唐 庚 龔 浩 徐家年 周 朗 張華禮 張 林
1.中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 2. 重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院 3.中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)處
四川盆地二疊系火山巖氣藏巖性復(fù)雜,黏土礦物含量高,儲層孔隙較發(fā)育。前期,四川盆地西部二疊系火山巖探井共55口,均為溢流相火山巖,勘探程度低,完成測試井5口,工業(yè)氣井1口:周公1井日產(chǎn)氣量25.61×104m3,勘探潛力大。2018年12月16日,位于龍泉山構(gòu)造東斜坡帶的風(fēng)險探井—永探1井鉆遇厚層火山碎屑巖儲層,在火山巖儲層測試產(chǎn)氣量22.5×104m3/d,實現(xiàn)了四川盆地火山巖勘探的重大突破,揭示了四川盆地火山巖勘探新領(lǐng)域[1-14]。永探1井縱向間隔發(fā)育火山碎屑熔巖、含灰質(zhì)角礫的火山碎屑熔巖、玄武巖、輝綠巖,取心井段巖心表現(xiàn)出黏土礦物含量高、中孔低滲等特點;19個柱塞樣平均滲透率0.058 mD、平均孔隙度13.7%,7個全直徑試樣平均垂直滲透率0.188 mD、平均水平滲透率2.35 mD、平均孔隙度10.2%[15-17]。永探1井火山巖下部火山碎屑巖儲層測試放噴過程中地層垮塌,返排大量碎屑巖及雜質(zhì)堵塞地面流程及井筒,固相顆粒最大達(dá)9 mm,嚴(yán)重影響完井試油順利進(jìn)行。亟待開展四川盆地二疊系火山巖氣井鉆井后的井眼井壁穩(wěn)定研究,為后續(xù)完井方式優(yōu)選、高效開發(fā)奠定基礎(chǔ)。
選取火山巖下部儲層巖樣,研磨制備成粉末狀樣品,采用X射線衍射分析技術(shù)(XRD)進(jìn)行巖石礦物組成、黏土礦物相對含量測定,結(jié)果如表1所示。
表1 火山巖下部儲層火山碎屑巖全巖礦物組成及黏土礦物組成表
從表1中可以看出,火山巖下部儲層火山碎屑巖以石英(平均含量21.4%)、長石(平均含量34.42%)為主,含有少量普通輝石,黏土礦物含量較高(平均含量38.28%);黏土礦物以綠蒙混層(平均含量79.4%)和綠泥石(平均含量16.8%)為主,含有少量的伊利石(平均含量3.8%)?;鹕綆r下部儲層火山碎屑巖黏土礦物與工作液作用后易產(chǎn)生井壁失穩(wěn)。
四川盆地二疊系永探1井火山巖儲層用到的試油工作液主要有2種,分別為改性聚磺試油工作液、油基試油工作液;儲層酸化改造用的酸液為膠凝酸。首先,對測試巖心進(jìn)行模擬儲層溫度(140 ℃)條件下工作液浸泡(改性聚磺試油工作液浸泡48 h、油基試油工作液浸泡48 h;膠凝酸浸泡1 h),再利用掃描電鏡進(jìn)行工作液作用前后儲層巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)分析。由火山巖下部儲層巖心進(jìn)行工作液作用前后儲層巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)分析(圖1)可知,試樣全貌孔隙發(fā)育差,巖石見杏仁構(gòu)造(圖1-a、c、e、g);試樣基質(zhì)中長石微晶、蝕變綠泥石等黏土礦物及晶間孔隙(圖1-b、d、f、h);試樣中的杏仁構(gòu)造、綠泥石等黏土礦物分布、杏仁體內(nèi)微縫、邊緣縫,經(jīng)工作液作用后容易產(chǎn)生黏土礦物、顆粒分散、運移,產(chǎn)生井壁地層巖石失穩(wěn)。