高溫高壓下氣藏反滲吸水鎖傷害評價實驗測試方法＊

楊志興，汪譽高，鹿克峰，郭 平，李玉杰，許馨月，陳自立

（1.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200035；2.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室?西南石油大學，四川 成都 610500）

＊［基金項目］本文成果由國家重大專項資助（2016ZX05027-004-005）

在油、氣層開發過程中，鉆井液、完井液、固井液和酸化壓裂液等外來流體侵入儲層后，會在油氣—水界形成一個凹向油相的彎液面。在表面張力的作用下，任何彎液面都會產生毛細管阻力，作為潤濕相的水將吸附于孔隙的內壁，形成一個牢固的吸附層。半徑小于這一吸附層的小孔喉將被水相充滿，半徑較大的孔隙其壁面水膜厚度增大，吸附水將堵塞部分滲流通道。欲使儲層流體流向井筒，就必須克服這一毛細管阻力和流體流動的摩擦阻力將這部分吸附水帶走。如果儲層能量不能克服這一附加的毛細管壓力，就不能把水的堵塞消除，最終將影響儲層的采收率，這種傷害稱為“水鎖傷害”[1-4]。目前，水鎖損害的實驗研究大多基于巖心分析方法中的滲透率測定方法[5]，研究者采用不同的實驗條件和方法導致結果也不相同；也有采用回歸分析方法和預測模型對數據進行處理[6-7]。然而由于巖石孔隙結構的復雜性和非均質性，難以準確定量判斷水鎖傷害。對水鎖效應評價的實驗方法有靜態巖心流動實驗方法，即通過測定束縛水飽和度下的滲透率變化來評價水鎖效應對滲透率的傷害；還有巖樣浸泡方法，即測試水鎖效應對巖心有效滲透率的改變，以及賴南君[8]、朱國華[9]、張小琴[10]、孟英峰[11]、王良[12]等人的水鎖效應測試方法。Jairam.Kamath等[13]建立了氣體驅替范圍和蒸發范圍內的關于巖心氣體飽和度的公式，可以模擬計算出采用不用水鎖解除劑處理后巖心的氣體相對滲透率及飽和度等情況，從而可以評價水鎖嚴重性和水鎖解除劑的作用。B.Bazin等[14]利用X射線設備監測巖心中流體侵入和返排時的氣水飽和度，通過測量不同飽和度下的巖心滲透率來評價水鎖的損害程度，這些實驗評價方法比較成熟，但并未在一個實驗過程中同時考慮水鎖效應和水鎖氣解封啟動壓力。本文在一般水鎖效應測試方法的基礎上，為了避免水敏傷害對實驗結果的影響，測試過程用水全部采用按現場資料復配的地層水，并考慮氣藏實際開發過程（高溫高壓），創新性的建立了同時測試水鎖效應和水鎖氣解封啟動壓力的新方法。

1 實驗原理

實驗前，將巖心抽空烘干后完全飽和地層水，先用氣體驅替巖心中地層水至不出水后測試此時氣相滲透率K1，然后從巖心出口端反向注入地層水至不出氣后，再正向第二次氣體驅替地層水至不出水后，測試巖心反排后的氣相滲透率K2，接著再一次從巖心出口端反向注入地層水至不出氣，最后降低出口壓力（回壓）測定水鎖氣解封出氣時的壓力，根據K1、K2差異確定巖心滲吸水鎖傷害程度。

2 實驗方法

2.1 實驗巖心

實驗選取DH氣藏實際儲層巖心X3、X4、X5層各2塊，基本物性參數如表1所示。

2.2 實驗流體

實驗用氣選取氮氣，為了避免發生水敏反應影響實驗結果，所以，實驗用水根據現場資料在實驗室內進行復配，地層水參數見表2.

2.3 實驗條件

實驗溫度：模擬實際氣藏X3層溫度151.8℃，X4層溫度163.1℃，X5層溫度174.4℃。

實驗初始壓力：模擬地層實際壓力X3層37.1 MPa，X4層45.5 MPa，X5層54.1 MPa。

2.4 實驗裝置及流程

實驗在自研異常高壓巖心驅替裝置上完成，包括巖心夾持器、恒溫箱、壓力表、高壓注入泵、回壓調節器、中間容器、水量計、自動氣量計和冷凝器等。

實驗流程見圖1.

表1 水鎖實驗巖心物性參數

表2 地層水水樣分析報告

圖1 水鎖效應測試系統流程圖

2.5 實驗步驟

2.6 實驗結果及分析

將實驗所得結果整理后可得表3、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6.分析圖2和表3中的實驗數據可以看出，整個DH氣藏水鎖傷害程度變化范圍在6.54%～13.46%，其中X3層的平均水鎖傷害程度為9.26%，X4層為10.58%，X5層為13.20%.在水鎖測試中，當壓力降低到某一壓力，水鎖氣剛開始解封時，解鎖氣量就出現躍變，即瞬間有大量氣體從巖心中解鎖逸出，約占據總解鎖氣量的60%以上。

表3 水鎖實驗測試結果

隨后調節回壓調節器繼續降低出口壓力，巖心中氣體解鎖逸出速度變緩，直至不再有氣體逸出。滲透率越大的巖心，水鎖后在殘余氣飽和度下降低回壓產出氣體越快，且產出氣量較多，解除水鎖啟動壓力越小。

