低滲砂巖儲層正壓射孔中水鎖損害試驗研究

賈 虎王瑞英楊洪波王 銳張 凡宋孝丹

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(西南石油大學),四川成都 610500;2.西安長慶科技工程有限責任公司,陜西西安710018;3.西部鉆探工程有限公司國際鉆井公司,新疆烏魯木齊 830006;4.中國石油西南油氣田分公司采氣工程研究院,四川廣漢 618300;5.川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司,陜西西安 710086)

?油藏與開采?

低滲砂巖儲層正壓射孔中水鎖損害試驗研究

賈 虎1王瑞英2楊洪波3王 銳4張 凡5宋孝丹5

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(西南石油大學),四川成都 610500;2.西安長慶科技工程有限責任公司,陜西西安710018;3.西部鉆探工程有限公司國際鉆井公司,新疆烏魯木齊 830006;4.中國石油西南油氣田分公司采氣工程研究院,四川廣漢 618300;5.川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司,陜西西安 710086)

低滲砂巖水鎖損害已成為高效開發低滲透油氣藏的一大技術瓶頸,因此,如何通過室內試驗評價水鎖損害顯得尤為重要。國內外許多學者大都研究鉆完井中“相對穩定”正壓差或欠平衡鉆井自吸作用造成的損害,忽視了正壓射孔完井中瞬時附加壓力對孔道水鎖損害的影響。通過試驗研究了在瞬時附加壓力下東海地區低滲砂巖的水鎖損害,結果表明,瞬時正壓差可增加損害程度25%左右。根據低孔低滲透巖心水鎖損害試驗結果,提出了低孔低滲透氣藏降低水鎖損害的措施和建議。

低滲透油氣藏;砂巖;水鎖;射孔完井;附加壓力;實驗室試驗

東海地區一直是中日政治敏感區,搞好東海地區石油天然氣的勘探開發對我國政治經濟意義重大。但隨著東海地區勘探開發的進一步深入,今后所面臨的油氣藏多為低孔低滲油氣藏。完井液對這類氣藏的損害主要是液相的損害,具體表現如下[1-3]:1)液相與巖石礦物不配伍,造成滲流通道堵塞;2)外來液體與產層流體不配伍,產生二次沉淀; 3)液相進入產層后,由水鎖(水相圈閉損害)和賈敏效應引起毛管阻力。前兩者造成的損害,使用目前的完井液都可以很好地控制,低孔低滲氣藏保護的技術難點在于水鎖損害。因此,有必要制訂相應試驗方案研究其不同作業中的水鎖損害特征。

1 水鎖損害試驗方法

D.B.Bennion等[4]提出一種建立含水飽和度的方法,稱為定含水飽和度法(the fixed initial saturation technique)。張振華等[5]首次利用灰色靜態預測模型對低滲透砂巖儲層水鎖損害進行了定量預測,指出油(氣)水界面張力對水鎖效應的影響程度更為明顯,氣測滲透率和儲集層的含水飽和度對水鎖損害的影響程度較為接近。林光榮等[6]將干巖心抽空并飽和模擬地層水,根據巖樣的孔滲資料選擇試驗壓力,水驅10倍孔隙體積后,在地層溫度下測地層水滲透率,然后繼續氣驅到無水產出,再測量巖心的氣體滲透率,并用該方法研究了鄂爾多斯盆地上古生界低滲氣層的水鎖損害。游利軍等[7]提出了一種建立含水飽和度的新方法——毛管自吸法,利用該方法能夠在致密巖心中建立所需的含水飽和度,并通過試驗證實該方法可行。王富華等[8]將干巖心用標準鹽水浸泡不同時間后測定氣體的驅替曲線,通過浸泡時間與含水飽和度對巖心滲透率的影響來研究低滲氣層水鎖規律。

總之,國內外許多學者已經對水相圈閉或水鎖進行了較為廣泛的研究。但目前很多學者評價水鎖損害的方法都是研究自吸量與時間的關系,或在定壓力下研究水鎖損害與時間的關系。

2 正壓射孔中潛在水鎖損害分析

2.1 孔道壓力衰減特征

射孔是為了穿透鉆完井中的損害帶,增加儲層的導流能力。如果射孔液儲層保護效果欠佳或射孔工藝選擇不當,就會影響最終的投產效果,若采用壓裂等增產措施便會增加成本[9]。鉆完井中鉆井液濾液的侵入深度一般為0.2～1.2 m,采用聚能射孔工藝一般能夠消除一定損害。高壓氣體可以產生巨大能量,考慮到孔道內不同位置的壓力衰減特點,用下式表示孔道壓力分布(假設孔眼壓力歷程如圖1所示[10]):

