固相顆粒對長2微裂縫-孔隙型儲層的傷害規(guī)律研究

吳新民，牛步能，馬 云

(1.西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.中國石油集團(tuán)測井有限公司 生產(chǎn)測井中心，陜西 西安 710065； 3.西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065)

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固相顆粒對長2微裂縫-孔隙型儲層的傷害規(guī)律研究

吳新民1，牛步能2，馬 云3

(1.西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.中國石油集團(tuán)測井有限公司 生產(chǎn)測井中心，陜西 西安 710065； 3.西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065)

通過天然巖心人工造縫，近似模擬實際成巖、沉積過程中形成的微裂縫，將基巖與微裂縫巖心并聯(lián)進(jìn)行巖心流動實驗，研究固相顆粒對微裂縫-孔隙型儲層的傷害規(guī)律。室內(nèi)實驗表明：固相顆粒對基巖巖心的傷害率為65%，傷害深度為0～6 mm；對微裂縫巖心的傷害率為90%以上，傷害深度為裂縫的長度，且經(jīng)歷傷害—傷害部分解除—二次傷害的過程。通過刷端面和反驅(qū)實驗?zāi)M現(xiàn)場洗井和負(fù)壓返吐工藝，表明基巖巖心傷害可以部分解除，微裂縫巖心傷害不能解除，固相顆粒進(jìn)入儲層后堵塞裂縫，可提高注入水波及效率，防止水竄，從而增加注水驅(qū)油效率。

儲層傷害；微裂縫-孔隙型儲層；固相顆粒；人造裂縫

吳新民，牛步能，馬云.固相顆粒對長2微裂縫-孔隙型儲層的傷害規(guī)律研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，31(4):51-56.

WU Xinmin,NIU Buneng,MA Yun.Study on damage law of solid particle to Chang 2 microfissure-pore reservoir [J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(4):51-56.

引　言

研究區(qū)屬陜北黃土塬區(qū)，干旱少雨，水源較為缺乏。長期注入水生產(chǎn)使采出污水在地面大量聚集。因此，將采出污水經(jīng)處理作為注入水是解決水源缺乏的有效方法之一。同時，該區(qū)儲層具有低壓、低產(chǎn)、低滲(特低滲)微裂縫發(fā)育等特點，儲層孔隙喉道非常細(xì)小，注入水中的懸浮固體顆粒、乳化油等污染物很容易造成儲層孔隙、喉道堵塞，使油井產(chǎn)量和開發(fā)效益急劇降低，嚴(yán)重影響油田的正常生產(chǎn)。

固相顆粒對儲層造成的傷害，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的實驗研究。其中，倫增珉[1]通過實驗提出懸浮顆粒濃度低且喉道半徑與粒徑的比值較大(大于3)時易形成孔隙逐步堵塞；懸浮顆粒濃度較大或喉道半徑與粒徑的比值較小時易形成迅速堵塞。張光明等[2]認(rèn)為懸浮固體顆粒對地層巖心的傷害與巖心的滲透率有關(guān)，滲透率越小，傷害程度越大，懸浮固體顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和直徑越大，對地層的傷害也越大。秦積舜等[3]發(fā)現(xiàn)微粒粒徑大小為孔喉直徑的15%～30%時能夠進(jìn)入巖石孔隙內(nèi)部，堵塞孔喉使巖石滲透率受損，形成深部損害；粒徑大于孔喉直徑30%的大顆粒則難以進(jìn)入孔隙內(nèi)部，只能在其表面和淺表部位附著或者橋堵，在巖石表面形成濾餅，使巖石表面(層)滲透率受損。Khilar和Fogler[4]將巖心劃分成若干個隔艙，以顆粒傳輸效率因子來表示顆粒在巖心多孔介質(zhì)中移動的難易程度。Civan和Ohen[5]考慮了因黏土質(zhì)地層膨脹以及外部注入顆粒和孔隙介質(zhì)自生顆粒運移導(dǎo)致的地層傷害，認(rèn)為懸浮液中的顆粒由流動懸浮液攜帶的孔隙介質(zhì)的內(nèi)源顆粒和隨注入液體進(jìn)入孔隙介質(zhì)的外部顆粒組成；懸浮液中的顆粒在孔隙介質(zhì)內(nèi)運移過程中可二次沉淀和再次被帶走，二次沉淀顆粒的移動速率與孔隙內(nèi)自生顆粒的移動速率具有不同的數(shù)量級。

