高溫高壓裂縫性致密砂巖氣藏水鎖傷害及解除

姚茂堂 袁學(xué)芳 黃龍藏 彭芬 任登峰 謝向威

1.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院 2.中國石油塔里木油田分公司勘探事業(yè)部

庫車山前屬高溫、高壓、裂縫性、致密砂巖氣藏，該區(qū)塊88%的單井自然產(chǎn)量不能達(dá)到配產(chǎn)要求，需要實(shí)施改造提產(chǎn)，改造液含體積分?jǐn)?shù)為5%～20%的防水鎖劑甲醇，總體改造效果較好，但少部分井改造后效果不理想，甚至負(fù)增產(chǎn)。根據(jù)前期室內(nèi)評價(jià)結(jié)果，該區(qū)塊水鎖傷害程度整體為強(qiáng)，水鎖傷害是否是導(dǎo)致部分井改造效果差的主控因素成為了爭議最大的儲(chǔ)層保護(hù)問題[1-5]。水鎖傷害是致密砂巖儲(chǔ)層普遍關(guān)注的問題，國內(nèi)外在水鎖傷害評價(jià)方法、影響因素、預(yù)測模型、解除方法等方面進(jìn)行了大量的研究，但是評價(jià)條件基本是常溫常壓、高溫常壓，解除方法主要是添加防水鎖劑，部分水鎖傷害評價(jià)結(jié)果實(shí)際包括了水敏傷害和水鎖傷害，很少在儲(chǔ)層高溫高壓下開展水鎖傷害評價(jià)和水鎖隨生產(chǎn)變化的相關(guān)研究[6-21]。

在儲(chǔ)層實(shí)際高溫高壓條件下，綜合實(shí)驗(yàn)、理論和現(xiàn)場分析，開展水鎖傷害程度研究，論證水鎖隨生產(chǎn)自動(dòng)解除的可行性，分析無防水鎖劑改造液體系的現(xiàn)場應(yīng)用效果。

1 庫車山前高溫高壓裂縫性致密砂巖氣藏儲(chǔ)層特征

庫車山前主力儲(chǔ)層為白堊系巴什基奇克組和侏羅系阿合組。白堊系巴什基奇克組埋深5 400～8 220 m，溫度120～200 ℃，壓力系數(shù)1.60～1.90，基質(zhì)孔隙度5%～7%，基質(zhì)滲透率為(0.01～1.00) ×10-3μm2，天然裂縫線密度0.5～3.0條/m，縫寬300～3 000 μm。侏羅系阿合組埋深4 700～5 200 m，溫度120～140 ℃，壓力系數(shù)1.72～1.82，基質(zhì)孔隙度4%～8%，基質(zhì)滲透率為(0.02～0.99) ×10-3μm2，天然裂縫線密度0.02～0.5 條/m，縫寬10～50 μm。一方面，儲(chǔ)層低孔、低滲，存在較大的潛在水鎖傷害；另一方面，儲(chǔ)層高溫、高壓、裂縫發(fā)育，利于水鎖解除。所以，需要根據(jù)儲(chǔ)層綜合特征，對水鎖傷害和水鎖解除進(jìn)行系統(tǒng)研究。

2 高溫高壓下水鎖傷害評價(jià)

2.1 高溫高壓下束縛水飽和度評價(jià)

氣藏水鎖傷害的定義嚴(yán)格來講，是含水飽和度從初始含水飽和度增加到束縛含水飽和度時(shí)，造成儲(chǔ)層的氣測滲透率損害。達(dá)到束縛含水飽和度后，含水飽和度繼續(xù)增加造成的氣測滲透率損害容易恢復(fù)，可不考慮。前期雖然對庫車山前儲(chǔ)層巖心束縛水飽和度進(jìn)行了大量的室內(nèi)測量，但測量的條件都是在常溫常壓下，測量值較高，基本大于50%[1-2]，定量測量儲(chǔ)層高溫高壓下的束縛水是評價(jià)儲(chǔ)層實(shí)際條件水鎖傷害的關(guān)鍵。

