致密砂巖氣藏儲(chǔ)層水鎖傷害評(píng)價(jià)及解除方法實(shí)驗(yàn)研究

石小虎，安文宏，王慧玲，張仁燕，柳 娜，解古巍

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710021；2.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西西安 710021）

鄂爾多斯盆地上古生界砂巖儲(chǔ)層具有以下特征，巖性以石英砂巖及巖屑石英砂巖為主，碎屑巖中的主要碎屑物質(zhì)為石英（包括燧石巖屑）和淺變質(zhì)的千枚巖及板巖屑，少量火山巖屑、沉積巖屑及其他變質(zhì)巖屑如片巖、石英巖及變質(zhì)沉積巖類巖屑，長石含量很少。膠結(jié)物主要為伊利石、高嶺石和硅質(zhì)膠結(jié)物，碳酸鹽膠結(jié)物含量較低。孔隙類型以次生孔隙為主，其中晶間孔、巖屑溶孔最發(fā)育，原生粒間孔很少。儲(chǔ)層物性孔隙度最大為12.66 %，最小為1.04 %，平均為6.55 %，大部分介于3 %～8 %；滲透率最大為34.85×10-3μm2，最小為0.01×10-3μm2，平均為0.36×10-3μm2，滲透率隨孔隙度的增大而增大。儲(chǔ)層砂巖最大連通孔喉半徑平均為1.850 μm，孔喉中值半徑平均為0.265 μm，屬于微細(xì)喉道，排驅(qū)壓力和中值壓力較高，排驅(qū)壓力平均為0.624 MPa，為典型的低滲透致密砂巖儲(chǔ)層。

1 水鎖實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

1.1 實(shí)驗(yàn)巖樣選取

實(shí)驗(yàn)所選取147 塊巖樣孔滲物性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，孔隙度最大為12.80 %，最小為1.04 %，平均為5.87 %，大部分介于2 %～8 %。滲透率最大為9.57×10-3μm2，最小為0.04×10-3μm2，平均為1.50×10-3μm2。滲透率介于（0.1～0.5）×10-3μm2的巖心最多，裂縫巖心滲透率平均為46.03×10-3μm2，所選取樣品能夠代表研究區(qū)的儲(chǔ)層特征。

1.2 水鎖傷害評(píng)價(jià)

水鎖傷害評(píng)價(jià)表明（見表1），地層水水鎖指數(shù)最小39.71 %，最大96.19 %，平均71.28 %，總體上為強(qiáng)水鎖，個(gè)別樣品為中等偏弱水平，與其巖性為石英砂巖有關(guān)。

1.3 影響水鎖傷害因素分析

水鎖效應(yīng)是造成低滲透氣藏產(chǎn)能下降的重要因素，目前普遍認(rèn)為的影響因素有：氣測(cè)滲透率大小、初始飽和度、界面張力、水相物理侵入深度、注入流體黏度、驅(qū)動(dòng)壓力、孔隙結(jié)構(gòu)、黏土礦物種類及含量等[1，2]。

1.3.1 孔喉半徑、滲透率的影響 水鎖傷害程度總體表現(xiàn)為平均孔喉半徑越小，束縛水飽和度越高，損害率越高。儲(chǔ)層孔喉半徑r 越小，毛細(xì)管阻力越大，返排外來流體所需時(shí)間越長，因而水鎖傷害程度越大。研究層段儲(chǔ)層孔喉細(xì)小，最大孔喉半徑平均為1.85 μm，中值半徑平均為0.265 μm，地層毛管阻力大，返排外來流體所需時(shí)間長，水鎖傷害程度大。

1.3.2 黏土礦物的類型及含量的影響 填隙物與水鎖傷害率統(tǒng)計(jì)表明（見表2），填隙物主要為伊利石的巖心，水鎖損害率最高，為87.9 %，硅質(zhì)膠結(jié)的巖心，水鎖損害率最低，為58.6 %，高嶺石、方解石、鐵白云石、菱鐵礦對(duì)水鎖傷害的影響相對(duì)居中。

