固相顆粒對儲層的傷害規律研究

王倩，洪千里，曹晶，周娟，牛萌

（1.延長油田股份有限公司勘探開發技術研究中心，陜西延安716001；2.延長油田股份有限公司開發部，陜西延安716001）

固相顆粒對儲層的傷害規律研究

王倩1，洪千里1，曹晶2，周娟1，牛萌1

（1.延長油田股份有限公司勘探開發技術研究中心，陜西延安716001；2.延長油田股份有限公司開發部，陜西延安716001）

目前整個延長油田執行的注入水水質標準中懸浮固體含量不大于1.0 mg/L，懸浮固體粒徑中值不大于1.0 μm[1]。注水開發存在一系列的問題：針對性不強，不同開發層系物性差別很大，卻在執行同一個標準；受處理成本、現有水處理工藝和方法等制約，含油污水處理后無法達到上述嚴苛的注入水水質標準。本論文通過注入水中懸浮固相顆粒濃度、粒徑對儲層傷害程度進行了研究，最終確定了適合延長油田注入水的水質指標：注入水水質的懸浮固相顆粒含量應不大于10 mg/L，顆粒粒徑應不大于5 μm。

低滲透；固相顆粒；傷害程度；濃度；粒徑

延長油田屬于特低（超低）滲油田，探明儲量24.5× 108t。其中滲透率小于10 mD特低滲透油層占總探明儲量的80%以上，滲透率小于1 mD特低滲透油層占總探明儲量的60%以上[2]。主力油層為延9、長2、長4+5、長6油層，滲透率分布范圍0.1 mD～44 mD，孔隙度1.2%～34.2%，孔隙半徑范圍5 μm～200 μm。根據不同滲透率儲層巖心的毛管壓力曲線特征，平均喉道半徑為0.02 μm～2.25 μm。

此類油田開發難度大，注水開發是其提高采收率最有效的方法，注水開發存在一系列問題使我們認識到：現有的注水指標是否適合作為延長油田各油層注入水水質控制標準，到底什么樣的注入水水質標準更適合延長油田各油層的儲層特點。為了解決上述問題，本論文根據延長油田各主力油藏的儲層物性特點、地層水特征、采出水水質情況和現有處理工藝水平，通過大量實驗研究，提出適合延長油田的注入水水質標準，使得注入水水質“有標準可循，有標準能循”，解決目前注水開發過程中存在的問題。

1 注入水中懸浮固體顆粒的粒徑分布規律

用MASTERSIZER激光粒度儀測定水中懸浮固體顆粒的粒徑分布規律得到：延長油田不同區塊采出污水中懸浮顆粒平均粒徑一般在8.0 μm～30 μm，經過沉降分離和各種方法處理后回注污水中懸浮顆粒的平均粒徑可以降到3.0 μm～10.0 μm。一般均大于研究區塊的平均喉道直徑。說明外來固相顆粒一般很難進入儲層深部造成油氣儲層傷害，外來固相顆粒的傷害可能主要是在射孔孔眼、裂縫表面、巖心端面等形成外泥餅造成的傷害[3]。

2 注入水中懸浮固體顆粒對儲層的傷害規律研究

2.1 實驗原理與方法

2.1.1 實驗流程（見圖1）

圖1 實驗流程圖

2.1.2 實驗步驟

（1）用相同礦化度的清水測巖心滲透率，具體方法如下：①接好實驗流程，將實驗用清水裝入中間容器；②將巖心放入巖心夾持器，應使液體在巖樣中的流動方向與測定氣體滲透率時氣體的流動方向一致；③緩慢將圍壓調至2.0 MPa，除應力敏感性評價實驗外，檢測過程中始終保持圍壓值高于巖心驅替壓力2.0 MPa；④打開巖心夾持器進口端排氣閥，開流量泵（泵速不超過1.0 mL/min），排出管線中的氣體，關閉排氣閥；⑤將驅替泵的流量調節到實驗選定的流量，按規定時間間隔測量壓力、流量、時間及溫度，待流動狀態趨于穩定后，記錄檢測數據，計算滲透率。

