大尺寸砂巖靶射孔孔道損傷評價*

郭書生 梁 豪 崔佳莉

(1. 中海石油(中國)有限公司海南分公司 海南?？?570300; 2. 中海油能源發展工程技術公司湛江分公司 廣東湛江 524057)

“十三五”資源評價結果表明:中國近海主要盆地深層石油資源量占比44%,天然氣資源量占比86%,海洋深層油氣藏成為海洋油氣勘探的重點方向和領域[1-2]。受海上作業空間、能力及費用(300萬～500萬元/天)等限制,海洋深層油氣藏產能釋放手段極其有限,射孔是該類油氣藏構建油氣流動通道、獲取地層真實產能的關鍵手段。射孔過程中高速金屬射流穿透油氣層會致使射孔孔道周圍的巖石結構受到嚴重破壞,在孔眼附近形成“壓實損害區”或“射孔損害帶”[3-6],導致巖石孔隙度和滲透率下降,進而嚴重影響油氣井產能。黃風雷 等[7]以貝雷砂巖為靶材,利用自制的試驗儀器在地面條件下完成射孔試驗,并對射孔損害區進行核磁共振試驗,試驗表明貝雷砂巖損害區的厚度大約為1.25 cm,損害區內巖石的孔隙度和滲透率下降明顯,滲透率將降至原滲透率的25%～30%,由于射孔過程造成近孔眼區域的巖石的壓實損害,將嚴重地影響油井的生產流動效率。李東傳 等[8-9]利用貝雷砂巖靶完成了負壓射孔及流動測試研究,核磁共振試驗測試表明射孔將造成壓實帶的平均孔隙度下降13.1%～21.8%,平均滲透率下降率72.0%～78.1%,他認為盡管混凝土靶通常被用作檢驗聚能射孔器穿孔性能的標準物,但混凝土靶抗壓強度波動大,會嚴重影響試驗結果和評價結論。薛世峰 等[10]和韓耀圖 等[11]按照API RP-19B標準流程,利用超高溫、高壓射孔效能檢測裝置模擬儲層與井筒環境條件,對砂巖靶進行射孔,并提出了一種用于CT掃描定量評價射孔壓實帶孔隙度和滲透率損傷程度的方法。通過調研發現,當前對于射孔效果的檢驗主要基于地面水泥靶、鋼靶或小尺寸砂巖靶進行實驗,無法真實評價原位地層條件下的射孔效果、流動效率,對于射孔孔道壓實傷害機理、傷害程度認識不清,射孔優化核心參數表皮系數的計算需要壓實帶半徑和壓實帶滲透率,但無實測數據支撐,導致射孔優化結果缺乏針對性。為此,研發模擬原位地層條件下的大型射孔物理模擬裝置及實驗技術,明確射孔壓實損傷機理,準確測量壓實區域參數,對于指導射孔器材選擇、射孔參數優化具有重要意義。

1 大尺寸砂巖靶的優選與制作

目前檢測射孔效果的砂巖靶直徑均小于200 mm,小尺寸的砂巖靶射孔后易斷裂,孔道周圍沿靶體易形成貫穿裂紋,如圖1所示,無法真實反映地下條件射孔后的真實形態,也無法滿足后期模擬流動實驗[12]。

圖1 砂巖靶射孔摸底試驗結果(φ200 mm ×1 000 mm)

為改善射孔評價效果,以南海珠江口盆地珠海組三段儲層為研究對象,地層埋深大于3 500 m,儲層物性差異大,非均質性強,孔隙度主要分布在8.5%～11%,滲透率K<1 mD范圍占比61.9%,屬于低滲-特低滲儲層,利用聲波、密度等測井參數及室內實驗表明儲層段巖石抗壓強度57.6～65.0 MPa,巖石石英含量平均為67.4%,長石含量平均為15%,方解石含量平均為1.6%,黏土礦物含量平均為16%?；谝陨蟽犹卣鲄?走訪調研了13個砂巖廠采集樣品,綜合考慮砂巖常規孔滲、覆壓孔滲、抗壓強度及礦物組分優選砂巖靶,制取了直徑400 mm大尺寸砂巖靶(圖2)進行后期射孔物模實驗。

