華北油田冀中坳陷低滲透氣藏水鎖損害防治技術研究與應用

肖博雅，唐邦忠，趙 峰

（1.西南石油大學地球科學與技術學院，四川成都610500；2.華北石油公司勘探部，河北任丘062552）

華北油田冀中坳陷低滲透氣藏水鎖損害防治技術研究與應用

肖博雅*1，唐邦忠2，趙 峰1

（1.西南石油大學地球科學與技術學院，四川成都610500；2.華北石油公司勘探部，河北任丘062552）

低滲透砂巖氣藏具有強的潛在自吸水趨勢，不利的氣井作業使這種趨勢變為現實，并最終導致水鎖損害。根據華北油田冀中坳陷低滲透氣藏地質特征，分析其潛在的水鎖損害，開展水鎖損害評價和水鎖預防解除方法的室內研究，并進行了現場應用。研究表明：欠平衡條件下打開砂巖氣層時，欠平衡壓差往往并不能完全抵消巖石的毛細管自吸力，從而產生毛細管逆流自吸效應，是造成儲層損害的主要因素和重要途徑。通過改變巖石潤濕性和界面張力，可降低巖芯毛細管自吸力、加快滯留液體排出，達到預防和解除水鎖損害的效果。現場應用表明，采取針對性措施后，試驗井表皮系數和堵塞比平均值在低于對比井情況下，獲得自然高產，達到了良好的儲層保護效果。

低滲透氣藏；逆流自吸；水鎖損害；潤濕性反轉劑；表面活性劑；現場應用

1 概述

冀中坳陷位于渤海灣新生代陸相斷陷盆地的西部，西以太東斷裂為界，東至滄縣隆起，北依燕山褶皺帶，南抵邢衡隆起，呈北北東向展布[1]。探區主要天然氣產層位于東營組（Ed）和沙河街組（Es），多以中滲透和低滲透氣藏為主，儲集空間多以原生粒間孔和粒間溶孔為主，長石粒內溶孔普遍存在，孔喉、喉道狹小，多為片狀和彎片狀，局部層位微裂縫發育。鉆完井過程中，工作液侵入裂縫，并在毛細管自吸作用下進入基塊，形成水鎖損害。水鎖損害一旦形成會妨礙氣藏及時發現和準確評價、增加作業成本、降低天然氣采收率、減緩開發過程[2]。長期以來，國內外學者開展了多項水鎖防治技術研究，如：采用欠平衡作業、注氣吞吐、地層加熱技術等，本文針對潤濕性反轉法和表面活性劑法進行了室內實驗研究，華北油田冀中探區低滲透氣藏水鎖損害預防和解除得到良好效果。

2 水鎖損害實驗評價

2.1 過平衡條件下水鎖損害評價

2.1.1 實驗步驟

（1）巖芯烘干，測定巖芯的氣測滲透率，作為巖芯初始滲透率Kg0；

（2）抽真空飽和地層水，20h以上；

（3）采用含水飽和度遞減法，建立不同含水飽和度并測定不同含水飽和度下的巖芯氣測滲透率，直到測定巖芯束縛水飽和度以下的氣測滲透率。

用下式計算水鎖引起的損害指數Dw：

式中：Dw——滲透率損害率，%；

Kg0——巖芯初始氣測滲透率，10-3μm2；

Kgi——不同含水飽和度下所對應的氣體滲透率，10-3μm2。

2.1.2 實驗結果分析

實驗結果如表1、圖1所示，巖芯含水飽和度35%設為原始狀態，13號樣含水飽和度小于40%時，無水鎖損害；含水飽和度40%～60%，水鎖損害弱；含水飽和度60%～65%，中等偏弱水鎖損害；含水飽和度大于65%，損害程度中等偏強。3號樣含水飽和度小于50%，無水鎖損害；含水飽和度50%～55%，損害程度中等偏弱；含水含水飽和度55%～60%，損害程度中等偏弱；含水飽和度大于60%，損害程度中等偏強。由此看出，研究區低滲透氣藏潛在水鎖損害，含水飽和度大于60%時，水鎖損害中等偏強。

