相國寺儲氣庫儲層微粒運移傷害實驗研究及應用

高新平，彭鈞亮，韓慧芬，周玉超，李力民，馮 艷

(1中國石油西南油氣田公司工程技術研究院 2中國石油天然氣集團公司油氣藏改造重點實驗室 3中國石油西南油氣田公司儲氣庫管理處)

一、研究背景

1.儲氣庫注采特點

地下儲氣庫必須具備“注得進、存得住、采得出”的要求，須在短時間內完成注氣與采氣(一般8個月內完成一次注氣，4個月內完成一次采氣)，形成一個注采周期。儲氣庫注采井的生產不同于注水、采氣井，其具有反復注采、強注強采的特征[1-2]。儲氣庫的生產特征使儲層壓力快速急劇變化，隨注采周期增加，儲層微觀滲流特征在不斷變化[3]。

2.相國寺儲氣庫注采壓差對生產的影響

儲氣庫注采生產是通過控制注采壓差大小來實現對注采速度和注采量的控制。筆者在相國寺儲氣庫實際的注采生產過程中發現，注采速度、注采量并不與注采壓差存在嚴格的線性變化關系，而是呈現出一定的差異。分析認為是由于儲層中微粒的運移，使得滲流通道不暢通造成的，即微粒運移對儲層的傷害。因此開展實驗研究找到合理的注采壓差，既滿足相國寺儲氣庫注采生產的要求，又減小注采生產對儲層的傷害，同時還能降低地面設備的負荷。

3.儲氣庫微粒運移傷害研究現狀

目前砂巖儲氣庫已經在微粒運移對儲層傷害方面取得了許多重要的成果和認識，但涉及碳酸鹽巖裂縫-孔隙型儲氣庫較少。微粒運移包括微粒釋放、運移和堵塞過程[4-7]。微粒在運移發生前，首先從巖石骨架上脫離，然后在流體攜帶作用下發生運移，部分微粒在運移過程中產生濾集和吸附，堵塞油氣滲流通道。微粒能否脫離巖石骨架表面，流體攜帶的微粒能否吸附到巖石骨架上，均取決于微粒和巖石表面的力學性質。如果顆粒與巖石表面的力學性質為吸引力，在流體中的微粒接觸到巖石表面時會產生吸附，反之原本吸附在巖石上的微粒就會脫離，產生運移[8-10]。

二、實驗研究

1.實驗裝置

實驗使用巖心傷害評價儀、濁度儀、掃描電鏡及巖心造縫裝置等，實驗主要由兩大部分組成：一部分用于測試巖心滲透率，另一部分用于監測液體濁度。

巖心傷害評價儀主要由注入系統、溫控系統、壓力控制系統、回壓系統、計量系統、數據采集與控制系統6部分組成，其中注入系統氣體可調壓0～14 MPa，溫控系統可調溫室溫～150℃，壓力控制系統最大圍壓70 MPa，計量系統電子天平精度0.001 g。

濁度儀對液體中含有微量不溶性懸浮物質，膠體物質等引起液體渾濁度的測試。量程0～4 000 NTU，精度小于±2%FS。

2.實驗樣品

實驗巖樣來自于相國寺儲氣庫井下巖心，儲層為碳酸鹽巖裂縫-孔隙型的儲氣庫，根據測井及取心資料分析，儲層孔隙度介于1.8%～9.58%，滲透率介于0.5～30 mD。加工井下巖心為直徑2.5 cm，長度5 cm的柱狀巖心樣，進行人工造縫并用氦氣進行孔隙度與滲透率檢測，筆者統計了20塊巖心樣的孔隙度與滲透率，選取12塊與儲層物性特征相近的巖心樣作為實驗巖樣。

3.實驗方法

儲氣庫在注、采過程中，儲層內部特征及流動特征在不斷變化，為了明確這種變化對儲層的傷害程度，對儲氣庫儲層注、采氣過程進行模擬，用巖心滲透率的變化作為評價儲層傷害大小的依據[11-12]。在巖心傷害評價儀出口端放置燒杯，用來收集微粒。將收集到微粒的液體在濁度儀上進行分析，對比分析滲透率與濁度變化關系來完成微粒運移對儲氣庫儲層傷害的模擬實驗。

3.1 驅替方式的確定

分析相國寺儲氣庫實際的注采生產，注采壓差存在遞增、波動、注采轉換的變化特征。依據相似原理轉換為室內實驗，實現模擬實際生產全特征的實驗評價，即驅替壓差采用遞增、波動、正反向3種驅替方式。

3.2 驅替壓差的確定

以相國寺儲氣庫實際生產的注采壓差作為實驗驅替壓差，驅替壓差計算見式(1)。

pzc=|pa-pb|

(1)

