異常低含水飽和度儲(chǔ)層的水鎖損害

摘 要

摘要：當(dāng)儲(chǔ)層原始含水飽和度低于束縛水飽和度時(shí)，稱異常低含水飽和度儲(chǔ)層，一般意義的水鎖指數(shù)就不能反映該類儲(chǔ)層的水鎖損害過(guò)程和解除水鎖損害的難易程度。為此，通過(guò)異常低含水飽
摘要：當(dāng)儲(chǔ)層原始含水飽和度低于束縛水飽和度時(shí)，稱異常低含水飽和度儲(chǔ)層，一般意義的水鎖指數(shù)就不能反映該類儲(chǔ)層的水鎖損害過(guò)程和解除水鎖損害的難易程度。為此，通過(guò)異常低含水飽和度儲(chǔ)層水鎖損害機(jī)理研究，提出了這類儲(chǔ)層存在暫時(shí)性水鎖和永久性水鎖觀點(diǎn)。暫時(shí)性水鎖是指油、氣反排外來(lái)工作液至束縛水飽和度過(guò)程中造成的水鎖，是可以解除的；永久性水鎖是指油、氣反排外來(lái)工作液降至束縛水飽和度后再也不能降低了，從而達(dá)不到原始含水飽和度，造成一部分水鎖永遠(yuǎn)無(wú)法解除。將該研究方法運(yùn)用于長(zhǎng)慶氣田上古生界致密砂巖氣藏的水鎖損害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果表明：儲(chǔ)層滲透率越低，束縛水飽和度與原始含水飽和度差值就越大，永久性水鎖損害和暫時(shí)性水鎖損害就越強(qiáng)，解除暫時(shí)性水鎖所需時(shí)間越長(zhǎng)。
關(guān)鍵詞：低滲透儲(chǔ)集層；含水飽和度；水鎖；損害；機(jī)理；暫時(shí)性；永久性
    在油、氣層開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于鉆井液、完井液、固井液及酸化壓裂液等外來(lái)流體侵入儲(chǔ)層后難以完全排出，使儲(chǔ)層含水飽和度增加，油、氣相滲透率降低，亦稱為水鎖效應(yīng)[1～2]。致密砂巖儲(chǔ)層水鎖效應(yīng)尤為突出[3～5]。關(guān)于造成水鎖效應(yīng)的原因有不同說(shuō)法，有學(xué)者將其歸結(jié)為束縛水附近水相的滲透率降低；有學(xué)者歸結(jié)為外來(lái)流體在地層中高的毛細(xì)管力；有的則歸結(jié)為指進(jìn)效應(yīng)或賈敏效應(yīng)。部分學(xué)者詳細(xì)地分析了造成水鎖效應(yīng)的內(nèi)因和外因[6～7]，也有學(xué)者應(yīng)用熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論分析引起水鎖效應(yīng)的原因及其影響因素[8]，筆者也對(duì)此進(jìn)行了深入研究。
1 異常低含水飽和度儲(chǔ)層水鎖損害機(jī)理
    在正壓差和毛細(xì)管力作用下，外來(lái)水基工作液侵入地層，導(dǎo)致油、氣井周圍含水飽和度增高，結(jié)果在井筒和油、氣層之間形成一水相段塞。油、氣要想流向井筒就必須驅(qū)替開(kāi)這一水相段塞，否則油、氣井就不會(huì)有產(chǎn)能，驅(qū)替不完全也能造成產(chǎn)能嚴(yán)重下降。如果儲(chǔ)層原始含水飽和度低于束縛水飽和度，外來(lái)工作液侵入儲(chǔ)層使含水飽和度增加的過(guò)程是從原始含水飽和度(Swi)增至束縛水飽和度(Swir)，再?gòu)氖`水飽和度增至100%。油、氣驅(qū)替水相段塞的過(guò)程是使含水飽和度逐漸下降，如果外來(lái)水與地層水的黏度、界面張力及接觸角相近以及儲(chǔ)層未受到損害，油、氣驅(qū)水過(guò)程能使含水飽和度降到束縛水飽和度，但不可能降到原始含水飽和度。
1.1 暫時(shí)性水鎖
含水飽和度從100%下降到束縛水飽和度過(guò)程中所造成的水鎖稱為暫時(shí)性水鎖。因?yàn)楹柡投葟睦碚撋蟻?lái)說(shuō)是可以降低到束縛水飽和度的，也就是說(shuō)這部分水鎖是可以解除的，只是解除的難易程度不同。暫時(shí)性水鎖大小的計(jì)算式為：
 
