基于致密砂巖氣藏初始含水飽和度的水鎖傷害評價

王茜， 王雙威， 唐勝藍， 張潔， 張蝶， 趙志良

美國非常規(guī)氣資源的成功開發(fā)極大地鼓舞了世界范圍內(nèi)的非常規(guī)氣藏開發(fā)熱潮。中國非常規(guī)氣藏資源豐富，初步評價中國非常規(guī)氣藏可采資源量為（84～125）×1012m3，是常規(guī)氣資源量的5倍左右[1]。致密砂巖氣藏作為非常規(guī)氣藏的一種，基質(zhì)滲透率低，Law and Curtis曾將滲透率小于0.1 mD的氣藏定義為致密砂巖氣藏[2]，其通常具有較高的毛細管力和束縛水飽和度以及較低的初始含水飽和度[3-4]。較低的初始含水飽和度和較高的束縛水飽和度，導致儲層接觸水基工作液后，大量的水分在儲層滯留，造成嚴重的水鎖傷害。研究證明，水鎖對致密砂巖儲層的傷害率普遍在70%～90%[5-7]。目前水鎖傷害的評價多使用恒壓注入或自吸實驗模擬水鎖傷害，然后對比分析自吸后以及干巖心的氣體滲透率之間的變化情況，計算水鎖程度[8-10]，忽略了致密砂巖氣藏的初始含水飽和度對巖心初始滲透率的影響，通常得到的水鎖傷害程度較實際情況更加嚴重。為了更加符合致密砂巖氣藏的真實情況，建立了一套基于初始含水飽和度的致密砂巖氣藏水鎖傷害評價方法，并進行了實驗驗證。實驗證明，該方法可操作性高，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，具有很大的推廣價值。

1 室內(nèi)實驗

1.1 實驗方法

實驗過程中使用的巖心取自塔里木油田神木1井致密氣藏的儲層段的天然巖心，埋深5 194～5 203 m，氣測滲透率小于0.1 mD。巖心的準備按照SY/T 5358—2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》的要求進行。使用自主創(chuàng)建的致密巖心初始含水飽和度建立方法，使實驗巖心的含水飽和度與氣藏儲層實際含水飽和度相同。污染的過程，按照抽真空法進行。通過對比初始含水飽和度下巖心的氣體滲透率和水鎖傷害后束縛水飽和度下巖心的氣體滲透率計算水鎖傷害程度。巖心氣測滲透率步驟按照《油層物理學》中氣測滲透率實驗方法進行[11]。

1.2 實驗儀器及材料

多孔纖維，水潤濕；精密ISCO泵；中間容器，1 L；脈沖發(fā)生器，0～20 MPa；巖心夾持器，直徑2.5 cm；JHCSI巖心抽真空飽和裝置，工作壓力-0.06～50 MPa；回壓閥，0～20 MPa；精密氣體流量計，EL-FLOW，2～100 mL/min。

2 巖心初始含水飽和度的建立

為了水分在巖心內(nèi)部分散得更加均勻，使用3步走的方法建立致密巖心的初始含水飽和度。

1）使用飽和水后的多孔纖維包裹巖心，增加巖心表面的含水飽和度。首先按照GB/T 29172—2012《巖心分析方法》規(guī)定的實驗流程對儲層巖心進行洗油、洗鹽、干燥，然后測定巖心的覆壓孔隙度和滑脫矯正后的氣體滲透率。對地層水或模擬地層水按照標準規(guī)定的方法進行過濾，計算地層水的密度。根據(jù)巖心孔隙度和地層水密度，計算地層初始含水飽和度下巖心飽和水質(zhì)量。使水潤濕性多孔纖維，在地層水中充分飽和，適當擰干，去除多孔纖維中的流動水。使用多孔纖維包裹巖心，每隔2 min測定1次巖心的質(zhì)量。使用多孔纖維包裹的方法，使巖心吸入1/2需要飽和質(zhì)量的水。

2）使用濕氣驅(qū)替法增加巖心內(nèi)部的含水飽和度。將氮氣瓶中的氮氣通過加入4/5水的中間容器，為氮氣加濕，然后使用濕潤氮氣驅(qū)替巖心，驅(qū)替流速應低于同區(qū)塊巖心速敏實驗中確定的臨界流速，實驗圍壓高于驅(qū)替壓力3 MPa。每隔10 min測定1次巖心的質(zhì)量，使用濕氣驅(qū)替的方法，將1/2需要飽和的水驅(qū)入巖心。