圖2 水鎖氣解封累積曲線

圖3 滲透率與傷害程度關系

圖4 滲透率與水鎖氣解封壓差關系

圖5 孔隙度與傷害程度關系

圖6 孔隙度與水鎖氣解封壓差關系

DH氣藏為低滲強非均質氣藏，而低滲儲層普遍存在的水鎖傷害嚴重影響氣藏的勘探效率和開發效益。目前，國內外學者大多認為影響水鎖效應的因素[15-17]有地層溫度、驅替壓力、驅替流體的黏度、氣測滲透率大小、孔隙結構、界面張力、巖石潤濕性、黏土礦物種類和含量等。此次實驗是在儲層實際溫度壓力下進行的，實驗流體也是選用現場復配地層水，實驗巖心選用的是實際儲層巖心，因此，可以排除以上部分影響因素，重點討論巖心物性、巖石潤濕性和界面張力對水鎖效應的影響。

從圖3、圖4、圖5、圖6中可以看出，水鎖傷害程度與實驗巖心滲透率的相關性比較強，滲透率越大，傷害程度越小，水鎖氣解封啟動壓差越小。傷害程度與孔隙度也具有一定的相關性，總趨勢是隨著孔隙度的增加傷害程度變小，水鎖氣解封啟動壓差變小，但相關性比較差。

2.6.1 巖石物性

由DH氣藏的儲層基礎物性特征研究可知，儲層X3層孔隙發育程度比較差，滲透性比較差，屬于低孔隙度低滲透率儲層，而X4、X5儲層巖心全部處于特低孔隙度特低滲透范圍，分析表明其從物性上屬于致密氣藏儲層。由于低滲透儲層存在特有的細吼喉道，使得其毛管壓力比較大，水鎖效應也會隨之增強。

2.6.2 界面張力

低滲儲層以其特殊的孔喉結構導致毛管壓力比較大，當地層水侵入儲層孔隙時，液相的界面張力越大，對儲層的滲透率傷害越大，而且還會加大驅替壓力。在同一儲層物性條件下，氣水界面張力越高，水鎖效應也就越明顯。

2.6.3 巖石潤濕性

低滲氣藏水鎖傷害程度明顯，主要是因為水相在儲層巖心孔隙中的聚集或者留滯。由于儲層巖石具有較強的水濕性，所以，當地層水再次進入巖心后會形成更高的束縛水飽和度，很多學者也會拿其值與巖心首次驅替的束縛水飽和度之差作為衡量儲層水鎖傷害的指標之一。

分析實驗結果認為，水鎖效應是當地層水流入巖心后，含水飽和度增大，使得氣體滲流通道減小，最終導致儲層氣相滲透率下降。實驗初始階段，氣相作為儲層中的非濕相必然占據巖心孔隙中的大孔道地帶，而地層水作為儲層中的濕相，在巖心孔隙中的小孔道分布，呈現平衡狀態，此為巖心初始狀態。第一次水驅氣開始后，地層水進入巖心，在表面張力的作用下，作為濕相的地層水極易進入巖心孔隙。由實驗測試可知，DH低滲氣藏儲層具有強非均質性，實驗巖心顆粒小，比表面大，這樣由于毛管力作用的存在，地層水容易被吸吮至巖心孔隙喉道。第二次氣驅水結束后巖心內所含地層水實際上是束縛水，由實驗數據可知，此時的巖心含水飽和度遠大于實驗初始所建立的巖心束縛水飽和度。這就說明，有一部分地層水被束縛在巖心中。束縛在巖心中的地層水會破壞巖心孔隙中天然氣的連續性，致使一部分氣體滯留在巖心中無法采出，從而造成水鎖傷害。

3 結論

本文改進以往水鎖效應實驗測試方法，創新性地建立了測試水鎖傷害程度和水鎖氣解封啟動壓差的實驗測試裝置及方法，在實際儲層高溫高壓條件下進行水鎖效應測試。通過對DH氣藏水鎖傷害評價實驗測試結果分析，主要得出以下幾點結論：①通過對實驗結果的分析可知，整個DH氣藏水鎖傷害程度變化范圍在6.54%～13.46%，其中，X3層的平均水鎖傷害程度為9.26%，X4層為10.58%，X5層為13.20%，水鎖傷害程度為中等偏弱。②巖石潤濕性、滲透率是影響水鎖損害程度的主要因素，而水鎖效應與孔隙度的相關性不大。從實驗所測的結果來看，滲透率越低的巖心巖石水濕性越強，其水鎖損害程度越大，水鎖氣解封啟動壓差越小。③滲透率越大的巖心，水鎖后在殘余氣飽和度時降低回壓產出氣體越快，且產出氣量比較多，解除水鎖啟動壓力越小。④實驗巖心比較短，實驗測得水鎖氣解封啟動壓差在0.3～3.7 MPa之間，測試技術條件有限，啟動壓力梯度過大，如何精確確定還需要進一步研究，水鎖后解除水鎖的難度比較大，采出程度大大降低，因此，要科學設計，盡量避免氣藏水淹。

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