低滲儲層液鎖傷害的精確測量與評價

田 巍

(中國石化中原油田分公司勘探開發研究院, 中國石化中原油田博士后科研工作站,濮陽 457001)

液鎖傷害是由于外來流體侵入、液相析出、鉆井液吸附滯留以及水相反滲吸等作用而導致儲層氣相滲透率不同程度降低的現象,這種傷害可能是暫時性的,也可能是永久性的,這是在低滲透儲層開采過程中不可避免的問題[1-2],而且會對氣井的生產帶來不同程度的影響[3-8]。目前,針對液鎖傷害的室內測定方法主要有兩類:一類是在巖心完全飽和水后氣驅,分別測定不同含水飽和度下的氣體滲透率,該法應用較為廣泛；另一類是用注入泵對夾持器中的干巖心反向注液[9],然后氣驅測定巖心不產水時的氣體滲透率,該法主要用于反滲吸儲層傷害評價。這兩類方法在測定液鎖傷害的過程中,均需頻繁地拆卸設備、稱量巖心總質量、裝填巖心,操作較為復雜[10-12]；而且在取出和放回巖心過程中會造成巖心表面水分散失,從而使計算得到的含水飽和度與真實的含水飽和度相比存在一定誤差,導致測得的滲透率傷害率與含液飽和度不匹配,同時由于巖心頻繁的施壓和卸載會造成內部孔隙結構的二次傷害,同樣也會影響測定結果的準確性。為此,在總結和研究前人成果的基礎上,對實驗流程進行了優化改進,并提出了液鎖傷害評價方法,希望通過本文研究能為油氣藏現場提供更有價值的參考數據。

1 設計原理

1.1 設計思路

結合現有測定方法存在的不足,提出對注入設備進行改進的設想,如果注入設備能夠精確標定注入液體的量,則就不必頻繁的拆卸設備,為此設計了一種注入器,結構如圖1所示,注入器頂端分別布設兩個供進出液體的小孔,實驗測定時,先根據設定的含液飽和度計算需要的液體體積,然后使用注入泵將液體通過進液孔口2注入到儲液空腔3中,直到注入體積達到設定體積停泵,之后通過旋轉手柄7推動活塞4擠壓儲液空間3將液體通過排出口1排出；也可以一次將注入器注滿,之后按照所需要的液體體積分階段排出,通過刻度指示盤指示刻度確定排出液體的體積,注入器排液的過程即為對巖心注入液體的過程。整體實驗過程中,不需要拆卸設備和稱量巖心,操作更加簡便易行,而且也保證了數據的準確性。

1為排液孔；2為進液孔；3為儲液腔體空間；4為活塞；5為刻度標尺；6為操作桿；7為操作手柄；8為刻度指示盤；9為支架圖1 注入器結構圖Fig.1 Structural diagram of injector

1.2計算方法

1.2.1 注入液體體積的計算

一般情況下,需要測得一系列不同含液飽和度下的滲透率值,才能反映出含液情況對滲透率的傷害程度,含液的多少通過注入液體的體積來計算,所需注入液體的體積按照預設的含液飽和度與孔隙體積的乘積來確定。

1.2.2 液鎖傷害率的計算

為了保持在實驗過程中巖心受力的均衡,使圍壓和注入壓力的差值恒定,并使回壓值等于目標儲層的地層壓力值。滲透率的測定采用 “壓差-流量法”,氣體采用恒壓注入的方式,以較低的進出口壓差注氣,測定滲流穩定時的流量,然后按照達西公式通過反算的方式求得對應的滲透率值,該滲透率值與原始滲透率相比所得到滲透率變化率即為滲透率傷害率,以此來判斷不同含水下的滲透率傷害程度,并將束縛水飽和度下的滲透率傷害率稱為液鎖傷害率,通過式(1)求得:

(1)

式(1)中:Dy為滲透率傷害率,%；K0為實驗巖心原始滲透率,10-3μm2；Ky為不同含水下的有效氣測滲透率,10-3μm2。當Ky為束縛水下的滲透率時,所計算出對應的D即為液鎖傷害率。