式中DR暫時(shí)為暫時(shí)性水鎖引起的滲透率損害率，即暫時(shí)性水鎖指數(shù)；Kwir為束縛水飽和度時(shí)的滲透率，mD；Kw為束縛水飽和度之上任意含水飽和度時(shí)的滲透率，mD。
    由此可見(jiàn)，當(dāng)含水飽和度降到束縛水飽和度時(shí)，Kw等于Kwir，暫時(shí)性水鎖完全解除，如果在有限的時(shí)間內(nèi)含水飽和度降不到束縛水飽和度，則存在暫時(shí)性水鎖。
1.2 永久性水鎖
由于油、氣反排外來(lái)工作液最多只能將含水飽和度降至束縛水飽和度而不能降至原始含水飽和度，這樣就造成一部分水鎖永遠(yuǎn)不能解除，這部分水鎖稱其為永久性水鎖。其大小的計(jì)算式為：
 
式中DR永久為永久性水鎖引起的滲透率損害率，即永久性水鎖指數(shù)；Kwi為原始含水飽和度時(shí)的滲透率，mD。
2 致密砂巖氣藏的異常低含水飽和度
    早期的研究認(rèn)為：開(kāi)發(fā)前的地層中儲(chǔ)層流體驅(qū)替已達(dá)到平衡，原生水處于束縛狀態(tài)，因此當(dāng)油、氣層產(chǎn)純油或純氣時(shí)的原始含水飽和度就是束縛水飽和度。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，純油、氣層的原始含水飽和度與束縛水飽和度可能相等，也可能比它低。其原因與油氣藏形成后儲(chǔ)層的溫度、壓力、礦物組成及孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化有關(guān)，也與氣藏的蒸發(fā)作用有關(guān)。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)毛細(xì)管壓力或相滲透率實(shí)驗(yàn)測(cè)量出的束縛水飽和度是由于水相失去連續(xù)性引起的，而用油基鉆井液取心測(cè)量出的原始含水飽和度是油、氣層未打開(kāi)前的含水飽和度，兩者不可能總是一致。
    長(zhǎng)慶氣田蘇西地區(qū)上古生界致密砂巖氣藏含水飽和度數(shù)據(jù)如表1所示，束縛水飽和度由氣、水相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)得到。當(dāng)水相滲透率等于零時(shí)所對(duì)應(yīng)的含水飽和度即為束縛水飽和度，原始含水飽和度由密閉取心得到。從表1可見(jiàn)，儲(chǔ)層的原始含水飽和度總是低于束縛水飽和度，且儲(chǔ)層滲透率越低，束縛水飽和度越大，原始含水飽和度也越大，束縛水飽和度與原始含水飽和度差值也越大(圖1)。張敏諭等在研究下古生界馬家溝組碳酸鹽巖儲(chǔ)層中的水鎖損害時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律[7]。長(zhǎng)慶上古生界氣藏形成跨越了相當(dāng)長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)間，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期中，高溫低含水量天然氣不斷充注氣藏，同時(shí)天然氣又不斷從氣藏中溢出、泄漏，這樣儲(chǔ)層中的水就被不斷帶出，致使氣藏原始含水飽和度低于束縛水飽和度。
 