式中,p(x,t)為孔道中的壓力分布,MPa;p0(t)為 t時刻的孔道氣體壓力,MPa;θ為相對位置變量。

圖1 孔眼壓力歷程曲線

2.2 附加壓力形成現象

圖2所示為一容器,假設a中是水,b中是油,在中間隔板預開孔,用一擋板遮住,保持對孔板的壓力 pa>pb。當擋板抽開瞬間,會觀察到一種現象:有一股強烈射流從a容器通過小孔進入b容器中,而a液面逐漸下降。對于黏度較大的原油,由于其黏滯阻力大,射流現象會更加明顯,但當a、b中是同種液體介質,且液面高度相同時,就不會發生射流現象。

圖2 水力學射流示意

同理,假設其為重力驅氣藏(如圖3所示),井筒液柱和靜水壓頭分別對應a、b容器,若孔眼壓力為圖1所示歷程,則由于井筒壓力大于地層壓力,當能量衰減到與井筒壓力相等時,射孔液開始侵入孔道,此時地層流體還來不及滲流到孔道,射孔液對孔道壁便會產生一個附加壓力Δp1,但要與形成射孔壓實帶的壓力區分開來,射孔壓實帶形成于射孔液進入之前,是靠高能氣體膨脹形成的。

圖3 射孔瞬間流體運動模擬

文獻[11]研究表明,貝雷砂巖壓實帶平均滲透率只有原滲透率的21.90%～28.02%,而射孔液是在孔道相對敞通、幾乎無阻力條件下進入的,理論上二者達到原始正壓差平衡過程中,地層流體會有短暫的滯后現象,會產生另一個瞬間附加正壓力Δp2。對于附加壓力造成的水鎖損害不容忽視。有必要研究附加壓力下射孔液對孔道壁的水鎖損害,以對現場作業提供更好的指導。

3 正壓射孔中水鎖損害模擬試驗

過去研究水鎖損害只是單一地對比水侵后巖心的氣測滲透率與干燥巖心的氣測滲透率。水鎖損害是巖石固有的性質,但在不同的條件下又有所差別,建立的試驗反映的只是一個損害趨勢,并非量度,因此室內測得的數據只能作為參考,對不同作業應具體問題具體分析,制訂相應的試驗方案。賴南君等[12]考慮到外來壓力對水鎖損害的影響,研究了壓裂中工作液強行擠入時的水鎖,結果表明,水鎖損害隨壓力增大和時間延長而加重。但正壓射孔中射孔液對孔道壁產生的只是瞬間的附加壓力,這與壓裂中模擬損害有本質的不同。

為平衡油氣層,射孔液對地層的正壓差設為3.5 MPa,由于確定不同情況下的附加壓力較為困難,但其卻又客觀存在,因此進行模擬試驗只能定性反映這種現象。假設作業瞬間附加壓力為4.5 MPa,則瞬間的正壓差就會達到8.0 MPa。由于低滲氣藏巖石致密、滲流空間狹小、微粒不為氣體潤濕,在低滲氣藏一般不存在微粒運移的損害,即也不存在流速敏感性損害[13-14],所以在一定驅替壓力范圍內,水鎖損害是主要的。為此,筆者在前人研究的基礎上,考慮射孔附加壓力因素,建立了一套試驗方案。

3.1 試驗方法與步驟

為更真實地反映實際情況,整個過程中巖心不取出來,溫度、圍壓保持不變,定義水鎖損害程度為:

式中,I為損害程度,小數;K∞為平均氣測滲透率, 10-3μm2;Kf為驅替穩定后的氣測滲透率,10-3μm2。

具體試驗方法與步驟為:

1)利用水鎖試驗評價裝置(見圖4)測干巖樣的氣相滲透率;

圖4 水鎖試驗評價裝置示意

2)在3.5 MPa驅替壓力下用一定體積的模擬地層水在巖心出口端反向驅替(由于巖石在工作液柱壓力浸泡下,初始含水飽和度破壞,驅替可定性反映在作業中含水飽和度增加的趨勢);

3)驅替一定時間,含水飽和度會逐漸高于原始含水飽和度,將不同的時間作為測量點,選取某時間點,停止地層水驅替;

4)緩慢加壓讓氮氣正向驅替,壓力加至計量管有氣泡緩慢逸出為止,驅替足夠長時間,待計量管中氣泡流速穩定后測定巖心的氣相滲透率;

5)繼續在3.5 MPa驅替壓力下進行地層水驅替,按步驟4)依次測量接下來時間點的氣相滲透率;

6)選取某一時刻,將地層水驅替壓力從3.5 MPa迅速升至8.0 MPa,再迅速降低至3.5 MPa,濾出30 mL濾液后停止驅替;

