杭錦旗地區致密砂巖氣藏水鎖傷害評價及防治對策

梅 潔，張 宇，李 雷，張永春

（1．中國石化華北分公司工程技術研究院，河南鄭州450006；2．中國石化華北分公司工程技術處）

1 儲層工程地質特征［1］

鄂爾多斯盆地北部杭錦旗地區上古生界儲層為典型的低壓致密砂巖氣藏，工區孔隙度的平均值10．35%，主要分布區間為6%～14%；滲透率平均值1．22×10－3μm2，主要分布范圍是（0．2～2．0）×10－3μm2，屬于中低孔、低滲儲層。巖性以灰白色中粗粒石英砂巖、灰白色中粗粒巖屑石英砂巖為主，氣藏孔隙類型有粒間溶孔、次生溶孔、晶間微孔和微裂縫，其中剩余原生粒間孔隙和次生溶孔為主要的孔隙類型，構造裂縫及微裂縫較發育，大部分為半充填或未充填。膠結物成分主要為二氧化硅和方解石，局部鐵質膠結，主要的粘土礦物類型有伊利石、高嶺石、綠泥石以及伊／蒙間層礦物，伊利石和高嶺石相對含量最高。自上而下，粘土礦物含量減少，而伊利石相對含量增加，壓汞分析數據表明，儲層面孔率一般為1．0%～4．0%，最高達10．0%，孔喉結構分選性較差；排驅壓力一般小于1．0MPa，中值壓力大多數在10．0MPa以上，反映了粗孔喉含量少且連通性差的特點。壓汞曲線顯示，退汞壓力遠大于進汞壓力，殘留汞飽和度大于50．0%，說明毛管壓力滯后使外來流體排出較侵入困難，造成親水油氣層水鎖，流動效率降低。

2 致密氣藏水鎖傷害機理［2－6］

在油氣藏開發過程中，鉆井液、完井液、固井液、以及壓裂液等外來流體進入地層后難以排出，使儲層含水飽和度增加，油氣相對滲透率下降，稱為水鎖效應。低滲透致密氣藏普遍存在著水鎖損害，造成水鎖效應有內在和外在兩方面因素。儲層致密、孔隙喉道小，油藏壓力低、存在綠泥石薄膜狀的孔隙襯邊結構是造成儲層產生水鎖效應的內在因素；驅動壓差小、外來流體與巖石的潤濕角小、粘度大及油水界面張力大是造成儲層產生水鎖效應的外在因素。

滲透率越低，孔喉半徑越小，油層壓力越低，越容易產生水鎖損害，且越難以解除其損害。前人通過水鎖傷害實驗分析表明：水鎖的傷害程度與滲透率、孔隙度、原始含水飽和度呈負相關，與束縛水飽和度呈正相關關系。伊利石、泥質含量越高的儲集層水鎖傷害越大。

判斷氣藏是否產生水鎖損害，D．B．Bennion提出了水鎖APTi模型，建立了式（1）的計算模型和評價標準（表1）。

表1 APTi模型評價指標

式中：APTi——水鎖指數，Kg——氣測滲透率，10－3μm2，Swi——初始含水飽和度。

儲層的滲透率和初始含水飽和度是決定水鎖效應的主要因素，通過模型公式（1）計算了杭錦旗地區的水鎖結果（表2）。由表2可以看出，太原組水鎖傷害最為嚴重。

表2 杭錦旗地區APTi水鎖模型計算結果

3 室內水鎖傷害實驗

3．1 相滲實驗

對杭錦旗區塊所取12塊巖樣進行相滲曲線的測定，得到不同滲透率條件下的巖心的水鎖傷害程度。從圖1可看出，隨著含氣飽和度的增加，氣相滲透率逐漸恢復，水相滲透率減小。當水相滲透率降低到0時，此時對應的含水飽和度即為殘余（束縛）水飽和度，氣相滲透率達到最大值。

圖1 J39－21巖樣相滲曲線

從表3可以看出，巖心殘余水滲透率較初始滲透率有大幅度的降低，殘余水飽和度在40%～80%之間，水鎖傷害程度在50%以上，部分巖樣甚至達到90%，造成了嚴重的水鎖傷害。

3．2 水鎖傷害實驗

表3 杭錦旗地區12塊巖心相滲實驗數據

選取杭錦旗不同區塊15塊巖心，開展水鎖傷害實驗。實驗方法主要以中華人民共和國石油天然氣行業標準SY／T5358－2002《儲層敏感性流動實驗評價方法》為依據，水鎖傷害原理及評價指標按公式（2）計算：

式中：Ic——水鎖指數；Ko1——初始測定的巖樣滲透率，10－3μm2；Ko2——水鎖后測定的巖樣滲透率，10－3μm2。

從表4結果來看，實驗后巖心滲透率較初始滲透率有大幅度降低，水鎖程度損害程度在30%以上，隨著層位深度的增加，水鎖傷害程度有明顯增加的趨勢，山西組和太原組水鎖傷害程度明顯大于下石盒子組。

