基于致密砂巖氣藏初始含水飽和度的水鎖傷害評(píng)價(jià)

王茜， 王雙威， 唐勝藍(lán)， 張潔， 張蝶， 趙志良

美國(guó)非常規(guī)氣資源的成功開(kāi)發(fā)極大地鼓舞了世界范圍內(nèi)的非常規(guī)氣藏開(kāi)發(fā)熱潮。中國(guó)非常規(guī)氣藏資源豐富，初步評(píng)價(jià)中國(guó)非常規(guī)氣藏可采資源量為（84～125）×1012m3，是常規(guī)氣資源量的5倍左右[1]。致密砂巖氣藏作為非常規(guī)氣藏的一種，基質(zhì)滲透率低，Law and Curtis曾將滲透率小于0.1 mD的氣藏定義為致密砂巖氣藏[2]，其通常具有較高的毛細(xì)管力和束縛水飽和度以及較低的初始含水飽和度[3-4]。較低的初始含水飽和度和較高的束縛水飽和度，導(dǎo)致儲(chǔ)層接觸水基工作液后，大量的水分在儲(chǔ)層滯留，造成嚴(yán)重的水鎖傷害。研究證明，水鎖對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層的傷害率普遍在70%～90%[5-7]。目前水鎖傷害的評(píng)價(jià)多使用恒壓注入或自吸實(shí)驗(yàn)?zāi)M水鎖傷害，然后對(duì)比分析自吸后以及干巖心的氣體滲透率之間的變化情況，計(jì)算水鎖程度[8-10]，忽略了致密砂巖氣藏的初始含水飽和度對(duì)巖心初始滲透率的影響，通常得到的水鎖傷害程度較實(shí)際情況更加嚴(yán)重。為了更加符合致密砂巖氣藏的真實(shí)情況，建立了一套基于初始含水飽和度的致密砂巖氣藏水鎖傷害評(píng)價(jià)方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明，該方法可操作性高，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，具有很大的推廣價(jià)值。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的巖心取自塔里木油田神木1井致密氣藏的儲(chǔ)層段的天然巖心，埋深5 194～5 203 m，氣測(cè)滲透率小于0.1 mD。巖心的準(zhǔn)備按照SY/T 5358—2010《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》的要求進(jìn)行。使用自主創(chuàng)建的致密巖心初始含水飽和度建立方法，使實(shí)驗(yàn)巖心的含水飽和度與氣藏儲(chǔ)層實(shí)際含水飽和度相同。污染的過(guò)程，按照抽真空法進(jìn)行。通過(guò)對(duì)比初始含水飽和度下巖心的氣體滲透率和水鎖傷害后束縛水飽和度下巖心的氣體滲透率計(jì)算水鎖傷害程度。巖心氣測(cè)滲透率步驟按照《油層物理學(xué)》中氣測(cè)滲透率實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行[11]。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

多孔纖維，水潤(rùn)濕；精密ISCO泵；中間容器，1 L；脈沖發(fā)生器，0～20 MPa；巖心夾持器，直徑2.5 cm；JHCSI巖心抽真空飽和裝置，工作壓力-0.06～50 MPa；回壓閥，0～20 MPa；精密氣體流量計(jì)，EL-FLOW，2～100 mL/min。

2 巖心初始含水飽和度的建立

為了水分在巖心內(nèi)部分散得更加均勻，使用3步走的方法建立致密巖心的初始含水飽和度。

1）使用飽和水后的多孔纖維包裹巖心，增加巖心表面的含水飽和度。首先按照GB/T 29172—2012《巖心分析方法》規(guī)定的實(shí)驗(yàn)流程對(duì)儲(chǔ)層巖心進(jìn)行洗油、洗鹽、干燥，然后測(cè)定巖心的覆壓孔隙度和滑脫矯正后的氣體滲透率。對(duì)地層水或模擬地層水按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行過(guò)濾，計(jì)算地層水的密度。根據(jù)巖心孔隙度和地層水密度，計(jì)算地層初始含水飽和度下巖心飽和水質(zhì)量。使水潤(rùn)濕性多孔纖維，在地層水中充分飽和，適當(dāng)擰干，去除多孔纖維中的流動(dòng)水。使用多孔纖維包裹巖心，每隔2 min測(cè)定1次巖心的質(zhì)量。使用多孔纖維包裹的方法，使巖心吸入1/2需要飽和質(zhì)量的水。