（2）向巖心注污水（或模擬污水），連續測不同注入孔隙體積倍數巖心的滲透率，計算污水對巖心的傷害率。

2.1.3 數據處理方法用巖心傷害率評價含固相污水對巖心的堵塞程度，巖心傷害率的計算公式如下[4]：

式中：Ia-巖心傷害率，%；K0-用地層水測定的初始滲透率，10-3μm2；Ka-不同注入倍數時測定的巖樣滲透率，10-3μm2。

2.2 采油污水懸浮物顆粒濃度對儲層傷害規律研究

2.2.1 實驗用注入水選取靖邊油田六號站長6儲層采油污水，利用激光粒度儀測試污水中顆粒粒徑分布情況，其污水的中值粒徑為2.71 μm。測其固相含量，并用相同礦化度的清水稀釋采油污水配制成懸浮物含量分別為5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L的實驗驅替污水。

2.2.2 實驗結果與分析選取了19塊滲透率級別不同的人造巖心（氣測滲透率5 mD、10 mD、25 mD、50 mD、100 mD、200 mD、1 000 mD），將粒徑中值為2.71 μm的油田采出污水注入巖心，進行了4種不同懸浮物含量（5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L）污水的19塊巖心的傷害實驗，測不同注入倍數下巖心傷害率[5]。

是隨著注入倍數增加（見圖2～圖5），不同懸浮物含量的注入液對不同滲透率巖心的傷害實驗結果，從實驗結果可以看出：（1）驅替污水中懸浮物含量為5 mg/L、10 mg/L時，對于滲透率小于40 mD的巖心，巖心滲透率越高，其傷害越大；注入水小于20 PV時，巖心傷害率增加幅度較大，當注入量大于20 PV時，不同滲透率巖心的傷害率增加的幅度越來越小，滲透率小于10 mD的巖心之間的傷害規律基本一致；（2）驅替污水中懸浮物含量為20 mg/L時，小于20 mD的巖心，巖心滲透率越高，其傷害越大，且小于10 mD的巖心傷害規律基本一致，基本小于40%；滲透率為186 mD巖心的傷害率小于16 mD而大于10 mD以下巖心的傷害率；（3）驅替污水中懸浮物含量為50 mg/L時，注入量小于20 PV時，巖心滲透率越大，其傷害情況越嚴重，到20 PV時，傷害率小于50%，注入量大于20 PV后，顆粒對滲透率小的巖心堵塞要嚴重些。

圖2 不同注入倍數采油污水（5 mg/L）對巖心傷害率影響

圖3 不同注入倍數采油污水（10 mg/L）對巖心傷害率影響

圖4 不同注入倍數采油污水（20 mg/L）對巖心傷害率影響

圖5 不同注入倍數采油污水（50 mg/L）對巖心傷害率影響

隨著注入倍數增加，不同懸浮物含量的注入液對相同滲透率級別巖心的傷害實驗結果（見圖6～圖10）。

（1）從圖6看出，對于滲透率小于5 mD的巖心，其懸浮物含量越小，對巖心的傷害越大，依次為5 mg/L＞10 mg/L＞20 mg/L，當注入量達到100 PV時，懸浮物含量為5 mg/L、10 mg/L的污水對巖心傷害率均為44%；懸浮物含量為20 mg/L的污水對巖心傷害率為30%。當懸浮物濃度越低時，其中所包含的顆粒量也越少，在巖心端面很難形成有效的泥餅，對于低滲透率巖心而言，在正壓差的作用下，小顆粒會不斷的驅替進入巖心內部形成堵塞，而懸浮物濃度越大時，懸浮物顆粒會在巖心端面形成過濾泥餅，在一定范圍下含量越大，形成的泥餅對巖心的保護效果越強。所以對于滲透率小于5 mD的巖心，懸浮物含量20 mg/L的污水對巖心的傷害不是很大[6]。

