華北油田冀中坳陷低滲透氣藏水鎖損害防治技術(shù)研究與應(yīng)用

肖博雅，唐邦忠，趙 峰

（1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都610500；2.華北石油公司勘探部，河北任丘062552）

華北油田冀中坳陷低滲透氣藏水鎖損害防治技術(shù)研究與應(yīng)用

肖博雅*1，唐邦忠2，趙 峰1

（1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都610500；2.華北石油公司勘探部，河北任丘062552）

低滲透砂巖氣藏具有強(qiáng)的潛在自吸水趨勢(shì)，不利的氣井作業(yè)使這種趨勢(shì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并最終導(dǎo)致水鎖損害。根據(jù)華北油田冀中坳陷低滲透氣藏地質(zhì)特征，分析其潛在的水鎖損害，開展水鎖損害評(píng)價(jià)和水鎖預(yù)防解除方法的室內(nèi)研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。研究表明：欠平衡條件下打開砂巖氣層時(shí)，欠平衡壓差往往并不能完全抵消巖石的毛細(xì)管自吸力，從而產(chǎn)生毛細(xì)管逆流自吸效應(yīng)，是造成儲(chǔ)層損害的主要因素和重要途徑。通過改變巖石潤(rùn)濕性和界面張力，可降低巖芯毛細(xì)管自吸力、加快滯留液體排出，達(dá)到預(yù)防和解除水鎖損害的效果?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，采取針對(duì)性措施后，試驗(yàn)井表皮系數(shù)和堵塞比平均值在低于對(duì)比井情況下，獲得自然高產(chǎn)，達(dá)到了良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

低滲透氣藏；逆流自吸；水鎖損害；潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)劑；表面活性劑；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1 概述

冀中坳陷位于渤海灣新生代陸相斷陷盆地的西部，西以太東斷裂為界，東至滄縣隆起，北依燕山褶皺帶，南抵邢衡隆起，呈北北東向展布[1]。探區(qū)主要天然氣產(chǎn)層位于東營(yíng)組（Ed）和沙河街組（Es），多以中滲透和低滲透氣藏為主，儲(chǔ)集空間多以原生粒間孔和粒間溶孔為主，長(zhǎng)石粒內(nèi)溶孔普遍存在，孔喉、喉道狹小，多為片狀和彎片狀，局部層位微裂縫發(fā)育。鉆完井過程中，工作液侵入裂縫，并在毛細(xì)管自吸作用下進(jìn)入基塊，形成水鎖損害。水鎖損害一旦形成會(huì)妨礙氣藏及時(shí)發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確評(píng)價(jià)、增加作業(yè)成本、降低天然氣采收率、減緩開發(fā)過程[2]。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了多項(xiàng)水鎖防治技術(shù)研究，如：采用欠平衡作業(yè)、注氣吞吐、地層加熱技術(shù)等，本文針對(duì)潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)法和表面活性劑法進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，華北油田冀中探區(qū)低滲透氣藏水鎖損害預(yù)防和解除得到良好效果。

2 水鎖損害實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

2.1 過平衡條件下水鎖損害評(píng)價(jià)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）巖芯烘干，測(cè)定巖芯的氣測(cè)滲透率，作為巖芯初始滲透率Kg0；

（2）抽真空飽和地層水，20h以上；

（3）采用含水飽和度遞減法，建立不同含水飽和度并測(cè)定不同含水飽和度下的巖芯氣測(cè)滲透率，直到測(cè)定巖芯束縛水飽和度以下的氣測(cè)滲透率。

用下式計(jì)算水鎖引起的損害指數(shù)Dw：

式中：Dw——滲透率損害率，%；

Kg0——巖芯初始?xì)鉁y(cè)滲透率，10-3μm2；

Kgi——不同含水飽和度下所對(duì)應(yīng)的氣體滲透率，10-3μm2。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、圖1所示，巖芯含水飽和度35%設(shè)為原始狀態(tài)，13號(hào)樣含水飽和度小于40%時(shí)，無水鎖損害；含水飽和度40%～60%，水鎖損害弱；含水飽和度60%～65%，中等偏弱水鎖損害；含水飽和度大于65%，損害程度中等偏強(qiáng)。3號(hào)樣含水飽和度小于50%，無水鎖損害；含水飽和度50%～55%，損害程度中等偏弱；含水含水飽和度55%～60%，損害程度中等偏弱；含水飽和度大于60%，損害程度中等偏強(qiáng)。由此看出，研究區(qū)低滲透氣藏潛在水鎖損害，含水飽和度大于60%時(shí)，水鎖損害中等偏強(qiáng)。

