儲氣庫井注氣壓力劇變誘發微粒運移實驗模擬

康毅力 邵佳新 游利軍 高新平 陳明君 譚啟貴 韓慧芬

1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室·西南石油大學；2.中國石油西南油氣田分公司工程技術研究院

相國寺儲氣庫是中石油建設的地下儲氣庫之一，是各大氣區天然氣管道建設的重要一環，具有緩解高峰供氣、事故應急供氣和戰略儲備供氣的功能［1-2］。相國寺儲氣庫以枯竭型碳酸鹽巖氣藏為基礎建設，具有強注強采、建設周期長、技術難點多的特點［3-6］。相國寺構造隸屬川東南中隆高陡構造區華鎣山構造群，地層傾角大，構造破碎［7］。不同地質歷史時期的構造應力和地質作用形成了不同尺度的裂縫，其中以小開度網狀裂縫和孔洞為主，是工作液漏失和微粒運移的潛在通道［8］。相國寺儲氣庫是典型的枯竭型碳酸鹽巖氣藏，注氣過程中儲層壓力會增加；儲氣庫注入井在單注過程中，由于地面氣體壓縮機的故障可能存在氣體注入壓力波動，即注入壓力時高時低的情況。注入壓力的遞增或波動會誘發儲層中的碳酸鹽礦物、黏土礦物和裂縫壁面的微粒發生運移。因此，針對儲氣庫注氣時的壓力變化特點，在室內開展模擬實驗，以提高儲氣庫注氣效率。

微粒運移是造成儲層損害的一種重要方式［9-10］。微粒運移包括微粒的釋放和運移，并最終堵塞滲流通道的過程［11］。Hunter R J 等(1962)研究表明當孔隙尺寸與微粒匹配度較低時，壓力導致孔隙和裂縫壁面的形變對微粒滯留影響很小［12］。Sharma M M 等(1989)研究了不同pH 值、流動速率和微粒濃度等條件下，將黏土懸浮液注入填砂管后孔喉尺寸的分布變化［13］。Muecke 等(1979)用顯微鏡觀察了液體流動時2～15 μm 的碳酸鈣顆粒運移情況，分析了流速和潤濕性對微粒運移的影響［14］。

以往學者多研究微粒運移對油層的損害，而基于氣層領域的微粒運移相對研究較少，系統評價儲氣庫井注氣壓力變化所誘發的微粒運移實驗研究更是罕見。筆者選取相國寺儲氣庫黃龍組碳酸鹽巖儲層巖樣，開展了氣體速敏實驗、應力敏感實驗以及模擬注氣壓力遞增和壓力波動兩種變化形式下的巖心流動實驗，測試了驅替壓力遞增和壓力波動下巖心的滲透率和出口端微粒濁度等參數，并結合XRD和SEM 等手段，分析了微粒運移的潛在微粒類型，以及誘發微粒運移的機理。

1 實驗樣品與方法

1.1 實驗樣品及裝置

實驗巖樣取自川渝地區相國寺儲氣庫黃龍組碳酸鹽巖儲層，埋深為2 300～2 600 m，地層溫度為62.23 ℃，儲氣庫庫容40.5×108m3，墊底氣量17.7×108m3，工作氣量22.8×108m3［1］。巖樣進行切割和人工造縫后，直徑24.50～25.10 mm，長度42.86～45.80 mm，孔隙度1.98%～5.96%，平均3.02%，滲透率(3.014 3～417.373 4)×10-3μm2，平均47.414 6×10-3μm2，裂縫寬度8.87～45.94 μm。實驗巖心具體參數如表1所示。實驗裝置主要由圍壓系統、巖心夾持器、恒流/壓泵、質量流量計、壓力傳感器、數據采集系統等組成(圖1)。

