儲(chǔ)氣庫(kù)碳酸鹽巖裂隙微粒運(yùn)移實(shí)驗(yàn)?zāi)M

游利軍，邵佳新，王 都，王 漢，康毅力，陳明君

(1.西南石油大學(xué)，四川 成都；2.中國(guó)石油西南油氣田分公司，四川 成都)

0 引 言

儲(chǔ)氣庫(kù)注采過(guò)程中儲(chǔ)層孔隙壓力的交替變化導(dǎo)致有效應(yīng)力變化，從而引發(fā)裂縫產(chǎn)生應(yīng)力敏感，且不同尺度的裂縫是工作液漏失和微粒運(yùn)移的潛在通道。微粒運(yùn)移會(huì)堵塞儲(chǔ)氣庫(kù)的注采通道，影響注采效率。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)油氣層中微粒運(yùn)移進(jìn)行了大量研究：崔傳智等[1]研究了低礦化度水驅(qū)的微粒運(yùn)移機(jī)理，分析了注入水礦化度、離子價(jià)型對(duì)黏土微粒受力與運(yùn)移量的影響，并建立了微粒運(yùn)移量與滲透率損害程度之間的關(guān)系；Crusebeck和Collins[2]研究發(fā)現(xiàn)，流體流速高于臨界流速時(shí)，儲(chǔ)層滲透率明顯受到影響；劉浩伽等[3]分析水合物前緣和分解區(qū)內(nèi)部地層砂粒的受力情況，建立了松散沉積物中地層砂粒啟動(dòng)臨界流速的計(jì)算模型；Reza等[4]利用SiO2納米流體開展了巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，SiO2納米流體會(huì)增加孔壁的粗糙度，增大顆粒與孔壁間的吸引力，克服水動(dòng)力排斥力，從而達(dá)到控制儲(chǔ)層中的微粒運(yùn)移；吳建平等[5]通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、礦場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算分析了微粒運(yùn)移對(duì)礫石充填層滲透率、附加壓降的影響；Muecke等[6]分析了儲(chǔ)層孔隙中微粒運(yùn)移的控制因素。以往學(xué)者多采用地層水進(jìn)行油氣層微粒運(yùn)移實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，鮮有針對(duì)高流速下的微粒運(yùn)移實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。選用氣體作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，更加符合儲(chǔ)氣庫(kù)由枯竭型氣藏改建而成的特點(diǎn)；且儲(chǔ)氣庫(kù)具有強(qiáng)注強(qiáng)采、注采流速高的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)際注氣壓力梯度和有效應(yīng)力，可更加客觀地反應(yīng)儲(chǔ)氣庫(kù)的實(shí)際注采情況。因此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)氣庫(kù)注采情況，選取西南地區(qū)YX儲(chǔ)氣庫(kù)碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖心，分析了模擬注采壓力增加時(shí)干燥巖心和含水巖心誘發(fā)微粒運(yùn)移的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)巖心取自中國(guó)西南地區(qū)YX儲(chǔ)氣庫(kù)碳酸鹽巖儲(chǔ)層，埋深為2 300～2 600 m，地層溫度為62.23 ℃，儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)容為40.5×108m3，墊底氣量為17.7×108m3，工作氣量為22.8×108m3[2]。研究區(qū)為孔隙-裂縫型碳酸鹽巖儲(chǔ)層，裂縫是儲(chǔ)集空間和重要的滲流通道，因此，采用巴西劈裂法對(duì)基塊巖樣進(jìn)行人工造縫后開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)巖心具體參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括氣瓶、巖心夾持器、圍壓系統(tǒng)、質(zhì)量流量計(jì)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

表1 實(shí)驗(yàn)巖樣物性參數(shù)Table 1 Physical properties of experimental core samples

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1) 碳酸鹽巖應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟：①將處理好的干燥巖心放入巖心夾持器，在有效應(yīng)力為40.0 MPa下進(jìn)行老化處理；②測(cè)試有效應(yīng)力依次為2.0、10.0、20.0、30.0、35.0、45.0、50.0、60.0 MPa下的巖心滲透率；③采用應(yīng)力敏感系數(shù)法[7]進(jìn)行應(yīng)力敏感程度評(píng)價(jià)。