3 致密砂巖氣藏水鎖損害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)
    實(shí)驗(yàn)以長(zhǎng)慶氣田上古生界山1段致密砂巖儲(chǔ)層巖心為基礎(chǔ)，首先將巖心抽真空飽和地層水浸泡48h，在2.5MPa壓差下用氮?dú)怛?qū)地層水，直至束縛水飽和度，測(cè)量不同含水飽和度下的氣測(cè)滲透率，再用加溫氮?dú)怛?qū)替巖心，直至原始含水飽和度，氣測(cè)原始含水飽和度時(shí)的滲透率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
3.1 暫時(shí)性水鎖
    以氣驅(qū)水1h為例，驅(qū)替1h后，儲(chǔ)層滲透率越低，含水飽和度就越高，由此造成的暫時(shí)性水鎖損害越強(qiáng)(圖2)，當(dāng)滲透率從1.5mD降到0.04mD時(shí)，儲(chǔ)層滲透率損害率從17%增加到近90%。隨著驅(qū)替時(shí)間的增長(zhǎng)，含水飽和度會(huì)逐漸降低，當(dāng)驅(qū)替至束縛水飽和度時(shí)，暫時(shí)性水鎖完全解除。在驅(qū)替壓差及流體性質(zhì)一定的情況下，解除暫時(shí)性水鎖所需時(shí)間與儲(chǔ)層滲透率密切相關(guān)，儲(chǔ)層滲透率越低，所用時(shí)間越長(zhǎng)(圖3)；當(dāng)滲透率從1.5mD降到0.04mD時(shí)，驅(qū)替至束縛水飽和度時(shí)所用時(shí)間從1.5增加到50h，表明儲(chǔ)層滲透率越低，暫時(shí)性水鎖越難解除。地層條件下所能提供的最大壓降要比實(shí)驗(yàn)室所用的壓差小得多，且實(shí)驗(yàn)室用的是干氮?dú)?，因此在地層條件下天然氣反排外來(lái)工作液至束縛水飽和度所需時(shí)間比實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)得多，其時(shí)間長(zhǎng)短與儲(chǔ)層滲透率有關(guān)。
 

3.2 永久性水鎖
    天然氣反排外來(lái)工作液降到束縛水飽和度后就再也不能降低了，由于儲(chǔ)層原始含水飽和度低于束縛水飽和度，這樣就有一部分水鎖永遠(yuǎn)不能解除。永久性水鎖滲透率損害率與儲(chǔ)層滲透率密切相關(guān)，儲(chǔ)層滲透率越低，束縛水飽和度與原始含水飽和度差值越大(表1、圖1)，永久性水鎖滲透率損害率也越強(qiáng)(圖4)。當(dāng)滲透率從1.5mD降到0.04mD時(shí)，永久性水鎖滲透率損害率從17.75%增至63.33%。
 

    當(dāng)儲(chǔ)層原始含水飽和度等于或大于束縛水飽和度時(shí)，一般只存在暫時(shí)性水鎖，不存在永久性水鎖。但當(dāng)有固相顆粒侵入儲(chǔ)層，造成部分孔喉堵塞，或外來(lái)工作液侵入儲(chǔ)層后與儲(chǔ)層巖石和流體發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，造成孔喉縮小或堵塞，可使外來(lái)工作液不能反排至原始含水飽和度，也可造成永久性水鎖。
4 結(jié)論
    1) 當(dāng)儲(chǔ)層原始含水飽和度低于束縛水飽和度時(shí)，油、氣反排外來(lái)工作液最多只能將含水飽和度降至束縛水飽和度，而不能降至原始含水飽和度。前一過(guò)程中產(chǎn)生的水鎖稱暫時(shí)性水鎖，只要時(shí)間足夠長(zhǎng)，暫時(shí)性水鎖可以完全解除。后一過(guò)程產(chǎn)生的水鎖稱永久性水鎖，不能解除。
    2) 儲(chǔ)層滲透率越低，暫時(shí)性水鎖損害和永久性水鎖損害越強(qiáng)，解除暫時(shí)性水鎖所需時(shí)間越長(zhǎng)。
    3) 暫時(shí)性水鎖和永久性水鎖概念可以反映地層情況下水鎖損害過(guò)程和解除水鎖損害的難易程度。
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(本文作者：曾偉 陳舒 向海洋 西南石油大學(xué))