塔里木克深致密砂巖氣藏基質(zhì)鉆井液傷害評(píng)價(jià)

張路鋒，周福建，張士誠，汪杰，王晉

（中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)天然氣研究院·油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102200）

0 引言

全球分布的致密氣可采儲(chǔ)量達(dá)114萬億立方米，國內(nèi)致密砂巖氣藏資源也極為豐富，可采儲(chǔ)量可達(dá)9～13萬億立方米，約占全國天然氣資源可采資源量的22%。致密砂巖氣藏是未來重要的油氣勘探區(qū)域，具有良好的發(fā)展前景。由于致密砂巖氣藏具有低孔、低滲、高毛管力以及低含水飽和度的儲(chǔ)層特性，鉆井過程中會(huì)引起鉆井液侵入到儲(chǔ)層，可能引發(fā)儲(chǔ)層中有效孔隙的堵塞以及各種敏感性傷害，從而導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率降低，進(jìn)而降低儲(chǔ)層采收率，造成油氣藏開發(fā)效率低下[1-3]。塔里木克深區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)使用的鉆井液分為油基和水基兩類。與水基鉆井液相比，油基鉆井液具有抗高溫穩(wěn)定性強(qiáng)、抑制性強(qiáng)、潤(rùn)滑性好、防塌效果好、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是，油基鉆井液也存在以下不足：油相進(jìn)入地層使得有效流動(dòng)面積減小，表面活性劑使油層發(fā)生潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，降低油相滲透率、井眼凈化能力較差、配制成本較高等[4-6]。

目前，針對(duì)致密砂巖氣藏的鉆井液傷害評(píng)價(jià)研究還不成熟，國內(nèi)還是沿用常規(guī)儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)方法，通過室內(nèi)測(cè)定直徑為2.54 cm、長(zhǎng)度6 cm左右的小巖心滲透率在污染前后的變化來判斷儲(chǔ)層的傷害程度[7-8]。由于致密砂巖滲透率較低，常規(guī)巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)驅(qū)替壓差大、穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，并且實(shí)驗(yàn)過程易受到隨時(shí)間引起的溫度變化以及測(cè)量系統(tǒng)自身流量不精確而造成較大誤差[9]。從而，許多學(xué)者使用劈裂的巖心模擬鉆井液對(duì)儲(chǔ)層裂縫的傷害，不考慮鉆井液對(duì)基質(zhì)的傷害[10-11]。但是Cipolla等[12]研究表明，當(dāng)滲透率小于0.0001 mD，裂縫網(wǎng)絡(luò)對(duì)產(chǎn)能的極限貢獻(xiàn)在80%左右。也就是說，對(duì)于致密砂巖鉆井液對(duì)基質(zhì)的傷害不能忽略。因此，有必要開展鉆井液對(duì)基質(zhì)傷害的研究。

目前應(yīng)用最廣泛的超低滲巖心滲透率測(cè)量方法是非穩(wěn)態(tài)方法，包括壓力衰減法、壓力傳導(dǎo)法和周期震蕩法。壓力衰減法是由游利軍和康毅力等提出，并使用此方法評(píng)價(jià)了大牛地氣田盒3段儲(chǔ)層敏感性傷害[9]。周期振蕩法最早由Kranz等[13]借鑒熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量而提出，被運(yùn)用到測(cè)量低滲巖石的滲透率上。Fischer等[14]進(jìn)一步詳細(xì)闡述了周期振蕩法的理論背景，試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)處理。壓力傳導(dǎo)法是由 W.F .Brace等[15]在 1968 年首次提出，并用于測(cè)量Westerly花崗巖滲透系數(shù)，此外還給出了該方法的半解析解，但是其假設(shè)巖石孔隙度為零與實(shí)際巖心差別較大。隨后經(jīng)Hsieh和Dicker等人[16-18]修正改進(jìn)，使得此方法在石油行業(yè)得以廣泛應(yīng)用。

