水相圈閉損害機(jī)理、評(píng)價(jià)及防治措施研究進(jìn)展

趙景原，孫玉學(xué)，馮福平，于 洋，蔣方軍

(1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318； 2.吉林油田鉆井工藝研究院，吉林松原 138000)

相圈閉損害是油氣儲(chǔ)層中典型的損害機(jī)理之一，其實(shí)質(zhì)是物理?yè)p害。外來(lái)液體與儲(chǔ)層接觸時(shí)，如果儲(chǔ)層的初始飽和度低于束縛相飽和度，極易發(fā)生相圈閉損害。常見(jiàn)的相圈閉損害包括水相圈閉損害和烴圈閉損害。在使用水基鉆井液鉆致密氣層時(shí)常發(fā)生水相圈閉損害，衰竭凝析氣藏中出現(xiàn)反凝析油損害為烴圈閉損害。其中使用水基工作液在致密氣井作業(yè)過(guò)程中發(fā)生的損害更為常見(jiàn)。水相圈閉發(fā)生后，使近井壁地帶水相飽和度提高，減少了天然氣的流動(dòng)區(qū)域，使氣相滲透率下降，對(duì)天然氣資源的發(fā)現(xiàn)和氣井的生產(chǎn)都有較大的影響。

1 水相圈閉損害機(jī)理

根據(jù)初始含水飽和度情況，可以將致密氣藏分為3種類(lèi)型：亞束縛水飽和、束縛水飽和、過(guò)束縛水飽和型。學(xué)者們認(rèn)為，形成亞束縛水飽和度的機(jī)理包括蒸發(fā)作用、壓實(shí)作用、脫水作用、生烴排液作用、異常壓力演變及成巖作用等[1-3]。其中蒸發(fā)和脫水作用是形成亞束縛水飽和度的主要機(jī)理。亞束縛水飽和狀態(tài)是致密氣藏中常出現(xiàn)的情況。

致密氣儲(chǔ)層容易發(fā)生相圈閉損害，主要是因?yàn)橹旅軆?chǔ)層巖心中大量的微孔隙在亞束縛水飽和度條件下帶來(lái)的較強(qiáng)的毛管力(圖1)。

圖1 致密氣藏孔隙尺度水相圈閉機(jī)理(Bennion,1999)Fig.1 Pore scale mechanism of aqueous phase trapping in a gas reservoir

圖2 用相滲曲線表示水相圈閉機(jī)理(Bennion,1999)Fig.2 Mechanism of phase trapping expressed by relative permeability curves

當(dāng)外來(lái)潤(rùn)濕相(多數(shù)情況下是水相)與亞束縛水飽和狀態(tài)的巖石相接觸，會(huì)被吸入巖石。近井壁地帶的含水飽和度上升，如圖2所示，束縛水飽和度從初始值Swi增加至Sw，引起氣相相對(duì)滲透率從Kr1下降到Kr3。經(jīng)過(guò)返排過(guò)程，損害區(qū)的水飽和度可以從Sw降至Swirr，而不能降至初始值Swi，水飽和度不能恢復(fù)到低于束縛水飽和度的情況[4]。換言之，只有一部分侵入的水相可以返排。而在實(shí)驗(yàn)室中，通常都是假定油氣層的初始水飽和度Swi就是束縛水飽和度Swirr，得到氣相相對(duì)滲透率從Kr2降至Kr3的結(jié)果，這樣就低估了水相侵入帶來(lái)的損害的程度。

2 水相圈閉損害試驗(yàn)評(píng)價(jià)

