致密儲層速度敏感性傷害機(jī)理研究

李鑫羽，歐陽傳湘，曹杰，趙鴻楠，曾羽佳

油氣田開發(fā)

致密儲層速度敏感性傷害機(jī)理研究

李鑫羽，歐陽傳湘，曹杰，趙鴻楠，曾羽佳

（長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

北部構(gòu)造帶侏羅系阿合組吐格爾明段的速度敏感性實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出明顯的差異特征，以往傷害機(jī)理歸咎于儲層內(nèi)的顆粒運(yùn)移等因素，本次實(shí)驗(yàn)從速度敏感性實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)仍是在儲層產(chǎn)生力的作用這一觀點(diǎn)，設(shè)計(jì)兩種不同的實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行分析對比，結(jié)合CT掃描、鑄體薄片等方法進(jìn)行微觀驗(yàn)證。研究表明：在速度敏感性實(shí)驗(yàn)中，TD-1不可逆損害率為48.62%，JE-1不可逆損害率為7.31%，TD-1巖心的無因次滲透率差值逐漸增大，而JE-1巖心的無因次滲透率差值先增大后減小，且在兩種不同的應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)中可觀察出近似的下降趨勢；此外，根據(jù)最大球孔隙網(wǎng)絡(luò)提取算法結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在0.40 MPa進(jìn)口壓力下，平均裂縫開度為9.36 μm，進(jìn)口壓力增加到7.83 MPa時(shí)，平均裂縫開度為5.71 μm；分析巖心、巖石薄片、掃描電鏡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，巖屑組分及晶間孔等因素也是造成速度敏感性損害的主要因素，原因在于這類因素易受到力的作用造成敏感性實(shí)驗(yàn)中滲透率發(fā)生顯著變化現(xiàn)象。

速度敏感性；微粒運(yùn)移；晶間孔；巖屑組

從表面上看，學(xué)者們認(rèn)為速敏效應(yīng)是由通過儲層流體的流速變化所致，其本質(zhì)是由顆粒運(yùn)移導(dǎo)致滲透率變化的現(xiàn)象。張春華[1]等在實(shí)驗(yàn)中所選取的一個(gè)巖心初始滲透率為5.2×10-4μm，而滲透率損害率曲線遠(yuǎn)高于其他初始滲透率較高的巖心，認(rèn)為低滲透巖心滲透率越低，滲透率損傷越嚴(yán)重，橋堵和卡堵對滲透率傷害越大。張浩[2]等氮?dú)馑倜魧?shí)驗(yàn)評價(jià)結(jié)果顯示，在巖心干燥的條件下，采用氮?dú)怛?qū)替干巖樣時(shí)，對致密砂巖的微粒沖刷作用有限，不會帶來嚴(yán)重的速敏損害。石京平[3]等從力學(xué)上分析，流速增大，水動力增大，當(dāng)水動力大于微粒的范德華引力和雙電層斥力之和時(shí)，將使微粒從砂粒表面釋放、脫離，隨著水動力運(yùn)移而造成地層傷害。

故此，筆者認(rèn)為速度敏感性的成因歸根到底仍是存在作用在儲層上的力。為此選取北部構(gòu)造帶侏羅系阿合組吐格爾明段的巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)兩種實(shí)驗(yàn)方式，采用高致密儲層、低流速范圍等實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，盡量避免高流速導(dǎo)致的顆粒運(yùn)移，后采用CT掃描、鑄體薄片等方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 速度敏感性評價(jià)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1）選取塔里木吐格爾明段不同井位致密砂巖，使圍壓保持在3 MPa。

2）選擇流速為0.05、0.07、0.10、0.15、0.20、0.30 mL·min-1，每段流速均保30 min以上，記錄巖心滲透率；與此同時(shí)，并記錄每段流速時(shí)的進(jìn)口壓力，并觀察滲透率變化。

3）實(shí)驗(yàn)一：根據(jù)速度敏感性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)步驟調(diào)整，流速設(shè)置為0.05、0.07、0.10、0.15、0.20、0.30、0.20、0.15、0.10、0.07、0.05 mL·min-1，觀察巖心滲透率的變化。

4）實(shí)驗(yàn)二：選出3塊出自同一巖樣的巖心，一塊巖心進(jìn)行速度敏感性實(shí)驗(yàn)，流速設(shè)置為0.05、0.07、0.10、0.15、0.20、0.30 mL·min-1；第二塊巖心進(jìn)行速度敏感性實(shí)驗(yàn)，主要是依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]《儲層敏感性流動實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法》（SY/T 5358—2010），設(shè)定應(yīng)力敏感性的圍壓為2、3、5、7 MPa；第三塊塊巖心根據(jù)第一塊巖心實(shí)驗(yàn)時(shí)其流速的進(jìn)口壓力進(jìn)行應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)，觀察兩塊巖心滲透率的變化。

5）根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)總結(jié)，得出結(jié)論。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