式中：pzc—驅替壓差，MPa；

pa—井口油壓，MPa；

pb—井下壓力，MPa。

為研究的普適性，筆者將實驗壓差范圍擴大，實驗驅替壓差值設置為1.5 MPa、2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa，實驗時始終保持圍壓大于入口壓力2 MPa。模擬儲層溫度、壓力條件，進行微粒運移傷害實驗。

3.3 損害大小的確定

人工造縫巖心的初始滲透率Ki，傷害實驗后滲透率Kw，參照SY/T 5358-2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》。滲透率損害率見式(2)。

(2)

式中：Dw—損害率；Ki—巖心初始滲透率，mD；Kw—巖心傷害后滲透率，mD。

三、實驗結果與討論

1.驅替壓差遞增

氣體驅替壓差(Pzc)依次增大：1.5↑2↑4↑8↑10 MPa，實時檢測出口端濁度及滲透率變化。

隨著驅替壓差增大濁度及滲透率曲線變化呈現出三個階段，濁度：平緩、快速上升、平緩，滲透率：平緩、減小、下降(圖1)。第一階段Pzc：1.5～4 MPa，無微粒堵塞孔喉并運移出巖樣，濁度、滲透率平緩；第二階段Pzc：4～8 MPa，運移的微粒堵塞部分孔喉并運移出巖心樣，濁度增大，滲透率減小；第三階段Pzc：8～10 MPa，經過第二階段，剩余能繼續運移出巖心樣的微粒極少，但更大粒徑的微粒開始運移并堵塞部分喉道，因此表現出濁度平緩而滲透率下降。驅替壓差4 MPa的滲透率為初始滲透率，10 MPa的滲透率為傷害后的滲透率，計算滲透率損害率，滲透率損害率為10.21%～21.30%，平均滲透率損害率為15.90%。

圖1 濁度、滲透率隨驅替壓差增加的變化

因此在注氣階段，為避免微粒運移對儲層造成傷害，控制注氣壓差小于第一臨界壓差4 MPa；在采氣階段，為使儲層中的微粒運移出儲層達到減緩對儲層的傷害，控制采氣壓差大于第一臨界壓差4 MPa，小于第二臨界壓差8 MPa。

儲層中的微粒運移存在臨界壓差，相國寺儲氣庫儲層微粒運移的第一臨界壓差為4 MPa，第二臨界壓差為8 MPa。當pzc<4 MPa時，無微粒運移；4 MPa≤pzc<8 MPa時，喉道壁上較松、分散的細小微粒，其中一部分運移出巖心樣，另一部分堵塞喉道。8 MPa≤pzc≤10 MPa時，喉道壁上、巖石顆粒松散或膠結程度弱的微粒脫落，數量較少粒徑相對變大，無法運移出巖心樣并進一步堵塞喉道。

2.驅替壓差波動

基于注采井的實際生產，設計兩種類型的驅替壓差波動。pzc在兩個固定值之間來回波動：4 MPa、8 MPa、4 MPa、8 MPa、4 MPa、8 MPa、4 MPa，pzc波動式上漲：4 MPa、6 MPa、4 MPa、8 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa、8 MPa、10 MPa，實時檢測出口端的濁度及滲透率變化。

隨著pzc波動更容易使前期堵塞的微粒發生進一步的運移，解堵或者產生新的堵塞。第一種驅替壓差波動產生解堵的效果，部分堵塞微粒可在驅替壓差波動時產生進一步突破，從而在一定程度上疏通了滲流通道，濁度與滲透率波動式增大；第二種驅替壓差波動產生堵塞的效果，與第一種驅替壓差相比，高壓差波動時滲透率的降低幅度明顯，表明更多微粒發生了運移并堵塞流動通道，滲透率波動式減小，濁度平緩趨勢(圖2)。驅替壓差4 MPa的滲透率為初始滲透率，10 MPa的滲透率為傷害后的滲透率，計算滲透率損害率，滲透率損害率為9.17%～14.21%，平均滲透率損害率為10.76%，小于驅替壓差遞增對儲層的傷害。

圖2 濁度、滲透率隨驅替壓差波動的變化

因此在采氣階段，控制采氣壓差在4～8 MPa內并進行波動，在一定程度上能起到疏通儲層滲流通道，產生解堵的效果。采氣壓差一旦大于8 MPa的波動，可使儲層中的微粒發生明顯的更長距離的微粒運移，增加在狹窄孔喉/裂縫處的堵塞風險，對儲層產生堵塞的效果，甚至誘發潛在的出砂風險。

