用數(shù)字巖心確定低滲透砂巖水鎖臨界值

朱洪林劉向君姚光華陳　喬譚彥虎王莉莎徐烽淋

1.中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)3.重慶礦產(chǎn)資源開發(fā)有限公司

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用數(shù)字巖心確定低滲透砂巖水鎖臨界值

朱洪林1劉向君2姚光華3陳喬1譚彥虎1王莉莎1徐烽淋2

1.中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)3.重慶礦產(chǎn)資源開發(fā)有限公司

朱洪林等. 用數(shù)字巖心確定低滲透砂巖水鎖臨界值. 天然氣工業(yè), 2016,36(4):41-47.

摘 要探明水鎖內(nèi)在因素與損害程度之間的聯(lián)系機(jī)制對(duì)水鎖抑制措施的研發(fā)至關(guān)重要，但常規(guī)的水鎖物理實(shí)驗(yàn)只能研究宏觀水鎖損害后的結(jié)果，而無(wú)法探討其微觀機(jī)理。為此，通過(guò)高分辨率微CT掃描構(gòu)建了低滲透砂巖三維數(shù)字巖心，并建立了與之等價(jià)的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，利用孔隙級(jí)流動(dòng)模擬開展了由毛細(xì)管力控制的虛擬“自吸”實(shí)驗(yàn)，探討了潤(rùn)濕性、含水飽和度、孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)等微觀內(nèi)在因素與水鎖損害程度的聯(lián)系機(jī)制。結(jié)果表明：①潤(rùn)濕性從水濕依次過(guò)渡到氣濕，水鎖損害程度逐漸減輕，只要將強(qiáng)水濕毛細(xì)管環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯕鉂?，就能有效地減輕水鎖損害，提高氣井產(chǎn)能；②初始含水飽和度與束縛水飽和度之間差異越大，水鎖損害越嚴(yán)重；③水鎖損害程度與配位數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與孔喉比呈正相關(guān)關(guān)系；④在現(xiàn)有研究條件下，由中等尺寸喉道組成的地層更容易水鎖。結(jié)論認(rèn)為，存在一個(gè)臨界喉道半徑使得水鎖最為嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞低滲透砂巖 數(shù)字巖心 孔隙網(wǎng)絡(luò)模型 水鎖 潤(rùn)濕性 含水飽和度 吼喉結(jié)構(gòu)參數(shù) 臨界喉道半徑

低滲透砂巖氣藏普遍具有低孔隙、低滲透、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、次生孔發(fā)育、喉道細(xì)小、毛細(xì)管壓力高等特點(diǎn)，在鉆井、完井、壓裂及修井等各種作業(yè)過(guò)程中，極易發(fā)生水鎖損害。針對(duì)低滲透砂巖儲(chǔ)層的水鎖損害問(wèn)題，現(xiàn)有研究[1-7]主要是采取不同的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)方法來(lái)定量評(píng)價(jià)水鎖損害程度，雖然也獲得了一些研究成果和理論認(rèn)識(shí)，但由于低滲透砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)和水鎖損害過(guò)程本身的復(fù)雜性，至今尚未形成統(tǒng)一的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)體系和成熟有效的技術(shù)措施。目前水鎖損害研究主要通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)[8-21]，使侵入水均勻分布于巖心中，建立不同含水飽和度點(diǎn)并準(zhǔn)確測(cè)量各點(diǎn)的滲透率是水鎖物理實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，但由于低滲透砂巖孔隙空間小、滲透性極差。因此，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)較困難且誤差較大；傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)方法需要大量有代表性的巖心且兩相驅(qū)替費(fèi)時(shí)費(fèi)力、測(cè)量相對(duì)滲透率受許多條件的限制，許多不容易控制的因素?fù)诫s其中，往往導(dǎo)致巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果也相應(yīng)地呈現(xiàn)多樣性；更為關(guān)鍵的是，物理實(shí)驗(yàn)只能研究發(fā)生宏觀水鎖損害后的結(jié)果，而無(wú)法探討微觀機(jī)理。在引起水鎖的諸多因素中，巖石潤(rùn)濕性、含水飽和度、孔喉結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素均決定著氣體在低滲透砂巖儲(chǔ)層中的流動(dòng)能力，而依靠傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)，要定量描述這些微觀因素與水鎖損害之間的聯(lián)系機(jī)制則存在著很大的困難。