2.2 欠平衡條件下水鎖損害評價

表1 水鎖實驗結果

圖1 水鎖實驗曲線

在采用欠平衡水基鉆井液鉆開砂巖氣層時，欠平衡壓差不能完全抵消巖石的毛細管自吸力，從而產生毛細管逆流自吸效應，它是造成儲層損害的主要因素和重要途徑。

逆流自吸過程是非潤濕相流動方向與潤濕相吸滲方向相反的自吸過程。其實驗目的是利用水基欠平衡模擬裝置動態評價不同飽和度下欠平衡逆流自吸對儲層的滲流能力的影響，并研究水基欠平衡鉆井的主要損害機理及影響因素。

2.2.1 實驗步驟

（1）巖芯烘干后，測試基本物性參數；

（2）2種實驗類型：圍壓均5MPa，實驗1：2h，實驗2：3h。

①干巖芯自吸對物性影響評價：選取滲透率相當的一組巖芯，分別用欠壓值100psi和150psi進行地層水自吸實驗；并在欠壓值150psi相同條件下，評價物性對自吸影響程度。

②不同初始含水飽和度對自吸影響評價：抽真空飽和地層水24h，氮氣驅后建不同的含水飽和度，分別為60%、40%和20%進行地層水自吸實驗，設置欠壓值100psi。

③測試過程中連續監測巖芯滲透率Kgi的變化，確定水相逆流自吸對儲層氣相滲透率的影響。

2.2.2 實驗結果分析

圖2 不同欠壓值下地層水自吸實驗

圖2為不同欠壓值條件下逆流自吸實驗結果，在欠壓值為100psi時（K=6.52×10-3μm2），自吸損害率11.46%，而當欠壓值為150psi時（K=7.63×10-3μm2），損害率為7.63%。由此可以看出，巖芯滲透率級別相當時，欠壓值越低，巖芯的滲透率下降速率越大，造成的損害就越大，不能起到很好的欠平衡保護儲層效果，這是由于較低的欠壓值使巖芯在短期內喪失滲流能力。

圖3 不同滲透率下自吸實驗結果

相同欠壓值150psi下，隨自吸時間延長，52號巖芯（K=1.53×10-3μm2）滲透率下降幅度慢，自吸損害率較低，為9.83%；而67號（K=8.78×10-3μm2），下降幅度較大并逐漸趨于平緩，損害率為23.51%，將兩巖芯進行稱重并與實驗前的重量進行對比，67號巖芯吸入泥漿濾液較多，滲透率下降幅度較大。因此，相同欠壓值條件下，2種滲透率級別的巖芯，滲透率越高，自吸速率越快，損害程度越大，反之亦然。

不同飽和度下的基塊的欠平衡逆流自吸實驗2結果表明：

當Sw約為60%時，56號（圖4）巖芯的滲透率恢復曲線呈上升的趨勢，主要是由于巖芯孔喉中本身的含水飽和度較高，再加上測試過程中用氮氣不斷的驅替，將孔喉中的水相驅出，巖芯另一端又因為其本身過高的飽和度而無法產生自吸，導致滲透率逐漸變大。試驗后重量與測試前進行對比，有所降低。

當Sw約為40%時，由于巖芯的末端初次接觸潤濕水相，此時滲透率的下降幅度最大，而后又隨自吸時間的延長而逐漸趨于平緩。

當Sw約為20%時，曲線趨于平緩，對自吸采收速率沒有顯著影響，除了剛開始與地層水接觸，瞬間氣相滲透率明顯降低外。

3 水鎖預防解除方法室內研究

J.Mahadevan[3]將水鎖損害的產生分為2個階段：首先，孔隙中的水被產出氣驅替到“蒸發帶”，接著在“蒸發帶”被氣體帶出。為了消除水鎖損害的影響，其研究重點在消除產生水鎖損害的因素上[4]。下面主要介紹潤濕性反轉法和表面活性劑預防解除法室內實驗研究。