表1 水鎖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表2 填隙物與水鎖傷害率關(guān)系

1.3.3 原始、束縛水飽和度差異的影響 鄂爾多斯盆地上古生界致密儲(chǔ)層原始含水飽和度總是小于束縛水飽和度（見表3），而且隨著滲透率增大，束縛水飽和度與原始含水飽和度之差減小。

原始含水飽和度越小，液相在毛細(xì)管中被捕集的趨勢(shì)越大，被捕集的量也越多?？缀沓叽缭叫。瑵B透率越低，束縛水飽和度就越高，同時(shí)原始含水飽和度也越高，兩者之間的差值也越大。隨含水飽和度的增加，水鎖效應(yīng)所造成的傷害程度上升并逐漸趨于平緩。

圖1 水鎖實(shí)驗(yàn)原始含水飽和度、束縛水飽和度差值與孔喉半徑的關(guān)系曲線

原始含水飽和度越小，液相在毛細(xì)管、縫中被捕集的趨勢(shì)越大，被捕集的量也越多。如果巖心的含水飽和度值大于束縛水飽和度，就不會(huì)形成嚴(yán)重的水鎖損害。因?yàn)閮?chǔ)層中已經(jīng)被地層水和自由鹽水飽和，這部分水相的特點(diǎn)是不可避免、先期存在和高飽和度，并且導(dǎo)致儲(chǔ)層的原始產(chǎn)能很低。巖石越致密，孔喉尺寸越小，滲透率越低，束縛水飽和度就越高，同時(shí)原始含水飽和度也越高，兩者之間的差值也越大（見圖1），石英砂巖的孔喉半徑比巖屑砂巖、巖屑石英砂巖的高。因此，儲(chǔ)層越致密，水鎖損害越嚴(yán)重。研究層段為低孔、低滲致密砂巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)層原始含水飽和度一般小于束縛水飽和度10 %～20 %，因而有很強(qiáng)的水鎖損害潛力，且其強(qiáng)度隨滲透率的降低而加大。

2 解除水鎖實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

加大生產(chǎn)壓差、注醇、注CO2是解除水鎖效應(yīng)的有效方法[3-5]。

2.1 巖心突破壓力梯度實(shí)驗(yàn)

突破壓力或突破壓力梯度是指氣體能夠進(jìn)入巖心需要的驅(qū)替壓差或壓力梯度，可用氣泡法測(cè)定突破壓力或突破壓力梯度，計(jì)算公式如下：

式中：Pt-突破壓力，MPa；Pcd-排驅(qū)壓力，MPa；L-巖心長度，m。

2.1.1 突破壓力梯度與不同類型巖心的關(guān)系 突破壓力梯度隨氣測(cè)滲透率的升高而降低（見表4），其中滲透率為（0.1～0.5）×10-3μm2的巖心平均突破壓力梯度為6.52 MPa/m，滲透率為（0.5～1）×10-3μm2的巖心平均突破壓力梯度為4.00 MPa/m，滲透率大于1×10-3μm2的巖心平均突破壓力梯度為3.18 MPa/m；巖屑砂巖平均突破壓力梯度最高，為4.99 MPa/m，石英砂巖最小，為2.96 MPa/m，巖屑石英砂巖居中，為3.86 MPa/m；伊利石膠結(jié)巖心平均突破壓力梯度最高，為4.42 MPa/m，硅質(zhì)膠結(jié)巖心突破壓力梯度最低，為3.02 MPa/m。

表3 儲(chǔ)層束縛水飽和度與原始含水飽和度關(guān)系統(tǒng)計(jì)表

表4 突破壓力梯度與不同巖性關(guān)系統(tǒng)計(jì)表

2.1.2 突破壓力梯度與含水飽和度的關(guān)系 在相同的實(shí)驗(yàn)圍壓下，隨驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，巖心中含水飽和度降低，突破壓力梯度也隨之降低；滲透率越低的巖心，突破壓力梯度越高，并且，隨含水飽和度的升高，突破壓力梯度升高的也越快。含水飽和度低于40%后，實(shí)驗(yàn)測(cè)試突破壓力小于排驅(qū)壓力，巖心不存在突破壓力梯度。