模擬致密砂巖氣藏巖心的初始狀態(tài)是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)水相圈閉損害的關(guān)鍵。致密砂巖氣藏初始含水飽和度一般處于“亞飽和”狀態(tài)，在損害評(píng)價(jià)試驗(yàn)前，為了模擬地層實(shí)際情況，需要首先建立“亞束縛水飽和度”狀態(tài)。建立含水飽和度的方法主要有：烘干法、離心法和驅(qū)替法。但致密砂巖巖性致密，利用這些方法在建立亞束縛水飽和度時(shí)比較困難。利用毛細(xì)管自吸法建立所需原始含水飽和度，再利用在離心機(jī)上離心的方法使自吸水相均勻分布，更符合實(shí)際情況[5-9]。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)常用滲透率損害比來(lái)衡量水相圈閉損害的嚴(yán)重性。在初始含水飽和度和束縛水飽和度條件下測(cè)試儲(chǔ)層巖心的氣測(cè)滲透率，將得到的兩個(gè)滲透率值記為Ki(損害前滲透率，mD)和Kf(損害后滲透率，mD)，得到滲透率損害比DR為[10-11]：

(1)

根據(jù)損害比的大小，這種方法將水相圈閉潛在嚴(yán)重程度分為無(wú)、弱、中等和強(qiáng)4個(gè)級(jí)別。

水相圈閉損害可能出現(xiàn)在鉆、完井及增產(chǎn)作業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)中。針對(duì)壓裂液對(duì)致密氣藏的損害試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，對(duì)于干燥條件下空氣滲透率在0.05～2.04 mD的巖樣，損害程度可以達(dá)到30%以上，且當(dāng)滲透率小于0.1 mD時(shí)，可以達(dá)到85%以上。儲(chǔ)層物性越差，損害程度越大，越難恢復(fù)[12-13]。

水相圈閉的嚴(yán)重程度由多個(gè)因素控制，包括毛管力、巖石的潤(rùn)濕性、相對(duì)滲透率、飽和度水平，侵入相的黏度、侵入深度、儲(chǔ)層溫度、壓力及生產(chǎn)壓差等。當(dāng)水基工作液與低初始含水飽和度的水濕性氣藏巖石接觸時(shí)，即使在欠平衡條件下，仍然可以發(fā)生由對(duì)流自吸引起的相圈閉損害。而且，欠平衡壓力值越低、初始含水飽和度越低、接觸時(shí)間越長(zhǎng)，相圈閉損害越嚴(yán)重[14-16]。

3 水相圈閉損害的預(yù)測(cè)與模擬

對(duì)儲(chǔ)層損害進(jìn)行預(yù)測(cè)、診斷、評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)模擬是保護(hù)油氣層系統(tǒng)工程的技術(shù)思路的重要環(huán)節(jié)[17]。在以往的鉆完井實(shí)踐過(guò)程中，對(duì)于水相圈閉損害后的處理往往十分困難，處理效果不佳。所以，對(duì)于水相圈閉損害的預(yù)先評(píng)估、診斷十分重要，預(yù)先評(píng)估的方法包括應(yīng)用潛在損害程度公式和數(shù)值模擬方法。

3.1 水相圈閉潛在損害程度預(yù)測(cè)公式

學(xué)者們嘗試提出過(guò)多個(gè)相圈閉嚴(yán)重程度預(yù)測(cè)模型，包括水相圈閉指數(shù)(APTi)、總水體積百分比(%BVW)以及相圈閉系數(shù)(PTC)等，這些參數(shù)的取值范圍及相應(yīng)的潛在損害程度如表1和圖3所示。

表1 現(xiàn)有評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)公式判別標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Present evaluation or forecast formula and criterion

圖3 PTI指數(shù)法預(yù)測(cè)水相圈閉損害潛在嚴(yán)重程度(Saboorian-Jooybari，2016)Fig.3 Potential severity of APT forecasted by PTI index method

3.1.1 水相圈閉指數(shù)(APTi)

水相圈閉指數(shù)APTi是在大量水相圈團(tuán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用回歸分析的方法建立的診斷公式。在這些試驗(yàn)中，選取了多種巖性的巖心，多種含水飽和度及滲透率級(jí)別，最終得到水相圈閉損害的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[18]。

APTi=0.25[log10(Ka)]+2.2Swi

(2)