2.2 欠平衡條件下水鎖損害評(píng)價(jià)

表1 水鎖實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 水鎖實(shí)驗(yàn)曲線

在采用欠平衡水基鉆井液鉆開砂巖氣層時(shí)，欠平衡壓差不能完全抵消巖石的毛細(xì)管自吸力，從而產(chǎn)生毛細(xì)管逆流自吸效應(yīng)，它是造成儲(chǔ)層損害的主要因素和重要途徑。

逆流自吸過程是非潤(rùn)濕相流動(dòng)方向與潤(rùn)濕相吸滲方向相反的自吸過程。其實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖抢盟菲胶饽M裝置動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)不同飽和度下欠平衡逆流自吸對(duì)儲(chǔ)層的滲流能力的影響，并研究水基欠平衡鉆井的主要損害機(jī)理及影響因素。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）巖芯烘干后，測(cè)試基本物性參數(shù)；

（2）2種實(shí)驗(yàn)類型：圍壓均5MPa，實(shí)驗(yàn)1：2h，實(shí)驗(yàn)2：3h。

①干巖芯自吸對(duì)物性影響評(píng)價(jià)：選取滲透率相當(dāng)?shù)囊唤M巖芯，分別用欠壓值100psi和150psi進(jìn)行地層水自吸實(shí)驗(yàn)；并在欠壓值150psi相同條件下，評(píng)價(jià)物性對(duì)自吸影響程度。

②不同初始含水飽和度對(duì)自吸影響評(píng)價(jià)：抽真空飽和地層水24h，氮?dú)怛?qū)后建不同的含水飽和度，分別為60%、40%和20%進(jìn)行地層水自吸實(shí)驗(yàn)，設(shè)置欠壓值100psi。

③測(cè)試過程中連續(xù)監(jiān)測(cè)巖芯滲透率Kgi的變化，確定水相逆流自吸對(duì)儲(chǔ)層氣相滲透率的影響。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖2 不同欠壓值下地層水自吸實(shí)驗(yàn)

圖2為不同欠壓值條件下逆流自吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在欠壓值為100psi時(shí)（K=6.52×10-3μm2），自吸損害率11.46%，而當(dāng)欠壓值為150psi時(shí)（K=7.63×10-3μm2），損害率為7.63%。由此可以看出，巖芯滲透率級(jí)別相當(dāng)時(shí)，欠壓值越低，巖芯的滲透率下降速率越大，造成的損害就越大，不能起到很好的欠平衡保護(hù)儲(chǔ)層效果，這是由于較低的欠壓值使巖芯在短期內(nèi)喪失滲流能力。

圖3 不同滲透率下自吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

相同欠壓值150psi下，隨自吸時(shí)間延長(zhǎng)，52號(hào)巖芯（K=1.53×10-3μm2）滲透率下降幅度慢，自吸損害率較低，為9.83%；而67號(hào)（K=8.78×10-3μm2），下降幅度較大并逐漸趨于平緩，損害率為23.51%，將兩巖芯進(jìn)行稱重并與實(shí)驗(yàn)前的重量進(jìn)行對(duì)比，67號(hào)巖芯吸入泥漿濾液較多，滲透率下降幅度較大。因此，相同欠壓值條件下，2種滲透率級(jí)別的巖芯，滲透率越高，自吸速率越快，損害程度越大，反之亦然。

不同飽和度下的基塊的欠平衡逆流自吸實(shí)驗(yàn)2結(jié)果表明：

當(dāng)Sw約為60%時(shí)，56號(hào)（圖4）巖芯的滲透率恢復(fù)曲線呈上升的趨勢(shì)，主要是由于巖芯孔喉中本身的含水飽和度較高，再加上測(cè)試過程中用氮?dú)獠粩嗟尿?qū)替，將孔喉中的水相驅(qū)出，巖芯另一端又因?yàn)槠浔旧磉^高的飽和度而無法產(chǎn)生自吸，導(dǎo)致滲透率逐漸變大。試驗(yàn)后重量與測(cè)試前進(jìn)行對(duì)比，有所降低。

當(dāng)Sw約為40%時(shí)，由于巖芯的末端初次接觸潤(rùn)濕水相，此時(shí)滲透率的下降幅度最大，而后又隨自吸時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸趨于平緩。

