基于低場核磁共振技術(shù)的致密砂巖氣藏防水鎖作用機(jī)理研究

馬偉云, 黃凱, 王鵬, 楊帆, 楊琦, 安琦, 王琛*

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司, 北京 100015; 2.“三氣共采”省級技術(shù)創(chuàng)新中心, 太原 030000;3.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院, 西安 710065; 4.西安市致密油(頁巖油)開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710065)

低孔低滲透儲(chǔ)層天然氣占中國天然氣總量的75%[1],充分開發(fā)低孔低滲天然氣資源對中國能源開發(fā)有重大意義[2]。致密砂巖儲(chǔ)層具有孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)強(qiáng)、毛管阻力大以及孔隙喉道連通性差等特點(diǎn),在生產(chǎn)開發(fā)中容易造成極為嚴(yán)重的儲(chǔ)層傷害。其中外來流體(如壓裂液、鉆井液、固井液、酸化解堵液等)入侵儲(chǔ)層,地層本身驅(qū)動(dòng)壓力無法將流體完全排出地層,并且因?yàn)槊芰Φ淖饔?使得流體流動(dòng)阻力大并且儲(chǔ)層含水飽和度明顯上升,導(dǎo)致近井地帶氣相滲透率顯著降低[3]。壓裂液對儲(chǔ)層造成傷害主要體現(xiàn)在黏土礦物、微粒運(yùn)移以及水鎖傷害等綜合影響,從而導(dǎo)致滲透率的下降[4-5]。文獻(xiàn)[6]研究表明,低滲透儲(chǔ)層中因外來流體侵入后儲(chǔ)層自吸現(xiàn)象會(huì)造成近井地帶含水飽和度大幅度提高從并且難以返排,從而影響氣相滲透率。Rickman等[7]研究發(fā)現(xiàn),儲(chǔ)層滲透率與毛管力存在一定的關(guān)系,滲透率越低,毛管力便不可忽視,毛管壓力增大,外來流體極易侵入儲(chǔ)層從而造成水鎖傷害。水鎖現(xiàn)象的產(chǎn)生本質(zhì)是因?yàn)闅庖簝上嗟姆蔷€性滲流現(xiàn)象,受多孔介質(zhì)微結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)以及固-液間的相互控制作用[8]。高青松[9]、聶法健等[10]通過物模實(shí)驗(yàn),采用氣驅(qū)的方式排出可動(dòng)流體,測得束縛水飽和度,并氣測該條件下的氣測滲透率進(jìn)而得出水鎖傷害程度。趙霞等[11]采用恒壓水侵物模實(shí)驗(yàn)研究水箱入侵與啟動(dòng)壓力的關(guān)系,從而定量表征了水鎖傷害程度。張榮軍等[12]研究表明,氣-水對巖層的潤濕性差異、較大的毛管壓力以及束縛水飽和度和初始含水飽和度差別較大是造成水鎖傷害的主要原因。唐海等[13]研究發(fā)現(xiàn),儲(chǔ)層平均孔喉半徑以及滲透率、生產(chǎn)壓差與黏土礦物種類與含量是影響水鎖效應(yīng)強(qiáng)弱的主要因素。文獻(xiàn)[14-18]通過對表面活性劑的研究,發(fā)現(xiàn)表面活性劑的加入可以明顯改變儲(chǔ)層潤濕性,改變表/界面張力。文獻(xiàn)[19-20]針對水鎖傷害開展研究,優(yōu)選出有效表面張力表面活性劑。黃禹忠等[21]通過采用掃描電鏡與恒速壓汞等實(shí)驗(yàn)方法評價(jià)儲(chǔ)層的敏感性與水鎖傷害。程宇雄等[22]指出,解除水鎖傷害可通過化學(xué)法和物理法解除水鎖傷害,其中化學(xué)法分為加入表面活性劑、混響溶劑以及酸化處理,物理方法可以通過伴氮注壓裂、增大生產(chǎn)壓差、間歇性開管井以及加熱地層從而降低水鎖傷害程度。安一梅等[23]通過制備非離子型表面活性劑,研究防水鎖劑體系水溶液粒徑分布,表面張力、熱穩(wěn)定性以及與巖心接觸角,評價(jià)防水鎖劑性能。趙宏波等[24]通過測試防水鎖劑的表面張力,接觸角以及腐蝕性來評價(jià)洗井液的防水鎖性。歐彪等[25]通過化學(xué)處理方法來預(yù)防水鎖效應(yīng)的可行性,通過巖心自吸實(shí)驗(yàn)、接觸角實(shí)驗(yàn)與表面張力實(shí)驗(yàn)分析防水鎖劑性能,加入防水鎖劑后巖心自吸水速率有所下降,防水鎖效果明顯。蔣官澄等[26]通過分析水鎖傷害的機(jī)理與對策,基于巖心自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)對防水鎖劑性能效果做出評價(jià)。張林強(qiáng)等[27]研制氟碳類防水鎖劑,指出氟碳類表面活性劑具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,通過表面張力實(shí)驗(yàn)、巖心自吸實(shí)驗(yàn)、接觸角實(shí)驗(yàn)以及滲透率恢復(fù)測試,評價(jià)氟碳類防水鎖添加劑性能。張黃鶴等[28]基于表面張力測定、接觸角測定與自吸實(shí)驗(yàn),基于上述評價(jià)方法測定的結(jié)果開展巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn),設(shè)置不同生產(chǎn)壓差與不同作用時(shí)間,評價(jià)防水鎖劑性能。付美龍等[29]基于配伍性實(shí)驗(yàn)與表面張力實(shí)驗(yàn),并采用擠注放差實(shí)驗(yàn)評價(jià)防水鎖添加劑性能。劉廣峰等[30]通過研究不同界面張力下自發(fā)滲吸對采收率的影響并采用核磁共振技術(shù)分析不同孔喉尺度的采收率。周德勝等[31]通過開展巖心自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)并結(jié)合核磁共振技術(shù)、壓汞技術(shù),定量表征不同級別孔喉對自發(fā)滲吸作用的貢獻(xiàn)以及滲吸階段的劃分。梁天博等[32]則在結(jié)合表面張力、接觸角、自發(fā)滲吸。核磁共振以及巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn),對防水鎖劑效果進(jìn)行評價(jià)。