2）使用濕氣驅(qū)替法增加巖心內(nèi)部的含水飽和度。將氮?dú)馄恐械牡獨(dú)馔ㄟ^(guò)加入4/5水的中間容器，為氮?dú)饧訚瘢缓笫褂脻駶?rùn)氮?dú)怛?qū)替巖心，驅(qū)替流速應(yīng)低于同區(qū)塊巖心速敏實(shí)驗(yàn)中確定的臨界流速，實(shí)驗(yàn)圍壓高于驅(qū)替壓力3 MPa。每隔10 min測(cè)定1次巖心的質(zhì)量，使用濕氣驅(qū)替的方法，將1/2需要飽和的水驅(qū)入巖心。

3）在氮?dú)馄靠貕洪y后安裝脈沖控制設(shè)備，通過(guò)控壓閥，制造脈沖壓力。使用脈沖壓力，驅(qū)替達(dá)到初始含水飽和度的巖心，脈沖壓力的存在，可以加快巖心內(nèi)部水分分布均勻所需的時(shí)間。在正式實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)脈沖壓力的最大值進(jìn)行優(yōu)選。優(yōu)選的依據(jù)為脈沖壓力驅(qū)替的過(guò)程中，避免將巖心中的水分驅(qū)出。優(yōu)選實(shí)驗(yàn)通過(guò)稱量不同最高脈沖壓力條件下，驅(qū)替巖心2 h。稱量脈沖壓力驅(qū)替前后巖心的質(zhì)量，巖心的質(zhì)量變化小于5%的驅(qū)替壓力，為脈沖壓力的最大值。通過(guò)優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，本論文中使用的脈沖壓力最大值為4 MPa。

3 巖心的飽和以及返排條件確定

3.1 巖心抽真空飽和時(shí)間的確定

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性，必須保證在抽真空飽和的過(guò)程中，每塊巖心被鉆井液濾液充分飽和。充分飽和所需的時(shí)間與巖心的體積、巖石成分、抽真空裝置的負(fù)壓大小有關(guān)。因此在使用抽真空飽和方法前，需要做飽和度隨時(shí)間的變化情況實(shí)驗(yàn)，確定最低的飽和時(shí)間。取致密氣藏巖心，測(cè)定了飽和度隨時(shí)間的變化關(guān)系。所使用的抽真空飽和裝置在正常工作時(shí)的負(fù)壓值為0.05 MPa，所用的巖心取自同一區(qū)塊，長(zhǎng)度和直徑都非常接近，以增加實(shí)驗(yàn)的對(duì)比性。使用抽真空飽和裝置，對(duì)5塊巖心進(jìn)行了抽真空飽和實(shí)驗(yàn)，各巖心的含水飽和度隨時(shí)間的變化如圖1所示。

圖1 5塊巖心吸水量隨時(shí)間的變化曲線

從圖1可以看出，在使用本實(shí)驗(yàn)裝置條件下，各巖心在飽和10 h之后，含水飽和度不再發(fā)生明顯的變化，因此將抽真空飽和時(shí)間定為10 h，能夠保證巖心被水相充分飽和。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中返排時(shí)間的確定

抽真空飽和法測(cè)定致密巖心水鎖傷害程度要求將巖心抽真空飽和后，在一定驅(qū)替壓力下，將巖心驅(qū)替至束縛水飽和度，然后測(cè)定巖心的氣測(cè)滲透率變化，計(jì)算巖心的水鎖傷害程度。巖心從完全飽和狀態(tài)被驅(qū)替至束縛水飽和度狀態(tài)所需要的時(shí)間與巖心的長(zhǎng)度、滲透率大小、驅(qū)替時(shí)巖心入口端與出口端的壓差有關(guān)。為了保證每組實(shí)驗(yàn)污染后巖心的含水飽和度情況保持一致，在使用尺寸和滲透率相近巖心的前提下，需要對(duì)驅(qū)替壓力和驅(qū)替時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.1 驅(qū)替壓力的確定

