流量替代滲透率評價破碎性儲層工作流體傷害程度

鄭力會 劉 皓 曾 浩 吳 通,3 張文昌 王 超,3

1.油氣資源與探測國家重點實驗室·中國石油大學（北京） 2.中國石油化工股份有限公司中原油田分公司

3.河北省化工學會化學封堵材料綜合利用研究與應用重點實驗室·北京力會瀾博能源技術有限公司

0 引言

若地層巖石整體強度偏低，在力學環境改變后巖石易破碎成不規則破裂體，該地層被視為破碎地層[1]。而儲存油氣資源的破碎地層則被稱為破碎性儲層。目前，破碎性儲層分成兩大類：一類是以煤巖、碳酸鹽巖、疏松砂巖等為代表的天然破碎性儲層；另一類是以改造后致密砂巖、頁巖等為代表的人工破碎性儲層。破碎性儲層在巖石組分、滲流能力和巖石力學參數等方面各向異性嚴重，且多數需要經過儲層改造才能獲得經濟產量[2]。由于投入產出比較低，亟需通過對不同滲透能力的產層并采以提高開發效益[3]。

然而，并采前后，評價鉆井流體或者儲層改造所用的工作流體對儲層的傷害程度，由于測試條件、開采環境不同，帶來諸多難題，主要表現在以下3個方面：①由于并采儲層工作流體傷害實驗所用的柱塞巖樣長度不一，在利用達西公式計算多個柱塞的滲透率時，無法確定采用哪一個柱塞巖樣的長度；②若采用相同長度柱塞巖樣進行實驗，由于孔隙度和有效滲流面積存在差異，無法將端面面積簡單代數相加后代入達西公式求取整體滲透率；③通過室內實驗測定滲透率變化來評價儲層傷害程度，而現場關注的是儲層整體受傷害程度對油氣井測試產量大小的影響，兩者不對等。部分學者雖然改進了采用滲透率評價儲層傷害程度的方法，但大都是針對單一儲層[4-9]，并且，這些測試普遍借鑒常規碎屑巖流動實驗評價標準[10]，另外，有少數學者考慮到部分破碎性儲層自生自儲特性，通過開展等溫吸附、核磁共振實驗，以及對現場數據進行多元回歸，從多個方面研究工作流體對儲層的傷害程度[11-16]。總的看來，由于破碎性儲層在縱向上存在較強非均質性，通過測試單個柱塞巖樣在工作流體傷害前后的滲透率變化難以體現工作流體對儲層的整體傷害程度。為此，利用達西定律先從理論上探討用流量替代滲透率定量表征儲層傷害程度的可行性，再開展單層開采、雙層及三層并采的流量測試實驗，評價工作流體對單層、多層儲層的整體傷害程度，并將流量損害率與滲透率損害率進行對比以求證流量替代滲透率的可行性。

1 基于達西定律的流量法評價工作流體對儲層的傷害程度

由達西定律可以推導出流量損害率和滲透率損害率的關系式，如式（1）所示，流量損害率與滲透率損害率、被工作流體傷害前后不同流量下測得的巖心進出口壓力平方差有關，通過流量損害率、被工作流體傷害前后不同流量下巖心的進出口壓力，可以計算出滲透率損害率。

式中DQ表示流量損害率；DK表示滲透率損害率；α、β表示系數；Qo表示被工作流體傷害前通過巖心的氣體流量，cm3/s；Qd表示被工作流體傷害后通過巖心的氣體流量，cm3/s；Ko表示巖樣初始滲透率，mD；Kd表示接觸工作流體后巖樣滲透率，mD；p1表示傷害前巖心進口壓力，MPa；p2表示傷害前巖心出口壓力，MPa；p1'表示傷害后巖心進口壓力，MPa；p2'表示傷害后巖心出口壓力，MPa。

1.1 單層開采

單層開采時，被工作流體傷害前、后巖心進口壓力相等，出口壓力也相等，同為大氣壓。由此，α=1、β=0，則滲透率損害率等于流量損害率。

1.2 雙層、三層并采

在實驗室模擬物性不同的兩套儲層進行并采，由于各柱塞巖心的長度、橫截面積、實時流量以及進出口壓力可能不同，無法準確計算出巖心的整體滲透率及滲透率損害率。即使通過單獨計量，兩個單層各自的滲透率能夠計算獲得，但整體滲透率是否為兩個巖心滲透率的簡單疊加尚存在疑問。