試樣經(jīng)140 ℃改性聚磺試油工作液浸泡48 h后產(chǎn)生微裂縫(圖1-d);試樣經(jīng)140 ℃油基試油工作液浸泡48 h后未見明顯變化(圖1-f);試樣經(jīng)140 ℃膠凝酸浸泡1 h后見長石、蝕變黏土礦物晶內(nèi)溶孔(圖1-h)。從3種工作液作用前后微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化對比可知,改性聚磺試油工作液、膠凝酸對試樣微觀結(jié)構(gòu)影響較大,油基試油工作液影響較小。
圖1 不同工作液作用后火山巖下部儲層火山碎屑巖掃描電鏡圖片
根據(jù)上述儲層巖石微觀結(jié)構(gòu)及巖石礦物組分分析可知,火山巖下部儲層火山碎屑巖與完井試油、儲層改造過程中用到的外來工作液作用后易出現(xiàn)井壁、地層巖石失穩(wěn)。在儲層巖石與不同試油工作液作用前后巖石力學(xué)參數(shù)測試的基礎(chǔ)上,結(jié)合巖石破壞準(zhǔn)則進(jìn)行完井試油、儲層改造過程中生產(chǎn)井眼的井壁穩(wěn)定性判斷。
首先,對測試巖心進(jìn)行模擬儲層溫度(140 ℃)條件下工作液浸泡(改性聚磺試油工作液浸泡48 h、油基試油工作液浸泡48 h;膠凝酸浸泡1 h),然后進(jìn)行抗張強(qiáng)度、三軸抗壓強(qiáng)度測試。
工作液作用前后巖樣抗張強(qiáng)度測試結(jié)果如表2所示?;鹕綆r下部儲層火山碎屑巖原巖抗張強(qiáng)度為10.58 MPa;經(jīng)改性聚磺試油工作液浸泡后,測試試樣平均抗張強(qiáng)度為4.6 MPa;經(jīng)油基試油工作液浸泡后,測試試樣平均抗張強(qiáng)度為5.92 MPa;經(jīng)膠凝酸浸泡后,測試試樣抗張強(qiáng)度為4.58 MPa;經(jīng)膠凝酸、改性聚磺試油工作液浸泡后,測試試樣抗張強(qiáng)度下降較多,分別為原巖抗張強(qiáng)度的43.29%、43.48%。
表2 工作液作用前后抗張強(qiáng)度測試結(jié)果表
工作液作用前后三軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如表3所示?;鹕綆r下部儲層原巖三軸抗壓強(qiáng)度為219.27 MPa;經(jīng)改性聚磺試油工作液浸泡后,測試試樣平均三軸抗壓強(qiáng)度為73.49 MPa;經(jīng)油基試油工作液浸泡后,測試試樣平均三軸抗壓強(qiáng)度為115.08 MPa;經(jīng)膠凝酸浸泡后,測試試樣三軸抗壓強(qiáng)度為209.61 MPa;經(jīng)改性聚磺試油工作液浸泡后,測試試樣三軸抗壓強(qiáng)度下降最多,為原巖抗壓強(qiáng)度的33.52%,其次為油基試油工作液、膠凝酸。
表3 工作液作用前后三軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果表
工作液作用前后三軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果表明,工作液對火山巖下部儲層測試巖樣三軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律與抗張強(qiáng)度測試規(guī)律基本一致,即改性聚磺試油工作液與油基試油工作液相比,對巖石抗張強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度影響較大;膠凝酸對測試巖樣抗壓強(qiáng)度影響較小,分析認(rèn)為主要原因是巖樣中碳酸鹽巖礦物含量不高,工作液浸泡時間相對較短。