圖6 不同懸浮物含量對相同滲透率級別（2.0）巖心傷害情況

圖7 不同懸浮物含量對相同滲透率級別（7.0）巖心傷害情況

圖8 不同懸浮物含量對相同滲透率級別（20.0）巖心傷害情況

圖9 不同懸浮物含量對相同滲透率級別（40.0）巖心傷害情況

圖10 不同懸浮物含量對相同滲透率級別（200.0）巖心傷害情況

（2）從圖7～圖10可以看出，對于滲透率為5 mD～200 mD范圍內的巖心，總體表現為懸浮物含量越大，對巖心的傷害越大。當懸浮物含量越大時，侵入巖心內部和堆積在巖心污染端面的顆粒數量就會多，越容易形成內部泥餅和外部泥餅，懸浮物含量越大，形成的泥餅的厚度越大，泥餅的滲透率就會越小，對巖心的傷害程度越嚴重。

2.3 采油污水懸浮物顆粒粒徑對儲層傷害規律研究

2.3.1 采油污水的顆粒分布實驗室選用靖邊油田六號站長6采油污水，除油后，測污水的中值粒徑分布為0.134 μm、2.71 μm、3.6 μm、4.5 μm。

2.3.2 實驗結果與分析選取了5塊滲透率級別不同的人造巖心，將粒徑中值分別為0.134 μm、2.71 μm、3.6 μm、4.5 μm的油田采出污水注入巖心，進行了兩種不同懸浮物含量（10 mg/L、50 mg/L）污水的5塊巖心的傷害實驗，測不同注入倍數下巖心滲透率及傷害率。

圖11中巖心滲透率均為20 mD，圖12中巖心滲透率均為40 mD。實驗結果表明：（1）隨著采油污水注入量增加，巖心滲透率降低，巖心傷害增加；當采油污水注入量小于20 PV時，巖心傷害增加的幅度較大，大于20 PV后，其傷害增加的幅度越來越小；（2）在巖心滲透率相同的條件下，采油污水中懸浮物粒徑中值越大，固相顆粒對巖心的堵塞越嚴重，巖心滲透率傷害越嚴重[7]。

根據“1/3”原則，較小的顆粒主要形成了內部堵塞，隨著注入量的增加，小顆粒堆積的越多，對巖心滲透率的傷害越嚴重。而相對較大的顆粒注入時，主要是形成外部泥餅堵塞。根據實驗可以看出，顆粒粒徑大小對巖心的傷害是復雜的過程，不是單純的顆粒大小影響，顆粒對巖心的傷害本身就是顆粒濃度和大小共同作用的結果，當大量的小顆粒堆積在一起時，可以認為會形成一個相對較大的顆粒。

圖11 不同粒徑顆粒（10 mg/L）對巖心傷害關系曲線

圖12 不同粒徑顆粒（50 mg/L）對巖心傷害關系曲線

3 結論

（1）在實驗用的固相顆粒含量（5 mg/L～50 mg/L）和巖心滲透率（2 mD～1 167 mD）范圍內，隨著懸浮液注入量增加，巖心的傷害率都可分為快速增加和趨于平緩兩段。

（2）當巖心滲透率在一定范圍內時，巖心滲透率越大，固相顆粒對巖心傷害情況越嚴重；當巖心滲透率大于一定值時，巖心滲透率越大，固相顆粒對巖心的傷害反而越小。

（3）同一級別滲透率巖心注入不同懸浮物含量的污水時，隨著采油污水注入量增加，巖心滲透率降低，其傷害率增加；隨著懸浮物含量變化，不同滲透率級別的巖心傷害規律表現不一樣。

（4）在巖心滲透率相同的條件下，采油污水中懸浮物粒徑中值越大，固相顆粒對巖心的堵塞越嚴重，巖心滲透率傷害越嚴重[8]。

（5）根據延長油田儲層特點，注水水質的懸浮固相顆粒含量應不大于10 mg/L，顆粒粒徑應不大于5 μm。

［1］任戰利，楊縣超，薛軍民，等.延長油區注入水水質對儲層傷害因素分析［J］.西北大學學報，2010，40（4）：667-671.

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［7］張光明，湯子余，姚紅星.注入水水質對儲層的傷害［J］.石油鉆采工藝，2004，26（3）∶46-48.

［8］伍家忠，孟紅麗，徐杰.固相顆粒對低滲透砂巖油藏注水開發影響研究［J］.西南石油大學學報（自然科學版），2014，（1）∶134-138.