1.2.1 實(shí)驗(yàn)一

選自北部構(gòu)造帶侏羅系阿合組依南4井TD-1巖心和依深4井JE-1巖心，實(shí)驗(yàn)步驟如上所述，進(jìn)行速度敏感性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。將引起巖心滲透率下降的流速確定為臨界流速，可確定 圖1中兩塊巖心均存在使?jié)B透率下降的流速，實(shí)質(zhì)是流體的流速破壞黏土礦物微結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定場，造成黏土礦物等物質(zhì)的脫落與運(yùn)移，產(chǎn)生儲層孔喉堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致儲層滲透率下降，故大量學(xué)者認(rèn)為微粒運(yùn)移而造成的地層損害是不可逆的。然而本次實(shí)驗(yàn)的2塊巖心均存在隨流速增大滲透率逐漸減小，而后隨流速減小滲透率逐漸恢復(fù)現(xiàn)象，且TD-1不可逆損害率為48.62%，JE-1不可逆損害率為7.31%，并不符合以上結(jié)論。此外，控制最高流速在 0.30 mL·min-1內(nèi)，在減小流速的過程會產(chǎn)生不可逆損害，造成不同的恢復(fù)程度，可觀察到同一流速時(shí)，TD-1巖心的無因次滲透率差值逐漸增大，而JE-1巖心的無因次滲透率差值先增大后減小。

圖1（a） TD-1巖心速敏無因次滲透率變化曲線

圖1（b） JE-1巖心速敏無因次滲透率變化曲線

1.2.2 實(shí)驗(yàn)二

選自速度敏感性實(shí)驗(yàn)后巖心滲透率變化不同的兩種形式（如圖2（a）、圖3（a）所示），對來自同一塊巖樣的兩塊巖心做不同梯次有效應(yīng)力的應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)，一塊巖心的有效應(yīng)力示數(shù)選自根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5358—2010和流速為0.3 mL·min-1時(shí)接近的進(jìn)口壓力為截止有效應(yīng)力（如圖2（b）b、圖3（b）所示），另一塊巖心的有效應(yīng)力由速度敏感性實(shí)驗(yàn)時(shí)流速對應(yīng)的進(jìn)口壓力進(jìn)行對應(yīng)（如圖2（c）、圖3（c）所示），目的在于對比各個(gè)巖心無因次滲透率下降的趨勢及大小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下，在速度敏感性實(shí)驗(yàn)中，隨流速增大，巖心受到進(jìn)口壓力不斷增大，如同巖心受到一股橫向的應(yīng)力，導(dǎo)致巖心顆粒受到擠壓，造成顆粒運(yùn)移等塑性形變及裂縫收縮等彈性形變現(xiàn)象。

圖2（a） TD巖心速敏無因次滲透率變化曲線

圖2（b） TD巖心應(yīng)力敏無因次滲透率變化曲線

圖2（c） TD巖心應(yīng)力敏無因次滲透率變化曲線

此外，圖2中TD巖心的兩種應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)均呈現(xiàn)出“先急后緩”的下降趨勢，圖3中JE巖心的兩種應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出近乎一致的下降特點(diǎn)，可推測出造成巖心速度敏感性實(shí)驗(yàn)滲透率下降的原因并非是顆粒運(yùn)移堵塞喉道等單一因素，速度敏感性實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的作用力也是造成巖心滲透率下降的原因之一。

圖3（a） JE巖心速敏無因次滲透率變化曲線

圖3（b） JE巖心應(yīng)力敏無因次滲透率變化曲線

圖3（c） JE巖心應(yīng)力敏無因次滲透率變化曲線

2 機(jī)理分析

2.1 儲層儲集空間類型

北部構(gòu)造帶侏羅系阿合組吐格爾明段儲集空間復(fù)雜多樣，成巖成因是對儲層敏感性造成影響的主要因素，故此在儲層內(nèi)含有大量微孔隙和晶間孔，導(dǎo)致儲層內(nèi)存在非均質(zhì)特性，表現(xiàn)出連通性較差、發(fā)育不均勻等特點(diǎn)。剖析致密儲層速度敏感性成因，可通過CT掃描對處于不同流速時(shí)的微觀裂縫進(jìn)行觀察（如圖4所示），然后根據(jù)最大球孔隙網(wǎng)絡(luò)提取算法對CT原位掃描結(jié)果進(jìn)行定量化計(jì)算，從而分析裂縫閉合收縮程度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0.40 MPa進(jìn)口壓力下，平均裂縫開度為9.36 μm，進(jìn)口壓力增加到7.83 MPa時(shí)，平均裂縫開度為5.71 μm，其結(jié)果驗(yàn)證了致密儲層速度敏感性實(shí)驗(yàn)會引起裂縫閉合現(xiàn)象。