儲層中存在裂縫可以改變儲層的滲透率、孔隙體積，但同時裂縫對水具有較高的疏導(dǎo)性，很容易造成水竄。注水壓力過高很可能造成裂縫由閉合狀態(tài)變?yōu)閺堥_狀態(tài)，極大地提高儲層的滲透率及孔隙體積[6-8]。目前解決水竄的常規(guī)方式為堵塞裂縫、增大基巖的注入量[9-10]。本文通過巖心流動實驗，即將微裂縫巖心和孔隙型巖心并聯(lián)，模擬長2微裂縫發(fā)育儲層，研究污水中固相顆粒對微裂縫-孔隙型儲層的傷害規(guī)律，針對微裂縫的開閉特性制定相應(yīng)的注水調(diào)剖方案。

1　瓦窯堡元峁井區(qū)長2儲層特征分析

根據(jù)瓦窯堡元峁井區(qū)長2儲層常規(guī)物性資料、圖像分析、電鏡掃描分析，將儲層孔隙類型分為粒間孔和溶孔2種。其中，粒間孔為儲層主要的孔隙類型，包括殘余粒間孔及原生粒間孔；溶孔為儲層第二種主要的孔隙類型，包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、填隙物內(nèi)溶孔、微孔隙、微裂隙等，微裂隙主要有顆粒間縫隙、粒內(nèi)裂縫和構(gòu)造裂縫3種。

研究區(qū)儲層孔隙度最小2.06%、最大22.41%，平均11.87%，主要分布在10%～12%之間，占樣品總數(shù)的53.68%；滲透率的變化比較大，滲透率分布在(0.01～166.49)×10-3μm2之間，主要分布在(1.00～6.00)×10-3μm2之間，占樣品總數(shù)的68.54%，滲透率小于1.00×10-3μm2的樣品占13.22%。

2　固相顆粒對微裂縫-孔隙型儲層的傷害機(jī)理

固相顆粒侵入儲層的孔隙喉道，在孔隙喉道內(nèi)被捕集、滯留和沉積，堵塞油氣流動通道，造成儲層絕對滲透率下降，影響油田產(chǎn)量。相關(guān)文獻(xiàn)[11-12]指出，作用在入井流體中固相顆粒上的力主要分為3種，即與吸附機(jī)理相關(guān)的遠(yuǎn)程范德華吸引力，與分離機(jī)理有關(guān)的剪切力和靜電雙層力，以及與傳輸機(jī)理有關(guān)的慣性力、重力、離心力、擴(kuò)散力和水動力。當(dāng)與吸附機(jī)理有關(guān)的力≥與分離機(jī)理有關(guān)的力時，固相顆粒在孔隙內(nèi)滯留；當(dāng)與吸附機(jī)理有關(guān)的力<與分離機(jī)理有關(guān)的力時，滯留在孔隙內(nèi)的顆粒就會隨孔隙介質(zhì)中的流體開始移動[3]。固相顆粒在孔隙介質(zhì)中以擴(kuò)散、吸附、沉積和水動力方式運移，受到分子力、電動相互作用、表面張力、流體壓力、摩擦力、重力等的影響。當(dāng)顆粒運移到孔隙內(nèi)某一處且吸附力又大于分離力時，顆粒會重新在孔隙內(nèi)發(fā)生滯留，從而產(chǎn)生新的、更嚴(yán)重的儲層損害。

3　實驗部分

3.1主要實驗儀器

Mastersizer2000激光粒度儀，ISCO泵，巖心夾持器(2個)，過濾抽吸泵，圍壓泵，高壓中間容器(2個)，2XZ-1型真空泵，Sartorius BSA224S型分析天平(賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司)，GJ-3S型高速攪拌機(jī)(青島海通達(dá)專用儀器)等。

3.2人工微裂縫型巖心制備

裂縫性儲層的儲滲空間十分復(fù)雜，并且具有嚴(yán)重的不均勻性；裂縫性儲層的應(yīng)力敏感性很強(qiáng)，當(dāng)含有裂縫的巖心取至地面后，應(yīng)力釋放會導(dǎo)致裂縫在地面測取的寬度與地層中實際寬度有很大差距。因此鉆取的天然裂縫很少貫穿整個巖心，樣品的平行性也很差，不能滿足實驗研究的需要[13]。為了近似模擬實際成巖、沉積過程中形成的微裂縫寬度，實驗所用的微裂縫巖心是通過劈縫法制備而成的，即通過破巖器造縫，將圓柱形基質(zhì)樣品沿軸向切開，再合到一起。人造裂縫巖心的開度通常利用在裂縫中添加膠片、錫箔、石英砂作為充填裂縫的物質(zhì)，必要時可用環(huán)氧樹脂將裂縫斷面黏接為一體，或利用透明膠布纏緊巖心，制成人造裂縫巖心。劈縫法制備裂縫巖心的成功率較高，可形成一條斷面相互吻合的裂縫，裂縫開度和滲透率可由填充物的性質(zhì)和大小決定[15]。