3．3 實驗結果討論與分析

3．3．1 孔滲、束縛水飽和度對水鎖的影響

低滲氣藏巖心束縛水飽和度較高，Krg曲線多為凹陷型，水鎖損害嚴重。在Swi～Sgr區間段，Krg曲線彎曲度越大或越接近含氣飽和度軸，水鎖損害程度越嚴重（如圖1所示）。隨著滲透率的增加，殘余水飽和度下降，殘余氣相滲透率與滲透率呈正相關，孔隙度與殘余水飽和度線性相關性不大，總體呈現孔隙度增加、殘余水飽和度下降的趨勢（圖2、3）。

從圖4可以看出，在下石盒子組盒3、盒2、盒1儲層中，水鎖傷害程度與儲集層滲透率的負相關性很強。隨著滲透率的增加，水鎖傷害程度逐漸減小，并趨近于一個定值。由于該區塊粗孔喉含量少且連通性差，儲層滲透率貢獻率以粗孔喉貢獻為主，只要有足夠的壓差，水相很難完全堵塞。而滲透率越低，孔喉半徑越小，毛管力越大，細小喉道形成堵塞，導致水相流動的阻力越大，水鎖傷害程度增強。

表4 杭錦旗水鎖傷害實驗

圖2 滲透率與殘余氣相滲透率關系

圖3 孔隙度與殘余水飽和度

圖4 滲透率與水鎖程度曲線

3．3．2 層位對水鎖的影響

從圖5可以看出，在相同滲透率條件下，下石盒子組水鎖程度明顯小于山西組和太原組儲層。隨著埋深的增加，溫度在60～130℃，K＋與H＋比率接近正常海水時，蒙脫石失去層間水而向伊蒙混層粘土礦物以及伊利石轉化。而伊利石強烈吸附水，使巖心含水飽和度升高，氣相滲透率降低。另外從測井數據統計的各層孔滲參數（表2），山西組和太原組物性較差，孔滲低于下石盒子組，導致山西組和太原組水鎖程度明顯大于下石盒子組儲層。因此，需要加強對山西組和太原組水鎖傷害的保護措施。

圖5 杭錦旗不同層位水鎖程度

3．3．3 自吸對水鎖的影響

由于低滲透巖石的自吸作用，外來流體靠自吸作用進入巖石，造成水鎖損害。對于低滲透儲層，隨著滲透率的降低，雖然在同等正壓差下進入儲層的外來流體的量減小，但毛細管半徑減小，自吸作用增加，且這部分自吸水更不容易被返排出來，如果再加上儲層低壓，水鎖傷害程度就顯著增加。

從圖6可以看出，巖心在自吸的初期，隨著自吸時間的增加，水鎖損害程度一直在增大，自吸到一定的時間（120～150 min）后，其水鎖損害也就不再明顯增加了。滲透率越高，自吸量越大，達到飽和的時間越短。

圖6 水鎖程度與自吸時間的關系

4 水鎖傷害防治對策［7－10］

目前，國內外解除水鎖傷害的方法主要有：延長關井時間，水力壓裂，降低界面張力，地層熱處理技術等。針對鄂爾多斯盆地杭錦旗區塊儲層低滲致密、低壓、局部含水飽和度高，天然裂縫發育的特點，水鎖傷害防治對策建議如下：

（1）嚴格控制氣井完井到投產之間時間以及井筒流體與儲層間的壓力差，減少液相與儲層接觸時間，降低水鎖傷害。

（2）合理控制壓裂規模，防止壓裂縫溝通邊底水對儲層造成二次的水鎖傷害。在壓裂前置液階段和攜砂液前端分步加入防水鎖劑，采用泡排劑、液氮助排工藝促進液相的快速返排。

（3）建議試驗泡沫壓裂液體系或增能壓裂液體系，減少液相進入儲層機率，提高地層能量，促進壓裂液的返排。

以上措施在杭錦旗區塊中產生較好的應用效果。錦77盒1段分三段射孔，砂體厚度33．3m，平均含氣飽和度僅為18．77%，顯示為含氣水層。在壓裂施工中嚴格控制規模防止溝通水層，加入水傷害處理劑減小水鎖損害，壓后無阻流量4．33×104m3／d，油壓8．3 MPa，壓后產水量5 m3／d，返排率62．7%。錦82盒1段含氣飽和度為25．23%，顯示為含氣水層，壓后無阻流量3．12×104m3／d，油壓3．6 MPa，產水量2．52 m3／d，返排率為66．43%。

5 結論與建議

（1）杭錦旗區塊為中低孔致密砂巖儲層，孔喉細小，毛管力大，連通性差，存在潛在的水鎖傷害因素，經水鎖模型計算該區塊存在嚴重的水鎖傷害。

（2）由相滲曲線得出致密砂巖儲層束縛水飽和度主要介于40%至80%之間，曲線彎曲度越大或越接近含氣飽和度軸，水鎖損害程度越嚴重。毛管的自吸作用強化了儲層的水鎖傷害。天然裂縫的存在進一步擴大了水相與儲層的接觸面積，造成大面積的水鎖傷害。

（3）室內相滲和水鎖傷害等實驗表明，致密砂巖儲層水鎖傷害在40%以上，太原組、山西組的水鎖程度明顯大于下石盒子組；水鎖傷害程度與滲透率、束縛水飽和度呈負相關，與儲層伊利石含量呈正相關。

（4）建議預防為主，解堵為輔。在各種作業前做好水鎖的防范措施，盡量避免液相進入儲層；采用表面活性劑、注液氮等必要的措施解除水鎖傷害，減少液相對儲層的傷害。

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