基于前人對水鎖傷害的研究以及防水鎖添加劑性能評價(jià)方法大多通過表面張力、接觸角以及自吸實(shí)驗(yàn)等宏觀角度進(jìn)行分析,將通過巖心自吸實(shí)驗(yàn)、防水鎖劑抑制氣藏水鎖傷害并結(jié)合核磁共振技術(shù)(nuclear magnetic resonance, NMR)從微觀角度對防水鎖添加劑作用機(jī)理進(jìn)行研究,定量表征分析防水鎖添加劑改善不同孔喉尺度的滯留效果,為實(shí)際生產(chǎn)提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料、儀器與方法

通過配置模擬地層水樣以及3種防水鎖添加劑溶液,測試實(shí)驗(yàn)流體的表面張力、接觸角大小,并基于現(xiàn)場取樣巖心開展巖心自吸實(shí)驗(yàn)與防水鎖劑抑制水鎖傷害實(shí)驗(yàn)。通過分析對比模擬地層水和3種不同種類的防水鎖添加劑溶液不同時(shí)間的巖心自吸所得T2譜情況以及表面張力測試與接觸角測試,研究防水鎖的機(jī)理;在此基礎(chǔ)上開展防水鎖劑抑制水鎖傷害實(shí)驗(yàn),并結(jié)合低場核磁共振技術(shù),測試防水鎖劑加入前后滲透率變化以及不同孔喉尺度下液相滯留占比程度,揭示防水鎖劑的作用機(jī)理,為實(shí)際生產(chǎn)中提高壓裂液的返排率,降低水鎖傷害提供理論支撐。

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)試劑材料主要包括:A型防水鎖添加劑、B型防水鎖添加劑,C型防水鎖添加劑以及模擬地層水樣,模擬地層水樣則根據(jù)取心層位氣藏水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行配置,礦化度為32 022 mg/L;巖心樣品選取自鄂爾多斯盆地東緣臨興-神府區(qū)塊,共計(jì)7塊巖心樣品,巖心基本物性參數(shù)如表1所示。