根據(jù)裂縫巖心在一定壓力下的流量公式Q液=

wh3(p2-p1)/(12μL)、 Q氣=wh3(p22-p12)/(24μp1L)(其中：w為裂縫橫向長度，cm；h為裂縫等效寬度，cm；p2為裂縫的入口壓力，Pa；p1為裂縫的出口壓力，Pa；L為裂縫的縱向長度，cm)，求出水力學(xué)寬度h，再由K=wh3/(12A)確定裂縫巖心的滲透率K，然后再由he=hε-1/3、ε=log2d(其中：ε為校正系數(shù)，與裂縫表面分形維數(shù)有關(guān)；he為巖心的有效流動寬度；d為輪廓線分形維數(shù)，大致范圍為1.1～2.5，本文取1.1)可得到裂縫巖心的有效流動寬度[16]。本文用到的人造微裂縫巖心的有效流動寬度范圍為1.45～2.30 μm。

3.3含固相顆粒的模擬污水配制

油田現(xiàn)場的回注污水穩(wěn)定性較差，取出靜置一段時間后出現(xiàn)固相顆粒和乳化油分層，同時有機(jī)質(zhì)及各種細(xì)菌的相互作用會使水變質(zhì)。實驗室進(jìn)行單因素分析，采用配制的含固相顆粒模擬污水。將高嶺土(200目)5 mg加入500 mL蒸餾水中，用高速攪拌器(4 000 r/min)攪拌30 min，然后用10 μm濾膜過濾得到實驗用污水，模擬污水性能穩(wěn)定(24 h內(nèi)無明顯沉淀)。通過激光粒度儀進(jìn)行測量，污水的固相顆粒粒徑中值為2.859 μm，結(jié)果如圖1所示。

圖1　模擬污水固相顆粒粒徑分布(D0.5=2.859 μm)Fig.1　Particle size distribution of solid particle in simulated produced water (D0.5=2.859μm)

3.4微裂縫型巖心傷害實驗步驟

①將巖心放入烘箱中，溫度控制在80～85 ℃，烘干12 h以上，恒重后放入干燥器冷卻，待其完全冷卻后稱重(W1)；

②按石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5336-2006巖心分析方法，測定巖樣的氣測滲透率

式中：p0為大氣壓力，10-1MPa；A為巖心端面積，cm2；μ為氣體黏度，mPa·s；L為巖心長度，cm；p1、p2分別為入口和出口端面上的絕對壓力，10-1MPa。

③測定孔隙度φ。將測完滲透率的巖樣放置于真空中干燥，室溫下抽真空2h以上，向巖心注入飽和用液體，繼續(xù)抽真空直至無氣泡，室溫放置24h，取出巖心，除去巖心表面的液體，稱重(W2)，孔隙度

式中：W1為巖心干質(zhì)量，g；W2為飽和液體后巖心質(zhì)量，g；ρ為飽和液體密度，g/cm3；V為巖心的總體積，cm3。

④用地層水測量巖心的原始滲透率K0。將驅(qū)替泵的流量調(diào)節(jié)到實驗選定的流量，按規(guī)定時間間隔測量壓力、流量、時間及溫度，待流動狀態(tài)趨于穩(wěn)定后，記錄檢測數(shù)據(jù)，計算滲透率。由達(dá)西公式計算液測滲透率

⑤向巖心注污水(或模擬污水)，連續(xù)測注入孔隙體積倍數(shù)不同的巖心滲透率Kα，計算污水對巖心的傷害率；

⑥刷端面，用相同礦化度的清水測滲透率(或用相同礦化度的清水反驅(qū))，計算巖心滲透率的恢復(fù)