2.2 注醇解除水鎖實(shí)驗(yàn)

用加濕氮?dú)怛?qū)替，實(shí)驗(yàn)時(shí)保持驅(qū)替壓差恒定，氣驅(qū)水達(dá)到束縛水狀態(tài)時(shí)，反擠一定量的乙醇，繼續(xù)用氮?dú)怛?qū)替，巖心的氣體有效滲透率有顯著提高，相對(duì)增加幅度平均為97 %，液體飽和度也有所下降，相對(duì)降低幅度平均為71 %（見表5）。

醇處理措施減緩水鎖效應(yīng)的原因如下：醇與實(shí)驗(yàn)巖心中的殘余水形成混合溶液，降低體系的表面張力，降低毛管阻力，形成低沸點(diǎn)共沸物，易于氣化排除，有助于攜帶地層水一起排出，從而減少排液時(shí)間；醇具有防止黏土膨脹、使膨脹黏土收縮并能使在水中脹開的聚合物分子收縮的性質(zhì)。

2.3 CO2 驅(qū)替解除水鎖實(shí)驗(yàn)

CO2驅(qū)替使含水飽和度降得更低，滲透率恢復(fù)的更高，但CO2解除水鎖的能力不具明顯優(yōu)勢(shì)。在相同的驅(qū)替時(shí)間下，CO2驅(qū)比N2驅(qū)，含水飽和度值僅低4.6 %，損害率僅低2.2 %。與N2比較，CO2能更多溶于模擬地層水中，使地層水體積膨脹，驅(qū)替能量增高，攜帶地層水的體積增多，地層水黏度降低，流動(dòng)性增強(qiáng)；但在實(shí)驗(yàn)條件下，CO2的優(yōu)勢(shì)不能有效發(fā)揮（見表6）。

加大生產(chǎn)壓差、注醇、注CO2是解除水鎖效應(yīng)的有效方法。（1）突破壓力梯度隨氣測(cè)滲透率的升高而降低，扣除排驅(qū)壓力影響后，突破壓力梯度為3.91 MPa/m。巖屑砂巖平均突破壓力梯度為4.99 MPa/m，石英砂巖平均突破壓力梯度為2.96 MPa/m，巖屑石英砂巖平均突破壓力梯度為3.86 MPa/m；伊利石膠結(jié)巖心平均突破壓力梯度為4.42 MPa/m，硅質(zhì)膠結(jié)巖心突破壓力梯度為3.02 MPa/m；（2）醇處理措施效果優(yōu)良，氣體有效滲透率相對(duì)增加達(dá)97.22 %，液體飽和度相對(duì)降低達(dá)71.36 %；（3）與N2比較，CO2解除水鎖效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)在實(shí)驗(yàn)條件下不明顯。

3 結(jié)論

表5 醇處理前后氣體有效滲透率、液體飽和度

表6 CO2、N2 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)比較表

儲(chǔ)層保護(hù)以氣層預(yù)防和改造為主，針對(duì)水鎖敏感性強(qiáng)的特征，鉆井過程中盡量避免使用水基工作液，使用無水的氣體類流體作為工作液，如空氣、N2、CO2、氣態(tài)烴。使用含水量低的泡沫也可以減輕水鎖損害。壓裂過程中的儲(chǔ)層保護(hù)主要是防止壓裂液進(jìn)入儲(chǔ)層，壓裂時(shí)可采用液態(tài)N2，CO2來代替常規(guī)水基壓裂液。盡量避免和減少水基工作液侵入，采用CO2和注醇方法解除和降低水鎖傷害，并及時(shí)有效返排。

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