表1 巖心基本物性參數(shù)Table 1 Basic physical property parameters of core

實(shí)驗(yàn)儀器:核磁共振設(shè)備型號為MINI-MR,由上海紐邁制造,磁場強(qiáng)度0.5 T,射頻脈沖頻率范圍為1～30 MHz,射頻頻率控制精度為0.01 MHz;全自動(dòng)表面張力儀,美國熱電公司制造,表面張力測定范圍1～1000 mN/m,測量精度為±0.001 mN/m,溫度范圍-10～100 ℃;科研型接觸角測量儀,型號SDC-100S,由東莞晟鼎精密儀器有限公司制造,功率150 W,頻率50/60 Hz;驅(qū)替泵型號為260D型高壓計(jì)量泵,壓力范圍在0～51.7 MPa,雙泵體,泵體容積103 mL,連續(xù)流動(dòng)流速范圍為0.001～80 mL/min,計(jì)量精確,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)注入,在實(shí)驗(yàn)中主要用來向巖心中注入模擬地層水、防水鎖添加劑溶液等。實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Experimental equipments

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 巖心自吸實(shí)驗(yàn)

參照《巖心分析方法》(GB/T 29172—2012)[33]對巖心進(jìn)行預(yù)處理,具體步驟如下。

步驟1選取致密砂氣藏儲(chǔ)層樣品,制作成長度6 cm,直徑2.5 cm的標(biāo)準(zhǔn)巖心樣品,進(jìn)行烘干,烘干后進(jìn)行基本物性相關(guān)測試。

步驟2將巖心懸掛在電子天平上方,將實(shí)驗(yàn)流體放置在巖心正下方,天平歸零,通過調(diào)整鐵架臺臺控制巖心侵入液面深度,控制在1 mm。

步驟3實(shí)驗(yàn)流體受到巖心中毛管力的作用,開始侵入巖心,記錄不同時(shí)間天平讀數(shù),并計(jì)算巖心吸水量,在20 h和實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)進(jìn)行核磁共振掃描并計(jì)算,實(shí)驗(yàn)流程示意圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.2 Experimental flowchart

1.2.2 防水鎖添加劑抑制氣藏水鎖傷害實(shí)驗(yàn)

參照《巖心分析方法》(GB/T 29172—2012)[33]對巖心進(jìn)行預(yù)處理,具體方法如下。

步驟1選取致密儲(chǔ)層樣品,制作成長度6 cm,直徑2.5 cm的標(biāo)準(zhǔn)巖心樣品,進(jìn)行烘干,烘干后進(jìn)行基本物性相關(guān)測試以及初始滲透率。

步驟2將預(yù)處理后的巖心裝入巖心夾持器中,正向通入氮?dú)?通過調(diào)節(jié)閥門控制氮?dú)饬髁?記錄壓差Δp。

步驟3反向通入模擬地層水,模擬巖心在地層中所受到的傷害,出口端收集5 PV流體后,掃描核磁共振T2譜。

步驟4正向通入氮?dú)?記錄流量與壓差,模擬地層壓力條件下返排流體,掃描核磁共振T2譜,并測算巖心被傷害后的氣測滲透率Kdg。

步驟5反向通入防水鎖添加劑溶液,模擬防水鎖添加劑對巖心的恢復(fù)過程,出口端收集5 PV流體后恢復(fù)結(jié)束。

步驟6正向通入氮?dú)?記錄壓差與氣體流量,測算巖心被恢復(fù)后氣測滲透率Krg并進(jìn)行核磁共振T2譜掃描。相關(guān)計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中:Dpg為模擬地層水對巖心的水鎖傷害程度,%;Rpg為防水鎖添加劑溶液抑制水鎖效應(yīng)后巖心滲透率恢復(fù)程度,%;Kig為巖心初始?xì)鉁y滲透率,mD。

實(shí)驗(yàn)流程圖如圖2所示。

1.3 核磁共振技術(shù)計(jì)算

低場核磁共振儀器將巖心中賦存的流體磁化并與氫核產(chǎn)生共振,通過采集氫核運(yùn)動(dòng)信號轉(zhuǎn)化為T2譜圖。其中橫坐標(biāo)可反映孔喉尺度,縱坐標(biāo)信號強(qiáng)度可反映流體量大小,通過橫坐標(biāo)對應(yīng)的尺度可得到縱坐標(biāo)流體量,從而反應(yīng)孔喉體積的大小以及流體分布情況。通過使用核磁共振技術(shù)可針對微觀孔喉內(nèi)流體分布情況的定量評價(jià)[28]。