鑒于此，筆者通過(guò)微CT掃描建立低滲透砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)字模型，在此基礎(chǔ)上開展虛擬“自吸”實(shí)驗(yàn)，并充分發(fā)揮數(shù)字實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，將傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)難以調(diào)控的潤(rùn)濕性、飽和度等內(nèi)在因素以及微觀孔喉結(jié)構(gòu)信息與宏觀的水鎖損害程度密切聯(lián)系在一起，以期能對(duì)尋找低滲透砂巖氣藏水鎖損害的抑制和解除方法有所啟示，為進(jìn)一步研究提高該類儲(chǔ)層采收率技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。

1 低滲透砂巖孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)字建模

準(zhǔn)確的巖石孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)字化模型是開展虛擬“自吸”實(shí)驗(yàn)的前提，此處的模型主要包括數(shù)字巖心及孔隙網(wǎng)絡(luò)模型。其中，微CT掃描作為一種無(wú)損檢測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的技術(shù)，是當(dāng)前建立三維數(shù)字巖心最直接和最準(zhǔn)確的方法，其原理是根據(jù)巖石中不同密度的成分對(duì)X射線吸收系數(shù)不同從而達(dá)到區(qū)分孔隙和骨架的目的。因此，筆者首先借助西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MicroXCT-400掃描儀（圖1-a）對(duì)低滲透砂巖巖心進(jìn)行了三維成像實(shí)驗(yàn)，獲得了高分辨率的巖石微觀結(jié)構(gòu)三維灰度圖像（圖1-b），進(jìn)一步采用Matlab、Avizo軟件對(duì)原始灰度圖像進(jìn)行了濾波、二值化分割及表面重建等系列處理，由此構(gòu)建了低滲透砂巖三維數(shù)字巖心模型（圖1-c，其中藍(lán)色區(qū)域代表巖石基質(zhì)，黑色為孔隙）。

由于巖石孔隙結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，基于實(shí)際數(shù)字巖心的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)往往占用太多計(jì)算資源，而孔隙網(wǎng)絡(luò)模型采用由喉道和孔隙體所構(gòu)成的規(guī)則幾何結(jié)構(gòu)來(lái)簡(jiǎn)化代替真實(shí)孔隙空間，可以極大縮減計(jì)算量。為此，本研究以數(shù)字巖心為基礎(chǔ)采用中軸線算法提取孔隙空間中軸線，并通過(guò)球體膨脹法來(lái)分割孔隙空間，即在孔隙中心放置圓球，逐步增大其半徑直至球體外表面接觸巖石骨架，由此建立起與數(shù)字巖心具有等價(jià)拓?fù)涞目紫毒W(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化模型（圖1-d，其中球體表征孔隙，管束狀結(jié)構(gòu)表征喉道）。

