不同巖性致密砂巖水鎖傷害深度實(shí)驗(yàn)研究

王文雄, 肖 暉, 葉 亮, 古永紅, 李泉輝, 王亞娟, 梁朝陽(yáng)

(1. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 油氣工藝研究院,西安 710000； 2. 低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,西安 710000； 3. 重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院,重慶 401331)

0 引言

長(zhǎng)慶油田盆地東部致密砂巖氣藏具有低孔、低滲、巖性復(fù)雜等特征,必須通過(guò)大規(guī)模水力壓裂方可獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。水力壓裂后大量液體進(jìn)入地層,不可避免地造成水鎖傷害[1-3],導(dǎo)致壓后產(chǎn)量降低。目前,對(duì)儲(chǔ)層微觀特征[4]、水鎖傷害特征[5-6]、傷害程度[7-8]和降低水鎖傷害措施[9-10]的研究較多,但傷害深度的研究較少[11-13]。不同巖性砂巖水鎖傷害存在較大差異,對(duì)致密砂巖氣藏的水鎖傷害規(guī)律認(rèn)識(shí)不清,制約了致密砂巖氣藏的有效開(kāi)發(fā)。水鎖傷害評(píng)價(jià)方法主要有滲透率損害法、水相圈閉指數(shù)法、回歸分析、分形特征分析和總水體積法等[14-16],以實(shí)驗(yàn)研究為主。該文采用長(zhǎng)慶油田盆地東部不同巖性砂巖巖心,開(kāi)展水鎖傷害程度和傷害深度實(shí)驗(yàn)研究,探索不同巖性對(duì)水鎖傷害的影響規(guī)律,為致密砂巖氣藏開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。

1 水鎖傷害程度實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)巖心取自長(zhǎng)慶油田盆地東部和榆林的山2、盒8以及本溪組層位,包含盆地東部石英砂巖、榆林石英砂巖、巖屑石英砂巖和巖屑砂巖等4種巖性。實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)物性和礦物組成見(jiàn)表1。

表1 水鎖傷害程度實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)物性和礦物組成Table 1 Basic physical properties and mineral composition of experimental cores for water blocking damage

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)所用巖心驅(qū)替裝置主要包括夾持器、圍壓泵、中間容器、計(jì)量泵、壓力傳感器和氣體流量計(jì)等。最高驅(qū)替壓力80 MPa,最高圍壓80 MPa,最高溫度180 ℃。測(cè)量用巖心為標(biāo)準(zhǔn)尺寸巖心,長(zhǎng)度2～10 cm。

實(shí)驗(yàn)方法：1)巖樣烘干,測(cè)試巖心孔隙度和氣測(cè)滲透率；2)巖樣飽和標(biāo)準(zhǔn)鹽水,采用氮?dú)夂銐簹怛?qū),每10 min計(jì)算一次含水飽和度(可動(dòng)水含水飽和度)和對(duì)應(yīng)的氣測(cè)滲透率,直至沒(méi)有水流出，關(guān)閉流程,對(duì)巖心稱重；3)在45 ℃烘干巖心,每烘30 min,稱重樣品計(jì)算其含水飽和度(不可動(dòng)水含水飽和度)并測(cè)試氣測(cè)滲透率,直至含水降至10%后停止實(shí)驗(yàn)。測(cè)試條件為室溫,圍壓8 MPa,驅(qū)替壓力6 MPa,氮?dú)鉁y(cè)試。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得的數(shù)據(jù),利用式(1)可以計(jì)算得到不同含水飽和度下的水鎖傷害程度。

(1)

式中：Dwi為水鎖傷害率,%；Kg為樣品不含水時(shí)氣測(cè)滲透率,mD；Kwgi為樣品不同含水飽和度時(shí)的氣測(cè)滲透率,mD。

水鎖傷害程度評(píng)價(jià)指標(biāo)：Dwi≤5為無(wú)傷害,590為極強(qiáng)傷害。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

隨著含水飽和度增加,氣測(cè)滲透率逐漸減小,水鎖傷害率逐漸增大。巖屑石英砂巖(如圖1a所示)和巖屑砂巖(如圖1b所示)水鎖傷害程度均在含水飽和度為45%時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)；東部石英砂巖(如圖1c 所示)和榆林石英砂巖(如圖1d所示)由于初始滲透率較低,其最低可動(dòng)水含水飽和度(分別為95%和89%)高于巖屑石英砂巖和巖屑砂巖(分別為87%和82%)。