式中Ka——未修正的儲(chǔ)層平均氣測(cè)滲透率，mD；

Sw——初始含水飽和度。

實(shí)際上，該判別式體現(xiàn)出儲(chǔ)層的初始含水飽和度及滲透率越低，越容易發(fā)生嚴(yán)重的相圈閉問(wèn)題。水相圈閉指數(shù)法的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便易用，并且節(jié)省時(shí)間和試驗(yàn)成本。但是，在該判別式中，雖考慮了氣測(cè)滲透率和初始水飽和度兩個(gè)因素，但仍未考慮其他影響水相圈閉的關(guān)鍵因素。該方法有較合理的基礎(chǔ)，但是仍主要以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，未給出該預(yù)測(cè)方法的精度與置信度。

3.1.2 %BVW公式

Davis等人建立了簡(jiǎn)單的診斷模型[19]：

%BVW=100×Ф×Sw

(3)

式中 Ф——孔隙度，%；

Sw——平均水飽和度，%；

%BVW——水占據(jù)的總體積，%。

該方法的思想仍是低水飽和度儲(chǔ)層易發(fā)生水相圈閉損害，該方法簡(jiǎn)便易用，僅需要孔隙度和飽和度兩個(gè)數(shù)據(jù)。同樣，該方法未考慮其他重要的影響因素。

3.1.3 相圈閉系數(shù)(PTC)

游利軍等提出了用無(wú)量綱系數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)相圈閉損害的方法，該方法中考慮了初始含水飽和度和束

縛水飽和度，儲(chǔ)層壓力及巖石、流體的性質(zhì)[11]。

(4)

式中K——滲透率，mD；

Ф——孔隙度，%；

Δp——最大壓差，KPa；

σ——界面張力，mN/m；

μm——損害相與地層流體的黏度之比，無(wú)量綱；

Swi和Swirr——初始含水飽和度與束縛水飽和度，%。

雖然該方法考慮了較全面的工程、地質(zhì)因素，但由于該方法仍然是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，其依據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)量有限，并同樣未給出該模型的有效性和精度范圍。

3.1.4 相圈閉指數(shù)(PTI)

上述預(yù)測(cè)方法都是在巖心尺度下，針對(duì)水相圈閉的潛在損害程度提出的。Saboorian建立了近井壁地帶濾液侵入導(dǎo)致相圈閉損害的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)將偏微分控制方程線性化并求解，得到近井地帶液相飽和度分布。然后以飽和度分布剖面為基礎(chǔ)，給出新的相圈閉損害判別指數(shù)PTI。該判別指數(shù)在計(jì)算過(guò)程中考慮了時(shí)間及距井筒的距離的影響，能更直觀地反映近井地帶的損害情況[20]。

(5)

3.2 水相圈閉損害預(yù)測(cè)數(shù)值模擬

在儲(chǔ)層損害的評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)過(guò)程中應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)正逐漸成為研究熱點(diǎn)[21-23]，Tsar和Bahrami等針對(duì)水相圈閉損害問(wèn)題，利用CMG軟件模擬了水侵入—?dú)怏w返排的過(guò)程(圖4)。在這個(gè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣井開(kāi)始生產(chǎn)后，不僅不能將侵入的水完全排出，而且在強(qiáng)大的毛管力的作用下，水的侵入仍在繼續(xù)。并對(duì)比了致密氣藏在水、油基鉆井液侵入后氣井產(chǎn)量的變化。模擬結(jié)果表明，水、油基鉆井液都會(huì)對(duì)致密氣儲(chǔ)層帶來(lái)傷害，但油基鉆井液的損害要明顯低于水基鉆井液[24-25]。Masoud等用數(shù)值模擬的方法研究了欠平衡鉆井條件下的水相圈閉損害情況，欠平衡壓差越小、接觸時(shí)間越長(zhǎng)，由自吸導(dǎo)致的水相圈閉越嚴(yán)重[24]。

