高溫高壓下氣藏反滲吸水鎖傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法＊

楊志興，汪譽(yù)高，鹿克峰，郭 平，李玉杰，許馨月，陳自立

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海 200035；2.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?西南石油大學(xué)，四川 成都 610500）

＊［基金項(xiàng)目］本文成果由國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)資助（2016ZX05027-004-005）

在油、氣層開(kāi)發(fā)過(guò)程中，鉆井液、完井液、固井液和酸化壓裂液等外來(lái)流體侵入儲(chǔ)層后，會(huì)在油氣—水界形成一個(gè)凹向油相的彎液面。在表面張力的作用下，任何彎液面都會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)管阻力，作為潤(rùn)濕相的水將吸附于孔隙的內(nèi)壁，形成一個(gè)牢固的吸附層。半徑小于這一吸附層的小孔喉將被水相充滿，半徑較大的孔隙其壁面水膜厚度增大，吸附水將堵塞部分滲流通道。欲使儲(chǔ)層流體流向井筒，就必須克服這一毛細(xì)管阻力和流體流動(dòng)的摩擦阻力將這部分吸附水帶走。如果儲(chǔ)層能量不能克服這一附加的毛細(xì)管壓力，就不能把水的堵塞消除，最終將影響儲(chǔ)層的采收率，這種傷害稱(chēng)為“水鎖傷害”[1-4]。目前，水鎖損害的實(shí)驗(yàn)研究大多基于巖心分析方法中的滲透率測(cè)定方法[5]，研究者采用不同的實(shí)驗(yàn)條件和方法導(dǎo)致結(jié)果也不相同；也有采用回歸分析方法和預(yù)測(cè)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[6-7]。然而由于巖石孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和非均質(zhì)性，難以準(zhǔn)確定量判斷水鎖傷害。對(duì)水鎖效應(yīng)評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)方法有靜態(tài)巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法，即通過(guò)測(cè)定束縛水飽和度下的滲透率變化來(lái)評(píng)價(jià)水鎖效應(yīng)對(duì)滲透率的傷害；還有巖樣浸泡方法，即測(cè)試水鎖效應(yīng)對(duì)巖心有效滲透率的改變，以及賴(lài)南君[8]、朱國(guó)華[9]、張小琴[10]、孟英峰[11]、王良[12]等人的水鎖效應(yīng)測(cè)試方法。Jairam.Kamath等[13]建立了氣體驅(qū)替范圍和蒸發(fā)范圍內(nèi)的關(guān)于巖心氣體飽和度的公式，可以模擬計(jì)算出采用不用水鎖解除劑處理后巖心的氣體相對(duì)滲透率及飽和度等情況，從而可以評(píng)價(jià)水鎖嚴(yán)重性和水鎖解除劑的作用。B.Bazin等[14]利用X射線設(shè)備監(jiān)測(cè)巖心中流體侵入和返排時(shí)的氣水飽和度，通過(guò)測(cè)量不同飽和度下的巖心滲透率來(lái)評(píng)價(jià)水鎖的損害程度，這些實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法比較成熟，但并未在一個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)考慮水鎖效應(yīng)和水鎖氣解封啟動(dòng)壓力。本文在一般水鎖效應(yīng)測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，為了避免水敏傷害對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，測(cè)試過(guò)程用水全部采用按現(xiàn)場(chǎng)資料復(fù)配的地層水，并考慮氣藏實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程（高溫高壓），創(chuàng)新性的建立了同時(shí)測(cè)試水鎖效應(yīng)和水鎖氣解封啟動(dòng)壓力的新方法。

1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)前，將巖心抽空烘干后完全飽和地層水，先用氣體驅(qū)替巖心中地層水至不出水后測(cè)試此時(shí)氣相滲透率K1，然后從巖心出口端反向注入地層水至不出氣后，再正向第二次氣體驅(qū)替地層水至不出水后，測(cè)試巖心反排后的氣相滲透率K2，接著再一次從巖心出口端反向注入地層水至不出氣，最后降低出口壓力（回壓）測(cè)定水鎖氣解封出氣時(shí)的壓力，根據(jù)K1、K2差異確定巖心滲吸水鎖傷害程度。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)巖心

實(shí)驗(yàn)選取DH氣藏實(shí)際儲(chǔ)層巖心X3、X4、X5層各2塊，基本物性參數(shù)如表1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)流體

實(shí)驗(yàn)用氣選取氮?dú)?，為了避免發(fā)生水敏反應(yīng)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以，實(shí)驗(yàn)用水根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行復(fù)配，地層水參數(shù)見(jiàn)表2.