2 實驗部分

2.1 設備與流程

滲流裝置選用先進的Auto-floodTM(AFS300TM)驅替評價系統；采用三軸巖心夾持器；注入系統分為高壓氮氣瓶和高壓儲氣中間容器；液體注入采用設計的注入器,注入器體積精度為0.01 mL；注入泵為高壓儲氣中間容器加壓,注入泵可根據要求分別設置為恒定注入流量或恒定注入壓力驅替模式,流量為0.01～50.00 mL/min(壓力不大于70 MPa),流速精度為±0.3%(最大密封泄漏為0.25 μL/min),流速顯示最小值為0.01 μL/min,恒壓模式下能達到1.0 μL/min；圍壓系統使用高精度多級柱塞驅替泵(Teledyne isco100-DX)；回壓控制系統采用美國巖心公司生產的BP-100空氣彈簧回壓閥,并采用高精度多級柱塞驅替泵控制回壓閥；采用DXD高精度數字壓力傳感器采集壓力,在30～100 ℃條件下,測試精度為±0.02%；采用高線性壓差傳感器(型號為validyne)精確采集巖心兩端的壓力差；氣體計量使用皂泡流量計,流程如圖2所示。

1為氣罐；2為儲氣中間容器；3為注入泵；4為手動注入器；5為儲液中間容器；6為注入泵；7為氣液分離器；8為皂沫流量計；9為回壓閥；10為巖心夾持器；11為減壓閥圖2 液鎖傷害測定流程圖Fig.2 Flow chart of liquid blocking damage measurement

2.2 實驗步驟

實驗以某低滲砂巖氣藏巖心為研究對象,注入液體選用標準鹽水,礦化度為80 000 mg/L,使用氮氣作為驅替氣體,按照分階段注入液體的方式,詳細實驗步驟如下。

(1)將巖心在107 ℃下置于恒溫箱中烘干12 h以上,而后取出測定巖心長度、直徑、滲透率、孔隙度等基礎數據。

(2)將巖心裝填入巖心夾持器,接通儀器流程,檢查流程密閉性情況,升溫至實驗溫度,調整圍壓和回壓裝置,儀器調整為凈圍壓模式,保證壓力跟蹤正常。

(3)打開注入泵,關閉注入器與巖心夾持器之間的閥門,將注入器中充滿注入液體,關閉泵出口閥門,記錄注入器充滿液體時的初始體積刻度L0。

(4)打開注入器與巖心夾持器之間的閥門,按照計算的第一個注入體積值旋轉注入器手柄排液至體積達到計算對應值后關閉該閥門,此時對應刻度為L1,即第一個體積為L0-L1,考慮注入器出口段管線無效體積Ls,則實際能夠注入巖心的液體體積為L0-L1-Ls。

(5)以高于回壓0.1 MPa的壓力恒壓注N2,緩緩打開夾持器進口閥至皂沫流量計檢測到有氣體逸出,且逸出體積等于注入體積時,關閉夾持器出口閥門,靜置1 h。

(6)打開夾持器進出口閥門,以高于回壓0.1 MPa的壓力下恒壓下N2驅替,待滲流穩定后,記錄壓力、流量,關閉氣源閥和夾持器出口閥門。

(7)之后分別按照計算的第二、第三、第四……的體積數值,重復步驟(4)～(6),直至測定完成所有設計的注入量。

(8)提高氣體注入壓力至上述注入壓力的10倍以上,待滲流穩定后,記錄壓力、流量,之后拆開實驗設備取出巖心稱量巖心質量,此時的巖心含水為束縛水,計算得到此時的滲透率即為束縛水下的滲透率。