表1 實驗巖心物性參數Table 1 Physical parameters of experimental cores

圖1 巖心流動實驗設備Fig.1 Device for core flow experiment

1.2 實驗方法

開展碳酸鹽巖應力敏感實驗以驗證驅替壓力遞增和壓力波動實驗中應力敏感對實驗影響較小或無影響。開展碳酸鹽巖氣體速敏實驗以驗證壓力梯度遠小于驅替壓力遞增和壓力波動巖心流動實驗中壓力梯度時，便會發生微粒運移。

1.2.1 應力敏感實驗

基于研究區注采井的地層壓力變化情況設計實驗步驟：(1)將預先處理好的裂縫巖心放入巖心夾持器，首先在40 MPa 有效應力下進行老化處理；(2)測試有效應力為2、10、20、30、35、45、50、60 MPa 條件下的巖心滲透率；(3)采用應力敏感系數法［15］進行應力敏感程度評價，評價標準如表2 所示，應力敏感系數SS計算公式為

式中，SS為應力敏感系數；σ0為初始有效應力，MPa；k0為初始有效應力σ0對應的滲透率，10-3μm2；σi為各測試點的有效應力，MPa；ki為各測試點的有效應力σi對應的滲透率，10-3μm2。

表2 應力敏感程度評價標準Table 2 Stress sensitivity degree evaluation standard

1.2.2 速敏實驗

在借鑒SY/T 5358—2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》的基礎上設計了氣體速敏實驗，使之更加符合于儲氣庫儲層為氣層的實際情況，具體實驗步驟：(1)將預先處理好的裂縫巖心放入巖心夾持器中，加高圍壓，靜置4 h，消除應力敏感；(2)保持圍壓始終大于入口壓力2 MPa，測試壓力梯度0.01、0.035、0.06、0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.8、1.6、2 MPa/cm 下的滲透率；(3)確定臨界流速點，如果某流速引起的滲透率變化率＞5%說明發生了速敏，該流速為臨界流速。速敏程度評價標準見表3，速敏引起的滲透率損害率由式(2)計算。

式中，DK1為速敏引起的滲透率損害率，%；kW1為臨界流速前巖心滲透率的算術平均值，10-3μm2；kmin為臨界流速后巖心滲透率的最小值，10-3μm2。

表3 速敏程度評價標準Table 3 Velocity sensitivity degree evaluation standard

1.2.3 驅替壓力遞增與壓力波動的巖心流動實驗

根據儲氣庫井生產動態曲線，結合注入壓力與地層壓力的壓差變化范圍和室內實驗實際情況確定有效應力值和驅替壓力值，并設計了驅替壓力遞增和壓力波動的巖心流動實驗。滲透率損害率DK由式(3)計算。

式中，k1為初始滲透率，10-3μm2；kx為實驗過程中滲透率最小值，10-3μm2。

微粒濁度變化通過驅替前后巖心出口端燒杯內蒸餾水的濁度差表征。實驗過程中，應力敏感和滑脫效應等因素可影響滲透率，因此，實驗前保持高圍壓以消除應力敏感，實驗過程中采用高純N2作為氣測介質，對實驗結果進行線性回歸以消除或減小氣體滑脫效應。

模擬注入壓力遞增的巖心流動實驗步驟：(1)將基塊巖心進行烘干、造縫等預處理；(2)保持圍壓40 MPa，巖心靜置4 h 消除應力敏感；(3)保持有效應力40 MPa，測定實驗前巖心滲透率，記為基準滲透率(k1)；(4)保持有效應力恒定40 MPa，測定驅替壓力依次為1.5、2、4、8、10 MPa 時的滲透率；(5)通過濁度儀實時監測上述巖心出口端燒杯中蒸餾水濁度。模擬注入壓力波動的巖心流動實驗與壓力遞增實驗的區別是步驟(4)，改為保持有效應力恒定40 MPa，測定驅替壓力依次為4、8、4、8、4、8、4 MPa，以及氣體驅替壓力依次為4、6、4、8、6、8、10、8、10 MPa 時的滲透率。最后采用SEM 和XRD 對實驗前后的巖心進行觀察分析。