其他條件不變的情況下，驅(qū)替壓力越大，氣體在巖心內(nèi)部的流動(dòng)速度越快，巖心達(dá)到束縛水飽和度的時(shí)間越短。但是流速過(guò)快會(huì)對(duì)巖心造成速敏傷害。同時(shí)驅(qū)替壓力越大，所需要的圍壓越大，過(guò)大的圍壓會(huì)對(duì)巖心造成一定程度的應(yīng)力敏感傷害。因此，首先需要確定巖樣的速敏情況，以確定臨界驅(qū)替壓力。

將巖心入口端的驅(qū)替氮?dú)鈮毫Ψ謩e設(shè)置為1、2、3、3.5、4、4.5、5 MPa，根據(jù)巖心的長(zhǎng)度，計(jì)算出各驅(qū)替壓力下的壓力梯度，然后測(cè)定巖心的氣體滲透率。測(cè)量過(guò)程中，將巖心所受的圍壓設(shè)定為高于驅(qū)替壓力2 MPa，固定凈圍壓值，減少圍壓對(duì)巖心滲透的影響。每個(gè)壓力下測(cè)定3組實(shí)驗(yàn)，取其平均值，作為不同驅(qū)替壓力下巖心的氣體滲透率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，致密巖心臨界壓力梯度較低，當(dāng)驅(qū)替壓力超過(guò)1 MPa時(shí)滲透率傷害程度超過(guò)了20%。在驅(qū)替壓力為1～4 MPa時(shí)，巖心滲透率比較平穩(wěn)，壓力繼續(xù)增大，巖心滲透率會(huì)明顯下降。因此最佳驅(qū)替壓力為1～4 MPa之間。

表1 巖心氣體滲透率隨驅(qū)替壓力變化情況

3.2.2 驅(qū)替時(shí)間的確定

考慮到巖心驅(qū)替時(shí)間越長(zhǎng)，由于蒸發(fā)效應(yīng)導(dǎo)致的巖心含水飽和度變化越不可控。而且，流速越低毛細(xì)管力和巖心的末端效應(yīng)對(duì)氣測(cè)滲透率造成的誤差越大[4]。所以將驅(qū)替壓力定為4 MPa，對(duì)巖心進(jìn)行氣體返排實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了巖心內(nèi)部含水飽和度隨時(shí)間的變化關(guān)系。首先，將巖心烘干后測(cè)定了巖心的干重、充分飽和地層水后的濕重、巖心的長(zhǎng)度、直徑，從而計(jì)算出巖心的孔隙體積，巖心基本信息見(jiàn)表2。其中使用的模擬地層水的密度為1.075 kg/m3。然后將巖心裝入巖心夾持器，圍壓加至6 MPa，測(cè)定了驅(qū)替 10、20、30、60、90、120、150、180 min時(shí)巖心的質(zhì)量，見(jiàn)表3。根據(jù)巖心的基本信息和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出巖心內(nèi)部含水飽和度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖2。

表2 使用巖心的基本信息

表3 巖心質(zhì)量隨時(shí)間的變化情況

由圖2可以看出，由于9#、10#巖心的滲透率比較接近，2塊巖心的含水飽和度變化趨勢(shì)也大致相同。11#巖心的滲透率較高，在使用4 MPa的驅(qū)替壓力驅(qū)替時(shí)，出口出水早于另外2塊巖心，在驅(qū)替40 min時(shí)，基本已經(jīng)達(dá)到平衡。3塊巖心，在驅(qū)替2 h后，基本上都達(dá)到了含水飽和度平衡。之后，巖心含水飽和度在蒸發(fā)效應(yīng)的作用下，含水飽和度會(huì)繼續(xù)緩慢降低，但是變化幅度可以忽略。因此，當(dāng)驅(qū)替壓力為4 MPa時(shí)，巖心需驅(qū)替2 h以上。

