶盐会沿着粒间孔缝积聚生长、附着在伊/蒙间层等亲水性黏土矿物表面层状生长［4］。干湿交替过程中，无机盐在孔隙或微裂缝中结晶时，结晶盐的生长将受到孔隙空间的限制，从而对孔隙或裂缝面产生压力，即结晶应力，研究显示多孔介质中结晶应力极易诱发介质损伤［19-20］。盐析对深层致密砂岩的损害形式包括裂缝面的岩屑剥落和裂缝网络的扩展［21］，最终导致岩石强度降低。近井地带气体流速快，汽化携液作用将加速裂缝内盐析，导致近井地带约5 m范围易发生盐析［22-23］。

气藏生产阶段，近井地带附近会形成压降漏斗，气体从远离井筒的位置逐渐流向井筒过程中温度会降低，但由于垂直方向的地温梯度及水平方向热流作用，近井地带的温度变化幅度很小，因此将该过程近似为等温降压过程。深层致密砂岩气藏具有局部超低含水饱和度特征，高毛管压力使得高矿化度地层水运移强烈［24］，在近井地带形成的压降漏斗范围内，等温条件下压力降低，液态水会向气相蒸发，引起近井地带气藏发生盐析。

3.2 气液转换钻完井

3.2.1 干湿交替轮次增加岩石强度降低

岩样一端与液体接触，另一端暴露在干燥环境中，岩样顶端孔隙水强烈蒸发时，底端液体通过毛管压力不断地运输至岩样顶端，使得暴露在干燥环境中的一端不断地进行干湿交替，此过程类似于“蒸发泵”作用机制［25］。干湿交替后岩石强度测试结果表明，岩石强度的降低主要是由于干湿交替诱发岩样内部萌生裂缝，干湿交替轮次的增加促进裂缝的扩张、贯通，使岩样在较低应力下发生裂缝的扩展［10，26］。裂缝的存在为水分蒸发和渗吸增加输运通道，破坏了岩样完整性。岩样脱水过程中，裂缝面失去较多水分，加速了裂缝的扩展加深［24］。压裂液和酸液随着裂缝的扩展逐渐侵入天然裂缝，会增加裂缝内孔隙压力，裂缝内有效正应力降低，裂缝面间摩擦阻力减小，促使裂缝面发生摩滑［27］。岩样经过液体浸泡后，裂缝面间微凸体强度减弱，在裂缝面摩滑过程中发生屈服破坏，导致部分骨架颗粒脱落。

3.2.2 黏土矿物吸水与脱水降低岩石颗粒胶结强度

深层致密砂岩气藏天然裂缝发育，水力裂缝沟通天然裂缝形成的新裂缝网络，将加速液相侵入速率，使裂缝面两侧基块含水饱和度升高［28］。含水岩石的裂缝扩展速率是干燥岩石扩展速率的2～3倍［29］，且裂缝尖端孔隙水压力的增加会加速裂缝的扩展，引起岩石强度降低。黏土矿物是致密砂岩的重要胶结物，水基工作液侵入使得储层含水饱和度增加，黏土矿物吸水后膨胀分散，使得岩石颗粒胶结程度弱化。在高速循环气流和气藏高温的双重作用下，气藏含水饱和度降低过程中黏土矿物中的吸附水脱出，使得黏土微粒间的结合力弱化，进而降低岩石颗粒的胶结强度。酸压过程中，酸液侵入会溶蚀致密砂岩的岩石骨架颗粒（石英、长石）和胶结物（黏土矿物等），降低岩石强度使得岩石颗粒脱落，同时也会增加气藏的含水饱和度。

3.2.3 类球状风化剥落裂缝面岩石颗粒

球状风化是风化过程中岩石裂隙开裂的同时形成椭球状岩核，并且岩核在后续风化中产生完整的同心壳并继续剥落的过程［30］。该过程一般分为裂缝形成及扩展、岩核形成和同心壳分层剥落三个阶段［31］。深层致密砂岩气藏天然裂缝发育，气体钻井导致井筒附近地应力重新分布，地应力的扰动促使天然裂缝发生扩展。酸压过程中，随着孔隙压力的增加，天然裂缝易发生剪切错动或张性破坏，形成复杂裂缝网络，气液转换钻完井引发的多轮次干湿交替也会加剧裂缝的扩展贯通，形成大尺度的交错风化裂隙。高速气流在裂隙边界产生剧烈的剥离作用，使得岩核逐渐形成，酸压过程中水基工作液侵入使得黏土矿物吸水膨胀，而黏土矿物膨胀会加速椭球状岩核的形成。岩核形成以后，黏土矿物的膨胀还会产生应力拱作用，黏土矿物总膨胀率只需达到0.25%就会产生拱形开裂，使得同心壳逐层剥落。

4 干湿交替现象及控砂方法

4.1 不同阶段的干湿交替现象

深层致密砂岩气藏岩石颗粒胶结程度强，岩石基于拉伸破坏产出的地层砂主要为裂缝内的地层微粒和附着于裂缝面的骨架砂或岩屑，而非疏松砂岩中的骨架砂；支撑剂返吐也会成为气藏出砂的来源。研究区深层致密砂岩气井累积出砂井数从2013年的2口井增加到2016年的26口井，鉴于此探讨研究区深层致密砂岩气藏完井及生产阶段的干湿交替现象。