2 實驗結果分析

2.1 應力敏感實驗

由圖2 可以看出，隨著有效應力的增加巖心滲透率降低。計算得到YXH-A、YXH-B 巖心的應力敏感系數分別為0.20 和0.34，應力敏感程度為弱～中等偏弱。

圖2 巖心滲透率與有效應力關系Fig.2 Relationship between core permeability and effective stress

2.2 速敏實驗

巖心速敏評價結果見表4，氣體滲透率損害率范圍為43.96%～62.11%，平均52.51%，速敏程度為中等偏弱～中等偏強，隨著壓力梯度的增加，巖心滲透率先增加后降低，最后趨于平緩(圖3)。

表4 速敏實驗評價結果Table 4 Evaluation results of velocity sensitivity experiment

圖3 速敏實驗無因次滲透率與壓力梯度關系Fig.3 Relationship between dimensionless permeability and pressure gradient in the velocity sensitivity experiment

2.3 驅替壓力遞增與波動下的氣體滲透率測定

由表5 測試結果可以看出，驅替壓力遞增和波動下巖心滲透率均明顯降低，驅替壓力遞增和波動下巖心平均滲透率損害率分別為77%和57%。分析認為，由于驅替壓力的遞增和波動，使得巖心裂縫壁面微粒附著程度降低并脫落，發生微粒運移。

表5 實驗巖心滲透率損害結果Table 5 Permeability damage results of experimental cores

2.3.1 驅替壓力遞增的微粒運移機制

驅替壓力遞增的3 塊巖心氣體滲透率呈現出不同的變化特征(圖4a)。實驗過程中驅替壓力遞增到大于突破壓力時，堵塞滲流通道的部分微粒被排出［16］，滲透率發生變化，巖心YXH-1 和YXH-3 的滲透率分別呈現出階梯式遞減和時減時增的形式。微粒粒徑與裂縫寬度之間的匹配關系較好時，可以實現穩定架橋［17］，YXH-2 的裂縫寬度小于YXH-1 和YXH-3，滲透率為線性遞減，表明微粒與裂縫匹配關系較好。速敏實驗顯示在較小的驅替壓力梯度下會發生速敏，驅替壓力遞增過程中的壓力梯度遠大于發生速敏時的臨界壓力梯度，增大驅替壓力可以起動裂縫壁面附著更牢固的微粒，大量微粒仍會通過橋接的方式堵塞裂縫寬度較大的巖心YXH-1 和YXH-3，導致滲透率降低［18］。

圖4 驅替壓力遞增下的滲透率變化及滲透率與濁度關系Fig.4 Permeability variation and permeability-turbidity relationship under the influence of progressive displacement pressure increase

濁度是一種光學效應，是指水中懸浮物透過光線時所發生的阻礙度。水中的微粒濃度越大，水層對光的吸收和散射能力越強，濁度就越大［19-20］。康毅力等(2018)研究剛性堵漏材料在裂縫中的滯留行為時，用出口端顆粒濁度與入口端初始顆粒濁度的比值C/C0來反映固相通過裂縫時的滯留情況，比值越大說明滯留概率越小，流出的顆粒越多［21］。通過驅替壓力遞增的滲透率與濁度關系曲線(圖4b)可知，巖心滲透率降低的同時出口端濁度發生波動，濁度波動說明發生了微粒運移，同時在巖心出口端排出微粒。

2.3.2 驅替壓力波動的微粒運移機制

驅替壓力波動的滲透率變化曲線見圖5a，3 塊巖心氣體滲透率損害率范圍為53%～61%。通過驅替壓力波動的滲透率與濁度關系曲線可知(圖5b 黑色虛線以左)，巖心滲透率波動，但對應的濁度沒有呈現出良好的負相關關系。微粒在裂隙狹窄處受壓力波動影響較大，由于微粒與裂縫壁面發生頻繁碰撞，出現時走時停現象，因此滲透率出現波動［22］。驅替壓力波動時，在裂縫內以壓力波的形式傳播，壓力波沿縫長方向傳播時呈現壓力衰減的過程［23］，因此微粒運移程度較弱，滲透率損害率較小。