圖4 不同含水飽和度欠平衡自吸實驗結果

3.1 潤濕性反轉劑預防水鎖研究

低滲透致密砂巖氣藏具有強的潛在自吸水趨勢，不利的氣井作業使這種趨勢變為現實，并最終導致水鎖損害。國內外大量實驗及理論研究表明：中性氣潤濕巖芯比其它潤濕性巖芯得到的含液飽和度低，通過中性氣潤濕性改造，能增加氣液兩相的滲流能力。我們把固體表面的親水性和親油性的相互轉化叫做潤濕性反轉[5]。

圖5 潤濕性反轉現象

潤濕性反轉劑改變氣藏的親水性原理如下：反轉劑是兩親分子，它的極性基容易被吸附在固體表面，非極性基伸向空氣，形成定向排列的吸附層[6]（圖5）。因此，通過反轉劑粒子在儲層孔壁的吸附，降低毛細管壓力，減少油、水在孔隙壁面的吸附和小孔隙中的聚集，使近井地帶巖石的強親水性變為中性潤濕條件，達到降低水相滯留，和提高氣體流量的目的[7]。

根據潤濕性反轉預防水鎖損害機理，本次研究研制了吸附潤濕性反轉劑RCW-2，通過氟改性納米粒子在儲層孔壁的吸附，對儲層進行中性氣潤濕改造，降低毛細管壓力，減少油、水在孔隙壁面的吸附和小孔隙中的聚集，從而預防和解除液鎖傷害，保持氣井產能。

3.1.1 實驗步驟

（1）潤濕性反轉劑加量優選：巖芯烘干切片，測試原始潤濕角；分別飽和0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%潤濕性反轉劑RCW-2的KCl溶液，飽和48h以上；測試不同巖樣潤濕角，選出最優量的潤濕性反轉劑RCW加量。

（2）巖芯烘干，測量干重，抽空飽和1%KCl溶液，采用氮氣恒壓驅替至束縛水飽和度，測試巖芯氣相滲透率Kg1；用（1）中選出的潤濕性反轉劑含量的KCl溶液浸泡海綿，將巖芯一斷面置于海綿上，使巖芯與含有反轉劑的KCl溶液充分接觸自吸；用氮氣恒壓驅替至束縛水飽和度，測試巖芯氣相滲透率Kg2。

表2 接觸角測試統計表

3.1.2 實驗結果分析

用不同濃度的潤濕性反轉劑飽和巖樣，實驗結果見表2，3號樣接觸角有明顯改變，接觸角增加20°以上。因此，潤濕性反轉劑在KCl溶液中的最佳濃度為0.8%。

表3為巖芯自吸實驗結果，巖芯與反轉劑接觸后在一定程度上減弱了巖芯親水性，滲透率略有增加，37號樣氣測滲透率值分別從19.69×10-3μm2增加到21.15× 10-3μm2；27號樣氣測值自20.82×10-3μm2增加至22.44× 10-3μm2，滲透率損害率分別為-7.46%、-7.78%。可見，采用潤濕性反轉劑RCW-2后，巖芯滲透率增加，儲層保護效果良好。

表3 潤濕性反轉劑解除水鎖實驗評價結果表

3.2 表面活性劑解除水鎖研究

由Laplace方程可知，在多孔介質中，孔徑一定時，毛管壓力與不混溶相的界面張力成正比。有效地降低界面張力就能降低毛管壓力，從而排掉大部分滯留水。相關研究表明，表面活性劑能降低界面張力，改變體系界面性質，減小克服水鎖損害所需啟動壓力[8]。本次研究開發了3種表面活性劑SSA-2、CT-2、FCT-1，進行了室內水鎖解除實驗研究。