其中：G的量綱為N/m。所以G也常稱為“裂紋擴展驅動力”，代表裂紋擴展單位長度所需要的力。裂紋擴展的驅動能量一方面可能來自所加載荷所做的機械功，另一方面來自與裂紋面應力消失面所釋放的彈性應變能。

式（5）中左邊是裂紋擴展單位面積所需要的表面能，也是裂紋擴展單位面積所消耗的能量，稱為“臨界能量釋放率”，記作Gc，又稱為“裂紋擴展阻力”，記作R，故Gc=R=2γ。

由以上分析可知：（1）若G＜Gc，則裂紋不擴展；（2）若G=Gc且，則裂紋穩定擴展；（3）若G＞Gc或G= Gc且，則裂紋非穩態擴展。

基于以上研究分析K.Palsniswamy提出了Ⅰ、Ⅱ混合型裂紋失穩擴展的最大能量釋放率準則[4]，該準則認為：（1）裂紋沿最大能量釋放率Gmax的方向θ0開始擴展；（2）當此方向的能量釋放率達到臨界值Gc時，裂紋開始非穩態擴展。

3 高能氣體加載壓裂下煤儲層的裂縫擴展研究

根據巖石的爆破理論[5]，壓裂藥在燃燒時在井筒周圍依次形成粉碎區、壓裂區及彈性應力波的振蕩區。高能氣體壓裂過程中，當壓裂藥爆燃產生的能量的壓力大于煤儲層的破裂壓力時，在儲層中便會形成多裂縫體系，其裂縫產生初期不受地應力的控制，即不一定垂直于最小主應力的方向產生裂隙。但依據最大能量釋放準則，其擴展的方向受能量釋放方向的控制，首先在能量釋放較多的方向產生裂隙，當某一方向的能量釋放量產生的壓力足以克服其最大拉伸強度時，便會沿該方向產生裂隙。因此，在適當的加載速率控制下可形成以3～8條裂隙為主體的多裂縫網絡。這對于煤層氣儲層中吸附態煤層氣的解吸、擴散及滲流具有重要的意義，有利于煤層氣的有效開發。

4 結論

（1）高能氣體加載壓裂技術可在煤層氣儲層中形成多裂縫體系并溝通天然裂縫，促進煤層氣的解吸擴散及滲流過程。

（2）高能氣體壓裂形成的裂縫初期不受地應力的控制，其裂縫擴展方向受最大能量釋放率的方向控制，與其方向基本一致。

（3）開展煤儲層高能氣體壓裂下的裂縫擴展規律研究對于以煤層氣為代表的非常規資源開發具有重要的意義。

參考文獻：

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［4］王曉峰.煤儲層水力壓裂裂縫展布特征數值模擬［D］.北京：中國地質大學（北京），2011.

［5］戴俊，等.巖石動力學特性與爆破理論（第Ⅱ版）［M］.北京：冶金工業出版社，2014.

Study on the damage law of solid particles on the reservoir

WANG Qian1，HONG Qianli1，CAO Jing2，ZHOU Juan1，NIU Meng1
（1.Exploration&Development Technology Research Center of Yanchang Oilfield，Yan'an Shanxi 716001，China；2.Development Department of Yanchang Oilfield，Yan'an Shanxi 716001，China）

The Yanchang oilfield injection water quality standard in the solid particles content is not more than 1.0 mg/L,suspended solid particle size is less than 1 μm.There are a series of problems of water flooding.The pertinence is not strong,the physical of different layer series of development vary greatly,but in the implementation of the same standard.Restricted by the cost of processing,the existing water treatment technology and method.Oily sewage treatment not achieve the stringent water quality standards.This paper studies the suspended particle concentration,particle size on reservoir damagedegree,ultimately determine the appropriate water quality index of Yanchang oilfield water injection.Suspended solid content should be less than 10 mg/L,particle size should not be greater than 5 μm.

low permeability；solid particles；damage degree；concentration；particle size

TE258

A

1673-5285（2016）01-0021-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.01.006

2015－11-03

王倩，女（1983-），2010年畢業于西安石油大學油氣田開發專業并獲碩士學位，工程師，從事油藏工程和油氣藏數值模擬研究工作，郵箱：wq_sol@126.com。