圖5 驅替壓力波動下的滲透率變化及滲透率與濁度關系Fig.5 Permeability variation and permeability-turbidity relationship under the influence of displacement pressure fluctuation

驅替壓力波動遞增階段(圖5a 黑色虛線以右)，滲透率損害率增加。壓力的波動式遞增給巖心施加一個外部載荷使裂縫壁面微粒附著能力降低，微粒在高速流體下產生滑動和運移，運移至狹窄或更加平衡的位置上，堵塞滲流通道［24］。兩個壓力點的波動范圍在1～1.5 倍之內時(圖5b 黑色虛線以右)，滲透率損害率較小。驅替壓力遞增下的平均滲透率損害率比驅替壓力波動下的高20% (表5)，表明巖心滲透率相近的情況下，驅替壓力遞增引起的微粒運移程度強于驅替壓力波動。

2.3.3 驅替壓力遞增后裂縫壁面分析

(1)裂縫壁面結構特征。圖6 是實驗前后YXH-1 巖心裂縫壁面掃描電鏡照片，分析裂縫壁面微觀表征結果認為，裂縫壁面出現微粒脫落現象。由于儲層基塊巖心膠結致密，流體流動過程中附著牢固的微粒難以脫離裂縫壁面，所以認為巖心裂縫壁面發生微粒運移的先決條件是其壁面必須存在脆弱結構［25］。由于選用的巖心中白云石和方解石等碳酸鹽礦物含量相對較高，巖心樣品進行人工造縫后，裂縫壁面產生大量脫落的微粒。雖然實驗前已將大量脫落的微粒清除，但仍可能因為驅替壓力過大產生微粒［26］。通過掃描電鏡對實驗前后巖心樣品的裂縫壁面進行觀察，發現裂縫壁面真實分布有大量松散、附著程度低的脆弱結構，當驅替壓力超過臨界壓力時［27］，裂縫壁面的微粒在氣體的拖拽下發生拉張破壞，微粒脫落并發生運移。

圖6 驅替壓力遞增實驗巖心裂縫壁面掃描電鏡照片Fig.6 SEM photo of the wall surface of the cores in the experiment with progressive displacement pressure increase

(2)裂縫壁面微粒類型分析。通過掃描電鏡對實驗后的樣品進行觀察，發現巖心裂縫壁面存在大量的脆弱結構，對實驗后巖心裂縫壁面微粒進行XRD 分析(表6)，結果表明實驗后裂縫壁面微粒以碳酸鹽礦物為主，其中白云石含量較高，方解石次之，還有極少量的石英和黏土礦物，該結果和實驗前XRD 分析結果一致，但實驗后礦物含量均降低。

表6 驅替壓力遞增實驗巖心YXH-1 的XRD 分析結果Table 6 XRD analysis results of core YXH-1 in the experiment with progressive displacement pressure increase

3 結論與建議

(1)儲氣庫井實際注氣壓力梯度遠大于巖心發生速敏時的臨界壓力梯度，注氣壓力過大會起動更多的微粒，實際作業時應維持合理的注氣壓力遞增速率，控制相鄰注氣壓力點的差值范圍。

(2)驅替壓力波動引起巖心裂縫壁面脆弱結構附著程度降低是微粒運移的一個重要誘發機制，裂縫壁面附著程度低且尺寸小于裂縫及孔喉的微粒發生脫落運移將橋接堵塞滲流通道。應定期排查地面壓縮機故障，防止其引發注氣壓力波動。

(3)建議注氣前對近井地帶儲層中固有和無法返排微粒進行小規模酸洗清除，防止微粒在注氣過程被帶入儲層深部；同時裂縫酸蝕后會拓展注氣通道，提高注氣效率。