當(dāng)Sw約為20%時(shí)，曲線趨于平緩，對(duì)自吸采收速率沒有顯著影響，除了剛開始與地層水接觸，瞬間氣相滲透率明顯降低外。

3 水鎖預(yù)防解除方法室內(nèi)研究

J.Mahadevan[3]將水鎖損害的產(chǎn)生分為2個(gè)階段：首先，孔隙中的水被產(chǎn)出氣驅(qū)替到“蒸發(fā)帶”，接著在“蒸發(fā)帶”被氣體帶出。為了消除水鎖損害的影響，其研究重點(diǎn)在消除產(chǎn)生水鎖損害的因素上[4]。下面主要介紹潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)法和表面活性劑預(yù)防解除法室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。

圖4 不同含水飽和度欠平衡自吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)劑預(yù)防水鎖研究

低滲透致密砂巖氣藏具有強(qiáng)的潛在自吸水趨勢(shì)，不利的氣井作業(yè)使這種趨勢(shì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并最終導(dǎo)致水鎖損害。國(guó)內(nèi)外大量實(shí)驗(yàn)及理論研究表明：中性氣潤(rùn)濕巖芯比其它潤(rùn)濕性巖芯得到的含液飽和度低，通過中性氣潤(rùn)濕性改造，能增加氣液兩相的滲流能力。我們把固體表面的親水性和親油性的相互轉(zhuǎn)化叫做潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)[5]。

圖5 潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象

潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)劑改變氣藏的親水性原理如下：反轉(zhuǎn)劑是兩親分子，它的極性基容易被吸附在固體表面，非極性基伸向空氣，形成定向排列的吸附層[6]（圖5）。因此，通過反轉(zhuǎn)劑粒子在儲(chǔ)層孔壁的吸附，降低毛細(xì)管壓力，減少油、水在孔隙壁面的吸附和小孔隙中的聚集，使近井地帶巖石的強(qiáng)親水性變?yōu)橹行詽?rùn)濕條件，達(dá)到降低水相滯留，和提高氣體流量的目的[7]。

根據(jù)潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)預(yù)防水鎖損害機(jī)理，本次研究研制了吸附潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)劑RCW-2，通過氟改性納米粒子在儲(chǔ)層孔壁的吸附，對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行中性氣潤(rùn)濕改造，降低毛細(xì)管壓力，減少油、水在孔隙壁面的吸附和小孔隙中的聚集，從而預(yù)防和解除液鎖傷害，保持氣井產(chǎn)能。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)劑加量?jī)?yōu)選：巖芯烘干切片，測(cè)試原始潤(rùn)濕角；分別飽和0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)劑RCW-2的KCl溶液，飽和48h以上；測(cè)試不同巖樣潤(rùn)濕角，選出最優(yōu)量的潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)劑RCW加量。

（2）巖芯烘干，測(cè)量干重，抽空飽和1%KCl溶液，采用氮?dú)夂銐候?qū)替至束縛水飽和度，測(cè)試巖芯氣相滲透率Kg1；用（1）中選出的潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)劑含量的KCl溶液浸泡海綿，將巖芯一斷面置于海綿上，使巖芯與含有反轉(zhuǎn)劑的KCl溶液充分接觸自吸；用氮?dú)夂銐候?qū)替至束縛水飽和度，測(cè)試巖芯氣相滲透率Kg2。

表2 接觸角測(cè)試統(tǒng)計(jì)表

3.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

用不同濃度的潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)劑飽和巖樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，3號(hào)樣接觸角有明顯改變，接觸角增加20°以上。因此，潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)劑在KCl溶液中的最佳濃度為0.8%。

表3為巖芯自吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，巖芯與反轉(zhuǎn)劑接觸后在一定程度上減弱了巖芯親水性，滲透率略有增加，37號(hào)樣氣測(cè)滲透率值分別從19.69×10-3μm2增加到21.15× 10-3μm2；27號(hào)樣氣測(cè)值自20.82×10-3μm2增加至22.44× 10-3μm2，滲透率損害率分別為-7.46%、-7.78%?？梢姡捎脻?rùn)濕性反轉(zhuǎn)劑RCW-2后，巖芯滲透率增加，儲(chǔ)層保護(hù)效果良好。

表3 潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)劑解除水鎖實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果表

3.2 表面活性劑解除水鎖研究

由Laplace方程可知，在多孔介質(zhì)中，孔徑一定時(shí)，毛管壓力與不混溶相的界面張力成正比。有效地降低界面張力就能降低毛管壓力，從而排掉大部分滯留水。相關(guān)研究表明，表面活性劑能降低界面張力，改變體系界面性質(zhì)，減小克服水鎖損害所需啟動(dòng)壓力[8]。本次研究開發(fā)了3種表面活性劑SSA-2、CT-2、FCT-1，進(jìn)行了室內(nèi)水鎖解除實(shí)驗(yàn)研究。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）干巖芯自吸1%KCl溶液，建立含水飽和度Sw1，氣測(cè)巖芯滲透率K1；