圖1 不同巖性砂巖含水飽和度與水鎖傷害率關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between water saturation and water blocking damage rate of different lithological sandstones

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,地層原始含水飽和度約為55%,采用插值方法獲得了各巖心原始含水飽和度下的水鎖傷害程度并進(jìn)行了對(duì)比,如圖2所示。

圖2 不同巖性水鎖傷害率對(duì)比Fig.2 Comparison of water lock damage ratesof different lithology

從中發(fā)現(xiàn)：巖屑石英砂巖和巖屑砂巖水鎖傷害率相近且最大,東部石英砂巖和榆林石英砂巖水鎖傷害率較小。分析認(rèn)為,巖屑石英砂巖和巖屑砂巖中泥質(zhì)含量大于石英砂巖,黏土遇水后不可避免地發(fā)生膨脹運(yùn)移,進(jìn)一步增加了水鎖傷害程度。

2 水相侵入深度觀察實(shí)驗(yàn)研究

為了測(cè)試不同巖性砂巖的水相侵入深度差異,選取上述4種巖性巖心,在相同條件和相同時(shí)間進(jìn)行鹽水驅(qū)替,開(kāi)展水相侵入深度觀察實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)物性和礦物組成見(jiàn)表2。

表2 巖心基礎(chǔ)物性及礦物組成Table 2 Basic physical properties and mineral composition of core

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)所用巖心驅(qū)替裝置與水鎖傷害程度實(shí)驗(yàn)所用裝置相同。

實(shí)驗(yàn)方法：1)烘干巖樣,測(cè)量氣測(cè)滲透率和孔隙度,在巖樣上標(biāo)記驅(qū)替方向；2)使入口管線充滿標(biāo)準(zhǔn)鹽水,烘干夾持器；3)將巖樣裹上薄膜防止儀器內(nèi)部殘留水干擾(露出2個(gè)端面),巖心放入夾持器膠套內(nèi),頂緊巖樣,連接驅(qū)替流程；4)驅(qū)替20 s(確保巖心盡量不被鹽水充滿),停止驅(qū)替,取出巖心；5)肉眼觀察巖心,測(cè)量巖心表面沿著標(biāo)注的驅(qū)替方向被標(biāo)準(zhǔn)鹽水侵入的深度。測(cè)試條件為室溫,圍壓8 MPa,驅(qū)替壓力6 MPa,氮?dú)鉁y(cè)試。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

巖心在相同條件下采用標(biāo)準(zhǔn)鹽水驅(qū)替20 s后,均在入口端被水相侵入一定深度,巖心水相侵入照片如圖3所示。水相從左至右侵入,每顆巖心左端深色區(qū)域?yàn)樗嗲秩雲(yún)^(qū)域,可以看出,每顆巖心均被水相侵入,但差異不大。測(cè)試得到12顆巖心的水相侵入深度為1.1～1.9 cm,不同巖性巖心侵入深度均較短且相近,如圖4所示。從圖5可以看出,巖心初始滲透率與侵入深度相關(guān)性極好,這說(shuō)明初始滲透率越大,鹽水滲流速度越快,相同時(shí)間內(nèi)水相侵入量越大,侵入深度越深。巖性與水相侵入深度相關(guān)性不強(qiáng),水相侵入深度主要受滲透率影響。

圖3 部分巖心水相侵入照片F(xiàn)ig.3 Photos of water phase intrusion in some cores

圖4 巖性與水相侵入深度的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between lithology and water intrusion depth

圖5 初始滲透率與水相侵入深度的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between initial permeability and water intrusion depth

3 水鎖傷害深度實(shí)驗(yàn)

水相侵入深度并不一定等同于水鎖傷害深度。為了防止水分蒸發(fā),需把水相侵入深度觀察實(shí)驗(yàn)后的巖心用保鮮膜反復(fù)包裹密封,并盡快開(kāi)展水鎖傷害深度實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)所用巖心驅(qū)替裝置與水鎖傷害程度實(shí)驗(yàn)所用裝置相同。