假設工作流體傷害前后，巖心進口壓力、出口壓力都不變，式（1）轉變為：

式中Kob表示模擬雙層并采時巖心初始總滲透率，mD；A表示雙層并采巖心初始橫截面積，cm2；L'表示接觸工作流體后雙層并采巖心長度，cm；Kdb表示接觸工作流體后雙層并采巖心總滲透率，mD；A'表示接觸工作流體后雙層并采巖心橫截面積，cm2；L表示雙層并采巖心初始長度，cm。

由式（2）可知，雖然模擬雙層并采時巖樣的總滲透率、橫截面積及長度等還無法計算，但流量損害率是接觸工作流體前、后巖心總滲透率的函數，且總流量能夠直接測得，說明流量法可以替代滲透率法，進行破碎性儲層工作流體傷害程度測試。

三層并采則與雙層并采情況類似。綜上所述，單層開采時流量損害率與滲透率損害率相同；雙層及三層并采時流量損害率是滲透率的函數，通過測量傷害前后的總流量，能夠計算出多層并采時工作流體對巖心滲流能力的整體損害率。

2 基于流量測試的工作流體傷害評價實驗

實驗選取鄂爾多斯盆地臨興區塊下石盒子組致密砂巖與太原組煤巖，鉆切制備成直徑為2.5 cm，長度介于4.176～6.060 cm的柱塞巖心7個，用于開展砂巖、煤巖單層開采、砂巖＋煤巖雙層并采、砂巖＋砂巖＋煤巖三層并采條件下的工作流體傷害評價實驗。柱塞巖心基礎數據如表1所示，實驗裝置如圖1所示。

表1 實驗巖心基礎數據統計表

圖1 多層并采儲層傷害評價實驗裝置示意圖

通過選取臨興H井，該井儲層孔隙度介于7.2%～9.2 %，產量介于14 319～34 148 m3/d，射孔井段長度為650.40 m，鉆頭直徑為139.70 mm，將現場生產數據轉換為室內實驗條件下的氣體等效流量（介于3.083～9.433 cm3/s），然后根據該區間范圍調試得到與真實儲層壓力相匹配的測試圍壓值。

2.1 單層開采

首先，根據地層水礦化度配制鹽水并使用該鹽水將柱塞巖心飽和；然后，分別將砂巖、煤巖巖心裝入上層巖心夾持器，關閉中、下層閥門；設定溫度為48 ℃，緩慢增大圍壓至2.0 MPa；逐漸增加巖心進口壓力，使砂巖巖心的進口壓力與H井砂巖儲層壓力（11 MPa）一致，使煤巖巖心的進口壓力與H井煤巖儲層壓力（14 MPa）一致，同時也逐步增大圍壓，調節過程中始終保持圍壓比進口壓力大1.5～2.0 MPa；觀察模擬開采單層砂巖、煤巖時的氣體流量，若氣體流量介于3.083～9.433 cm3/s，且圍壓值與巖石在地層中受到的上覆巖層壓力較接近，則認為此時的圍壓值可以作為試驗圍壓，若不能滿足則需更換巖心；確定圍壓后，取出柱塞巖心，將其反向安裝；向柱塞巖心注入工作流體，此時調節圍壓至5.0 MPa，設定驅替泵注入工作流體的流速介于0.10～0.25 mL/min，以保證入口端壓力維持在3.5 MPa左右，連續注入2 h；將柱塞巖心取出，再反向重新裝入巖心夾持器，后續操作步驟和實驗參數均與工作流體傷害前一致，測定通過單層柱塞巖心的氣體穩定流量。

如表2所示，模擬開采單層砂巖、煤巖時，巖心進口壓力分別達到實際儲層壓力（11 MPa、14 MPa），圍壓也滿足測試要求，且通過巖心的氣體流量介于3.083～9.433 cm3/s，表明該模擬實驗能夠反映現場開采單層的情況。