(1)巖心自吸實(shí)驗(yàn)中核磁共振T2譜計(jì)算。圖3為確定孔徑為0.001～10 000 ms巖心不同條件下核磁共振T2譜曲線。假設(shè)孔喉半徑為0.001～10 ms的孔喉(較小孔喉)中自吸實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)液相分布為黑色曲線所示,其較小孔喉處含液量由A1+A2表示;紅色曲線為自吸20 h時(shí)液相滯留分布情況,在20 h時(shí)0.001～10 ms的較小孔喉中含液量由A2表示,通過對比實(shí)驗(yàn)20 h和實(shí)驗(yàn)結(jié)束后液相分布核磁共振T2譜的頻率面積差值,可計(jì)算自吸20 h不同孔喉尺度下自吸液相占比情況。

A1為自吸結(jié)束(黑色曲線)和自吸20 h(紅色曲線)較小孔喉處含液量T2譜頻率面積差;A2為自吸20 h(紅色曲線)較小孔喉處含液量T2譜頻率面積;B1為自吸結(jié)束(黑色曲線)和自吸20 h(紅色曲線)較大孔喉處含液量T2譜頻率面積差;B2為自吸20 h(紅色曲線)較大孔喉處含液量T2譜頻率面積;T2為弛豫時(shí)間圖3 核磁共振T2譜計(jì)算示意圖Fig.3 Schematic diagram of nuclear magnetic resonance T2 spectrum calculation

(3)

(4)

式中:Ssmall為較小孔喉尺度占比,%;Sbig為較大孔喉尺度占比,%;A2為自吸20 h時(shí)較小孔候(0～10 ms)處含液量T2譜頻率面積;A1為自吸結(jié)束與自吸20 h時(shí)較小孔候(0～10 ms)處含液量T2譜頻率面積差;B2為自吸20 h時(shí)較大孔喉(10～10 000 ms)處含液量T2譜頻率面積;B1為自吸結(jié)束與自吸20 h時(shí)較大孔喉(10～10 000 ms)處含液量T2譜頻率面積差。

(2)防水鎖添加劑抑制水鎖傷害實(shí)驗(yàn)核磁共振T2譜計(jì)算。通過計(jì)算不同條件下核磁共振T2譜幅度面積、比值,明確不同孔喉尺度液相滯留占比情況。假設(shè)孔喉半徑為0.001～10 000 ms巖心在不同條件下核磁共振T2譜曲線如圖3所示,較小孔喉為0.001～10 ms,較大孔喉為10～10 000 ms,黑色曲線為飽和條件下流體分布情況,其含液量由A1+A2+B1+B2表示;紅色曲線為實(shí)驗(yàn)流體返排后液相滯留曲線,其含液量由A2+B2表示,則不同孔喉尺度下液相滯留占比計(jì)算公式為

(5)

(6)

式中:A1+B1為飽和曲線與未加入放水鎖劑返排后(或加入防水鎖劑返排后)的曲線T2譜面積差。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面張力與接觸角

將3種防水鎖添加劑與模擬地層水樣配置相同濃度溶液,并測試溶液和模擬地層水樣的表面張力,測試結(jié)果如表2所示。從測試結(jié)果(表2)分析可知,防水鎖添加劑A防水鎖添加劑濃度為0.3%時(shí)表面張力值為28.72 mN/m;模擬地層水樣表面張力測試結(jié)果為72.15 mN/m,加入防水鎖添加劑后表面張力有了明顯的下降。防水鎖添加劑通過改變流體表面張力從而達(dá)到降低毛管力的作用,進(jìn)而達(dá)到防水鎖的作用。

表2 表面張力、接觸角測試結(jié)果Table 2 Surface tension and contact angle test results

C添加劑濃度為0.3%與模擬地層水的表面張力進(jìn)行對比,C添加劑溶液表面張力值低于模擬地層水且差值為39.96 mN/m。B添加劑溶液在濃度為0.3%時(shí)其表面張力為29.90 mN/m,對比B溶液濃度為0.3%和模擬地層水的表面張力,B添加劑溶液表面張力值低于模擬地層水樣,且二者差值為42.25 mN/m。從表面張力測試結(jié)果可知,3種防水鎖添加劑均有降低表面張力的效果且效果明顯,表面張力值均有明顯的下降。