(2) 碳酸鹽巖氣體速敏實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟：①將干燥巖心和蒸餾水浸泡12 h的巖心造縫后，放入巖心夾持器中，加高圍壓，靜置4 h，消除應(yīng)力敏感；②保持圍壓始終大于入口壓力2.0 MPa，測(cè)試壓力梯度為0.010、0.035、0.060、0.100、0.150、0.200、0.300、0.400、0.800、1.600、2.000 MPa/cm的滲透率；③確定臨界流壓梯度點(diǎn)。

(3) 模擬注采壓力增加時(shí)干燥巖心與含水巖心的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)(簡(jiǎn)稱流動(dòng)實(shí)驗(yàn))。實(shí)驗(yàn)前保持高圍壓以消除應(yīng)力敏感，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用高純N2作為氣測(cè)介質(zhì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性回歸以消除或減小氣體滑脫效應(yīng)的影響。干燥巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)步驟：①將基塊巖心進(jìn)行烘干、造縫等預(yù)處理；②保持圍壓為40.0 MPa，靜置4 h消除應(yīng)力敏感；③保持有效應(yīng)力為40.0 MPa，測(cè)定實(shí)驗(yàn)前巖心滲透率，記為基準(zhǔn)滲透率；④保持有效應(yīng)力恒定為40.0 MPa，測(cè)定入口壓力依次為1.5、2.0、4.0、8.0、10.0 MPa時(shí)的滲透率；⑤通過(guò)濁度儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上述巖心出口端燒杯中蒸餾水濁度。含水巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)步驟：①將基塊巖心烘干后，在蒸餾水中浸泡12 h后進(jìn)行人工造縫；②保持圍壓為40.0 MPa，靜置4 h消除應(yīng)力敏感；③保持有效應(yīng)力為40.0 MPa，測(cè)定實(shí)驗(yàn)前巖心滲透率，記為基準(zhǔn)滲透率；④保持有效應(yīng)力恒定為40.0 MPa，測(cè)定入口壓力依次為1.5、2.0、4.0、8.0、10.0 MPa時(shí)的滲透率。采用SEM對(duì)模擬注采壓力增加時(shí)實(shí)驗(yàn)前后的巖心裂縫壁面進(jìn)行觀察分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 碳酸鹽巖應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)

圖1為有效應(yīng)力與滲透率關(guān)系。由圖1可知，隨著有效應(yīng)力的增加滲透率整體降低，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在滲透率增加的情況。2塊裂縫巖心的應(yīng)力敏感系數(shù)分別為0.20和0.34，應(yīng)力敏感程度為弱—中等偏弱。

圖1 有效應(yīng)力與滲透率的關(guān)系Fig.1 Relationship between effective stress and permeability

2.1.2 碳酸鹽巖氣體速敏實(shí)驗(yàn)

圖2為干燥巖心和含水巖心氣體速敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表2為氣體速敏實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果。由表2可知，干燥巖心和含水巖心的平均滲透率損害率分別為47.71%和66.25%，速敏程度為中等偏弱—中等偏強(qiáng)和中等偏強(qiáng)—強(qiáng)。在速敏實(shí)驗(yàn)前加高圍壓以消除應(yīng)力敏感，保證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。臨界流壓梯度是指在該流壓梯度下已發(fā)生微粒運(yùn)移，由表2可知，微粒更易在干燥情況下發(fā)生運(yùn)移。由圖2可知，干燥巖心和含水巖心速敏實(shí)驗(yàn)的滲透率整體呈降低的趨勢(shì)。

圖2 干燥巖心和含水巖心氣體速敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Gas velocity sensitivity test of cry and water-bearing core samples

表2 氣體速敏實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)Table 2 Experimental evaluation of gas velocity sensitivity

2.1.3 流動(dòng)實(shí)驗(yàn)滲透率測(cè)試

表3為干燥巖心和含水巖心滲透率損害實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表3可知，干燥巖心和含水巖心隨著注采壓力增加，滲透率均降低，干燥巖心的平均滲透率損害率為77.00%，含水巖心的平均滲透率損害率為84.00%。