圖1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備及成果數(shù)據(jù)圖

2 數(shù)模方法

在孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，借鑒倫敦理工學(xué)院Blunt等[22]科研團(tuán)隊(duì)所開創(chuàng)的孔隙級(jí)多相流模擬技術(shù)來(lái)開展本文的虛擬“自吸”實(shí)驗(yàn)研究。其相似之處在于：氣驅(qū)水過(guò)程主要用來(lái)模擬氣藏的形成過(guò)程和束縛水的形成過(guò)程。根據(jù)成藏理論，地層原始狀態(tài)下應(yīng)該是全部飽和水，有機(jī)質(zhì)生烴后發(fā)生氣驅(qū)水過(guò)程，在條件適宜的情況下才形成氣藏。在孔隙級(jí)模擬氣驅(qū)開始前，將飽和水的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型入口端與驅(qū)替相流體（天然氣）源相連通。之后，保持模型中的水相壓力恒定而逐步增大氣相壓力，當(dāng)驅(qū)替前緣的氣相壓力超過(guò)與之相連的網(wǎng)絡(luò)單元的毛細(xì)管入口壓力時(shí)，天然氣將該單元中的水驅(qū)走，驅(qū)替前緣繼續(xù)推進(jìn)。由于在該單元中損耗了毛細(xì)管壓降，氣相壓力有所減小，但若該壓力仍大于當(dāng)前與之相連的飽和水網(wǎng)絡(luò)單元的入口壓力，則驅(qū)替繼續(xù)下去，直至驅(qū)替前緣壓力損耗至無(wú)法向前推進(jìn)為止，此時(shí)，再次增大入口端的氣相壓力使驅(qū)替過(guò)程得以延續(xù)。當(dāng)模型總體含水飽和度幾乎不再減小時(shí)，這時(shí)就達(dá)到了束縛水飽和度。首次氣驅(qū)過(guò)程結(jié)束后，截面帶有角隅的孔隙、喉道通常在中央部位含非濕相的氣，而其角落位置則被濕相水所占據(jù)。然后進(jìn)入第二個(gè)階段水驅(qū)氣過(guò)程，模擬氣藏在勘探、開發(fā)過(guò)程中受到鉆井液、完井液、壓裂液等一系列工作液的污染過(guò)程，在網(wǎng)絡(luò)模型中表示水從反向吸入的自吸進(jìn)程，此時(shí)虛擬的水鎖效應(yīng)發(fā)生。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 潤(rùn)濕性的影響

巖石潤(rùn)濕性控制著不同含水飽和度下的孔隙、喉道中流體分布形式。在孔隙級(jí)流動(dòng)模擬中，通過(guò)設(shè)定前進(jìn)接觸角的分布范圍來(lái)描述孔隙空間內(nèi)部的潤(rùn)濕狀況，由此開展了一系列的虛擬自吸實(shí)驗(yàn)。其中所用的控制參數(shù)——接觸角反映了網(wǎng)絡(luò)模型水濕、弱水濕、弱氣濕和氣濕等情況（表1）。

表1　不同潤(rùn)濕性的接觸角范圍表

不同潤(rùn)濕環(huán)境下的自吸過(guò)程氣相相對(duì)滲透率曲線模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同潤(rùn)濕條件下的氣相相對(duì)滲透率曲線模擬結(jié)果圖

由圖2可見，在不同的含水飽和度點(diǎn)，滲透率的降低程度是不一樣的。為了從相滲曲線上直接定量反映自吸過(guò)程中整個(gè)氣相相對(duì)滲透率的變化，對(duì)整個(gè)含水飽和度下氣相相對(duì)滲透率減少量進(jìn)行積分，所以在本文中定義一個(gè)指標(biāo)——相滲指數(shù)（β）來(lái)描述滲透率的變化，它是水鎖過(guò)程中相對(duì)滲透率曲線所圍成的下方面積，對(duì)于氣水兩相體系，氣體滲透率是關(guān)注的對(duì)象，因此計(jì)算相對(duì)滲透率積分只需沿著氣相滲透率曲線。即

式中Krg表示氣相相對(duì)滲透率；Sw表示含水飽和度。

由于氣相相對(duì)滲透率曲線越接近含水飽和度軸，反映出水鎖損害越嚴(yán)重。因此相滲指數(shù)（β）越小則表明水鎖損害程度越嚴(yán)重，定義該指標(biāo)后，可利用不同條件下的自吸過(guò)程氣相相對(duì)滲透率曲線變化對(duì)水鎖效應(yīng)進(jìn)行定量探討。