考慮到研究區(qū)塊儲(chǔ)層滲透率較低，基于學(xué)者們對(duì)壓力傳導(dǎo)方法研究的基礎(chǔ)上，利用自主設(shè)計(jì)研發(fā)的壓力傳導(dǎo)儀，定量分析了塔里木克深區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)使用的油基、水基鉆井液濾液對(duì)基質(zhì)的傷害規(guī)律，建立了低滲儲(chǔ)層基質(zhì)傷害評(píng)價(jià)的新方法。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 模型建立

圖1是瞬態(tài)壓力傳導(dǎo)方法測(cè)量巖心滲透率的物理模型示意圖，初始時(shí)刻巖樣下方容器中的壓力為Po，實(shí)驗(yàn)時(shí)巖樣上方始終以恒壓Pm驅(qū)替流體流動(dòng)。顯而易見，該物理模型是沿垂直方向的一維滲流問題[19-23]，據(jù)此可以建立一個(gè)用于求取致密低滲巖樣滲透率的數(shù)學(xué)模型[24-26]。

圖1 壓力傳導(dǎo)滲透率測(cè)定示意圖

根據(jù)滲流力學(xué)建立模型的方法與步驟，可知，巖心內(nèi)一維擴(kuò)散方程：

由于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并不需要測(cè)量巖樣x=L處的流速（出口流速）。因此，通過壓縮系數(shù)對(duì)公式（5）進(jìn)行修正：

1.2 模型求解

利用已有的邊界條件和初始條件，基于拉普拉斯變換，求解上述擴(kuò)散方程。

首先，將擴(kuò)散方程（1）變換到拉氏空間：

易知方程（7）為二階非齊次方程，因此，其通解為：

由于方程（8）中的系數(shù)C1和C2的值取決于邊界條件，為了求解系數(shù)C1和C2，必須將邊界條件變換成拉普拉斯形式。

邊界條件：

將邊界條件（9）帶入到方程（8），聯(lián)立求解，可以得到系數(shù)C1和C2：

因此，擴(kuò)散方程（7）的通解可表示成式（11）：

針對(duì)方程（11），使用Carslaw等[24]給出的解，如下所示：

由于參數(shù)φn極大地取決于巖樣的孔隙體積與下游容器體積之比，當(dāng)上述比值較小，方程在x=L時(shí)可簡(jiǎn)化成如下方程：

式中，P（L，t）是下游壓力隨時(shí)間變化，其值等于巖樣在x=L處的壓力，即巖樣下端面的壓力，MPa與時(shí)間曲線的斜率；L為巖樣的高度，cm。

2 目標(biāo)儲(chǔ)層

目標(biāo)儲(chǔ)層位于中國西北部塔里木盆地，埋藏深度超過6000 m，是典型的超高溫、 高壓儲(chǔ)層。目標(biāo)儲(chǔ)層厚度約為300 m，為分析其孔、 滲特征，鉆取273根巖心，進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)（見表1）。巖心孔隙度分布在1.5%～7.6%，平均孔隙度為4.1%；巖心滲透率分布為小于 0.000 1 mD～2.905 mD，平均滲透率為 0.055 mD。

表1 目標(biāo)儲(chǔ)層巖心孔隙度、滲透率分布頻率

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

3.1 壓力傳導(dǎo)滲透率儀

壓力傳導(dǎo)滲透率儀是由中國石油大學(xué)（北京）儲(chǔ)層改造中心自主研發(fā)，由Core-Lab公司制作，其主要由 ISCO 泵（排量范圍為 0.000 01～60 mL/min）、儲(chǔ)液罐、三孔巖心釜（巖心夾持器）、恒溫箱以及數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)等組成，見圖1。