分析對比4種實(shí)驗(yàn)流體接觸角大小,其中模擬地層水樣未測得接觸角大小,分析原因巖心與模擬地層水樣親水性強(qiáng),巖心表面與地層水樣相容性好,巖心易被潤濕;加入防水鎖添加劑后,接觸角增大,從而與巖心疏水性變強(qiáng),巖心潤濕性有了明顯的改善,親水性變?nèi)酢?/p>

通過表面張力與接觸角的測定,可以為防水鎖添加劑效果評價(jià)提供理論依據(jù)。防水鎖添加劑的加入可以有效地降低液體的表面張力,改變巖心的潤濕性,增大巖心的疏水性能從而在實(shí)際運(yùn)用中更加利于返排,3種防水鎖添加劑加入后均有一定的效果。

2.2 宏觀自吸規(guī)律

巖心自吸水速率測定是評價(jià)防水鎖劑效果的實(shí)驗(yàn)方法之一。通過選取實(shí)驗(yàn)巖心開展巖心自吸實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)溶液統(tǒng)一固定濃度為0.3%,并采用模擬地層水樣進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn);因?yàn)閹r心滲透率低于0.1 mD,孔滲條件差且流動(dòng)通道狹窄,極易造成液相滯留,從而導(dǎo)致較為嚴(yán)重的水鎖傷害。巖心自吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,巖心自吸根據(jù)速率大致可以分為3個(gè)階段:快速自吸階段、緩慢自吸階段和穩(wěn)定階段,在快速自吸階段3種防水鎖添加劑自吸水速率相近。

通過圖4模擬地層水樣不同時(shí)間自吸速率可以看出,0～5 h處于快速吸水階段,5～102 h處于緩慢吸水階段,當(dāng)?shù)竭_(dá)102 h后,巖心吸水量停止增加,則到達(dá)穩(wěn)定階段,實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)間為110 h。

觀察圖5可知,自吸速率在緩慢自吸的階段開始產(chǎn)生差異,其中模擬地層水自吸速率最快,且累計(jì)吸液量最大;其次自吸速率較快的是C添加劑溶液,相比較模擬地層水樣速率有了明顯的下降且累計(jì)吸液量也有所降低,A添加劑溶液自吸速率最慢。C添加劑溶液在97 h達(dá)到穩(wěn)定階段,自吸量為1.107 mL;B添加劑溶液在5 840 s達(dá)到穩(wěn)定階段,自吸量為1.032 mL;A添加劑溶液在99 h達(dá)到穩(wěn)定階段,其自吸量為0.853 mL;模擬地層水在102 h達(dá)到穩(wěn)定階段,其自吸量為1.449 mL。分析對比自吸速率,明顯可以看出,A防水鎖添加劑溶液速率最慢。實(shí)驗(yàn)流體為模擬地層水樣自吸速率最快,結(jié)合表面張力與接觸角測試,巖心累計(jì)自吸量、自吸速率與實(shí)驗(yàn)流體表面張力、接觸角呈現(xiàn)一定的相關(guān)性,表面張力越低、接觸角越大則自吸速率與自吸量越小。防水鎖添加劑后流體表面張力與接觸角有明顯的改變,從而在自吸實(shí)驗(yàn)中具有降低毛管力的作用,因此自吸速率更慢,防水鎖效果更好。

圖5 不同實(shí)驗(yàn)流體巖心自吸速率Fig.5 Self-priming rate of cores with differentexperimental fluids

2.3 微觀自吸特征

在巖心自吸實(shí)驗(yàn)不同的時(shí)間階段,應(yīng)用低場核磁共振技術(shù)監(jiān)測巖心內(nèi)部不同孔隙喉道液相分布情況,定量評價(jià)不同孔喉尺度自吸情況,明確水鎖傷害機(jī)理。核磁共振T2譜縱坐標(biāo)信號強(qiáng)度可反應(yīng)橫坐標(biāo)對應(yīng)的巖心孔喉尺度下孔隙體積以及流體分布的情況。