表3 巖心滲透率損害實(shí)驗(yàn)Table 3 Permeability loss test of core samples

2.2 討論

2.2.1 注采壓力對(duì)微粒運(yùn)移的影響

圖3為流動(dòng)實(shí)驗(yàn)的巖心滲透率變化及滲透率與濁度關(guān)系。由圖3可知，干燥巖心隨注采壓力增大，滲透率先波動(dòng)，再減小，并趨于平緩，表明注采壓力增加導(dǎo)致滲透率敏感性增強(qiáng)。這是因?yàn)殡S注采壓力增加，微粒脫落并發(fā)生運(yùn)移，導(dǎo)致滲流通道橋接堵塞。模擬注采壓力增大時(shí)干燥巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，YX-2的裂縫寬度小于YX-1和YX-3，滲透率減小后保持不變，再次減小后趨于平緩，表明微粒與裂縫匹配關(guān)系較好(圖3a)，而3塊巖樣滲透率的變化特征各異。模擬注采壓力增大時(shí)含水巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，3塊巖心滲透率整體減小，滲透率變化特征相似(圖4a)。碳酸鹽巖基塊致密，毛管力強(qiáng)，水浸泡后的巖心中飽和大量水，巖心人工造縫后裂縫壁面微粒表面存在水膜。水膜的厚度很小，但巖石比表面大，對(duì)微粒起到較強(qiáng)的束縛作用，一旦微粒在裂縫內(nèi)形成封堵層便很難被破壞[8]。

濁度是一種光學(xué)效應(yīng)，是指水中懸浮物透過(guò)光線時(shí)所發(fā)生的阻礙度，反映蒸餾水中微粒的濃度[9]。由圖3b可知，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中巖樣出口端的濁度發(fā)生波動(dòng)，表明發(fā)生微粒運(yùn)移。含水巖心的滲透率隨著注采壓力的增加而降低(圖4a)，且滲透率和濁度之間呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)性，即部分滲透率的降低伴隨著濁度的升高(圖4b)。

圖3 注采壓力增加時(shí)干燥巖心滲透率變化及滲透率與濁度關(guān)系Fig.3 Dry core sample permeability and permeability turbidity relationship with an increase of injection-production pressure

圖4 注采壓力增加時(shí)含水巖心滲透率變化及滲透率與濁度關(guān)系Fig.4 Water-bearing core sample permeability and permeability turbidity relationship under an increase of injection-production pressure

2.2.2 流動(dòng)實(shí)驗(yàn)前后裂縫壁面結(jié)構(gòu)特征

孔喉和裂縫內(nèi)微粒的脫落和運(yùn)移導(dǎo)致滲透率降低[10]。實(shí)驗(yàn)前干燥巖心和含水巖心裂縫表面均存在較少微粒和松散結(jié)構(gòu)(圖5a、b)，而實(shí)驗(yàn)后干燥巖心和含水巖心裂縫表面出現(xiàn)了較多的微粒(圖5c、d)。這表明當(dāng)注采壓力梯度超過(guò)臨界壓力梯度時(shí)，裂縫壁面的微粒在氣體的拖拽作用下發(fā)生拉張破壞，微粒脫落，當(dāng)裂縫壁面有高速氣流通過(guò)時(shí)，脫離裂縫壁面的微粒會(huì)以漂浮、跳躍或蠕動(dòng)3種形式移動(dòng)[11]，并在二次沉積過(guò)程中撞擊壁面，將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壁面砂粒的動(dòng)能，進(jìn)一步促進(jìn)微粒脫落。儲(chǔ)層巖石在含水和干燥情況下的力學(xué)參數(shù)存在差異，巖石孔隙或微裂隙的水與巖石結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)后，力學(xué)性質(zhì)會(huì)弱化，加之以較大的壓力梯度驅(qū)替，微粒運(yùn)移會(huì)更加顯著，應(yīng)避免鉆完井過(guò)程中工作液濾液侵入儲(chǔ)層，防止其弱化巖石強(qiáng)度，加劇微粒運(yùn)移。注采過(guò)程中的驅(qū)替和蒸發(fā)作用導(dǎo)致巖心含水飽和度降低，巖石由濕變干，干濕交替會(huì)弱化微粒之間的相互作用，引起孔隙度和微粒形態(tài)等微觀結(jié)構(gòu)改變，宏觀表現(xiàn)為巖石力學(xué)性質(zhì)的降低[12]；同時(shí)注氣過(guò)程中汽化攜液作用帶走裂縫壁面大量水相，裂縫表面的微粒黏結(jié)力降低，當(dāng)注氣壓力梯度大于臨界壓力梯度時(shí)，微粒的平衡狀態(tài)更易被打破，微粒在氣體的拖拽作用下發(fā)生脫落并運(yùn)移，改變微粒的沉積方式，堵塞滲流通道[13]。