3）在氮氣瓶控壓閥后安裝脈沖控制設(shè)備，通過控壓閥，制造脈沖壓力。使用脈沖壓力，驅(qū)替達到初始含水飽和度的巖心，脈沖壓力的存在，可以加快巖心內(nèi)部水分分布均勻所需的時間。在正式實驗開始前，對脈沖壓力的最大值進行優(yōu)選。優(yōu)選的依據(jù)為脈沖壓力驅(qū)替的過程中，避免將巖心中的水分驅(qū)出。優(yōu)選實驗通過稱量不同最高脈沖壓力條件下，驅(qū)替巖心2 h。稱量脈沖壓力驅(qū)替前后巖心的質(zhì)量，巖心的質(zhì)量變化小于5%的驅(qū)替壓力，為脈沖壓力的最大值。通過優(yōu)選實驗，本論文中使用的脈沖壓力最大值為4 MPa。

3 巖心的飽和以及返排條件確定

3.1 巖心抽真空飽和時間的確定

為了保證實驗結(jié)果的可重復性，必須保證在抽真空飽和的過程中，每塊巖心被鉆井液濾液充分飽和。充分飽和所需的時間與巖心的體積、巖石成分、抽真空裝置的負壓大小有關(guān)。因此在使用抽真空飽和方法前，需要做飽和度隨時間的變化情況實驗，確定最低的飽和時間。取致密氣藏巖心，測定了飽和度隨時間的變化關(guān)系。所使用的抽真空飽和裝置在正常工作時的負壓值為0.05 MPa，所用的巖心取自同一區(qū)塊，長度和直徑都非常接近，以增加實驗的對比性。使用抽真空飽和裝置，對5塊巖心進行了抽真空飽和實驗，各巖心的含水飽和度隨時間的變化如圖1所示。

圖1 5塊巖心吸水量隨時間的變化曲線

從圖1可以看出，在使用本實驗裝置條件下，各巖心在飽和10 h之后，含水飽和度不再發(fā)生明顯的變化，因此將抽真空飽和時間定為10 h，能夠保證巖心被水相充分飽和。

3.2 實驗過程中返排時間的確定

抽真空飽和法測定致密巖心水鎖傷害程度要求將巖心抽真空飽和后，在一定驅(qū)替壓力下，將巖心驅(qū)替至束縛水飽和度，然后測定巖心的氣測滲透率變化，計算巖心的水鎖傷害程度。巖心從完全飽和狀態(tài)被驅(qū)替至束縛水飽和度狀態(tài)所需要的時間與巖心的長度、滲透率大小、驅(qū)替時巖心入口端與出口端的壓差有關(guān)。為了保證每組實驗污染后巖心的含水飽和度情況保持一致，在使用尺寸和滲透率相近巖心的前提下，需要對驅(qū)替壓力和驅(qū)替時間進行優(yōu)化。

3.2.1 驅(qū)替壓力的確定

其他條件不變的情況下，驅(qū)替壓力越大，氣體在巖心內(nèi)部的流動速度越快，巖心達到束縛水飽和度的時間越短。但是流速過快會對巖心造成速敏傷害。同時驅(qū)替壓力越大，所需要的圍壓越大，過大的圍壓會對巖心造成一定程度的應力敏感傷害。因此，首先需要確定巖樣的速敏情況，以確定臨界驅(qū)替壓力。

將巖心入口端的驅(qū)替氮氣壓力分別設(shè)置為1、2、3、3.5、4、4.5、5 MPa，根據(jù)巖心的長度，計算出各驅(qū)替壓力下的壓力梯度，然后測定巖心的氣體滲透率。測量過程中，將巖心所受的圍壓設(shè)定為高于驅(qū)替壓力2 MPa，固定凈圍壓值，減少圍壓對巖心滲透的影響。每個壓力下測定3組實驗，取其平均值，作為不同驅(qū)替壓力下巖心的氣體滲透率。

實驗結(jié)果顯示，致密巖心臨界壓力梯度較低，當驅(qū)替壓力超過1 MPa時滲透率傷害程度超過了20%。在驅(qū)替壓力為1～4 MPa時，巖心滲透率比較平穩(wěn)，壓力繼續(xù)增大，巖心滲透率會明顯下降。因此最佳驅(qū)替壓力為1～4 MPa之間。