率，判斷滲透率恢復(fù)情況；

⑦正向用相同礦化度的清水測滲透率，計算巖心滲透率的恢復(fù)率，判斷滲透率恢復(fù)情況；

⑧如果以上2個方法滲透率不能恢復(fù)，切巖心注水端面，正向用相同礦化度的清水測滲透率，判斷污水堵塞深度及滲透率的恢復(fù)情況。

儲層傷害實驗流程見圖2。

實驗巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

圖2　儲層傷害實驗流程Fig.2　Process diagram of reservoir damage experiment

巖心編號長度/cm直徑/cm孔隙度/%氣測滲透率/10-3μm2液測滲透率/10-3μm2裂縫寬度/μmW1-14.892.529.162.410.83-W1-24.782.528.932.330.78-W1-34.812.529.222.530.89-L1-16.612.516.0518.2313.000.72L1-26.632.526.6422.3014.420.84L1-35.912.515.5315.5611.090.61

注：其中，W1-1、W1-2、W1-3為基巖巖心，L1-1、L1-2、L1-3為微裂縫巖心。

3.5微裂縫型儲層評價方法

實驗通過人造微裂縫巖心和基巖巖心并聯(lián)來模擬微裂縫-孔隙型儲層。用地層水測量巖心的滲透率作為原始滲透率K0，用含固相顆粒的污水進(jìn)行傷害實驗，記錄不同驅(qū)替倍數(shù)下巖心的滲透率Kα；將測得的實驗結(jié)果帶入公式

計算傷害率隨時間的變化。式中：Iα為巖心的傷害率，%；K0為巖心的原始滲透率，10-3μm2；Kα為巖心的實際滲透率，10-3μm2。通過傷害率的變化分析固相顆粒對巖心的堵塞規(guī)律。

4　實驗結(jié)果分析與討論

4.1傷害實驗結(jié)果分析

隨著驅(qū)替時間的增加，微裂縫巖心和基巖巖心的傷害率逐漸增加,最后趨于穩(wěn)定，如圖3所示。其中，微裂縫巖心在開始驅(qū)替階段傷害率快速增加，之后緩慢上升趨于平穩(wěn)，傷害持續(xù)時間較長，驅(qū)替1 h之后傷害率高達(dá)77%，表明固相顆?？梢暂^快地堵塞裂縫。研究[3]指出架橋粒子粒徑為裂縫開裂度均值的80%～100%時，可以實現(xiàn)穩(wěn)定架橋。實驗分析以微裂縫巖心L1-1為例，其裂縫開度為0.72 μm，固相顆粒粒徑中值2.859 μm，小顆粒進(jìn)入裂縫深處形成架橋堵塞，大顆粒在裂縫入口處形成堵塞，所以裂縫傷害率上升較快。當(dāng)驅(qū)替7 h之后傷害率趨于穩(wěn)定，其原因是：在裂縫堵塞后驅(qū)替壓力上升，裂縫由閉合狀態(tài)張開，裂縫的開度變大，出口端出現(xiàn)水渾濁的現(xiàn)象，表明小顆?？刹糠滞ㄟ^裂縫，而大顆粒部分進(jìn)入裂縫形成堵塞。所以，固相顆粒對微裂縫型儲層的傷害是“傷害—傷害部分解除—二次傷害”的過程。

圖3　固相顆粒對基巖和裂縫巖心的傷害Fig.3　Damage of solid particle to bed-rock and micro-fractures of cores

基巖巖心的傷害率上升緩慢，最終傷害率為65%?；鶐r的滲透率較小，孔喉半徑較小(喉道半徑為0.34 μm)，固相顆?？梢圆糠诌M(jìn)入巖心，大部分在端面形成堵塞，所以基巖傷害率相對較小。

4.2傷害后處理結(jié)果分析

從巖心傷害實驗結(jié)果分析可知，微裂縫巖心在固相顆粒堵塞后滲透率下降，最后趨于穩(wěn)定，基巖與微裂縫巖心的滲透率級差由18.64降為2.95。滲透率級差降低，注入水的流量必然重新分配，基巖巖心的水流量變大， 微裂縫巖心流量變小， 如圖4所示。因此注入水中的固相顆粒可以較好地堵塞裂縫，防止注入水水竄造成井底過早水淹，基巖的水流量增加提高了注入水的驅(qū)油效率。

圖4　注入水流量在并聯(lián)巖心中的分布情況Fig.4　Flow rate distribution of injection water in parallel cores

將含固相顆粒的污水注入微裂縫儲層中，固相顆粒進(jìn)入裂縫中形成堵塞，同時在射孔孔眼及井底聚集形成泥餅堵塞，造成注入壓力增加。目前油田解除井底傷害的方式有洗井及負(fù)壓返吐，室內(nèi)通過刷端面和反驅(qū)模擬現(xiàn)場施工工藝，實驗結(jié)果如表2所示。