根據(jù)圖2計(jì)算所得不同潤(rùn)濕性下的相滲指數(shù)β值如表2所示，由表2中的數(shù)據(jù)可看出β值與潤(rùn)濕性的關(guān)系趨勢(shì)很明顯。當(dāng)潤(rùn)濕性從水濕依次過(guò)渡到氣濕，β值逐漸增大，表明水鎖損害程度逐漸減輕。隨著自吸的不斷進(jìn)行，潤(rùn)濕性改變氣相滲透率曲線形態(tài)發(fā)生改變，其中水濕情況下和其他3種潤(rùn)濕條件下的曲線斜率差異明顯，水濕情況下氣相滲透率迅速降為0，而其他3種條件下的氣相滲透率則在低含水飽和度階段降低速率較快，降至一定程度之后逐漸趨于平穩(wěn)，最后緩慢降為0。此外，對(duì)比弱氣濕和氣濕條件下的β值可發(fā)現(xiàn)兩者差別很小。因此對(duì)該類儲(chǔ)層只要將強(qiáng)水濕毛細(xì)管環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯕鉂?，就能有效的緩解水鎖損害。

表2　不同潤(rùn)濕性下的β值表

低滲透砂巖的潤(rùn)濕性從水濕依次過(guò)渡到氣濕，水鎖損害程度逐漸減輕。這為提高氣井產(chǎn)能提供了一個(gè)可應(yīng)用的潛在方法：對(duì)低滲透砂巖氣藏，通過(guò)在工作液中加入表面活性劑來(lái)改變近井壁地層巖石的潤(rùn)濕性，使其由強(qiáng)水濕性轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯕鉂窕驓鉂?，可以顯著改善氣體的有效滲流能力，進(jìn)一步提高其產(chǎn)量。

3.2 含水飽和度的影響

由水鎖效應(yīng)的形成機(jī)理可知，水鎖損害的潛力在很大程度上取決于氣藏初始含水飽和度與束縛水飽和度的差值。因此，本研究分兩種情況來(lái)探討含水飽和度對(duì)氣相滲透率及水鎖的影響，即初始含水飽和度高于束縛水飽和度、初始含水飽和度低于束縛水飽和度。

3.2.1 初始含水飽和度高于束縛水飽和度

在孔隙級(jí)流動(dòng)模擬方法中，若默認(rèn)初次排驅(qū)的目標(biāo)含水飽和度為0，則氣驅(qū)水過(guò)程直至模型總體含水飽和度不再減小為止，此時(shí)就達(dá)到了該孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的束縛水飽和度（Swrr）。通過(guò)人為調(diào)控模型的初始含水飽和度，使其高于模型束縛水飽和度，同時(shí)保證其他參數(shù)一致，由此得到不同初始含水飽和度（Swi）下的自吸過(guò)程氣相相對(duì)滲透率曲線模擬結(jié)果（圖3）。

圖3　不同初始含水飽和度下的氣相相對(duì)滲透率曲線模擬結(jié)果圖（Swrr=0.279）

根據(jù)圖3中各條曲線的數(shù)值，計(jì)算所得的β值如表3所示。

表3　不同初始含水飽和度下的β值表

分析表3中的數(shù)據(jù)可知，在基于孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的自吸模擬過(guò)程中，隨著初始含水飽和度的逐漸增加，束縛水飽和度與初始含水飽和度兩者之間的差異越來(lái)越大，相滲指數(shù)隨之減小，標(biāo)志著水鎖損害逐漸加劇。這是由于初始含水飽和度越高，在界面張力和毛細(xì)管力的協(xié)同作用下，巖石孔喉中所吸附的水量就越多，孔隙邊角處水膜厚度越大，水相連通性越好，因而氣體流經(jīng)孔隙、喉道時(shí)的滲流通道就減小得越厲害，導(dǎo)致氣相滲流能力下降越明顯。但儲(chǔ)層初始含水飽和度高于束縛水飽和度這種情況，一般只存在暫時(shí)性水鎖，即通過(guò)天然氣返排外來(lái)水相可將含水飽和度降至初始含水飽和度甚至更低的束縛水飽和度，從而恢復(fù)氣井產(chǎn)能，只是對(duì)滲透率越低的儲(chǔ)層返排所需時(shí)間更長(zhǎng)而已。