3 結果及分析

實驗選取滲透率從小到大的一系列巖心開展研究,選取巖心的滲透率分別為0.032×10-3、0.251×10-3、3.412×10-3、12.801×10-3、23.717×10-3、47.403×10-3μm2,巖心長度均為5.5 cm左右,直徑2.5 cm,按照上述設計的實驗方法分別測定巖心在不同含水情況下的滲透率傷害情況,研究結果表明:滲透率傷害率隨著含水飽和度的增加而逐漸增加,整體上都超過了50%,為三段式曲線,分為起始段、中間段和尾段,總體呈現出“S”形變化趨勢,滲透率越低其曲線的“S”形態越明顯,表現為在較低含水飽和度情況下(起始段),滲透率傷害率隨著含水飽和度的增加而以較低幅度增加,當含水飽和度繼續增加(中間段),隨著含水飽和的增加而急劇增加,之后當含水飽和度超過一定值后(尾段),滲透率傷害率增幅逐漸減小。如圖3所示,滲透率為0.032×10-3μm2的巖心,在含水飽和度為0～20%、20%～40%、50%～70%的三個相等含水變化區間上,滲透率傷害率變化值分別為24.22%、40.55%、11.36%；滲透率為3.412×10-3μm2的巖心,在上述同樣的含水飽和度變化區間上,滲透率傷害率變化值分別為13.32%、35.33%、20.48%,尾段雖然滲透率傷害率增幅較小,但整體上滲透率傷害率已經達到很高值。可見,液鎖傷害主要發生在相對較高含水飽和度情況下,在含水飽和度較低時,滲透率傷害較小。

圖3 滲透率傷害曲線Fig.3 Curve of permeability damage

圖3中,曲線起始段的含水飽和度區間隨著滲透率的增加而越來越寬,滲透率為0.032×10-3μm2的起始段為含水區間0～10%,而3.412×10-3μm2的起始段為含水區間0～20%；中間段含水區間隨滲透率的增加而區間越來越窄,圖3中,滲透率為0.032×10-3μm2的中間段為含水區間10%～50%,而23.717×10-3μm2的中間段為含水區間28.55%～60%；尾段隨滲透率的增加越來越不明顯,滲透率為0.032×10-3μm2的尾段為含水區間50%以上,而23.717×10-3μm2的尾段為含水區間60%以上,當滲透率范圍達到中高滲儲層滲透率級別時,滲透率傷害主要發生在起始段,而且幅度較小,如圖3中滲透率為47.403×10-3μm2的曲線,所以一般的中高滲儲層不考慮液鎖傷害。由圖3可知:滲透率相對越低的巖心,滲透率傷害越嚴重,液鎖傷害率越高。在含水為20%時,滲透率為23.717×10-3μm2的巖心的滲透率傷害率僅為8.82%,滲透率相對較低3.412×10-3μm2巖心的滲透率傷害率升高到13.32%,而滲透率相對更低為0.032×10-3μm2的巖心對應的滲透率傷害率卻達到了24.22%；在含水為50%時,滲透率為23.717×10-3μm2的巖心的滲透率傷害率為40.07%,滲透率相對較低為3.412×10-3μm2的巖心滲透率傷害率升高到55.77%,而滲透率相對更低為0.032×10-3μm2的巖心對應的滲透率傷害率卻達到了74.52%。

圖4為實驗巖心液鎖傷害率、束縛水飽和度與滲透率之間關系曲線,可以看出隨著滲透率的增加,束縛水飽和度逐漸降低,液鎖傷害率呈現三段式降低,在0～2.2×10-3μm2的區間上,液鎖傷害率隨滲透率增加而急劇降低,(2.2～15.5)×10-3μm2的區間內,液鎖傷害率隨滲透率增加而降低的幅度相對較緩,在大于15.5×10-3μm2的區間上,液鎖傷害率隨滲透率增加而變化的幅度越來越小,總體來說,存在兩個液鎖傷害率變化的拐點,滲透率分別為2.2×10-3、15.5×10-3μm2。圖4中,滲透率傷害率在上述三個區間上的變化量分別為33.74%、15.16%、9.09%,可見儲層傷害隨滲透率的降低傷害越嚴重,滲透率越高,傷害程度就越來越小,以至于當滲透率高于一定數值后不再考慮液鎖傷害。

圖4 液鎖傷害率、束縛水飽與滲透率之間關系曲線Fig.4 Curve of the relationship among liquid lock damage rate, bound water saturation and permeability