圖2 砂巖試驗靶成品(φ400 mm×1 000 mm)

2 大尺寸射孔實驗裝置及流程

為提升射孔檢測效果,研發了適用于直徑400 mm的砂巖靶射孔實驗裝置(圖3),其主要由高溫高壓容器、中間分隔裝置、靶套裝置、靶支撐裝置、射孔單元、限位筒、加熱裝置、支撐裝置組成,分為3個壓力腔室(井筒壓力腔、圍壓腔、孔隙壓力腔),其中圍壓腔室通過柔性介質傳遞壓力至砂巖靶體上,形成包覆應力;孔隙壓力腔室承載砂巖靶體,并通過向靶體內注入壓力介質,模擬實際地層孔隙中的油氣壓力;井筒壓力腔承載射孔器,并通過壓力介質加載,模擬實際井下套管內的靜液柱壓力,具體設計參數見表1。實驗時,將準備的實驗用砂巖靶、靶套裝置和模擬工裝組裝在一起,并與裝有射孔彈的射孔單元相連接,一起放入高溫高壓容器中,通過進壓接口及加熱裝置升溫升壓,在各腔壓力和溫度達到目標值后關閉進壓通道,監測壓力、溫度穩定后引爆射孔彈;射孔后保持射孔時有效應力,根據所需的流動壓差,對巖心施加孔隙壓力,使流動介質流過巖心,進行流動性測定。

表1 高溫高壓射孔系統各部件設計性能參數

圖3 升級改造后試驗裝置結構示意圖

裝置中設有射孔前后實驗用靶滲透率測量的基本功能,在射孔前后可直接測量大尺寸砂巖靶的滲透率,從而評價射孔前后實驗靶流動效率的變化情況;同時孔隙壓力腔可實現氣液壓力轉換功能,可分別模擬油、氣藏儲層的流動特性;射孔和流動測試一體化,減少了裝置拆卸流程,提高實驗測試成功率。與國內外現有的砂巖靶射孔流動效率測試裝置相比,該裝置的尺寸更大,能夠容納較大尺寸的砂巖靶(φ400 mm×800 mm),可有效避免射孔過程中樣品破碎起裂造成的不利影響;同時通過裝置內部腔體分隔結構的合理設計,滿足較大壓差(≤60 MPa),可實現大負壓射孔、超正壓射孔等特殊射孔工藝的模擬實驗。

3 實驗結果與分析

3.1 溫度對射孔參數影響

選取常規深穿透、超深穿透射孔彈,開展不同溫度條件下的射孔實驗,射孔形態如圖4所示,圍壓及溫度對穿孔深度的影響如圖5、6所示。對比不同圍壓下的射孔穿深,發現相同射孔彈圍壓越大,穿深越淺。CN_127-40高溫彈耐溫160 ℃/48 h,在未超過射孔彈耐溫界限的條件下溫度對射孔深度及孔徑的影響均較小:溫度由50 ℃升高至150 ℃,射孔深度僅由309 mm縮短至297 mm。

圖4 大尺寸砂巖靶射孔形態

圖5 不同圍壓對射孔深度的影響

圖6 不同溫度對射孔深度的影響

3.2 不同有效應力、負壓對射孔參數影響

有效應力、負壓條件對砂巖靶射孔參數的影響結果如圖7～9所示。由結果可以看出,有效應力越大,射孔深度越小,負壓對于穿深沒有影響;有效應力與負壓對孔徑影響較小;砂巖靶強度從40 MPa增加到60 MPa,射孔深度減小了47 mm,降幅11%,射孔孔徑僅減小了0.2 mm,降幅約2%;負壓大小與砂巖靶的流動能力呈正相關性,負壓越大,流量增加。