3.2.2 初始含水飽和度低于束縛水飽和度

低滲透砂巖氣藏大多處于初始含水飽和度低于束縛水飽和度的情況，即所謂“亞束縛水狀態(tài)”，因而自吸水效應(yīng)十分顯著。一旦氣層與水基鉆井液、完井液、壓裂液等接觸或遭遇地層水的指進(jìn)、錐進(jìn)，均會(huì)導(dǎo)致近井壁地區(qū)水的不斷累積，含水飽和度急劇增高，從而引起氣體相對(duì)滲透率大幅降低，氣井產(chǎn)能受損。

在模擬自吸過(guò)程中，將初次排驅(qū)的目標(biāo)含水飽和度統(tǒng)一設(shè)為0.1，同時(shí)保證其他參數(shù)一致，通過(guò)人為調(diào)控不斷增大模型束縛水飽和度，由此得到不同束縛水飽和度（Swrr）下的自吸過(guò)程氣相相對(duì)滲透率曲線模擬結(jié)果（圖4）。

圖4　不同束縛水飽和度下的氣相相對(duì)滲透率曲線模擬結(jié)果圖（Swi=0.1）

計(jì)算所得的β值如表4所示。

表4　不同束縛水飽和度下的β值表

由圖4及表4中數(shù)據(jù)可知，隨著束縛水飽和度逐漸增加，初始含水飽和度與束縛水飽和度之間的差異越來(lái)越大，相滲指數(shù)（β）逐漸減小，標(biāo)志著水鎖損害逐漸嚴(yán)重。氣藏初始含水飽和度低于束縛水飽和度這一原生特征，造成在鉆完井及其他工程作業(yè)過(guò)程外來(lái)水相侵入氣層之后，氣驅(qū)外來(lái)水時(shí)最多只能將含水飽和度降至水相不能連續(xù)流動(dòng)時(shí)的束縛水飽和度，而恢復(fù)不到最初的原始含水飽和度。因此束縛水飽和度比初始含水飽和度大得越多，那么巖心內(nèi)部產(chǎn)生單一氣相流動(dòng)的含氣飽和度就越低，相對(duì)應(yīng)的兩相共滲區(qū)范圍就越窄，氣相相對(duì)滲透率曲線就越陡，下降速率越快，因而造成的水鎖損害越強(qiáng)。

對(duì)低滲透砂巖氣藏而言，束縛水是在氣驅(qū)水的過(guò)程中形成的，其主要賦存形式包括：孔隙角隅水、微細(xì)孔隙及其所包圍的大孔道中的殘余水和黏土束縛水。束縛水飽和度越高，說(shuō)明氣驅(qū)水過(guò)程結(jié)束得越早，因而在后期的水驅(qū)氣過(guò)程中水相的影響就顯現(xiàn)得越早。在束縛水飽和度條件下，水相是不流動(dòng)的，即水并未形成連續(xù)相，但束縛水飽和度越高，水形成連續(xù)相就更加容易，速度也更快，一旦含水飽和度超過(guò)束縛水飽和度，水就形成連續(xù)相，使得氣相的滲流通道極大縮減，同時(shí)滲流阻力加大，最終導(dǎo)致氣相滲透率大幅度降低。由于天然氣返排外來(lái)工作液降到束縛水飽和度后就再也無(wú)法降低。因此降低后的氣相滲透率不可能恢復(fù)至初始情況，這種條件下的氣相滲透率損害也被學(xué)者們稱之為“永久性水鎖”。束縛水飽和度與初始含水飽和度的差值越大，永久性水鎖對(duì)氣藏造成的損害程度就越嚴(yán)重。