分析認為:巖石的微觀孔隙結構特征對滲透率變化起決定性作用。一般來說,滲透率越低,微細孔道占據的體積越多,隨著滲透率的增加,大孔道數量逐漸增加,而且大孔道分布也越來越集中,儲層物性變得越來越好。水注入過程中,首先進入大孔道,之后在毛細管力作用下進入到更低級別的孔道中,在注入量較小且低于束縛水的量時,注入的水在毛細管作用下通過大孔道進入小孔隙,幾乎全部轉化為束縛水的一部分；當注入水的量高于束縛水的量時,注入水除了一部分以束縛水的形式存在外,還有一部分在稍大的孔道中作為可動水的一部分,但該部分水在較低的驅動壓力下很難被動用；當注入水量較多時,孔隙中可動水的量越來越多,大孔道被占據,該部分水在較低的驅動壓力下即可被動用。一般的低滲透儲層0.1 μm以下的孔道孔隙體積占到25%以上[13],滲透率越高,該比例越小,水能夠被動用的微觀孔隙空間為0.1 μm以上的孔道,進入0.1 μm以下孔隙空間的水就很難被動用,該部分水通常只能是束縛水,所以滲透率越高束縛水飽和度越低,液鎖傷害也越小,滲透率越低束縛水飽和度就越高,對應的液鎖傷害也就越嚴重。引起液鎖傷害的水的存在形式主要有水膜水、毛細管水和結晶水三部分[14-15],這就導致液鎖傷害的清除非常困難,最好是做好事前預防。

將圖4中液鎖傷害率、束縛水飽和與滲透率之間關系曲線進行擬合可以得到以下關系式。

液鎖傷害率與束縛水飽和度關系:

D=0.741 8e0.104 2S,R2=0.996 1

(2)

液鎖傷害率與滲透率關系:

D=-7.765lnk+39.858,R2=0.994 8

(3)

式中：D表示液鎖傷害率,%；S為束縛水飽和度,%；k為滲透率,10-3μm2；R2為實驗點擬合的相關系數。

對于實際的儲層,在水侵初期或凝析液析出量較小時,有效滲透率都會有小幅的降低,可能會表現為產量的突然減少,當入侵水量較大或凝析液析出較多達到可流動狀態時[16-17],在較低的生產壓差下,可能會引起產量的大幅降低,甚至有停產的風險,此時可以通過提高生產壓差來達到提高產量的目的,但產量仍無法恢復到水侵之前或無凝析液的狀態,因此對于可能會發生水侵的儲層要提前做好預防措施,對于有凝析液析出的凝析氣藏,適當提高生產壓力,合理控制生產壓差,防止過多的凝析油在儲層中凝析液滯留,若有井筒積液的產生,要及早排出；對于有產水的氣井,要及時采取適當措施進行排水,更不應輕易關井。

4 液鎖傷害評價方法

通過前面的分析可知,液鎖的發生會對引起儲層有效滲透率不同程度的降低,而滲透率的降低本質原因是儲層中液體的吸附滯留引起的,吸附滯留液體的量不同,污染區域范圍也不同,對產能的影響也存在差異,據文獻[18-20],近井儲層液鎖傷害徑向阻塞半徑可表示為

(4)

式(4)中:rb為阻塞半徑,m；Soc為凝析油臨界流動飽和度；h為地層厚度,m；φ為孔隙度；K為有效滲透率,10-3μm2；pR為原始地層壓力, MPa；qg為濕氣產量,104m3/d；μg為原始壓力下氣體黏度,mPa·s；Z為偏差系數；T為地層溫度,K；Y為反凝析系數,m3/(m3·MPa)；t為時間,d。

為便于研究,選取基本參數為:地層溫度T=373.15 K；偏差系數Z=0.855；Soc為0.13；黏度μ=0.028 mPa·s；反凝析系數Y=0.000 045 m3/(m3·MPa)；原始地層壓力pR=38 MPa；氣藏厚度h=20 m。將上述基本參數代入式(4)中,得到阻塞半徑與產量的關系表達式:

rb=0.001 633qg(Kφ)-0.5

(5)

將六塊巖心的有效滲透率及孔隙度數據分別代入式(5)中,其中有效滲透率是液鎖傷害率的函數表達式,從而得到不同液鎖傷害率下阻塞半徑與產量的關系曲線,如圖5所示,可以明顯看出,在產量較大時所形成的阻塞區域也越大,圖5中,對于液鎖傷害率為66.88%(滲透率為0.032×10-3μm2)的巖石,在產量為5 m3/d時所形成的阻塞區域半徑僅為0.3 m,在產量增至50 m3/d時,形成的阻塞區域半徑為2.997 m,但當產量增至500 m3/d時,形成的阻塞區域半徑達到了29.975 m,因此,油氣田開發現場一定要合理控制開采速度和合理配產,避免盲目開采。