2.2 雙層、三層并采

依據儲層在縱向上的實際排列順序，確定上、中層巖心夾持器中分別放入砂巖、煤巖巖心。在實際地層中，由于下部致密砂巖儲層較上部致密砂巖儲層深31～97 m，煤巖儲層較上部、下部致密砂巖儲層分別深241～284 m、152～245 m，由壓力梯度為0.022 64 MPa/m計算[17]，下部致密砂巖受到的上覆巖層壓力比上部致密砂巖高約1 MPa，煤巖受到的上覆巖層壓力較上部、下部致密砂巖分別高約5 MPa、4 MPa。因此在并采條件下，需要始終設定下部致密砂巖巖心所受圍壓比上部致密砂巖巖心高1.0 MPa，對煤巖施加的圍壓比上部、下部致密砂巖巖心分別高5 MPa、4 MPa。除圍壓及總流量外，模擬雙層、三層并采的實驗步驟與前述模擬單層開采的步驟相同。模擬雙層（下部砂巖＋煤巖）并采、三層（上部砂巖＋下部砂巖＋煤巖）并采的工作流體傷害評價實驗數據如表3、4所示。

表2 工作流體傷害評價實驗數據統計表

表3 “砂＋煤”雙層并采工作流體傷害評價實驗數據統計表

表4 “砂＋砂＋煤”三層并采工作流體傷害評價實驗數據統計表

3 工作流體傷害評價實驗結果

為了科學構建儲層傷害評價方法和指標，筆者提出了穩定流量和累計流量兩項評價指標。這兩項指標的取值依據是要求在連續4個相鄰時刻（每個時刻相隔3 min）測試通過巖樣的氣體體積差異均在5%以內，且測試總時長不少于60 min。

3.1 單層開采

基于前述單層砂巖工作流體傷害評價實驗結果，計算得到砂巖滲透率損害率和流量損害率，其中滲透率損害率與穩定流量損害率較接近，相差0.37%；而累計流量損害率略高于前兩個指標，分別高2.68%和2.31%（圖2）；基于前述單層煤巖工作流體傷害評價實驗結果，計算得到煤巖滲透率損害率和流量損害率，其中滲透率損害率與穩定流量損害率基本一致，僅相差0.10%；而累計流量損害率略低于前兩個指標，分別低0.70%和0.60%（圖3）。可見，在進行單層工作流體傷害評價時可以采用穩定流量損害率取代滲透率損害率來表征工作流體對儲層的傷害程度。

圖2 砂巖單層開采工作流體傷害程度評價指標對比圖

圖3 煤巖單層開采工作流體傷害程度評價指標對比圖

3.2 雙層、三層并采

在雙層、三層并采的條件下，采用滲透率損害率無法表征工作流體對儲層的整體傷害程度，依據前述雙層（砂巖＋煤巖）、三層（砂巖＋砂巖＋煤巖）并采工作流體傷害評價實驗的流量統計結果，計算穩定流量損害率及累計流量損害率。如圖4、5所示，滲透率損害率無法定量表征雙層并采時工作流體對儲層的整體傷害程度，而采用流量損害率能夠進行有效表征；雙層、三層并采時，單層砂巖、煤巖的穩定流量損害率與滲透率損害率數值更接近，絕對差值均在2%以內，明顯小于累計流量損害率與滲透率損害率的絕對差值；雙層并采時儲層整體流量損害率與各單層流量損害率的平均值較接近，三層并采時儲層整體流量損害率明顯低于各單層流量損害率的平均值。可見，在雙層、三層并采條件下，流量法能夠有效表征工作流體對儲層整體的傷害程度。

圖4 “砂巖＋煤巖”雙層并采工作流體傷害程度評價指標對比圖

圖5 “砂巖＋砂巖＋煤巖”三層并采工作流體傷害程度評價指標對比圖

4 結論與建議

1）流量法無需考慮破碎性儲層非均質滲流特性的差異，解決了滲透率法不能定量表征工作流體對破碎性儲層整體傷害程度的難題，為優選工程技術和評價工作流體的適應性提供了方法依據。

2）目前，流量法只適用于評價工作流體對儲層的整體傷害程度，測定儲層內部因素造成的敏感性損害的可行性還沒有明確做法。

3）利用流量法評價工作流體對儲層的傷害程度僅僅是開始。關于敏感性類型的診斷、評價指標的優化、實驗數據的選擇及測試周期的確定，特別是設備儀器的配套與性能參數的優化，都是下步亟待開展的工作。