3.3 配位數(shù)的影響

在孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)中，配位數(shù)是反映孔喉連通性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在模型中，保持其他條件一致，使平均配位數(shù)不斷改變，用以開展自吸過(guò)程模擬，得到氣相相對(duì)滲透率與含水飽和度的關(guān)系（圖5），據(jù)此計(jì)算所得β值如表5所示。

表5　不同配位數(shù)下的β值表

由表5中的數(shù)據(jù)可見，隨著配位數(shù)增大，相滲指數(shù)值逐漸增大，表明水鎖損害程度逐漸減輕。這是因?yàn)榕湮粩?shù)越大，孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的連通性就越好，返排也更加容易，所以越不容易發(fā)生水鎖損害。

3.4 孔喉比的影響

同樣，在模型中，保持其他條件不變，使孔喉比不斷改變，用以開展自吸過(guò)程模擬，得到氣相相對(duì)滲透率與含水飽和度的關(guān)系如圖6所示。

圖6　不同孔喉比下的氣相相對(duì)滲透率曲線模擬結(jié)果圖

根據(jù)圖6各曲線計(jì)算所得的β值如表6所示。

表6　不同孔喉比下的β值表

由表6中的數(shù)據(jù)可見，隨著孔喉比增大，β值逐漸降低，表明水鎖損害程度逐漸加重。這是由于：孔喉比越大，反映出相互連通的孔隙和喉道半徑差異越大，因而孔隙、喉道之間的毛細(xì)管壓力變化就越明顯，這種情況就更容易發(fā)生卡斷堵塞。對(duì)水濕環(huán)境，氣相將以孤立氣泡形式賦存于孔隙、喉道中央，而無(wú)法形成連續(xù)的氣體滲流通道，導(dǎo)致其滲透率下降顯著。

3.5 喉道半徑的影響

分別基于孔喉比、配位數(shù)信息不變的前提，在建模過(guò)程中始終保持最小喉道半徑（rmin）為0.2 μm，使最大喉道半徑（rmax）不斷改變，用以開展自吸過(guò)程模擬，得到的氣相相對(duì)滲透率與含水飽和度的關(guān)系如圖7所示。

圖7　不同喉道半徑下的氣相相對(duì)滲透率曲線模擬結(jié)果圖

根據(jù)上述曲線，計(jì)算所得的β值如表7所示。

表7　不同喉道半徑下的β值表

分析表7中數(shù)據(jù)可知，不同的喉道半徑尺寸分布導(dǎo)致滲透率變化差異較大，當(dāng)最大喉道半徑低于15 μm，平均喉道半徑的增加會(huì)導(dǎo)致計(jì)算所得β值下降，表明水鎖逐漸加重，一旦最大喉道半徑大于15 μm，β值又逐漸升高，水鎖程度逐漸減緩。這意味著，在本文研究條件下，最嚴(yán)重的水鎖并不總是發(fā)生在最小孔隙喉道，而由中等尺寸喉道組成的地層則更容易水鎖。因此，研究結(jié)果認(rèn)為存在一個(gè)臨界喉道半徑使得水鎖程度最為嚴(yán)重。鑒于臨界喉道半徑影響水鎖損害程度的關(guān)鍵作用，在以后的工程實(shí)踐中對(duì)其應(yīng)給予高度重視。

4 結(jié)論

基于低滲透砂巖孔隙網(wǎng)絡(luò)模型開展自吸過(guò)程模擬，通過(guò)定義“相滲指數(shù)”這一評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)描述單一變量下的氣相滲透率曲線動(dòng)態(tài)變化，能夠?qū)⑺i內(nèi)在因素（潤(rùn)濕性、含水飽和度關(guān)系、孔喉結(jié)構(gòu)）與水鎖損害程度定量聯(lián)系起來(lái)，并由此獲得如下規(guī)律性認(rèn)識(shí)。