圖4 氣井水相侵入及返排過(guò)程近井地帶氣飽和度變化模擬(Bahrami, N. 2015)Fig.4 Water saturation in the simulation model during water invasion and clean-up periods

4 水相圈閉損害防治方法

4.1 預(yù)防措施

4.1.1 避免使用圈閉相基液

如果通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)或預(yù)測(cè)手段確定水相圈閉損害嚴(yán)重，應(yīng)選擇低圈閉、自吸趨勢(shì)的液體作為工作液的基液。例如在水濕氣藏中使用油基工作液，非潤(rùn)濕相不會(huì)產(chǎn)生毛管自吸現(xiàn)象，雖在過(guò)平衡壓力下非潤(rùn)濕相液體仍會(huì)進(jìn)入孔隙，但只會(huì)占據(jù)孔隙的中心位置，而不同于潤(rùn)濕相會(huì)牢固地附著在孔隙壁上。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)比較油基、水基鉆井液對(duì)同層的致密氣巖心的損害情況可知，油基鉆井液可以大幅降低損害程度[25]。另外，針對(duì)儲(chǔ)層鉆進(jìn)過(guò)程，可以選用氣體鉆井方式，減少液相與儲(chǔ)層的接觸。

4.1.2 減少接觸時(shí)間

減少不必要的浸泡時(shí)間，降低侵入深度。在易發(fā)生水相圈閉的儲(chǔ)層中鉆進(jìn)的過(guò)程中，可以通過(guò)控制鉆井液失水量、合理使用屏蔽暫堵技術(shù)，減少侵入，或者采用低密度鉆井液體系[26-28]，并盡早開(kāi)始返排過(guò)程。

4.1.3 降低水—?dú)饨缑鎻埩?/p>

常見(jiàn)的降低界面張力的處理劑包括揮醇類(lèi)、表面活性劑和二氧化碳等。劉雪芬等利用潤(rùn)濕試驗(yàn)篩選出能將致密砂巖由液潤(rùn)濕改變?yōu)闅鉂?rùn)濕的氟表面活性劑，將其加入工作液中，可以增大潤(rùn)濕接觸角、降低毛管力減弱毛管自吸。試驗(yàn)結(jié)果表明，處理后巖心總吸水量降低了60%，自吸速率較處理前降低了40%～50%，說(shuō)明氟表活性劑能夠有效改變儲(chǔ)層巖心的潤(rùn)濕性，具有預(yù)防水相圈閉損害的應(yīng)用潛力[29-30]。

4.2 解除辦法

4.2.1 蒸發(fā)作用

可以通過(guò)向儲(chǔ)層注入干燥氣體或儲(chǔ)層中天然氣的自然返排解除水相圈閉。通過(guò)氣體的干燥作用清除近井地帶或裂縫縫面區(qū)的水，恢復(fù)被水占據(jù)的滲透通道。但在這一過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致水中的鹽類(lèi)達(dá)到飽和狀態(tài)后析出[18]。

4.2.2 降低水—巖石界面張力

水與巖石間界面張力的大小對(duì)毛細(xì)管壓力及毛細(xì)管末端效應(yīng)影響顯著，使用表面活性劑可以降低儲(chǔ)層向井筒排出多余水分所需要的能量，對(duì)返排過(guò)程中降低損害區(qū)的含水飽和度有利。哈里伯頓公司在墨西哥部致密氣井中進(jìn)行壓裂施工的過(guò)程中，通過(guò)向工作液中加入微乳表面活性劑，在降低了液相侵入量的同時(shí)，提高了返排效率[31]。郭建設(shè)等為解決巴喀地區(qū)致密砂巖氣藏酸化后的水相圈閉傷害問(wèn)題，在酸液中混入甲醇，得到混醇酸液體系，用于改善地層的氣相滲透率和酸化效果。經(jīng)多氫酸+醇體系酸化后的巖心滲透率提高13.28～20.00倍，解堵效果明顯[32]。

