致密砂巖氣藏水鎖損害評價實驗研究

王良 李皋 趙峰

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500;2.西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，成都 610500)

水鎖損害是致密氣藏最主要的損害類型之一，嚴重影響氣藏開發(fā)效果［1］。致密砂巖水鎖損害的發(fā)生，通常是由于儲層孔喉細小、毛細管壓力高且具有強烈的吸收和保留流體的趨勢，導(dǎo)致鉆完井液在油氣開發(fā)過程中通過井壁或者裂縫侵入致密砂巖基質(zhì)，使得儲層含水飽和度增加，水相侵占滲流空間，最終使氣相滲透率降低。水鎖損害一旦發(fā)生則難以完全解除，會嚴重影響儲層評價和后期開發(fā)，因此對儲層水鎖損害進行準確評價尤為重要。國內(nèi)外研究者基于孔隙度和滲透率等參數(shù)或?qū)嶒灁?shù)據(jù)的回歸建立了多種水鎖損害的預(yù)測方法，主要有 ATPi指數(shù)法、改進型 ATPi指數(shù)法、BVW水相體積法、PTC相圈閉法和CATP相圈閉系數(shù)法等［2-3］。其中，CATP相圈閉系數(shù)法的使用范圍最廣，限制條件最少。也有研究者基于儲層巖性、物性、孔隙結(jié)構(gòu)、侵入流體等多種因素建立了基于孔隙結(jié)構(gòu)分形特征的水鎖損害預(yù)測新方法。目前，實驗評價方法［4-5］比較成熟，但存在的一些問題仍會對評價結(jié)果造成影響。本次研究在一般水鎖損害實驗評價方法的基礎(chǔ)上提出致密砂巖水鎖損害評價方法的改進建議，并對鉆井現(xiàn)場致密砂巖氣層巖心進行評價。

1 水鎖損害評價面臨的問題

1.1 水鎖損害評價中的鹽析現(xiàn)象

水鎖損害評價中的鹽析現(xiàn)象會加大水鎖損害。此現(xiàn)象是指在評價過程中，實驗流體所含鹽分或其他成分會析出結(jié)晶并沉積或堆積起來，堵塞孔隙喉道裂縫，造成樣品滲透率下降，從而增大水鎖損害程度，影響原有評價結(jié)果。

水鎖損害評價中主要使用地層流體、工作液濾液進行評價，這些流體都具有一定的礦化度。在地下實際高溫高壓的儲層條件下，固相溶解度相對較大，流體中所含鹽分難以結(jié)晶析出。但在室內(nèi)評價時，其實驗條件和環(huán)境狀況與地下儲層實際情況存在差距，驅(qū)替過程中氣體會將地層水或工作液濾液中的水相帶出，導(dǎo)致流體中的鹽濃度增加。其結(jié)果是，當(dāng)鹽分含量超過自身溶解度后則會有結(jié)晶析出，并附著在顆粒表面或沉積在孔喉中造成堵塞，使損害程度加大而干擾評價結(jié)果。圖1為水鎖損害評價過程中的鹽析結(jié)晶照片。

1.2 欠平衡條件下的水鎖損害

目前的水鎖損害評價方法主要針對正壓差條件下水鎖損害進行評價，模擬的是近平衡或者正壓差鉆井、完井、壓裂等開發(fā)生產(chǎn)過程中發(fā)生的水鎖損害。目前對于致密砂巖氣藏普遍采用水基欠平衡鉆井，達到對儲層的有效保護。而研究表明，在水基欠平衡作業(yè)過程中，仍然存在水相逆流自吸現(xiàn)象，并對致密砂巖氣層造成水鎖損害。針對欠平衡條件下的水相逆流自吸水鎖損害的研究并不多，目前提出的評價方法較少［6-7］。

圖1 水鎖損害評價過程中的鹽析結(jié)晶照片

2 氣藏水鎖損害評價方法的改進

2.1 采用蒸餾水作為評價流體

致密砂巖氣藏儲層水鎖損害評價的實質(zhì)是，進一步研究當(dāng)水相進入儲層后使其含水飽和度升高從而對儲層氣相滲流能力產(chǎn)生的影響。針對鹽析問題，可以選用不含離子的蒸餾水作為實驗評價流體，以避免常規(guī)實驗流體中所含鹽分造成的鹽析影響，從而僅反映水相對儲層帶來的水鎖損害。蒸餾水作為實驗流體可能會造成水敏損害，在此采用高溫鈍化的方式對實驗巖心進行預(yù)處理，以消除潛在的水敏損害的影響。此方法主要利用了水敏礦物在地下高溫條件下會轉(zhuǎn)化為其他弱水敏性礦物的特點，在實驗評價前預(yù)先對巖心進行加熱處理，使其所含有的水敏性礦物發(fā)生轉(zhuǎn)化。在加熱鈍化過程中，必須逐級增加溫度，避免溫度急劇變化造成巖心受熱和散熱不均，以防引起巖心發(fā)生裂縫甚至損壞。