7)重復步驟4)。

對于步驟4),如果驅替過程中氣泡流量明顯變緩,就適當加大壓力保證氣泡流量足以被測量,并驅替一段時間再降低至原始壓力下測量。

3.2 試驗結果及分析

選取東海地區B5井平湖組3塊低孔低滲巖心(埋深3 100～3 122 m)進行水鎖試驗,結果見表1和圖5(表中90 min數據為驅替壓力迅速轉變后測得)。從表1可看出:在3.5 MPa驅替壓力下基本上是氣測滲透率隨著時間延長明顯降低;在驅替壓力迅速從3.5 MPa升至8.0 MPa再降至3.5 MPa的過程中滲透率降幅較大,后來漸漸趨于平穩。

表1 低孔低滲巖心水鎖試驗

圖5 低孔低滲巖心水鎖損害試驗結果

從圖5可以看出:東海平湖組低孔低滲巖心水鎖損害程度比較嚴重,最高達0.8以上;滲透率低的巖心初始損害程度較大,如P8-23井巖心20 min損害程度已達0.42,且隨流體作用時間的延長而增大。特別是在射孔完井時,瞬間附加正壓力使水鎖損害陡然增大,即使恢復到正常壓差下,這種損害也不能降低。如果不考慮瞬間附加壓差影響,可能只會得到損害程度在0.2～0.6之間的假象,實質上損害程度最高達0.8以上。當然,試驗中人為控制附加壓力,不可能等同于真實情況,但附加壓力是客觀存在的,試驗定性反映了附加壓力下的損害趨勢。對于“先天發育不足,后天易受損害”的低滲砂巖氣藏,作業中任何一個細節都不容忽視,眾多的細節損害會產生“蝴蝶效應”,從而加大損害程度。

4 結論與建議

1)對正壓射孔中附加壓力下的水鎖損害做出了定量評價,通過試驗,驗證了低滲氣藏正壓射孔中存在一定的水鎖損害。

2)建議加強正壓射孔下射孔液對孔道壓力和地層壓力重新達到平衡時產生的壓差與時間關系的數值模擬工作。

3)降低水鎖可采取“暫堵”和“改善”兩種思路(暫堵即采用完井液封堵孔喉,減少濾液侵入;改善指在完井液中加入助排劑,降低氣-水界面張力,降低水鎖損害),對于低滲氣藏有必要將二者結合起來,研制優質完井液、射孔液。

4)東海地區低滲砂巖模擬射孔附加壓力下的水鎖試驗表明,瞬間附加壓力使水鎖損害程度陡然增大,應盡量采用負壓射孔;對不能采用負壓射孔的膠結力弱、易出砂地層,應研制暫堵-抑制型優質射孔液。

5)侵入的濾液要快速返排,盡量縮短低滲儲層浸泡時間,降低自吸效應,盡快誘噴投產,才能最大限度地保護儲層。

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[14] 王富華,于敦遠,萬緒新.防塌與保護氣層的鉆井液技術[J].石油鉆探技術,2006,34(5):39-42.

[審稿 鄢捷年]

Experimental Study of Water-Block from Overbalance Perforation in Low-Permeable Sandstone

Jia Hu1Wang Ruiying2Yang Hongbo3Wang Rui4Zhang Fan5Song Xiaodan5
(1.State Key Laboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan,610500,China;2.Changqing Scientif ic and Technology Engineering Co.Ltd.,Xi’an, S hanxi,710018,China;3.International Drilling Company,Western Drilling&Ex ploration Engineering Company,Urumqi,Xinjiang,830006,China;4.Gas Production Engineering Research Institute, CN PC Southwest Oilf ield B ranch,Guanghan,Sichuan,618300,China;5.Changqing Downhole Service Company,Chuanqing Drilling&Ex ploration Engineering Co.L td.,Xi’an,Shanxi,710086,China)

Water-block damage to low permeability sandstone is the main obstacle for its high efficient exploitation;therefore it is important to evaluate water-block damage in laboratory.Most researches focus on the damage caused by positive differential pressure in overbalance drilling or imbibitions in underbalanced drilling.While the instantaneous abutment pressure in overbalance perforating which can cause serious water-block damage in porous channel are neglected.This paper investigates the water-block damage of low-permeability sandstone under the instantaneous abutment pressure using experiments.The results show that the instantaneous abutment pressure can increase the water-block damage by 25%,The suggestions were provided to reduce the water-block damage.

low permeability pools;sandstone;water block;perforated completion;abutment pressure;laboratory testing

book=2010,ebook=147

TE343

A

1001-0890(2010)02-0076-04

2009-05-21;改回日期:2010-01-18

賈虎(1983—),男,湖北武漢人,2006年畢業于長江大學石油工程專業,2009年獲西南石油大學油氣井工程專業碩士學位,在讀博士研究生,主要從事儲層保護及提高采收率技術方面的研究。

聯系方式:15902825270;tiger-jia@163.com