2.3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)溫度：模擬實(shí)際氣藏X3層溫度151.8℃，X4層溫度163.1℃，X5層溫度174.4℃。

實(shí)驗(yàn)初始?jí)毫Γ耗M地層實(shí)際壓力X3層37.1 MPa，X4層45.5 MPa，X5層54.1 MPa。

2.4 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

實(shí)驗(yàn)在自研異常高壓巖心驅(qū)替裝置上完成，包括巖心夾持器、恒溫箱、壓力表、高壓注入泵、回壓調(diào)節(jié)器、中間容器、水量計(jì)、自動(dòng)氣量計(jì)和冷凝器等。

實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖1.

表1 水鎖實(shí)驗(yàn)巖心物性參數(shù)

表2 地層水水樣分析報(bào)告

圖1 水鎖效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)流程圖

2.5 實(shí)驗(yàn)步驟

2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果整理后可得表3、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6.分析圖2和表3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，整個(gè)DH氣藏水鎖傷害程度變化范圍在6.54%～13.46%，其中X3層的平均水鎖傷害程度為9.26%，X4層為10.58%，X5層為13.20%.在水鎖測(cè)試中，當(dāng)壓力降低到某一壓力，水鎖氣剛開(kāi)始解封時(shí)，解鎖氣量就出現(xiàn)躍變，即瞬間有大量氣體從巖心中解鎖逸出，約占據(jù)總解鎖氣量的60%以上。

表3 水鎖實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

隨后調(diào)節(jié)回壓調(diào)節(jié)器繼續(xù)降低出口壓力，巖心中氣體解鎖逸出速度變緩，直至不再有氣體逸出。滲透率越大的巖心，水鎖后在殘余氣飽和度下降低回壓產(chǎn)出氣體越快，且產(chǎn)出氣量較多，解除水鎖啟動(dòng)壓力越小。

圖2 水鎖氣解封累積曲線

圖3 滲透率與傷害程度關(guān)系

圖4 滲透率與水鎖氣解封壓差關(guān)系

圖5 孔隙度與傷害程度關(guān)系

圖6 孔隙度與水鎖氣解封壓差關(guān)系

DH氣藏為低滲強(qiáng)非均質(zhì)氣藏，而低滲儲(chǔ)層普遍存在的水鎖傷害嚴(yán)重影響氣藏的勘探效率和開(kāi)發(fā)效益。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多認(rèn)為影響水鎖效應(yīng)的因素[15-17]有地層溫度、驅(qū)替壓力、驅(qū)替流體的黏度、氣測(cè)滲透率大小、孔隙結(jié)構(gòu)、界面張力、巖石潤(rùn)濕性、黏土礦物種類(lèi)和含量等。此次實(shí)驗(yàn)是在儲(chǔ)層實(shí)際溫度壓力下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)流體也是選用現(xiàn)場(chǎng)復(fù)配地層水，實(shí)驗(yàn)巖心選用的是實(shí)際儲(chǔ)層巖心，因此，可以排除以上部分影響因素，重點(diǎn)討論巖心物性、巖石潤(rùn)濕性和界面張力對(duì)水鎖效應(yīng)的影響。

從圖3、圖4、圖5、圖6中可以看出，水鎖傷害程度與實(shí)驗(yàn)巖心滲透率的相關(guān)性比較強(qiáng)，滲透率越大，傷害程度越小，水鎖氣解封啟動(dòng)壓差越小。傷害程度與孔隙度也具有一定的相關(guān)性，總趨勢(shì)是隨著孔隙度的增加傷害程度變小，水鎖氣解封啟動(dòng)壓差變小，但相關(guān)性比較差。

2.6.1 巖石物性

由DH氣藏的儲(chǔ)層基礎(chǔ)物性特征研究可知，儲(chǔ)層X(jué)3層孔隙發(fā)育程度比較差，滲透性比較差，屬于低孔隙度低滲透率儲(chǔ)層，而X4、X5儲(chǔ)層巖心全部處于特低孔隙度特低滲透范圍，分析表明其從物性上屬于致密氣藏儲(chǔ)層。由于低滲透儲(chǔ)層存在特有的細(xì)吼喉道，使得其毛管壓力比較大，水鎖效應(yīng)也會(huì)隨之增強(qiáng)。