表1 巖心氣體滲透率隨驅(qū)替壓力變化情況

3.2.2 驅(qū)替時間的確定

考慮到巖心驅(qū)替時間越長，由于蒸發(fā)效應導致的巖心含水飽和度變化越不可控。而且，流速越低毛細管力和巖心的末端效應對氣測滲透率造成的誤差越大[4]。所以將驅(qū)替壓力定為4 MPa，對巖心進行氣體返排實驗，測定了巖心內(nèi)部含水飽和度隨時間的變化關(guān)系。首先，將巖心烘干后測定了巖心的干重、充分飽和地層水后的濕重、巖心的長度、直徑，從而計算出巖心的孔隙體積，巖心基本信息見表2。其中使用的模擬地層水的密度為1.075 kg/m3。然后將巖心裝入巖心夾持器，圍壓加至6 MPa，測定了驅(qū)替 10、20、30、60、90、120、150、180 min時巖心的質(zhì)量，見表3。根據(jù)巖心的基本信息和實驗數(shù)據(jù)，可以計算出巖心內(nèi)部含水飽和度隨時間的變化趨勢，見圖2。

表2 使用巖心的基本信息

表3 巖心質(zhì)量隨時間的變化情況

由圖2可以看出，由于9#、10#巖心的滲透率比較接近，2塊巖心的含水飽和度變化趨勢也大致相同。11#巖心的滲透率較高，在使用4 MPa的驅(qū)替壓力驅(qū)替時，出口出水早于另外2塊巖心，在驅(qū)替40 min時，基本已經(jīng)達到平衡。3塊巖心，在驅(qū)替2 h后，基本上都達到了含水飽和度平衡。之后，巖心含水飽和度在蒸發(fā)效應的作用下，含水飽和度會繼續(xù)緩慢降低，但是變化幅度可以忽略。因此，當驅(qū)替壓力為4 MPa時，巖心需驅(qū)替2 h以上。

圖2 含水飽和度隨時間變化曲線

4 水鎖傷害程度評價

通過離心法，將取自神木4井6 649 m的聚磺鉆井液進行固液分離。然后使用0.22 μm濾膜對濾液進行抽濾，除去濾液中的微粒。使用上述指定的方法，將4塊巖心建立初始含水飽和度（儲層的初始含水飽和度為30%），并使用抽濾后的濾液對巖心進行水鎖傷害。實驗過程中，真空泵的負壓為0.05 MPa、抽真空飽和時間為10 h。抽真空飽和后，返排壓力為4 MPa，返排時間為2 h。分別測定了巖心的初始含水飽和度下和束縛水飽和度下巖心的氣體滲透率，評價巖心在聚磺鉆井液中受到的水鎖傷害程度。所用巖心參數(shù)見表4，實驗結(jié)果見圖3。如圖3所示，4個巖心的滲透率分布為0.011～0.057 mD，孔隙度分布為2.16%～5.41%，4個巖心水鎖傷害為54.83%～72.73%。整體趨勢為滲透率越低，潛在的水鎖傷害越嚴重。水鎖傷害主要是由于水相在儲層孔隙毛細管力的作用下產(chǎn)生的，毛細管力越強，水鎖傷害越嚴重。液體的毛細管力的計算公式如公式1所示：

式中，Pc為毛細管力，Pa；r為儲層巖石孔隙的毛管半徑，mm；σ為液體與巖石的之間的表面張力，mN/m。由毛細管力計算公式可知，當液體和巖石性質(zhì)確定后，σ和θ的值一定，毛細管力的大小取決于儲層巖石孔隙的毛細管半徑，r越小，毛細管力越嚴重。通過建立的水鎖傷害評價可知，巖心的滲透率越低，毛細管半徑越小，水鎖傷害越嚴重。上述實驗結(jié)果與水鎖傷害發(fā)生機理相匹配。因此這種方法能夠很好地評價儲層巖心的水鎖傷害程度。同時，使用以巖心初始含水飽和度下的氣體滲透率為基礎(chǔ)計算的水鎖傷害程度要低于基于巖心含水飽和度為0（充分干燥后）時的水鎖傷害程度（70%～90%）。

表4 巖心基本參數(shù)

圖3 巖心水鎖傷害程度

5 結(jié)論

1.使用抽真空飽和法能夠有效地測定致密巖心的水鎖傷害程度，以初始含水飽和度為基準測得致密砂巖氣藏巖心水鎖傷害程度為54.83%～72.73%，較常規(guī)方法測得的70%～90%低。

2.致密巖心通過抽真空的方法達到含水飽和度為100%所需要的時間與巖心的尺寸、物性有關(guān)。針對不同條件巖心，必須進行抽真空飽和時間優(yōu)化。本實驗使用巖心的飽和時間為10 h。

3.巖心返排時間與驅(qū)替壓力有關(guān)，驅(qū)替壓力在小于巖心應力敏感的臨界壓力的情況下取最高值，以降低由于蒸發(fā)效應導致的不確定性和氣測滲透率的準確性。本實驗使用巖心的返排壓力定為4 MPa，返排時間為2 h。

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