圖2 壓力傳導(dǎo)滲透率儀（左）和三孔巖心釜（右）

3.2 實(shí)驗(yàn)用巖樣

實(shí)驗(yàn)中所使用的巖樣為塔里木克深儲(chǔ)層致密砂巖巖心，實(shí)驗(yàn)巖樣信息如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)巖樣

實(shí)驗(yàn)巖樣制備步驟如下：①使用線切割將從現(xiàn)場(chǎng)取回來的全直徑巖心，加工成3.6 cm×3.6 cm×15 cm的長(zhǎng)方體巖心柱；②將加工好的巖心柱放入聚碳酸脂塑料管正中間，使巖心柱與塑料管的幾何中心一致，倒入環(huán)氧樹脂膠，靜止24 h；③待環(huán)氧樹脂膠干后，將整個(gè)體系放入110 ℃的恒溫箱，加熱1 h，確保巖心柱與環(huán)氧樹脂膠膠結(jié)為一體；④最后，使用線切割將其切為一個(gè)個(gè)0.65 cm厚的薄片。巖樣實(shí)物圖見圖3。

圖3 巖樣實(shí)物圖

3.3 實(shí)驗(yàn)用鉆井液

塔里木克深致密砂巖儲(chǔ)層現(xiàn)場(chǎng)所用的鉆井液配方如下。

油基鉆井液 2%主乳化劑+3%輔乳化劑+2%有機(jī)土+2%氧化鈣+3%瀝青類降濾失劑+240 mL 0#柴油+ 60 mL氯化鈣溶液（20%）+加重材料

水基鉆井液 4%膨潤(rùn)土漿+9%SMP-2+3%SPNH+1%PAC+0.5%AP-220+4%FT-1+3%碳酸鈣+2% 氫氧化鈉+加重材料

3.4 實(shí)驗(yàn)步驟

①將煤油、鉆井液、標(biāo)準(zhǔn)鹽水裝入儲(chǔ)液罐中，巖樣放入三孔巖心釜中，連接好儀器，檢漏；②先上下游同時(shí)抽真空1 h，之后以一恒定壓力向下游注入煤油，壓力穩(wěn)定后記為下游初始?jí)毫o；③下游壓力穩(wěn)定后，以大于下游初始?jí)毫Φ暮愣▔毫m向上游注入煤油，并以Pm的流動(dòng)壓力持續(xù)流動(dòng)；④監(jiān)測(cè)下游壓力隨時(shí)間的變化，即P（L，t）；⑤繪與t的關(guān)系曲線，并求取曲線的斜率ζ，利用公式（13）計(jì)算初始滲透率k1；⑥使用氮?dú)馄亢銐候?qū)替工作液，使工作液在巖樣上游持續(xù)流動(dòng)3 h；⑦工作液傷害結(jié)束后，重復(fù)步驟②～⑤，可計(jì)算出傷害后的滲透率k2；⑧通過公式λd=（k1-k2）/k1×100%計(jì)算鉆井液對(duì)巖樣的傷害程度。

4 結(jié)果與討論

4.1 油基鉆井液傷害

裂縫性致密砂巖氣藏具有低孔低滲、裂縫發(fā)育、局部超低含水飽和度、高毛管壓力、地層壓力異常、高傷害潛力等特征，塔里木油田克深區(qū)塊具有以上所有特征，是典型的裂縫性致密砂巖氣藏。油基鉆井液在該區(qū)塊廣泛應(yīng)用，使用現(xiàn)場(chǎng)的油基鉆井液濾液開展了基質(zhì)傷害實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)巖心致密且黏土含量較高，容易受到水鎖、水敏等傷害。為了避免滲透率測(cè)量過程中，測(cè)試流體造成實(shí)驗(yàn)巖心滲透率降低，上游流體選擇煤油，為了消除砂巖的滲析作用，下游流體也選擇煤油。圖4、圖5是實(shí)驗(yàn)巖樣油基鉆井液傷害的壓力曲線，由于上下游存在滲透壓差以及水力作用，下游壓力會(huì)隨著時(shí)間逐漸上升，最終達(dá)到穩(wěn)定值，同時(shí)由于砂巖的半透膜效應(yīng)不明顯，下游壓力最終達(dá)到上游壓力水平。從圖4、圖5中可以看出，砂巖巖樣傷害前下游壓力上升速度較快，較短的時(shí)間壓力達(dá)到穩(wěn)定，傷害后下游壓力上升慢，下游壓力達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間較傷害前長(zhǎng)，說明鉆井液對(duì)砂巖基質(zhì)存在一定的傷害。