2.6.2 界面張力

低滲儲(chǔ)層以其特殊的孔喉結(jié)構(gòu)導(dǎo)致毛管壓力比較大，當(dāng)?shù)貙铀秩雰?chǔ)層孔隙時(shí)，液相的界面張力越大，對(duì)儲(chǔ)層的滲透率傷害越大，而且還會(huì)加大驅(qū)替壓力。在同一儲(chǔ)層物性條件下，氣水界面張力越高，水鎖效應(yīng)也就越明顯。

2.6.3 巖石潤(rùn)濕性

低滲氣藏水鎖傷害程度明顯，主要是因?yàn)樗嘣趦?chǔ)層巖心孔隙中的聚集或者留滯。由于儲(chǔ)層巖石具有較強(qiáng)的水濕性，所以，當(dāng)?shù)貙铀俅芜M(jìn)入巖心后會(huì)形成更高的束縛水飽和度，很多學(xué)者也會(huì)拿其值與巖心首次驅(qū)替的束縛水飽和度之差作為衡量?jī)?chǔ)層水鎖傷害的指標(biāo)之一。

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，水鎖效應(yīng)是當(dāng)?shù)貙铀魅霂r心后，含水飽和度增大，使得氣體滲流通道減小，最終導(dǎo)致儲(chǔ)層氣相滲透率下降。實(shí)驗(yàn)初始階段，氣相作為儲(chǔ)層中的非濕相必然占據(jù)巖心孔隙中的大孔道地帶，而地層水作為儲(chǔ)層中的濕相，在巖心孔隙中的小孔道分布，呈現(xiàn)平衡狀態(tài)，此為巖心初始狀態(tài)。第一次水驅(qū)氣開(kāi)始后，地層水進(jìn)入巖心，在表面張力的作用下，作為濕相的地層水極易進(jìn)入巖心孔隙。由實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知，DH低滲氣藏儲(chǔ)層具有強(qiáng)非均質(zhì)性，實(shí)驗(yàn)巖心顆粒小，比表面大，這樣由于毛管力作用的存在，地層水容易被吸吮至巖心孔隙喉道。第二次氣驅(qū)水結(jié)束后巖心內(nèi)所含地層水實(shí)際上是束縛水，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，此時(shí)的巖心含水飽和度遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)初始所建立的巖心束縛水飽和度。這就說(shuō)明，有一部分地層水被束縛在巖心中。束縛在巖心中的地層水會(huì)破壞巖心孔隙中天然氣的連續(xù)性，致使一部分氣體滯留在巖心中無(wú)法采出，從而造成水鎖傷害。

3 結(jié)論

本文改進(jìn)以往水鎖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，創(chuàng)新性地建立了測(cè)試水鎖傷害程度和水鎖氣解封啟動(dòng)壓差的實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置及方法，在實(shí)際儲(chǔ)層高溫高壓條件下進(jìn)行水鎖效應(yīng)測(cè)試。通過(guò)對(duì)DH氣藏水鎖傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：①通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知，整個(gè)DH氣藏水鎖傷害程度變化范圍在6.54%～13.46%，其中，X3層的平均水鎖傷害程度為9.26%，X4層為10.58%，X5層為13.20%，水鎖傷害程度為中等偏弱。②巖石潤(rùn)濕性、滲透率是影響水鎖損害程度的主要因素，而水鎖效應(yīng)與孔隙度的相關(guān)性不大。從實(shí)驗(yàn)所測(cè)的結(jié)果來(lái)看，滲透率越低的巖心巖石水濕性越強(qiáng)，其水鎖損害程度越大，水鎖氣解封啟動(dòng)壓差越小。③滲透率越大的巖心，水鎖后在殘余氣飽和度時(shí)降低回壓產(chǎn)出氣體越快，且產(chǎn)出氣量比較多，解除水鎖啟動(dòng)壓力越小。④實(shí)驗(yàn)巖心比較短，實(shí)驗(yàn)測(cè)得水鎖氣解封啟動(dòng)壓差在0.3～3.7 MPa之間，測(cè)試技術(shù)條件有限，啟動(dòng)壓力梯度過(guò)大，如何精確確定還需要進(jìn)一步研究，水鎖后解除水鎖的難度比較大，采出程度大大降低，因此，要科學(xué)設(shè)計(jì)，盡量避免氣藏水淹。

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