圖7 有效應力對砂巖靶射孔深度的影響

圖8 負壓條件對砂巖靶射孔深度的影響

圖9 負壓條件對砂巖靶流動能力的影響

4 射孔損傷區域評價

4.1 巖心掃描系統

自動巖心掃描系統是一種利用使用穩態氣流注入技術來確定巖心樣品任意點滲透率的儀器。該系統核心儀器是氣體滲透性探頭,它是一種在平臺上自動掃描測量的探頭(圖10),可實現射孔砂巖靶軸向和徑向開展平面(點、線、面)滲透率掃描(圖11),獲得靶體滲透率展布變化特征,從宏觀上落實射孔損傷形態、面積和厚度等參數,并為微觀損傷分析微CT實驗取樣提供依據。

圖10 具有滲透性探頭的自動掃描系統

圖11 探頭測試流動原理

實驗測試的表觀滲透率Kapparent計算公式如下:

(1)

式(1)中:p為注入壓力,Pa;patm為大氣壓力,Pa;Q為大氣壓下的體積流量,m3/s;μ為氣體動力黏度,Pa·s;a為內部頂部密封半徑,m;Go為無量綱幾何因子。

4.2 樣品取樣設計

為實現射孔砂巖靶沿孔道軸線和徑向方向損傷特征,射孔損傷巖樣制備具體要求為:砂巖靶射孔打靶后將射孔靶沿軸向方向對半剖開,并沿射孔孔道對稱取1/2 (圖12);砂巖靶射孔打靶后沿軸向方向將射孔靶射孔孔道不同位置(入口段、中部、末端等)方向沿徑向方向切開(圖13)。

圖12 軸向剖面示意圖

圖13 徑向剖面示意圖

4.3 砂巖靶射孔損傷特征

利用巖心掃描系統測試獲得了4組射孔砂巖靶不同位置點滲透率,繪制獲得其對應的滲透率分布云圖,并結合聚類分析法獲得了對應砂巖靶的分區分帶(圖14)。從圖14可以看出,射孔砂巖靶表現的明顯的分區分帶特征,即射孔孔道存在明顯的高滲帶-破碎帶,射孔孔道附近存在明顯的低滲透帶-壓實帶,破碎帶與壓實帶間可能存在過渡帶,遠離射孔孔道處為原狀帶;不同射孔工藝及彈型射孔后砂巖靶分區分帶特征差異較大,比較不同射孔工藝發現負壓射孔過渡帶可能被掩蓋掉(圖14c、e)。

注:1#、3#、4#滲透率分布圖中黑色箭頭代表射孔孔道方向;b、d、f圖例中的x表示靶掃描縱坐標位置,即沿射孔徑向方向的距離。

利用巖心掃描系統對4組砂巖靶沿孔道軸向和徑向方向宏觀平面(點、線、面)滲透率、縱橫波掃描,落實砂巖靶滲透率、孔隙度定量表征。其中滲透率是巖心掃描系統測量直接獲得,而巖石孔隙度利用全巖心掃描系統波速進行計算。巖石聲波速度隨著密度的增加而增加。根據不同地區砂巖巖樣密度與縱橫波速關系的統計,篩選了與本地區計算結果相近的公式。巖心掃描系統實現射孔靶點、線、面不同位置縱橫波速的掃描,進而可以計算得到射孔靶點、線、面不同位置的密度。根據密度測井曲線可以計算巖石的孔隙度。綜合32組砂巖靶孔道分析結果,射孔砂巖靶損傷區帶特征:可劃分為破碎帶、過渡帶、壓實帶和原狀帶,破碎帶與原狀帶滲透率比值范圍為1.51～5.57,壓實帶與原狀帶滲透率比值范圍為0.57～0.72,破碎帶與原狀帶孔隙度比值范圍為1.007 5～1.040 4,壓實帶與原狀帶孔隙度比值范圍為0.964 2～0.995 1,負壓射孔有助于降低損傷。