根據(jù)工作液作用前后巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果,利用Von-Mises剪切破壞理論[18-24]進(jìn)行火山巖氣井完井試油、儲層改造過程中井壁穩(wěn)定性判斷。根據(jù)Von-Mises剪切破壞理論計算的下部火山碎屑巖儲層直井井壁巖石最大剪切應(yīng)力均方根、井壁巖石剪切強(qiáng)度均方根對比曲線如圖2所示。
圖2 不同工作液浸泡后的井壁巖石剪切應(yīng)力及剪切強(qiáng)度均方根對比曲線圖
由圖2可知,火山巖下部儲層火山碎屑巖原巖及經(jīng)油基試油工作液、膠凝酸作用后的直井井壁巖石最大剪切應(yīng)力均方根均小于井壁巖石剪切強(qiáng)度均方根,說明不會發(fā)生井壁不穩(wěn)定。由圖2-d可知,經(jīng)改性聚磺試油工作液作用后的火山巖下部火山碎屑巖儲層,直井井壁巖石最大剪切應(yīng)力均方根在0°~360°井壁上存在大于井壁巖石剪切強(qiáng)度均方根的井壁不穩(wěn)定點。因此,判斷火山巖下部儲層經(jīng)改性聚磺試油工作液作用后直井生產(chǎn)過程中易發(fā)生井壁不穩(wěn)定。
生產(chǎn)過程中井壁穩(wěn)定判斷,一是針對儲層巖石未破碎時,采用力學(xué)計算方法進(jìn)行火山巖碎屑產(chǎn)出臨界生產(chǎn)壓差預(yù)測;二是儲層巖石經(jīng)過鉆井、儲層改造、完井試油過后,采用室內(nèi)模擬實驗方法預(yù)測火山巖碎屑產(chǎn)出臨界產(chǎn)量,以及不同產(chǎn)量下火山巖碎屑產(chǎn)出量。
根據(jù)文獻(xiàn)[25-31]的研究成果,定向斜井井壁巖石所受的最大切向應(yīng)力由下式表達(dá):
根據(jù)巖石破壞理論,當(dāng)巖石的抗壓強(qiáng)度小于最大切向應(yīng)力σt時,井壁巖石不堅固,將會引起巖石結(jié)構(gòu)的破壞而出砂。因此,定向斜井的出砂判據(jù)為:
式中σt表示井壁巖石的最大切向應(yīng)力,MPa;C表示地層巖石的抗壓強(qiáng)度,MPa;ν表示巖石的泊松比;ρ表示上覆巖層的平均密度,kg/m3;g表示重力加速度,m/s2;H表示地層深度,m;ps表示地層流體壓力,MPa;pwf表示油井生產(chǎn)時的井底流壓,MPa。
如果式(2)成立(即C≥σt),則表明在上述生產(chǎn)壓差(ps-pwf)下,井壁巖石是堅固的,不會引起巖石結(jié)構(gòu)的破壞,也就不會出骨架砂。反之,井壁巖石的最大切向應(yīng)力超過巖石的抗壓強(qiáng)度引起巖石結(jié)構(gòu)的破壞,地層會出骨架砂。
當(dāng)井斜角α=0°時,式(2)變?yōu)槭剑?);而當(dāng)井斜角α=90°時,式(2)變?yōu)槭剑?);所以式(2)為通式。
對比式(3)、式(4)可以看出,由于巖石的泊松比一般介于0.15~0.40,故,因此在相同埋深及生產(chǎn)壓差(ps-pwf)下,水平井井壁巖石所承受的切向應(yīng)力要比垂直井的大。如果地層巖石的膠結(jié)程度較差,以致于地層巖石的抗壓強(qiáng)度經(jīng)受不住井壁巖石的切向應(yīng)力時,產(chǎn)層的巖石結(jié)構(gòu)就會遭到破壞而出骨架砂。所以在同樣埋深處垂直井不出砂的地層,打水平井就不一定不出砂。