本研究利用超高壓高溫全直徑巖心驅(qū)替系統(tǒng)(200 MPa、200 ℃)和庫車山前目的層全直徑巖心(直徑6.5 cm、長度6 cm左右)，首先通過氣驅(qū)測量巖心在常溫常壓下的束縛水飽和度，然后用甲醇對巖心進(jìn)行清洗，烘干后重新飽和地層水，通過氣驅(qū)測量巖心在高溫高壓下的束縛水飽和度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，巖心在常溫常壓下束縛水飽和度為51.1%～65.6%，高溫高壓下(120 MPa、160 ℃)為29.3%～39.5%。高溫高壓下的氣藏氣水相受溫度、壓力、孔隙結(jié)構(gòu)及流體的綜合作用。高壓下，氣體大量溶解在水中，同時(shí)高溫能夠加劇分子運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)氣體的溶解，降低氣水之間的界面張力，從而減少水相在孔隙中的捕集及巖石表面的附著，所以得到的束縛水飽和度比常規(guī)條件驅(qū)替得到的低[22]。

2.2 裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層潛在水鎖傷害分析

庫車山前改造后的返排/初期生產(chǎn)壓差大部分在5 MPa左右，根據(jù)毛細(xì)管力計(jì)算公式(見式1)，當(dāng)孔喉半徑<0.15 μm時(shí)，毛細(xì)管壓力>5 MPa，存在潛在的水鎖傷害。庫車山前基質(zhì)巖心氣測滲透率為(0.01～1.00) ×10-3μm2，含裂縫的巖心氣測滲透率為(2.00～10.00) ×10-3μm2，基質(zhì)對總滲透率的貢獻(xiàn)率≤50%。參考Q/SY TZ 0542-2018《超高壓致密砂巖壓汞法毛管壓力曲線測定方法》[23]，對庫車山前不同區(qū)塊基質(zhì)巖心進(jìn)行毛細(xì)管壓力曲線測定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，半徑小于0.15 μm的孔喉對基質(zhì)滲透率的貢獻(xiàn)率≤20%(見圖1)。所以，半徑小于0.15 μm的孔喉對總的滲透率貢獻(xiàn)率≤10%，即庫車山前潛在的水鎖傷害率≤10%，傷害程度為無-弱。

(1)

式中:pc為毛細(xì)管壓力，MPa；σ為汞與空氣的界面張力，σ=480 mN/m；θ為汞與巖石的潤濕角，θ=140°，cosθ=0.765；r為孔隙半徑，μm。

2.3 高溫高壓下水鎖傷害程度室內(nèi)評價(jià)

利用測井資料確定儲(chǔ)層的初始含水飽和度，再把經(jīng)過高溫鈍化(550 ℃、消除黏土礦物敏感性影響)的全直徑巖心通過巖心自吸獲得不同含水飽和度，然后使用超高壓高溫全直徑巖心驅(qū)替系統(tǒng)測量庫車山前不同區(qū)塊巖心在不同含水飽和度、高溫高壓下(120 MPa、160 ℃)下的氣測滲透率，最后根據(jù)滲透率的大小計(jì)算水鎖飽和度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在庫車山前儲(chǔ)層高溫高壓條件及束縛水含水飽和度29.3%～39.5%下，水鎖傷害率為7.5%～40.8%，傷害程度為無-中等偏弱(見圖2)，室內(nèi)評價(jià)結(jié)果與理論分析預(yù)測的結(jié)果(無-弱)基本吻合。而前期在常溫常壓下，庫車山前水鎖傷害率為70%～95%，傷害程度為強(qiáng)-極強(qiáng)[1-5]，由于實(shí)際儲(chǔ)層高溫高壓條件下的束縛含水飽和度比常溫常壓下低很多，所以水鎖傷害也低很多。

3 水鎖傷害隨生產(chǎn)解除研究

3.1 水鎖隨生產(chǎn)自動(dòng)解除室內(nèi)評價(jià)

前期大量的研究表明，降低水鎖最有效的方法就是添加防水鎖劑，但是添加防水劑只能一定程度上降低水鎖傷害，而不能徹底消除水鎖傷害[10]。本研究將抽真空飽和地層水后的巖心(直徑2.54 cm，長3～6 cm)在定壓差下驅(qū)替，驅(qū)替壓差梯度為0.1 MPa/cm，然后測量驅(qū)替出不同氣體PV(孔隙度體積倍數(shù))后的滲透率，研究水鎖傷害的恢復(fù)情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(見圖3)：水鎖傷害率隨著驅(qū)替氣體體積的逐漸增加而降低，驅(qū)替150 PV后，水鎖傷害可降低到弱；驅(qū)替400 PV后，水鎖傷害可降低到無。原因是含水飽和度隨驅(qū)替體積增加而降低，說明水相侵入儲(chǔ)層后，生產(chǎn)初期滲透率損害較大，但滲透率可隨著生產(chǎn)時(shí)間的增加而逐漸恢復(fù)，即水鎖可隨生產(chǎn)自動(dòng)解除。