2.2 欠平衡水鎖損害評價方法

欠平衡條件下的水鎖損害主要是指發(fā)生在水基欠平衡作業(yè)過程中的水相逆流自吸損害。針對水相逆流自吸損害的特點，設(shè)計一套可以模擬欠平衡作業(yè)條件的水鎖損害評價實驗裝置，用以評價在此條件下水鎖損害對儲層的影響情況。根據(jù)欠平衡鉆井的特點，地層壓力大于井筒內(nèi)工作流體壓力，地層內(nèi)流體不斷進入井筒，通過欠平衡模擬裝置對負壓條件下的水鎖損害進行評價。圖2為欠平衡儲層水鎖損害自吸模擬裝置示意圖。

圖2 欠平衡儲層水鎖損害自吸模擬裝置示意圖

2.3 水鎖損害程度評價方法

通過式(1)計算不同含水飽和度下的水鎖損害率:

式中:I— 水鎖損害率，%;

Ki—巖心初始滲透率，取原始含水飽和度下的氣體滲透率，μm2;

Kr— 水鎖損害后的氣體滲透率，μm2。

致密砂巖氣藏水鎖損害程度標準可參照“儲層敏感性流動實驗評價方法(SY/T 5358—2002)”，不同損害程度與損害率的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 采用蒸餾水作為評價流體

本次研究選用塔里木盆地阿合組致密砂巖氣層巖心作為評價樣品，分別采用蒸餾水和破膠后的水基壓裂液(含KCl)作為評價流體，在室內(nèi)條件下進行水鎖損害評價，1#、2#巖樣評價流體為蒸餾水，3#、4#號巖樣評價流體為水基壓裂液。表2為水鎖損害實驗結(jié)果統(tǒng)計表。

表1 不同損害程度與損害率的對應(yīng)關(guān)系 %

評價結(jié)果顯示，水基壓裂液水鎖損害率平均為89.71%，蒸餾水的水鎖損害率平均為77.05%，兩者之間存在一定差距。觀察壓裂液水鎖損害評價實驗后的巖心，發(fā)現(xiàn)鹽析結(jié)晶附著在顆粒表面(圖3)。這表明鹽析因素是導(dǎo)致壓裂液水鎖損害程度偏大的原因之一，采用蒸餾水作為實驗介質(zhì)更能真實反映氣層的水鎖損害程度。

3.2 欠平衡條件水鎖損害評價

選用川中須家河組致密砂巖進行欠平衡水鎖損害評價，分析對比2組不同滲透率級別的巖心在欠壓值為1 MPa時的滲透率連續(xù)變化趨勢。圖4為2組滲透率巖心欠平衡水鎖損害滲透率變化曲線。

表2 水鎖損害實驗結(jié)果統(tǒng)計表

圖3 壓裂液水鎖損害后巖心內(nèi)部鹽析結(jié)晶

由圖4可知，隨著自吸時間的延續(xù)，滲透率逐漸下降，這說明在欠平衡條件下仍然發(fā)生了水鎖損害。初始滲透率大于0.1×10-3μm2的巖心，在開始的30 min內(nèi)滲透率下降較快，隨后漸趨穩(wěn)定。此時水相的侵入和氣體的反向作用達到動態(tài)平衡，保持2 h后損害率低至30%以下，相對正壓差對儲層有較好的保護作用。

圖4 2組巖心欠平衡水鎖損害滲透率變化曲線

在欠平衡條件下且不斷有流體排出時，儲層仍會繼續(xù)吸水，直至發(fā)生水鎖損害而造成滲透率下降。初始滲透率越小，水鎖損害越嚴重。隨著時間的延長，儲層最終會達到一種動態(tài)平衡狀態(tài)，水鎖損害程度不再加深，氣相滲透率不再下降。而欠壓值過低可能造成近井壁孔喉被水相完全封堵，持續(xù)一段時間后完全失去滲流能力，難以達到保護儲層的目的。因此在進行欠平衡鉆井設(shè)計之前，需要評價不同欠壓值下的自吸損害程度，選擇合理的欠壓值，以防止發(fā)生較強的儲層損害。如果實驗得到的欠壓值超出了常規(guī)欠平衡鉆井能夠達到的最大值，則應(yīng)當(dāng)改變鉆井方式以保護儲層。

4 結(jié)語

本次研究是在一般水鎖損害實驗評價方法的基礎(chǔ)上提出致密砂巖水鎖損害評價方法的改進建議，并對鉆井現(xiàn)場致密砂巖氣層巖心進行評價。研究認為，在現(xiàn)有水鎖損害評價的實驗條件和操作流程下，應(yīng)充分考慮到鹽析現(xiàn)象，采用高溫鈍化處理和蒸餾水作為實驗流體，以提高評價效果的準確性。所設(shè)計的欠壓條件下的水鎖損害模擬裝置和評價方法可以較好地評價分析欠平衡條件下的水鎖損害情況，是對現(xiàn)有評價方法的補充。采用欠平衡鉆井方式可使儲層得到較好保護，但仍無法避免水鎖損害。在進行欠平衡鉆井設(shè)計前，需要評價不同欠壓值下的水鎖損害程度，選擇合理的欠壓值，才能預(yù)防較強的儲層損害。

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