四川盆地二疊系火山巖氣藏下部儲層火山碎屑巖儲層深度為 5 765 m,原始地層壓力為 127.8 MPa,結(jié)合工作液作用前后巖石力學(xué)參數(shù)(表2、3),利用上述計算方法進(jìn)行火山巖下部火山碎屑巖儲層碎屑產(chǎn)出的臨界生產(chǎn)壓差預(yù)測[其他參數(shù)已知時,將式(2)、(3)、(4)取等號,即井壁巖石的最大切向應(yīng)力與巖石的抗壓強(qiáng)度相等時,反算出的生產(chǎn)壓差即為相應(yīng)井斜角下的出砂臨界生產(chǎn)壓差]。
火山巖下部儲層工作液作用前后不同井斜角的氣井火山巖碎屑產(chǎn)出臨界生產(chǎn)壓差預(yù)測結(jié)果如圖3所示。
火山巖下部儲層經(jīng)工作液作用前后,火山巖碎屑產(chǎn)出的臨界生產(chǎn)壓差隨井斜角增加而減?。慈玢@水平井則更容易產(chǎn)出火山巖碎屑);火山巖下部火山碎屑巖儲層原始儲層(未受工作液作用)直井的臨界生產(chǎn)壓差為101.8 MPa;經(jīng)改性聚磺試油工作液作用后直井的臨界生產(chǎn)壓差為23.5 MPa;油基試油工作液作用后直井的臨界生產(chǎn)壓差為46.1 MPa;膠凝酸作用后直井的臨界生產(chǎn)壓差為97.0 MPa;其中經(jīng)改性聚磺試油工作液作用后直井的臨界生產(chǎn)壓差最低,僅為原始儲層臨界生產(chǎn)壓差的23.1%。根據(jù)火山巖碎屑產(chǎn)出的臨界生產(chǎn)壓差預(yù)測分析表明,試油工作液對氣井火山巖碎屑產(chǎn)出影響較大,氣井試油、改造及生產(chǎn)過程中,可考慮優(yōu)化工作液配方、控制生產(chǎn)壓差等方式延緩和控制火山巖碎屑產(chǎn)出。
儲層巖石破碎條件下火山巖碎屑產(chǎn)出模擬的目的是,利用室內(nèi)物理實驗,模擬儲層巖石受鉆井、試油、儲層改造等工作液作用后,儲層巖石嚴(yán)重破碎后火山巖碎屑產(chǎn)出情況,即模擬最惡劣(儲層巖石破碎、井壁垮塌等)工況下火山巖碎屑產(chǎn)出對生產(chǎn)的影響。
3.2.1 實驗方法及步驟
利用火山巖碎屑產(chǎn)出模擬裝置,進(jìn)行火山巖碎屑產(chǎn)出臨界產(chǎn)量及氣井以不同產(chǎn)量生產(chǎn)時火山巖碎屑產(chǎn)出量模擬,實驗流程如圖4所示。
圖4 火山巖碎屑產(chǎn)出模擬實驗流程圖
實驗用火山巖碎屑采用永探1井試油過程中進(jìn)入地面流程管線里的巖屑,最小0.10 μm、最大2 009.69 μm,粒度中值D50=85 μm,平均粒徑 289 μm,小于125 μm占比54.01%、125~500 μm占比23.87%、500 ~ 1 019 μm 占比 13.19%、1 019 ~ 1 531 μm 占比7.77%、1 531 μm以上占比1.17%,碎屑粒度分布均勻性和分選性很差,存在大量的細(xì)粉碎屑,細(xì)粉碎屑在1 μm以下占比21%,其粒度分布如圖5所示。
圖5 出砂模擬儲層砂粒徑分布圖
將收集到的永探1井試油過程中井口返出的巖屑,清洗、烘干均勻混合后,裝入實驗工作筒中,進(jìn)行實驗。實驗步驟如下:
1)將模擬巖屑裝入實驗工作筒中,連接流程。
2)用 N2分別以 0.1 L/min、0.2 L/min、0.3 L/min、0.4 L/min、0.5 L/min、0.6 L/min、0.7 L/min、0.8 L/min、0.9 L/min、1.0 L/min 流量驅(qū)替,每個流量驅(qū)替 30 min,觀察巖屑產(chǎn)出情況,直到找出巖屑產(chǎn)出臨界流量。