實(shí)驗(yàn)方法：1)將水相侵入深度觀察實(shí)驗(yàn)后的巖心按照標(biāo)記的驅(qū)替方向放入夾持器,并連接驅(qū)替流程；2)加圍壓至8 MPa,加驅(qū)替壓力至6 MPa,采用恒壓氣驅(qū)直至巖心沒(méi)有水流出,計(jì)算對(duì)應(yīng)含水飽和度和氣測(cè)滲透率；3)從中間截?cái)鄮r心,氣測(cè)兩段巖心滲透率差異。若前段滲透率小,則說(shuō)明傷害深度位置在前段,將前段巖心中間截?cái)?氣測(cè)確定大致傷害深度位置；若后段滲透率小,則說(shuō)明傷害深度位置在后段,將后段巖心中間截?cái)?氣測(cè)確定大致傷害深度位置。4)結(jié)束測(cè)試,取出巖心。測(cè)試條件為室溫,圍壓8 MPa,驅(qū)替壓力6 MPa,氮?dú)鉁y(cè)試。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

以11#巖屑石英砂巖為例進(jìn)行說(shuō)明。恒壓氣驅(qū)直至出口端沒(méi)有液體流出,測(cè)得此時(shí)的含水飽和度為42.6%,氣測(cè)滲透率為0.49 mD。取出巖心從中部切開(kāi),測(cè)得前段巖心滲透率為0.51 mD,后段巖心滲透率為0.55 mD,判斷出巖心傷害位置在前段。將前段巖心中部切開(kāi),測(cè)得前段前端巖心滲透率為0.51 mD,前段后端巖心滲透率為0.45 mD,由此判斷出11#巖屑石英砂巖傷害位置為前段后端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 11#巖心水鎖傷害深度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of water blockingof damage depth of core 11#

為便于對(duì)比,將傷害深度進(jìn)行半定量化。將巖心平均分為4段(如圖6所示),按照巖心驅(qū)替方向,從入口到出口順序分別賦值1,2,3,4,數(shù)字越大傷害位置越深。例如,傷害位置在前段的前端,傷害深度則為1；傷害位置在后段的后端,傷害深度則為4。

圖6 水鎖傷害深度量化示意圖Fig.6 Quantification diagram of water blocking injury depth

圖7為不同巖性巖心傷害深度對(duì)比圖。從中看出,泥質(zhì)含量最低的石英砂巖和榆林地區(qū)石英砂巖侵入傷害位置最靠前,泥質(zhì)含量最高的巖屑砂巖侵入傷害位置最靠后,泥質(zhì)含量適中的巖屑泥質(zhì)砂巖侵入傷害位置居中,說(shuō)明巖性對(duì)水鎖侵入傷害深度影響較大,砂巖含量越高傷害深度越淺。主要原因在于砂巖含量越低,黏土含量相對(duì)較高,水相侵入后導(dǎo)致黏土礦物水化、膨脹及分散運(yùn)移,分散物不斷往深部運(yùn)移堆積,傷害深度不斷增加。圖8說(shuō)明傷害深度與巖性滲透率相關(guān)性不強(qiáng)。

圖7 不同巖性巖心傷害深度對(duì)比圖Fig.7 Comparison diagram of core damage depth of different lithologies

圖8 初始滲透率與傷害深度關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curve between inilial permeabilityand damage depth

結(jié)合水相侵入觀察實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),水相侵入深度與巖性無(wú)關(guān),但受滲透率的影響極大,滲透率越大,水相侵入速度越大。液體總量相同情況下,水相侵入深度相差不大,只是侵入速度不同。水相侵入深度雖然影響水相傷害深度,但水相侵入深度并不等同于水相傷害深度,因?yàn)樗鄠ι疃葮O大地受到巖性影響。黏土含量較大時(shí),水相侵入后導(dǎo)致黏土礦物水化、膨脹及分散運(yùn)移,分散物不斷往深部運(yùn)移堆積,傷害深度不斷增加。黏土含量較低時(shí),水相傷害深度較小,此時(shí)傷害主要受水鎖影響,而水相侵入的區(qū)域均受到水鎖傷害。

4 結(jié)論

1)隨著含水飽和度增加,氣測(cè)滲透率逐漸減小,水鎖傷害率逐漸增大。巖屑石英砂巖和巖屑砂巖均在含水飽和度為45%時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。

2)巖屑石英砂巖和巖屑砂巖水鎖傷害率相近且最大,石英砂巖水鎖傷害率較小。巖屑石英砂巖和巖屑砂巖中泥質(zhì)含量大于石英砂巖,黏土遇水后不可避免地發(fā)生膨脹運(yùn)移,進(jìn)一步增加了水鎖傷害程度。

3)水相侵入深度與巖性無(wú)關(guān),但受滲透率的影響極大,滲透率越大,水相侵入速度越大。水相侵入深度并不等同于水相傷害深度,水相傷害深度極大地受到巖性影響,黏土含量越高,傷害深度越大。