圖6、圖7是砂巖實(shí)驗(yàn)巖樣鉆井液傷害前后滲透率計(jì)算曲線。

圖4 油基鉆井液對(duì)KS-2#巖心傷害壓力傳導(dǎo)曲線

圖5 油基鉆井液對(duì)KS-2#巖心傷害壓力傳導(dǎo)曲線

圖6 油基鉆井液對(duì)KS-2#巖樣傷害滲透率計(jì)算曲線

圖7 油基鉆井液對(duì)KS-3#巖樣傷害滲透率計(jì)算曲線

通過擬合上下游實(shí)時(shí)壓差與初始?jí)翰钪鹊膶?duì)數(shù)值與時(shí)間的關(guān)系，可以得到斜率，利用公式（13）可以求出滲透率。易知KS-2#巖樣傷害前后滲透率分別為 0.65×10-3mD、0.45×10-3mD，傷害率30.77%；KS-3#巖樣傷害前后滲透率分別為1.025×10-3mD、0.7×10-3mD，傷害率為 31.71%。

4.2 水基鉆井液傷害

圖8、 圖9是克深砂巖巖樣受水基鉆井液傷害的壓力曲線，由于上下游存在滲透壓差以及水力作用，下游壓力會(huì)隨著時(shí)間逐漸上升，最終達(dá)到穩(wěn)定值。從圖8、圖9可以看出，與油基鉆井液傷害類似，克深致密砂巖傷害前下游壓力上升速度較快，較短的時(shí)間壓力達(dá)到穩(wěn)定，傷害后下游壓力上升慢，下游壓力達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間較傷害前長(zhǎng)，說明水基鉆井液對(duì)砂巖基質(zhì)也存在一定的傷害。

圖8 水基鉆井液對(duì)KS-4#巖樣壓力傳導(dǎo)曲線

圖9 水基鉆井液對(duì)KS-5#巖樣壓力傳導(dǎo)曲線

圖10、圖11是克深砂巖實(shí)驗(yàn)巖樣水基鉆井液傷害前后滲透率計(jì)算曲線。

圖10 水基鉆井液對(duì)KS-4#巖樣傷害滲透率計(jì)算曲線

圖11 水基鉆井液對(duì)KS-5#巖樣傷害滲透率計(jì)算曲線

由圖10、圖11可知，KS-4#巖樣傷害前后滲透率分別為 1.28×10-3、0.98×10-3mD，傷害率23.53%；KS-5#巖樣傷害前后滲透率分別為0.63×10-3mD、0.48×10-3mD，傷害率 23.81%。

5 結(jié)論

1.克深致密砂巖油基鉆井液平均傷害率為31.24%，水基鉆井液平均傷害率為23.67%。水基鉆井液對(duì)基質(zhì)傷害程度略低于油基鉆井液，但是現(xiàn)場(chǎng)使用什么類型的鉆井液需要綜合考慮。

2.實(shí)驗(yàn)中上下游壓力最終趨于一致，說明砂巖膜效應(yīng)不明顯。

3.僅僅評(píng)價(jià)了油基/水基鉆井液對(duì)儲(chǔ)層基質(zhì)的傷害，但瞬態(tài)壓力傳導(dǎo)方法并不局限與此。該方法還可以用來評(píng)價(jià)致密低滲儲(chǔ)層敏感性傷害。