1）潤(rùn)濕性從水濕依次過(guò)渡到氣濕，水鎖損害程度逐漸減輕，對(duì)該類儲(chǔ)層只要將強(qiáng)水濕毛細(xì)管環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯕鉂瘢湍苡行Ь徑馑i損害，提高氣井產(chǎn)能。

2）初始含水飽和度與束縛水飽和度之間差異越大，水鎖損害越嚴(yán)重。

3）低滲透砂巖孔喉結(jié)構(gòu)對(duì)水鎖損害有明顯的影響，水鎖損害程度與配位數(shù)負(fù)相關(guān)，而與孔喉比呈正相關(guān)；在本文研究條件下，由中等尺寸喉道組成的地層更容易水鎖。因此，研究結(jié)果認(rèn)為存在一個(gè)臨界喉道半徑使得水鎖程度最為嚴(yán)重。

參 考 文 獻(xiàn)

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(修改回稿日期 2016-01-14 編 輯 韓曉渝)

Determination of water-lock critical value of low permeability sandstones based on digital core

Zhu Honglin1, Liu Xiangjun2, Yao Guanghua3, Chen Qiao1, Tan Yanhu1, Wang Lisha1, Xu Fenglin2
(1. Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China; 2. State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China; 3. Chongqing Mineral Resources Development Co., Ltd., Chongqing 400714, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 4, pp.41-47, 4/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Abstract:Research and development of water lock inhibiting measures is very crucial in verifying the link mechanism between the internal factors of water lock and its extent of damage. Based on conventional water-lock physics experiments, however, only the consequence of macro water lock damage can be investigated, while the microscopic mechanism cannot be studied. In this paper, 3D digital cores of low-permeability sandstones were prepared by means of high-resolution micro-CT scan, and their equivalent pore network model was built as well. Virtual “imbibition” experiments controlled by capillary force were carried out by using pore-scale flow simulation. Then the link mechanism between the microscopic internal factors (e.g. wettability, water saturation and pore-throat structure parameters) and the water-lock damage degree was discussed. It is shown that the damage degree of water lock reduces gradually as the wettability transits from water wet to gas wet. Therefore, the water lock damage can be reduced effectively and gas-well productivity can be improved so long as the capillary environment is changed from strong water wettability to weak gas wettability. The more different the initial water saturation is from the irreducible water saturation, the more serious the water lock damage is. The damage degree of water lock is in a negative correlation with the coordinate number, but a positive correlation with the pore-throat ratio. Based on the existing research results, water lock tends to form in the formations composed of medium-sized throats. It is concluded that there is a critical throat radius, at which the water lock is the most serious.

Keywords:Low permeability sandstone; Digital core; Pore network model; Water lock; Wettability; Water saturation; Pore-throat structure parameter; Critical throat radius

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.04.006

基金項(xiàng)目：國(guó)家青年自然科學(xué)基金項(xiàng)目“頁(yè)巖層理結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波特性的影響研究及應(yīng)用”（編號(hào)：41502287）、重慶市國(guó)土局科技計(jì)劃項(xiàng)目“基于數(shù)字巖心技術(shù)的頁(yè)巖含氣飽和度評(píng)價(jià)”（編號(hào)：CQGT-KJ-2015018）、中石化地球物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目“頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀表征與數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)研究”（編號(hào)：33550006-15-FW2099-0015）。

作者簡(jiǎn)介：朱洪林，1985年生，助理研究員，博士；主要從事數(shù)字巖心技術(shù)相關(guān)研究工作。地址：（400714）重慶市北碚區(qū)水土鎮(zhèn)水土高新園區(qū)方正大道266號(hào)。電話：（023）63063826。ORCID:0000-0001-5635-3874。E-mail:zhuhonglin@cigit.ac.cn

通信作者：譚彥虎，高級(jí)工程師。E-mail:tyhpku@cigit.ac.cn