完井阶段干湿交替现象 以塔里木盆地库车坳陷某深层致密砂岩气藏为例，四开采用气体钻开气藏后使用压井液，压完井后五开继续气体钻进，然后进行酸化压裂。气体钻井后使用工作液引发近井地带产生干湿交替现象。富含有机盐的工作液在储层高温条件下返排时会蒸发，从而发生干湿交替及其引发的流体浸泡和少量盐析现象。

生产阶段干湿交替现象 随着气藏气体产出，近井地带在高温低压状态下地层水蒸发剧烈，从而在近井地带气藏与井筒内发生干湿交替。生产后期，随着气体不断产出，边底水会发生锥进，导致近井地带气藏出现干湿交替现象，同时在进行注气补偿地层能量的过程中，汽化携液作用也会引发干湿交替现象。干湿交替诱发裂缝萌生和扩展，在干湿交替及其盐析产生的结晶应力作用下会导致岩石强度降低。

4.2 针对干湿交替诱发出砂的控砂方法

分阶段抓主要矛盾 完井阶段干湿交替主要是由于酸压过程中液相侵入气藏提供“湿”的来源，气体钻井的气体循环是“干”的主要诱因。应减少干湿交替轮次和工作液的使用，及时返排工作液。而在生产过程中，随着气体不断产出，边底水会发生锥进现象，边底水的锥进提供“湿”的主要来源。气体产出时的汽化携液与气藏高温是“干”的主要诱因。应合理控制生产压差，避免近井地带岩石被压碎而出砂。

优化工作液用量并减少滞留液量 气体钻开及后续完井作业应精细设计工作流体，尽量减少高对比度干湿交替轮次。在深层致密砂岩气藏岩样的相对渗透率曲线中，存在某一含水饱和度区域，在该区域内气、水两相均无法发生有效流动，该区域被定义为狱渗区。近井地带工作液侵入气藏将造成含水饱和度升高，导致近井地带气藏含水饱和度上升至狱渗区含水饱和度范围内，影响气、水渗流能力。因此持续使用水基工作液，也要及时返排，促进返排，尽力降低滞留液量。

防止压裂支撑剂返吐 压裂液返排速度过快会导致支撑剂回流返吐，使得裂缝的导流能力降低。利用纤维控砂工艺使悬浮携砂能力和支撑剂固定能力增强。压裂液中加入硬纤维在砂体中分布形成三维网状结构，增大砂体强度，或是在压裂液中加入软纤维，形成细粉砂结合体，提高细粉砂的临界流速，从而起到稳砂固砂作用。

适度出砂与防砂工艺结合 适度出砂主要包括两个方面，第一是出砂量的适度。深层致密砂岩气藏生产过程中有效应力增大，引起裂缝闭合，而干湿交替导致岩石强度降低，使得裂缝面的砂粒脱落［32］，适度的出砂可对裂缝形成自支撑，保持裂缝的导流能力。第二是出砂粒径的适度。根据气藏砂的粒径及分布频率，有选择地阻止大于或者等于某一粒径的气藏砂随流体的运移，并通过这些砂的堆积，形成滤砂屏障，进而阻挡较小粒径的气藏砂随流体运移，在形成滤砂屏障以前允许更小粒径的气藏砂随气运移，从而达到防止一定粒径气藏砂产出的目的。同时采用绕丝筛管控制深层致密砂岩气藏出砂。

5 结论

气体钻进过程中，地层孔隙压力释放改变近井地带应力、气体冲蚀裂缝面和盐析产生的结晶应力都会对岩石强度产生不同程度的损伤。

气液转换钻完井过程中，干湿交替、裂缝面摩滑、酸液溶蚀和含水饱和度变化引发的黏土矿物吸水与脱水和类球状风化对岩石裂缝面的剥落都会弱化岩石强度。

干湿交替后裂缝岩样应力敏感程度降低，干湿交替诱发砂粒脱落对裂缝形成支撑而弱化裂缝应力敏感程度，使裂缝保持导流能力。

减少干湿交替轮次和液相侵入量，难以避免进入的液相要快速返排，防止酸液的过渡溶蚀作用。压裂过程加入纤维以防止支撑剂返吐，采用绕丝筛管控制气藏出砂。

气体钻井引发深部岩体封闭应力释放使深层致密砂岩气藏出砂成为一种必然现象，而干湿交替成为深层致密砂岩气藏出砂的一个新机理，为研究深层致密砂岩气藏出砂机理提供新思路。

符号解释

E——动态杨氏模量，GPa；

i——测试点序号；

K0——初始有效应力σ0对应的渗透率，mD；

Ki——各测试点的有效应力σi对应的渗透率，mD；

v——动态泊松比，f；

Vp——致密砂岩纵波传播速率，km/s；

Vs——致密砂岩横波传播速率，km/s；

SS——应力敏感系数，f；

ρ——致密砂岩密度，g/cm3；

σ0——初始有效应力，MPa；

σi——各测试点的有效应力，MPa。