（2）巖芯抽空飽和1%KCl溶液，用N2驅(qū)至含水飽和度Sw2，氣測(cè)巖芯滲透率K2，將巖芯放入烤箱烘干；

（3）巖芯自吸1%KCl溶液，建立與（1）中相同的含水飽和度Sw3，氣測(cè)巖芯滲透率K3；

（4）巖芯抽空飽和含0.2%表活劑的KCl溶液，采用（2）中相同條件建立含水飽和度Sw4，氣測(cè)滲透率K4。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表面活性劑解除水鎖實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4，25號(hào)巖樣自吸1%KCl溶液，實(shí)驗(yàn)前后滲透率變化為30.49%，相同實(shí)驗(yàn)條件下，飽和表活劑SAA-1溶液后，氮?dú)怛?qū)替，巖芯含水飽和度略有降低，滲透率變化率減小至13.46%；未加表活劑時(shí)36號(hào)巖樣滲透率變化率32.16%，與表活劑CT-2作用后，含水飽和度減小，滲透率變化率降低到11.36%；未加表活劑時(shí)39巖樣滲透率變化率9.69%，加入表活劑FCT-1后，巖芯含水飽和度基本不變，滲透率變化率增加至13.82%。表活劑CT-2解除水鎖損害效果優(yōu)于表活劑SAA-1和FCT-1。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

在上述研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)G40x、G43x井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)井氣層保護(hù)完井液為：現(xiàn)場(chǎng)用完井液+ 0.8%RCW-2+0.2%CT-2。

表4 表活劑解除水鎖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

備注：Sw1、Sw3：自吸KCl溶液后，巖芯含水飽和度（%）；Sw2：飽和KCl溶液后，N2驅(qū)替建立的含水飽和度（%）；Sw4：飽和含表活劑溶液后，N2驅(qū)替建立的含水飽和度（%）；K1：含水飽和度Sw1下的巖芯氣測(cè)滲透率；K2：含水飽和度Sw2下的巖芯氣測(cè)滲透率；K3：含水飽和度Sw3下的巖芯氣測(cè)滲透率；K4：含水飽和度Sw4下的巖芯氣測(cè)滲透；I：滲透率變化率（%），I1=|K1-K2|/K1×100%；I2=|K3-K4|/K3×100%。

選用物性基本相近的井對(duì)比發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)井G40x表皮系數(shù)-2.25、堵塞比0.62，G43x井堵塞比2.01，低于對(duì)比井，并且獲得了自然高產(chǎn)（表5）。由此看出，潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)劑和表面活性劑起到了預(yù)防和解除水鎖損害的目的，達(dá)到有效保護(hù)儲(chǔ)層的效果。

5 結(jié)論與建議

表5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井與對(duì)比井測(cè)試成果對(duì)比

（1）研究區(qū)低滲透氣藏潛在水鎖損害，含水飽和度大于60%時(shí)，水鎖損害中等偏強(qiáng)。欠平衡條件下，巖芯滲透率級(jí)別相當(dāng)時(shí)，欠壓值越低，造成的損害就越大；相同欠壓值條件下，2種滲透率級(jí)別的巖芯，滲透率越高，自吸速率越快，損害程度越大，反之亦然。

（2）潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)劑RCW-2可以有效改變巖石潤(rùn)濕性，氣層巖芯滲透率變化率為-7.46%～-7.78%，達(dá)到有效預(yù)防和解除水鎖損害的目的。

（3）表面活性劑可以改變界面張力，未加表活劑時(shí)，巖芯滲透率變化率32.16%，加入表活劑CT-2作用后，含水飽和度減小，滲透率變化率降低到11.36%，可降低巖芯毛細(xì)管自吸力和加快滯留液體排出。

（4）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，完井液中加入RCW-2和CT-2后，表皮系數(shù)和堵塞比低于對(duì)比井，在G40x和G43x井取得了自然高產(chǎn)，達(dá)到了良好地儲(chǔ)層保護(hù)效果。

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TE258

A

1004-5716(2015)02-0031-05

2014-03-07

肖博雅（1988-），女（漢族），河北霸州人，西南石油學(xué)院礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向：儲(chǔ)層開發(fā)。