表2　微裂縫巖心L1-1和孔隙型巖心W1-1的滲透率傷害率Tab.2　Permeability damage rate of micro-fracture core L1-1 and pore core W1-1 after different treatment processes

由表2可知，微裂縫巖心通過刷端面及反驅(qū)后傷害率都高于90%，表明傷害并未變化；通過切芯20 mm后傷害率仍高于90%，表明傷害的深度即為裂縫的長度。微裂縫巖心的固相顆粒堵塞不能解除是由其堵塞的特性決定的，顆粒進(jìn)入裂縫后形成橋較為致密的堵塞，所以洗井不能解除堵塞傷害；當(dāng)進(jìn)行負(fù)壓返吐時，井底壓力小于地層壓力，裂縫會由于井底壓力的降低而閉合，使反驅(qū)也不能解除傷害。

反驅(qū)使基巖巖心傷害率部分下降(傷害率從65%降為40%)，表明反驅(qū)可以部分解除基巖傷害；反驅(qū)后正驅(qū)，傷害率有一定程度上升，表明進(jìn)入基巖造成傷害的固相顆粒并未完全去除；刷端面后基巖傷害率部分下降，表明存在部分端面堵塞，通過切端面確定內(nèi)部傷害的深度，切芯6 mm后基巖的傷害率降低到17.5%，認(rèn)為基巖的傷害完全解除，傷害深度為0～6 mm?；鶐r的實驗結(jié)果進(jìn)一步驗證了當(dāng)孔喉半徑較小(喉道半徑為0.34 μm)，固相顆粒僅少部分可以進(jìn)入巖心，大部分形成端面堵塞。

5　結(jié)　論

(1)固相顆粒對基巖巖心的傷害率相對較小，對微裂縫型巖心造成嚴(yán)重傷害，且是“傷害—傷害部分解除—二次傷害”的過程。

(2)室內(nèi)通過刷端面和反驅(qū)模擬現(xiàn)場洗井和負(fù)壓返吐施工工藝，可以部分解除基巖的傷害，不能解除微裂縫型巖心傷害。固相顆粒進(jìn)入儲層后堵塞裂縫，可提高注入水波及效率，防止水竄，從而增加注水驅(qū)油效率。

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責(zé)任編輯：董瑾

Study on Damage Law of Solid Particle to Chang 2 Microfissure-Pore Reservoir

WU Xinmin1,NIU Buneng2,MA Yun3

(1.College of Petroleum Engineering,Xi'an Shiyou University,Xi'an 710065,Shaanxi,China;2.Production Logging Center,Logging Co.Ltd.of CNPC,Xi'an 710065,Shaanxi,China;3.College of Chemistry and Chemical Engineering,Xi'an Shiyou University,Xi'an 710065,Shaanxi,China)

The natural cores with artificial fractures were prepared to approximately simulate the micro-fractures formed in diagenesis and deposition process;then the core flow experiment composed of an original core and a micro-fracture core parallel to each other was carried out to study the damage law of solid particle to microfracture-pore reservoir.The results show that:the damage ratio of solid particle to the original rock core is 65%,the damage depth is 0～6 mm;the damage ratio of solid particle to the micro-fracture core is more than 90%,the damage depth is the fracture length;the damage is a process of "damage-damage partially relived-secondary damage.The well flushing technology and the anti-spitting under negative pressure in the field sites are simulated by brushing the end surface of core and displacing in reverse direction in laboratory,which shows that the damage of the base rock core can be partially relieved,but the damage of micro-fractures core could not be relieved.The solid particles could improve the sweep efficiency of injected water and prevent water channeling to increase the oil displacement efficiency after getting into the formation and plugging the fractures.

reservoir damage;microfracture-pore reservoir;solid particle;artificial fracture

A

2015-08-05

陜西省教育廳基金項目(編號:12JK0644)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(編號:2011KTZB01-04)；西安石油大學(xué)博士科研啟動基金項目“回注污水中固相顆粒狀物質(zhì)對鄂爾多斯盆地低滲透儲層傷害機(jī)理研究”(編號:2014BS34)

吳新民(1964-)，男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事油氣田污水處理、管道腐蝕與防護(hù)、儲層保護(hù)等方面的研究。E-mail:408442265@qq.com

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.04.009

TE357.6

1673-064X(2016)04-0051-06