圖2 含水飽和度隨時(shí)間變化曲線

4 水鎖傷害程度評(píng)價(jià)

通過(guò)離心法，將取自神木4井6 649 m的聚磺鉆井液進(jìn)行固液分離。然后使用0.22 μm濾膜對(duì)濾液進(jìn)行抽濾，除去濾液中的微粒。使用上述指定的方法，將4塊巖心建立初始含水飽和度（儲(chǔ)層的初始含水飽和度為30%），并使用抽濾后的濾液對(duì)巖心進(jìn)行水鎖傷害。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，真空泵的負(fù)壓為0.05 MPa、抽真空飽和時(shí)間為10 h。抽真空飽和后，返排壓力為4 MPa，返排時(shí)間為2 h。分別測(cè)定了巖心的初始含水飽和度下和束縛水飽和度下巖心的氣體滲透率，評(píng)價(jià)巖心在聚磺鉆井液中受到的水鎖傷害程度。所用巖心參數(shù)見(jiàn)表4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。如圖3所示，4個(gè)巖心的滲透率分布為0.011～0.057 mD，孔隙度分布為2.16%～5.41%，4個(gè)巖心水鎖傷害為54.83%～72.73%。整體趨勢(shì)為滲透率越低，潛在的水鎖傷害越嚴(yán)重。水鎖傷害主要是由于水相在儲(chǔ)層孔隙毛細(xì)管力的作用下產(chǎn)生的，毛細(xì)管力越強(qiáng)，水鎖傷害越嚴(yán)重。液體的毛細(xì)管力的計(jì)算公式如公式1所示：

式中，Pc為毛細(xì)管力，Pa；r為儲(chǔ)層巖石孔隙的毛管半徑，mm；σ為液體與巖石的之間的表面張力，mN/m。由毛細(xì)管力計(jì)算公式可知，當(dāng)液體和巖石性質(zhì)確定后，σ和θ的值一定，毛細(xì)管力的大小取決于儲(chǔ)層巖石孔隙的毛細(xì)管半徑，r越小，毛細(xì)管力越嚴(yán)重。通過(guò)建立的水鎖傷害評(píng)價(jià)可知，巖心的滲透率越低，毛細(xì)管半徑越小，水鎖傷害越嚴(yán)重。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與水鎖傷害發(fā)生機(jī)理相匹配。因此這種方法能夠很好地評(píng)價(jià)儲(chǔ)層巖心的水鎖傷害程度。同時(shí)，使用以巖心初始含水飽和度下的氣體滲透率為基礎(chǔ)計(jì)算的水鎖傷害程度要低于基于巖心含水飽和度為0（充分干燥后）時(shí)的水鎖傷害程度（70%～90%）。

表4 巖心基本參數(shù)

圖3 巖心水鎖傷害程度

5 結(jié)論

1.使用抽真空飽和法能夠有效地測(cè)定致密巖心的水鎖傷害程度，以初始含水飽和度為基準(zhǔn)測(cè)得致密砂巖氣藏巖心水鎖傷害程度為54.83%～72.73%，較常規(guī)方法測(cè)得的70%～90%低。

2.致密巖心通過(guò)抽真空的方法達(dá)到含水飽和度為100%所需要的時(shí)間與巖心的尺寸、物性有關(guān)。針對(duì)不同條件巖心，必須進(jìn)行抽真空飽和時(shí)間優(yōu)化。本實(shí)驗(yàn)使用巖心的飽和時(shí)間為10 h。

3.巖心返排時(shí)間與驅(qū)替壓力有關(guān)，驅(qū)替壓力在小于巖心應(yīng)力敏感的臨界壓力的情況下取最高值，以降低由于蒸發(fā)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定性和氣測(cè)滲透率的準(zhǔn)確性。本實(shí)驗(yàn)使用巖心的返排壓力定為4 MPa，返排時(shí)間為2 h。

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