3.2 水鎖隨生產(chǎn)自動(dòng)解除理論分析

當(dāng)水相嚴(yán)重侵入儲(chǔ)層后，以自由流動(dòng)水和束縛水兩種形態(tài)存在。自由流動(dòng)水容易隨氣體流動(dòng)而流動(dòng)，可在生產(chǎn)初期快速返出，這也是水鎖傷害率隨驅(qū)替體積的增加而在初期快速下降的原因(見圖3)。束縛水又可分為毛細(xì)管束縛水和膜薄束縛水[24]，其中，毛細(xì)管束縛水是指驅(qū)替壓力不足以克服毛細(xì)管力，滯留在微小毛細(xì)管道中或孔道彎曲處不能流動(dòng)的水，毛細(xì)管束縛水很難流動(dòng)；膜薄束縛水是指因親水巖石表面分子力作用而滯留在孔隙壁上的束縛水。膜薄束縛水可隨生產(chǎn)壓差變化而緩慢流動(dòng)，生產(chǎn)壓差越大，可流動(dòng)的膜薄束縛水越多。庫車山前膜薄束縛水水膜厚度為10.13～12.10 nm[25-26]。純凝析水的礦化度很低，而庫車山前生產(chǎn)井產(chǎn)出的凝析水礦化度大部分都很高，僅Cl-礦化度就大于2×104mg/L(見表1)，也間接說明了膜薄束縛水可流動(dòng)，并隨氣體產(chǎn)出。

表1 庫車山前不同區(qū)塊凝析水礦化度統(tǒng)計(jì)結(jié)果井號檢測日期ρ(Cl-)/(104 mg·L-1)克深A(yù)12019年12月0.800克深A(yù)22018年4月2.600克深A(yù)32016年11月2.420克深A(yù)42020年4月5.900克深A(yù)52018年2月6.110大北A12014年4月7.060大北A22018年5月0.002博孜A12020年3月3.530博孜A22019年3月0.670

4 無防水鎖劑改造液體系優(yōu)化研究及應(yīng)用

庫車山前近10余年在用的主體改造液為胍膠壓裂液和復(fù)合土酸2套體系，至少添加體積分?jǐn)?shù)為5%的防水鎖劑甲醇。由于在儲(chǔ)層條件下的水鎖傷害程度為無-中等偏弱，水鎖可隨生產(chǎn)自動(dòng)快速解除，故去除防水鎖劑，得到優(yōu)化改造液體系。

優(yōu)化改造液體系在庫車山前已累計(jì)應(yīng)用8井次，總液體7 640 m3，加砂壓裂和酸壓分別5井次和3井次，平均液體規(guī)模分別為1 225 m3和505 m3，改造后單井平均日產(chǎn)氣為32.7×104m3，是配產(chǎn)的1.61倍。優(yōu)化改造液體系的增產(chǎn)效果與原改造液體系相當(dāng)(見表2)，目前正在庫車山前推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

(1) 高溫高壓裂縫性致密砂巖基質(zhì)對滲透率貢獻(xiàn)率低，儲(chǔ)層束縛水飽和度低，所以水鎖傷害低，水鎖傷害率為7.5%～40.8%，傷害程度為無-中等偏弱。

(2) 水相侵入儲(chǔ)層后，以自由流動(dòng)水和束縛水形態(tài)存在，由于自由流動(dòng)水和束縛水中的膜薄束縛水可隨氣體流動(dòng)而流動(dòng)，所以水鎖可隨生產(chǎn)自動(dòng)快速解除。

(3) 去除甲醇的優(yōu)化改造液體系已在庫車山前累計(jì)應(yīng)用8井次，改造后的產(chǎn)量是配產(chǎn)的1.61倍，與使用優(yōu)化前改造液施工后增產(chǎn)倍數(shù)(配產(chǎn)的1.56倍)相當(dāng)。