從圖6(a)和圖6(b)可以看出,核磁T2譜曲線主要呈現(xiàn)雙峰態(tài)分布,黑色曲線為自吸110 h的T2譜測定結(jié)果,紅色曲線為自吸20 h的T2譜測定結(jié)果,曲線整體分布介于0.005～811.98 ms,黑色曲線左峰明顯高于紅色曲線左峰,紅色曲線左峰面積大概占黑色曲線左峰面積的約1/3;而紅色曲線右峰面積占比較小。整體觀察二者核磁共振T2譜曲線相差不大,核磁共振T2譜中橫坐標(biāo)T2弛豫時(shí)間與孔喉半徑呈正相關(guān)關(guān)系,縱坐標(biāo)T2譜幅度信號強(qiáng)度可以反映橫坐標(biāo)對應(yīng)某尺度下孔喉體積大小以及流體分布量情況。黑色曲線縱坐標(biāo)信號最大值信號接近900,紅色曲線縱坐標(biāo)信號最大值接近400,且0.005～4.55 ms尺度范圍內(nèi)的較小孔喉體積顯著高于4.55～811.98 ms的較大孔喉體積,該特征充分反映在表面張力以及接觸角相近的條件下,孔喉尺度越小毛管力越大,從而導(dǎo)致巖心自吸量越大。

圖6 各添加劑不同自吸時(shí)間T2譜Fig.6 T2 spectrum of various additive with different self-absorption time

對比圖6(c)和圖7可知,不同自吸時(shí)間巖心T2譜,其中黑線為自吸110 h巖心T2譜曲線,紅線為自吸20 h后巖心T2譜曲線測定結(jié)果。巖心樣品經(jīng)過自吸實(shí)驗(yàn)后主要呈現(xiàn)雙峰態(tài)分布,曲線整體分布介于0.005～811.98 ms,自吸模擬地層水中黑色曲線核磁共振T2譜縱坐標(biāo)信號幅度超過1 100,表明實(shí)驗(yàn)流體為模擬地層水樣自吸量大于C型防水鎖添加劑的自吸量,且0.005～5.35 ms尺度的較小孔喉體積顯著高于5.35～811.98 ms尺度的較大孔喉體積,并且模擬地層水T2譜中黑色和紅色曲線孔喉體積明顯大于另外3種防水鎖添加劑核磁共振T2譜中紅色和黑色曲線孔喉體積,該現(xiàn)象論證了防水鎖添加劑加入后明顯降低了巖心累計(jì)吸水量;對比紅色曲線則反映了在相同的時(shí)間內(nèi),模擬地層水樣自吸量更大從而反映出實(shí)驗(yàn)流體為模擬地層水樣吸水速率更快,且自吸主要發(fā)生在較小孔喉處。

圖7 模擬地層水不同自吸時(shí)間T2譜Fig.7 T2 pectrum of simulated formation water with different self-priming time

分析不同實(shí)驗(yàn)試液自吸20 h不同孔喉尺度液相占比情況,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同實(shí)驗(yàn)試液自吸時(shí)間20 h孔喉占比程度Table 3 Proportion of pore throat in different test solutions with self-priming time of 20 h

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖8可以看出,因毛管力的作用產(chǎn)生巖心自吸現(xiàn)象,自吸實(shí)驗(yàn)液相滯留主要發(fā)生在較小孔候處;因較大孔喉處毛管力較小,從而流體不易產(chǎn)生滯留,因此較大孔喉處自吸液相滯留占比較小。加入防水鎖添加劑后,較小孔喉處自吸液相滯留平均占比在38.61%,整體孔喉處自吸液相滯留平均占比在35.79%;而采用模擬地層水較小孔喉液相占比為67.48%,整體孔喉占比在54.52%,通過對比可得加入防水鎖添加劑后較小孔喉自吸液相滯留占比下降了28.87%,整體自吸液相滯留占比下降了18.73%。防水鎖添加劑通過改變流體的表面張力以及接觸角,有效降低了巖心自吸量以及自吸速率,其主要作用在較小孔喉處,加入防水鎖添加劑后液相滯留有了明顯的改善,從而降低水鎖傷害程度。

圖8 巖心自吸實(shí)驗(yàn)20 h不同孔喉液相滯留占比分布圖Fig.8 Distribution diagram of liquid phase retention ratio in different pore throats during core self suction experiment for 20 h