3.驅替壓差正反向

轉換驅替方向，驅替壓差依次恒定為4 MPa、8 MPa、10 MPa，但驅替方向在每一個驅替壓差值點都正反向變換，實時檢測濁度及滲透率變化。驅替壓差呈正反向變換、并伴有波動式時增時減，即模擬長時間多周期注采過程。

驅替壓差正反向的變換，濁度：上升、緩慢、平緩，滲透率：減小、平緩(圖3)。與驅替壓差遞增、波動的滲透率變化幅度相比，驅替壓差正反向變化在8 MPa、10 MPa的滲透率減小幅度更低，趨于平緩的趨勢，這是由于堵塞孔喉微粒再運移，在喉道及孔隙中來回振蕩，使部分大微粒破碎成小微粒，并隨天然氣運移出儲層，這在一定程度上減緩了滲透率的損害甚至有一定程度的改善。驅替壓差4 MPa的滲透率為初始滲透率，10 MPa的滲透率為傷害后的滲透率，計算滲透率損害率，滲透率損害率為7.72%～10.62%，平均滲透率損害率為9.31%，小于驅替壓差遞增、波動對儲層的傷害。

圖3 濁度、滲透率隨驅替壓差正反向的變化

因此在注氣階段，控制注氣壓差小于4 MPa，避免注、采的轉換及注氣的停頓，能有效避免微粒運移對儲層傷害；在采氣階段，控制采氣壓差在4～8 MPa，多頻次小范圍的注、采轉換及采氣停頓可使儲層孔喉中的粒徑較大微粒破碎成粒徑較小的微粒，并隨天然氣運移出儲層，可減緩滲透率的損害甚至在一定程度上得到改善。

四、應用實例

為驗證在注采過程中，控制一定的注采壓差可有效緩解由于微粒運移導致的儲層傷害，選擇相國寺儲氣庫的兩口注采井X1井和X2井來分析注采效果，X1井和X2井位于同一注采點，井型結構相同，相距20 m。

1.控壓注氣應用

控壓注氣應用前，注采井井口注氣壓力升高幅度高于地層壓力的升高幅度，導致注氣壓差值不斷增大，注氣壓差從2.3 MPa上升到5.1 MPa，地面設備注氣壓力達到了28.47 MPa。

控壓注氣應用后，控制注氣壓差小于第一臨界壓差4 MPa，保持2.7～3.9 MPa。整個注氣作業平穩(圖4)，即使注氣量增加，井口注氣壓力與地層壓力同步增大，壓力差值依然保持在2.7～3.9 MPa范圍內，地面設備注氣壓力22.41 MPa。地面設備工作壓力下降了21.30%，有效的降低了地面設備負荷。無壓力蹩跳現象，表明整個注氣過程平穩，有利于對相國寺儲氣庫儲層的保護。

圖4 2019年X1井注氣曲線圖

2.控壓采氣應用

控壓采氣應用前，注采井井口采氣壓力降低幅度高于地層壓力降低幅度，致使采氣壓差不斷增大，采氣壓差從2.7 MPa上升到5.5 MPa，但采氣量卻無變化，表明天然氣從儲氣庫儲層到井筒流通不暢，不利于高效的采氣。

控壓采氣應用后，控制采氣壓差在第一、第二臨界壓差之間，即4～8 MPa范圍，并進行小幅度的壓差波動，多頻次、小范圍的注采轉換，井口與地層壓力表現出同升同降的一致性特征(圖5)，表明儲層中的天然氣能從儲氣庫儲層通暢的進入井筒并采出地面，平均提高注采壓差46.80%，采氣量增大且滿足生產的需要，提高了儲氣庫的運行效率。

圖5 X2井采氣曲線圖

五、結論

(1)相國寺儲氣庫強注強采、反復注采的生產特征使儲層中微粒的運移更加復雜，目前微粒運移對相國寺儲氣庫儲層的傷害認識不清。使用常規實驗方法難以準確評價微粒運移對相國寺儲氣庫儲層的傷害，通過探索建立的實驗評價方法，能全特征地模擬實際生產評價微粒運移對相國寺儲氣庫儲層傷害大小。

(2)相國寺儲氣庫儲層中，運移的微粒來源于裂縫表面及孔喉處松散的細小微粒。相國寺儲氣庫在注、采生產時應采用不同的措施，注氣階段，控制注氣壓差小于4 MPa，避免注、采的轉換及注氣的停頓；采氣階段，控制采氣壓差在4～8 MPa，多頻次小范圍的注、采轉換及采氣停頓，能有效降低微粒運移對儲層的傷害。

(3)相國寺儲氣庫在注、采生產時采用不同的措施，不但能夠滿足生產需要，而且有效降低了地面設備的負荷，同時緩解了由于微粒運移導致的儲層傷害，提高了儲氣庫的運行效率。