圖5 注氣壓力增加下干燥巖心與含水巖心裂縫壁面掃描電鏡圖像Fig.5 Scanning electron microscopy images of fracture surface for the dry and water-bearing core samples under an increase of injection-production pressure

2.2.3 有效應(yīng)力對(duì)微粒運(yùn)移的影響機(jī)理

圖6為巖心YX-A應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)前后裂縫壁面掃描電鏡圖像。由圖6可知，實(shí)驗(yàn)前裂縫表面存在致密結(jié)構(gòu)和少量孔隙(圖6a—c)。有效應(yīng)力加載過(guò)程中，巖心裂縫壁面發(fā)生破壞，裂縫壁面產(chǎn)生微粒(圖6d—f)，為微粒運(yùn)移提供微粒來(lái)源，同時(shí)，巖心裂縫壁面發(fā)生破壞時(shí)產(chǎn)生了微裂縫(圖6d—f)，增加了裂縫的導(dǎo)流能力，從而隨著有效應(yīng)力增大，導(dǎo)致滲透率增加(圖1)。

圖6 應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)前后裂縫壁面掃描電鏡圖像Fig.6 Scanning electron microscopy images of fracture surface before and after stress sensitivity test

2.2.4 微粒運(yùn)移對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)多尺度注采的影響

儲(chǔ)氣庫(kù)碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育有不同尺度的孔隙和裂縫，決定了儲(chǔ)氣庫(kù)注采過(guò)程中氣體運(yùn)移的多尺度特性。氣體運(yùn)移遵循先從基塊到天然裂縫的解吸或擴(kuò)散，再?gòu)奶烊涣芽p到水力壓裂人工縫的滲流過(guò)程，最后流入井筒[14-15]。微粒運(yùn)移對(duì)裂縫寬度較小的巖心滲透性影響較大，且不同寬度裂縫巖心的滲透率變化特征存在差異，即微粒運(yùn)移對(duì)不同尺度的孔縫影響存在差異，進(jìn)而影響儲(chǔ)氣庫(kù)注采過(guò)程中氣體運(yùn)移的多尺度特性。碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育納米和微米級(jí)孔洞和微裂縫，微粒易將其橋接堵塞，因此，對(duì)氣體從碳酸鹽巖儲(chǔ)層基塊到天然裂縫的擴(kuò)散過(guò)程影響較大。而對(duì)于毫米或厘米級(jí)的裂縫，微粒不易橋接堵塞，氣體從天然裂縫到水力壓裂人工縫的滲流過(guò)程受到較小的影響。儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際注采過(guò)程中，注采壓差導(dǎo)致微粒運(yùn)移，產(chǎn)生的大量微粒會(huì)影響儲(chǔ)氣庫(kù)的多尺度注采。

3 結(jié) 論

(1) 注采壓力增加實(shí)驗(yàn)中的壓力梯度遠(yuǎn)大于氣體速敏實(shí)驗(yàn)中巖心發(fā)生速敏時(shí)(微粒運(yùn)移)的臨界壓力梯度，巖心應(yīng)力敏感程度為弱—中等偏弱。注采壓力增加時(shí)干燥巖心和含水巖心平均滲透率損害率分別為77%和84%。

(2) 裂縫壁面的微粒在高速氣流的拖拽作用下發(fā)生拉張破壞和有效應(yīng)力下巖石被破壞是微粒運(yùn)移的重要誘發(fā)機(jī)制，含水情況下巖石強(qiáng)度弱化，會(huì)強(qiáng)化微粒運(yùn)移，且在有效應(yīng)力增大時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多微粒。

(3) 建議避免鉆完井過(guò)程中工作液濾液侵入儲(chǔ)層和減少注入氣的含水量，防止巖石強(qiáng)度弱化；合理控制注采壓力，從而減小微粒運(yùn)移對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)多尺度注采的影響。