4.2.3 近井地帶熱處理

Jamaluddin等較早開(kāi)始關(guān)于利用“儲(chǔ)層熱處理法”解除水鎖和與黏土膨脹相關(guān)的損害的研究，熱處理減少損害的機(jī)理包括：①使水蒸發(fā)解除水鎖；②使黏土脫水、破壞黏土的部分結(jié)構(gòu)；③通過(guò)熱應(yīng)力變化使近井區(qū)產(chǎn)生微裂縫等[33-34]。

戢俊文針對(duì)微波對(duì)水鎖損害的解除能力，用試驗(yàn)的方法對(duì)比了用波導(dǎo)把微波送入目的層及用微波發(fā)生器直接對(duì)目的層加熱兩種加熱方式，結(jié)果表明，后者加熱效果好。并設(shè)計(jì)了不同類(lèi)型的微波發(fā)生裝置及安裝方式[35]。

胡國(guó)忠等發(fā)明了一種解除煤層水鎖損害的微波加熱方法，利用微波場(chǎng)的電磁輻射作用使近井煤層受熱，使發(fā)生水鎖損害的煤層的水分蒸發(fā)，降低含水飽和度，提高氣相的滲透容積，從而改善受到損害的煤層氣的解吸與擴(kuò)散能力[36]。

Wang等將有限元方法與油藏?cái)?shù)值模擬軟件結(jié)合，利用西澳某氣井的數(shù)據(jù)，用模擬的方法對(duì)比了微波加熱前后孔隙、裂縫型氣井近井地帶的水飽和度分布、氣井的累積產(chǎn)氣量隨時(shí)間變化情況等(圖5、圖6)，模擬結(jié)果表明微波加熱可以有效地清除液相并恢復(fù)氣井的產(chǎn)能。并且微波加熱對(duì)孔隙型氣層的水相圈閉損害的解除效果更佳[37-38]。

圖5 利用微波加熱技術(shù)解除水相圈閉損害示意(Wang，2017)Fig.5 Concept figure of heating formation with microwave

圖6 西澳某氣井微波加熱前后氣井累積產(chǎn)量模擬(Wang，2015)Fig.6 Cumulative gas production in a gas well of western Australia with and without MW heating

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)作為致密氣藏的關(guān)鍵損害機(jī)理，水相圈閉損害逐漸受到儲(chǔ)層保護(hù)工作者的重視。其發(fā)生機(jī)理已經(jīng)得到了較好的認(rèn)識(shí)。但還沒(méi)有關(guān)于水相圈閉評(píng)價(jià)試驗(yàn)的統(tǒng)一程序及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)對(duì)水相圈閉潛在損害程度的預(yù)測(cè)，從巖心尺度的多種經(jīng)驗(yàn)性公式發(fā)展到考慮侵入時(shí)間和侵入深度的單井尺度的預(yù)測(cè)模型，但該單井尺度預(yù)測(cè)模型的推導(dǎo)及應(yīng)用過(guò)程較為復(fù)雜。針對(duì)水相圈閉損害的數(shù)值模擬技術(shù)可以更加全面地考慮儲(chǔ)層性質(zhì)、儲(chǔ)層及外來(lái)流體的性質(zhì)，給出更為直觀的預(yù)測(cè)結(jié)果。

(3)由于水相圈閉損害具有較強(qiáng)的不可逆性，所以對(duì)此種類(lèi)型的損害，預(yù)防更為重要。預(yù)防措施主要包括實(shí)施欠平衡工藝、避免使用潤(rùn)濕相液體作為工作液基液、改變巖石潤(rùn)濕性控制吸入等方面。解除措施包括蒸發(fā)作用、降低水-巖石界面張力促進(jìn)返排、微波加熱等。目前，利用微波加熱解除水相圈閉的研究從室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方面都取得了良好的結(jié)果，但將該技術(shù)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際氣井中，尚有很多技術(shù)問(wèn)題需要解決。