圖4（a） 0.4 MPa進(jìn)口壓力CT掃描圖像

圖4（b） 7.83 MPa進(jìn)口壓力CT掃描圖像

2.2 儲層巖石礦物成分

圖5為砂巖礦物成分的三角圖。根據(jù)研究區(qū)塊儲層敏感性室內(nèi)評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整個(gè)吐格爾明段以巖屑砂巖為主，其次是石英顆粒、長石顆粒、斜長石等；在吐格爾明段阿合組的井中觀察發(fā)現(xiàn)存在支撐礫石構(gòu)成的原生孔隙，且顆粒間的填隙物較少，可見巖屑組分是造成堵塞喉道造成速度敏感性損害的主要因素，原因在于巖屑易受到力的作用造成依附于孔隙表面的顆粒脫落、運(yùn)移、堵塞等一系列現(xiàn)象，其次原因是巖屑組分是由變質(zhì)巖巖屑和火山巖巖屑，擠壓時(shí)容易分散成細(xì)小顆粒堵塞喉道產(chǎn)生損害[12]。

圖5 砂巖礦物成分的三角圖

2.3 儲層喉道類型

北部構(gòu)造帶侏羅系阿合組吐格爾明段儲層中含有大量的巖屑砂巖，可判斷儲層內(nèi)所形成的喉道類型主要是由顆粒接觸方式和膠結(jié)方式控制。巖石薄片和掃描電鏡發(fā)現(xiàn)儲層內(nèi)的次生孔隙近乎完全取代原始孔隙，可將次生孔隙產(chǎn)生的原因分為5種常見方式：破裂作用、收縮作用、沉積物質(zhì)的溶解作用、自生膠結(jié)物的溶解作用、自生膠帶物的溶解作用。故此，在膠結(jié)作用發(fā)育良好的情況下，砂巖顆粒因壓實(shí)作用或壓溶作用使黏土礦物晶體二次生長，孔隙縮小，黏土礦物晶面孔隙成為晶間孔，是此儲層的主要喉道類型（見圖6和圖7）。在速度敏感性實(shí)驗(yàn)中，由于儲層喉道半徑極小，更易發(fā)生堵塞孔喉或在力的作用下產(chǎn)生閉合現(xiàn)象，導(dǎo)致該類儲集層敏感性實(shí)驗(yàn)中滲透率發(fā)生顯著變化。

圖6 巖心鑄體薄片結(jié)果

圖7 巖心掃描電鏡結(jié)果

3 結(jié) 論

1）實(shí)驗(yàn)一結(jié)果顯示，在速度敏感性實(shí)驗(yàn)中，TD-1不可逆損害率為48.62%，JE-1不可逆損害率為7.31%，且存在不同的恢復(fù)程度；實(shí)驗(yàn)二結(jié)果顯示，巖心的兩種應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出近乎一致的下降特點(diǎn)，可推測出造成滲透率下降的原因并非是顆粒運(yùn)移堵塞喉道等單一因素，速度敏感性實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的作用力也是造成巖心滲透率下降的原因之一。

2）在速度敏感性實(shí)驗(yàn)中，可用CT掃描觀察到在0.40 MPa進(jìn)口壓力下，平均裂縫開度為9.36 μm，進(jìn)口壓力增加到7.83 MPa時(shí)，平均裂縫開度為 5.71 μm，其結(jié)果直接驗(yàn)證了致密儲層中速度敏感性實(shí)驗(yàn)會引起裂縫閉合現(xiàn)象。

3）致密儲層的敏感性與巖石礦物成分、儲層儲集空間類型和喉道類型有關(guān)，表現(xiàn)在巖屑組分及晶間孔等因素也是造成速度敏感性損害的主要因素，當(dāng)儲層中存在的作用力時(shí)更易發(fā)生堵塞孔喉或孔喉閉合現(xiàn)象。

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Study on Velocity Sensitive Damage Mechanism of Tight Reservoir

（College of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan Hubei 430100, China）

The velocity sensitivity experiment of Tugerming section of the Jurassic Ahe formation in the northern structural belt shows obvious differences. The previous damage mechanism is attributed to the migration of particles in the reservoir and other factors. From the point of view that the essence of velocity sensitivity experiment is still the role of the reservoir in generating force, this experiment designed two different experimental methods for analysis and comparison, combining with CT scanning, casting thin section and so on, microscopic verification was carried out. The results showed that the irreversible damage rate of TD-1 was 48.62%, and that of JE-1 was 7.31%. The dimensionless permeability difference of TD-1 core increased gradually, while that of JE-1 core increased first and then decreased, and the similar decreasing trend was observed in two different stress sensitivity experiments; In addition, according to the results of the maximum spherical pore network extraction algorithm, the average fracture opening was 9.36 μm at the inlet pressure of 0.40 MPa, and 5.71 μm when the inlet pressure increased to 7.83 MPa; According to the analysis of the experimental data of core, rock slice and SEM, it was seen that the components of rock cuttings and intercrystalline pores were also the main factors that caused the damage of velocity sensitivity. The reason was that these factors were easy to be affected by the force, resulting in the significant change of permeability in the sensitivity experiment.

Tight sandstone reservoir; Velocity sensitive; Particle migration; Intercrystal pore; Detritus

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：51804039）。

2021-04-09

李鑫羽（1997-），男，湖北省武漢市人，長江大學(xué)碩士研究生，研究方向：致密油氣儲層開發(fā)。

歐陽傳湘，男，教授，研究方向：致密氣藏開發(fā)。

P618.13

A

1004-0935（2021）10-1518-05