4.4 砂巖靶射孔損傷微特征

為了明確宏觀與微觀一致性,并從微觀角度進行深入剖析,分別采用微CT掃描和掃描電鏡等微觀手段開展了相關研究。下面對典型砂巖靶CN_127-16超高溫5-0靶不同區帶微觀特征進行分析。CN_127-16超高溫5-0靶開展了1#、3#、5#等3個位置取樣分析分別對應原狀帶、壓實帶和破碎帶(圖15)。

圖15 CN_127-16超高溫5-0靶取樣位置與滲透率對應關系對比圖

將所取巖樣進行微CT掃描獲得3個位置樣品的孔隙度計算成像圖,如圖 16所示。從圖16可以看出,相比原狀帶而言,破碎帶的孔隙度高于原狀地層,其主要原因是射孔彈高速沖擊巖石,在射孔孔道處在沖擊波震動及子彈剪切作用下巖石膠結變弱,孔隙間變得更為松散,此外在應力載荷下巖石可能出現剪切裂縫的特征;而子彈沖擊巖石時,在孔道遠端存在加載的壓實載荷,因此在射孔孔道遠端存在明顯的低孔低滲特征(圖15、16)。該現象從分辨率更高的掃描電鏡中進一步得到證實。

圖16 CN_127-16超高溫5-0靶不同取樣位置孔隙度成像對比圖(藍色為孔隙)

CN_127-16超高溫5-0靶中分別沿著射孔孔道4#、5#、6#處(破碎帶,圖15a)取樣,利用掃描電鏡設備掃描樣品,均發現了在應力載荷下明顯的裂縫特征(圖17)。

圖17 CN_127-16超高溫5-0靶沿孔道不同破碎帶掃描電鏡實驗結果

為了進一步對比分析原狀、壓實和破碎帶微觀特征,分別沿著射孔孔道同一位置不同區帶進行取樣,獲得了樣品全區形貌及微觀孔隙特征(圖18)。從整體全區形貌破碎帶顆粒相對松散,壓實帶顆粒更為緊密,同時從微觀孔隙大小看,破碎帶孔隙尺寸要大于原狀帶,而原狀帶孔隙尺寸要大于壓實帶。

圖18 CN_127-16超高溫5-0靶樣品全區形貌及微觀孔隙特征

在上述微觀結構和孔隙分析基礎上,結合微CT掃描和數字巖心重構技術,建立孔喉連接關系,并按孔、喉的等效半徑大小分別對孔、喉進行顯色表征,紅色代表大的等效半徑,藍色代表小的等效半徑(圖19)。

圖19 CN_127-16超高溫5-0靶不同位置取樣的孔隙網絡模型

基于孔隙網絡模型計算獲得的原狀帶、壓實帶、破碎帶的滲透率分別為2.518、0.523、20.220 mD。同時,從孔隙網絡圖可以看出破碎帶5#樣連通喉道尺寸及數量均最大,3#樣幾乎不連通,滲透率較小。綜合微CT、掃描電鏡等明確射孔損傷機制:孔道內壁受剪脹作用,孔隙度、滲透率增加;壓實區域受塑性擠壓,大幅降低喉道直徑,導致孔隙度、滲透率顯著下降。

5 結論

1) 與小尺寸射孔砂巖靶相比,φ400 mm砂巖靶無裂痕;對比混凝土靶的射孔數據,砂巖靶穿深急劇下降,且不存在明顯的裂紋,不同彈型射孔穿深下降幅度不一(下降至混凝土靶數據的17%～40%),溫度對射孔深度無明顯影響。

2) 射孔孔道徑向表現為破碎帶、過渡帶、壓實帶及原狀帶等4個區域,平均壓實帶厚度17.1～79.95 mm,壓實損傷率12%～63%,破碎帶的孔隙度、滲透率大于原狀地層,而原狀帶孔隙度、滲透率要大于壓實帶。

3) 綜合微CT、掃描電鏡等明確射孔損傷機制:孔道內壁受剪脹作用,孔隙度、滲透率增加;壓實區域受塑性擠壓,大幅降低喉道直徑,導致孔隙度、滲透率顯著下降。