圖5 不同液鎖傷害率下阻塞半徑與產量關系Fig.5 Relationship between blocking radius and output in different liquid lock damage rate

圖5中,不同液鎖傷害率下阻塞半徑與產量的關系曲線可分為三類,其中液鎖傷害率為10.69%、14.48%、18.31%和32.97%的四條曲線間距較小,可以歸為第一類,液鎖傷害率為49.20%、66.88%的兩條曲線之間間距較大,而且和第一類間距也較大,因此可以歸為第二類和第三類；三類區線之間曲線之間存在較大間距,說明在產量一定的情況下,隨著液鎖傷害率的增加對應阻塞區域半徑增加的幅度并不均一,可能存在急劇變化段(點),從而導致數據急劇增加。

為深入研究阻塞半徑變化規律,分別研究了產量一定的情況下的阻塞半徑與液鎖傷害率的關系,如圖6所示,阻塞半徑與液鎖傷害率符合三次函數關系,存在兩個數據突變點,液鎖傷害率分別約為27%和43%,以該兩數據點為分界點,將整個阻塞半徑變化曲線分為三段,在液鎖傷害率為0～27%的區間內,阻塞半徑變化幅度較小,均未超過1.5 m；在液鎖傷害率為27%～43%的區間內,阻塞半徑隨液鎖傷害率的增加而緩慢增加,變化幅度相對較大,阻塞半徑在1.5～6 m的范圍內；在液鎖傷害率為43%以上,阻塞半徑隨液鎖傷害率的增加而急劇增加,變化幅度較大,阻塞半徑在6 m以上；從解除液鎖傷害的難易程度來看,阻塞所形成的傷害區域越小,解除液鎖傷害越容易。為此,按照解除液鎖傷害的難易程度,將液鎖傷害分為三個等次,對應的液鎖傷害率區間分別為0～27%、27%～43%、43%以上,液鎖傷害程度分別為低傷害、中等傷害和高傷害。通過將液鎖傷害進行分等,結合室內實驗液鎖傷害數據,可以很清楚地分辨出該類儲層的液鎖污染程度,從而更好地指導生產。

圖6 不同產量下阻塞半徑與液鎖傷害率關系Fig.6 Relationship between blocking radius and liquid lock damage rate in different yield

液鎖傷害是低滲油氣藏開發過程中不可避免的儲層傷害,尤其是產水氣井在燜井過程中也會由于反滲吸作用而引起近井污染,但傷害半徑一般較小,對于凝析氣藏,地層的壓力、溫度條件降低引起的液相析出所形成的液鎖傷害,其傷害區域一般較大。因此,油氣田生產現場要實時觀察天然氣產量變化以及產水情況,并建立合理的氣井生產制度。液鎖傷害通常以預防為主,并做好液鎖可能發生的判斷、有效預防與解除等相關的工作,防止液鎖的發生并采取合理措施做好儲層傷害預防與保護是油藏田開發工程中的一項重要工作。

5 結論

(1)現有液鎖傷害測定方法操作復雜、數據準確度低,設計了一種精確計量注入器及相應液鎖傷害實驗方法,使實驗操作更加簡便,且計量精度高,保證了實驗的可操作性和數據的準確性。

(2)液鎖傷害主要發生在含水飽和度相對較高情況下,在含水飽和度較低時,滲透率傷害較小；滲透率傷害率隨著含水飽和度的增加而逐漸增加,整體上都超過了50%,總體呈現出“S”形變化趨勢,滲透率越低其曲線的“S”形態越明顯。

(3)阻塞半徑隨產量、液鎖傷害率的增加而增加,按照阻塞半徑變化規律和解除液鎖傷害的難易程度,將液鎖傷害分為低傷害、中等傷害和高傷害三個等次,液鎖傷害率區間分別為0～27%、27%～43%、43%以上,對應的阻塞半徑分別為0～1.5 m、1.5～6 m和6 m以上。