2.4 防水鎖劑抑制氣藏水鎖傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于不同實(shí)驗(yàn)流體開展表面張力、接觸角測試,并結(jié)合巖心自吸實(shí)驗(yàn),對3種防水鎖添加劑性能有初步的認(rèn)識。通過氣藏防水鎖添加劑抑制水鎖傷害實(shí)驗(yàn)并結(jié)合低場核磁共振技術(shù),對防水鎖劑作用機(jī)理進(jìn)行研究,定量表征防水鎖劑在不同孔喉出改善液相滯留程度。開展防水鎖劑抑制氣藏水鎖傷害實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)相關(guān)結(jié)果如表4所示。

表4 防水鎖劑抑制氣藏水鎖傷害數(shù)據(jù)Table 4 Waterproof locking agent suppresses water lock damage data in gas reservoirs

實(shí)驗(yàn)中所用巖心初始滲透率較低,在反向通入模擬地層水達(dá)到飽和狀態(tài),正向通氮?dú)饽M返排過程后達(dá)到束縛水飽和度,測試滲透率變化并計(jì)算水鎖傷害程度,此時(shí)束縛水條件下巖心滲透率下降幅度明顯,傷害程度范圍在62.64%～82.69%。之后向巖心反向注入防水鎖劑溶液后再正向通入氮?dú)?滲透率均具有一定程度的提高,恢復(fù)程度在15.38%～20.19%,防水鎖添加劑的加入一定程度上降低了水鎖傷害。結(jié)合低場核磁共振儀器從微觀角度進(jìn)行分析,明確防水鎖添加劑溶液在不同孔喉尺度范圍內(nèi)的改善情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5、圖9(a)所示。

圖9 各添加劑加入前、后T2譜Fig.9 T2 spectrum before and after adding each additive

表5 A添加劑改善前、后T2譜孔喉占比結(jié)果Table 5 Results of pore throat ratio in T2 spectra before and after improvement with additive A

巖心3-1較為致密,通過飽和曲線可知巖心整體多為較小孔喉,較大孔喉含量相對較低,基于A添加劑改善前后T2譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,黑色曲線為飽和狀態(tài)核磁共振T2譜曲線,反映了巖心孔喉分布占比情況,紅色曲線表示巖心反向注入模擬地層水并達(dá)到飽和狀態(tài)后再正向注入氮?dú)?返排后達(dá)到束縛水飽和度時(shí)的液相滯留占比情況;藍(lán)色曲線表示反向飽和防水鎖添加劑溶液飽和后再通入氮?dú)膺M(jìn)行返排后的液相滯留占比情況。通過計(jì)算得知在巖心在束縛水飽和度條件下,較小孔喉處返排液相滯留占比達(dá)到95.09%,較大孔喉處返排液相滯留占比達(dá)到2.88%,整體返排液相滯留占比在95.09%。加入防水鎖添加劑溶液后,較小孔喉處返排液相滯留占比下降至78.34,降低了13.87%;較大孔喉處返排液相滯留占比下降至2.50%,降低了0.38%,整體返排液相滯留占比下降至80.84%,降低了14.25%,滲透率恢復(fù)程度達(dá)到20.19%。

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖9(b)、表6可知,黑色曲線為飽和狀態(tài)核磁共振T2譜曲線,反映了巖心孔喉分布占比情況,紅色曲線表示巖心反向注入模擬地層水并達(dá)到飽和狀態(tài)后再正向注入氮?dú)?返排后達(dá)到束縛水飽和度時(shí)的液相滯留占比情況;藍(lán)色曲線表示反向飽和防水鎖添加劑溶液飽和后再通入氮?dú)膺M(jìn)行返排后的液相滯留占比情況。通過計(jì)算得知巖心在束縛水飽和度條件下,較小孔喉處返排液相滯留占比達(dá)到62.30%,較大孔喉處返排液相滯留占比達(dá)到2.29%,整體返排液相滯留占比在64.59%。加入防水鎖添加劑溶液后,較小孔喉處返排液相滯留占比下降至52.97%,降低了9.33%;較大孔喉處返排液相滯留占比下降至1.47%,降低了0.82%,整體返排液相滯留占比下降至54.44%,降低了10.15%,滲透率恢復(fù)程度達(dá)到17.89%。

表6 B添加劑改善前、后T2譜孔喉占比結(jié)果Table 6 Result of T2 pore throat ratio before and after improvement with additive B