3) 用 N2分 別 以 1 L/min、5 L/min、10 L/min、15 L/min、20 L/min流量驅(qū)替,記錄入口壓力表壓力、并測量流量,記錄120 min后的出砂量,折算年出砂量。
3.2.2 火山巖儲層碎屑產(chǎn)出規(guī)律模擬
按照上述實驗方法,進(jìn)行火山巖下部儲層火山碎屑巖巖樣不同流量(0.1 ~ 0.9 L/min 、1 L/min、5 L/min、10 L/min、15 L/min、20 L/min)下碎屑產(chǎn)出規(guī)律測試,測試結(jié)果如表4所示。測試結(jié)果表明:火山巖下部儲層出砂臨界流量為1 L/min,研究工區(qū)氣層平均厚度為50 m,折算氣井產(chǎn)量為1.42×104m3。隨著驅(qū)替流量增加,碎屑產(chǎn)出量增加。實驗所模擬的儲層巖石破碎條件下氣井臨界產(chǎn)量較低,主要原因是火山巖碎屑粒徑小,占比較高(在1 μm以下占比21%)。根據(jù)實驗?zāi)M火山巖下部儲層碎屑產(chǎn)出測試的驅(qū)替流量、出砂量,結(jié)合氣層厚度(50 m)、井眼尺寸(生產(chǎn)套管127 mm)等數(shù)據(jù),即可將實驗數(shù)據(jù)折算成氣井產(chǎn)量、年出砂量、折算井筒沉砂高度。經(jīng)折算的下部火山碎屑巖儲層不同氣井產(chǎn)量與折算年碎屑產(chǎn)出量關(guān)系(表4)。火山巖下部儲層,實驗?zāi)M氣井日產(chǎn)量 1.42×104~ 28.35×104m3,折算年碎屑產(chǎn)出量270.3~2 183.2 kg,折算井筒沉砂高度12.7~102.5 m(假設(shè)產(chǎn)出碎屑全部沉積到井底),易對生產(chǎn)造成影響(超過鉆井預(yù)留口袋深度后會砂埋氣層)。因此,在選擇氣井完井方法時,應(yīng)考慮防砂型完井方式,以維持井壁穩(wěn)定。
表4 火山碎屑巖儲層不同驅(qū)替流量與出砂量測試結(jié)果表
1)四川盆地二疊系火山巖下部巖石試樣中的可見杏仁構(gòu)造、綠泥石等黏土礦物分布、杏仁體內(nèi)微縫、邊緣縫發(fā)育,經(jīng)工作液作用后容易產(chǎn)生黏土礦物膨脹、顆粒分散、運移,產(chǎn)生井壁失穩(wěn)。火山巖下部黏土礦物含量較高,綠蒙混層比例高,與工作液作用后同樣易產(chǎn)生井壁失穩(wěn)。
2)基于Von Mises剪切破壞理論,判斷火山巖氣井完井試油、儲層改造過程中井壁穩(wěn)定性,火山巖下部經(jīng)改性聚磺試油工作液作用后,直井生產(chǎn)過程中易發(fā)生井壁不穩(wěn)定?;鹕綆r下部儲層經(jīng)工作液作用前后,火山巖碎屑產(chǎn)出臨界生產(chǎn)壓差隨井斜角增加而增大,經(jīng)改性聚磺試油工作液作用后直井的臨界生產(chǎn)壓差最小。
3)惡劣(儲層巖石破碎、井壁垮塌等)工況下火山巖碎屑產(chǎn)出實驗?zāi)M表明,工區(qū)火山巖下部儲層出砂臨界流量為1 L/min,折算氣井日產(chǎn)量為1.42×104m3;模擬氣井日產(chǎn)量介于1.42×104~28.35×104m3,折算年碎屑產(chǎn)出量介于270.3~2 183.2 kg,折算井筒沉砂高度介于12.7~102.5 m,易對生產(chǎn)造成影響。
4)氣井試油、改造及生產(chǎn)過程中,可考慮優(yōu)化工作液配方、控制生產(chǎn)壓差等方式延緩和控制火山巖碎屑產(chǎn)出。在選擇氣井完井方法時,應(yīng)考慮防砂型完井方式,以維持井壁穩(wěn)定。