3.2.1 實驗步驟

（1）干巖芯自吸1%KCl溶液，建立含水飽和度Sw1，氣測巖芯滲透率K1；

（2）巖芯抽空飽和1%KCl溶液，用N2驅至含水飽和度Sw2，氣測巖芯滲透率K2，將巖芯放入烤箱烘干；

（3）巖芯自吸1%KCl溶液，建立與（1）中相同的含水飽和度Sw3，氣測巖芯滲透率K3；

（4）巖芯抽空飽和含0.2%表活劑的KCl溶液，采用（2）中相同條件建立含水飽和度Sw4，氣測滲透率K4。

3.2.2 實驗結果分析

表面活性劑解除水鎖實驗結果見表4，25號巖樣自吸1%KCl溶液，實驗前后滲透率變化為30.49%，相同實驗條件下，飽和表活劑SAA-1溶液后，氮氣驅替，巖芯含水飽和度略有降低，滲透率變化率減小至13.46%；未加表活劑時36號巖樣滲透率變化率32.16%，與表活劑CT-2作用后，含水飽和度減小，滲透率變化率降低到11.36%；未加表活劑時39巖樣滲透率變化率9.69%，加入表活劑FCT-1后，巖芯含水飽和度基本不變，滲透率變化率增加至13.82%。表活劑CT-2解除水鎖損害效果優于表活劑SAA-1和FCT-1。

4 現場應用效果分析

在上述研究的基礎上，針對G40x、G43x井進行了現場試驗，試驗井氣層保護完井液為：現場用完井液+ 0.8%RCW-2+0.2%CT-2。

表4 表活劑解除水鎖實驗結果表

備注：Sw1、Sw3：自吸KCl溶液后，巖芯含水飽和度（%）；Sw2：飽和KCl溶液后，N2驅替建立的含水飽和度（%）；Sw4：飽和含表活劑溶液后，N2驅替建立的含水飽和度（%）；K1：含水飽和度Sw1下的巖芯氣測滲透率；K2：含水飽和度Sw2下的巖芯氣測滲透率；K3：含水飽和度Sw3下的巖芯氣測滲透率；K4：含水飽和度Sw4下的巖芯氣測滲透；I：滲透率變化率（%），I1=|K1-K2|/K1×100%；I2=|K3-K4|/K3×100%。

選用物性基本相近的井對比發現，試驗井G40x表皮系數-2.25、堵塞比0.62，G43x井堵塞比2.01，低于對比井，并且獲得了自然高產（表5）。由此看出，潤濕性反轉劑和表面活性劑起到了預防和解除水鎖損害的目的，達到有效保護儲層的效果。

5 結論與建議

表5 現場試驗井與對比井測試成果對比

（1）研究區低滲透氣藏潛在水鎖損害，含水飽和度大于60%時，水鎖損害中等偏強。欠平衡條件下，巖芯滲透率級別相當時，欠壓值越低，造成的損害就越大；相同欠壓值條件下，2種滲透率級別的巖芯，滲透率越高，自吸速率越快，損害程度越大，反之亦然。

（2）潤濕性反轉劑RCW-2可以有效改變巖石潤濕性，氣層巖芯滲透率變化率為-7.46%～-7.78%，達到有效預防和解除水鎖損害的目的。

（3）表面活性劑可以改變界面張力，未加表活劑時，巖芯滲透率變化率32.16%，加入表活劑CT-2作用后，含水飽和度減小，滲透率變化率降低到11.36%，可降低巖芯毛細管自吸力和加快滯留液體排出。

（4）現場實驗結果表明，完井液中加入RCW-2和CT-2后，表皮系數和堵塞比低于對比井，在G40x和G43x井取得了自然高產，達到了良好地儲層保護效果。

[1]聯翩.低滲透氣藏水鎖傷害的預防技術研究[D].四川成都：西南石油大學，2012：9.

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TE258

A

1004-5716(2015)02-0031-05

2014-03-07

肖博雅（1988-），女（漢族），河北霸州人，西南石油學院礦產普查與勘探專業在讀碩士研究生，研究方向：儲層開發。