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖9(c)、表7可知,黑色曲線為飽和狀態(tài)核磁共振T2譜曲線,反映了巖心孔喉分布占比情況,紅色曲線表示巖心反向注入模擬地層水并達(dá)到飽和狀態(tài)后再正向注入氮?dú)?返排后達(dá)到束縛水飽和度時(shí)的液相滯留占比情況;藍(lán)色曲線表示反向飽和防水鎖添加劑溶液飽和后再通入氮?dú)膺M(jìn)行返排后的液相滯留占比情況。通過計(jì)算得知巖心在束縛水飽和度條件下,較小孔喉處返排后液相滯留占比達(dá)到63.67%,較大孔喉處返排液相滯留占比達(dá)到1.77%,整體返排后液相滯留占比在65.44%。加入防水鎖添加劑溶液后,較小孔喉處返排后液相滯留占比下降至56.17%,降低了7.5%;較大孔喉處返排液相滯留占比下降至1.47%,降低了0.3%,整體返排液相滯留占比下降至57.64%,降低了7.8%,滲透率恢復(fù)程度達(dá)到15.38%。

表7 C添加劑改善前、后T2譜孔喉占比結(jié)果Table 7 Result of pore throat ratio in T2 spectrum before and after improvement with C additive

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖10可知,防水鎖添加劑加入后可有效降低整體孔喉的液相滯留占比,尤其是在較小孔喉處返排液相滯留占比顯著降低,整體孔喉下降幅度為7.8%～14.25%,平均下降幅度在10.73%,較小孔喉處返排液相滯留占比下降幅度在7.5%～13.87%,平均下降幅度為10.23%。未加入防水鎖添加劑時(shí),飽和巖心通過氣體返排后T2譜可知,較大孔喉處峰面積明顯降低,較小孔喉處峰面積下降幅度小;加入防水鎖添加劑后有效降低流體的表面張力,增大接觸角,從而使流體在較小孔喉處所受毛管力有一定程度的降低,因此水鎖傷害程度得到一定程度的下降,巖心滲透率有一定程度的恢復(fù);恢復(fù)程度彼此之間有所差異,造成這種現(xiàn)象的原因與巖心自身不同孔喉尺度分布情況以及巖心表面的潤濕性有關(guān)。

圖10 防水鎖添加劑抑制水鎖傷害實(shí)驗(yàn)不同孔喉液相占比分布圖Fig.10 Distribution of liquid phase proportion of different pores and throats in the experiment of inhibiting water lock damage by waterproof lock additives

在前人采用巖心自吸實(shí)驗(yàn)評價(jià)防水鎖添加劑性能的基礎(chǔ)上,通過開展巖心自吸實(shí)驗(yàn)與防水鎖劑抑制水鎖傷害測試實(shí)驗(yàn),結(jié)合低場核磁共振技術(shù),從微觀尺度定量評價(jià)加入防水鎖劑前后不同孔喉尺度液相滯留占比情況;揭示防水鎖劑的作用機(jī)理。防水鎖劑加入后對較小孔處改善液相滯留占比效果明顯,進(jìn)而降低整體液相滯留占比,從而降低水鎖傷害,提高返排效率,為現(xiàn)場提高采收率提供理論支撐。

3 結(jié)論

(1)基于表面張力、接觸角以及巖心自吸實(shí)驗(yàn)測試,3種防水鎖添加劑具有較好的防水鎖效果,與模擬地層水樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比有效地降低了表面張力的大小,接觸角增大有效地降低了巖石的親水性,從而起到了降低水鎖傷害的作用。

(2)通過核磁共振T2譜分析,巖心自吸實(shí)驗(yàn)中流體主要先進(jìn)入較小孔隙喉道處,產(chǎn)生液相滯留,對比模擬地層水樣和不同種類防水鎖添加劑溶液自吸實(shí)驗(yàn)液相滯留情況得出,加入防水鎖添加劑后較小孔喉自吸液相滯留占比下降了28.87%,整體自吸液相滯留占比下降了18.73%。

(3)基于防水鎖添加劑抑制氣藏水鎖傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在束縛水飽和度下,巖心水鎖傷害程度在62.64%～82.69%,平均水鎖傷害程度70.61%,加入防水鎖劑前平均液相滯留占比在75.04%,加入防水鎖劑后平均滲透率恢復(fù)程度在17.82%,加入防水鎖劑后平均液相滯留占比在64.31%。防水鎖添加劑加入后滲透率均有一定程度的恢復(fù)。