異常低含水飽和度儲層的水鎖損害

摘 要

摘要：當儲層原始含水飽和度低于束縛水飽和度時，稱異常低含水飽和度儲層，一般意義的水鎖指數就不能反映該類儲層的水鎖損害過程和解除水鎖損害的難易程度。為此，通過異常低含水飽
摘要：當儲層原始含水飽和度低于束縛水飽和度時，稱異常低含水飽和度儲層，一般意義的水鎖指數就不能反映該類儲層的水鎖損害過程和解除水鎖損害的難易程度。為此，通過異常低含水飽和度儲層水鎖損害機理研究，提出了這類儲層存在暫時性水鎖和永久性水鎖觀點。暫時性水鎖是指油、氣反排外來工作液至束縛水飽和度過程中造成的水鎖，是可以解除的；永久性水鎖是指油、氣反排外來工作液降至束縛水飽和度后再也不能降低了，從而達不到原始含水飽和度，造成一部分水鎖永遠無法解除。將該研究方法運用于長慶氣田上古生界致密砂巖氣藏的水鎖損害評價實驗中，結果表明：儲層滲透率越低，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性水鎖損害就越強，解除暫時性水鎖所需時間越長。
關鍵詞：低滲透儲集層；含水飽和度；水鎖；損害；機理；暫時性；永久性
    在油、氣層開發(fā)過程中，由于鉆井液、完井液、固井液及酸化壓裂液等外來流體侵入儲層后難以完全排出，使儲層含水飽和度增加，油、氣相滲透率降低，亦稱為水鎖效應[1～2]。致密砂巖儲層水鎖效應尤為突出[3～5]。關于造成水鎖效應的原因有不同說法，有學者將其歸結為束縛水附近水相的滲透率降低；有學者歸結為外來流體在地層中高的毛細管力；有的則歸結為指進效應或賈敏效應。部分學者詳細地分析了造成水鎖效應的內因和外因[6～7]，也有學者應用熱力學和動力學理論分析引起水鎖效應的原因及其影響因素[8]，筆者也對此進行了深入研究。
1 異常低含水飽和度儲層水鎖損害機理
    在正壓差和毛細管力作用下，外來水基工作液侵入地層，導致油、氣井周圍含水飽和度增高，結果在井筒和油、氣層之間形成一水相段塞。油、氣要想流向井筒就必須驅替開這一水相段塞，否則油、氣井就不會有產能，驅替不完全也能造成產能嚴重下降。如果儲層原始含水飽和度低于束縛水飽和度，外來工作液侵入儲層使含水飽和度增加的過程是從原始含水飽和度(Swi)增至束縛水飽和度(Swir)，再從束縛水飽和度增至100%。油、氣驅替水相段塞的過程是使含水飽和度逐漸下降，如果外來水與地層水的黏度、界面張力及接觸角相近以及儲層未受到損害，油、氣驅水過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 暫時性水鎖
含水飽和度從100%下降到束縛水飽和度過程中所造成的水鎖稱為暫時性水鎖。因為含水飽和度從理論上來說是可以降低到束縛水飽和度的，也就是說這部分水鎖是可以解除的，只是解除的難易程度不同。暫時性水鎖大小的計算式為：
 
式中DR暫時為暫時性水鎖引起的滲透率損害率，即暫時性水鎖指數；Kwir為束縛水飽和度時的滲透率，mD；Kw為束縛水飽和度之上任意含水飽和度時的滲透率，mD。
    由此可見，當含水飽和度降到束縛水飽和度時，Kw等于Kwir，暫時性水鎖完全解除，如果在有限的時間內含水飽和度降不到束縛水飽和度，則存在暫時性水鎖。
1.2 永久性水鎖
由于油、氣反排外來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不能解除，這部分水鎖稱其為永久性水鎖。其大小的計算式為：
 
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；Kwi為原始含水飽和度時的滲透率，mD。
2 致密砂巖氣藏的異常低含水飽和度
    早期的研究認為：開發(fā)前的地層中儲層流體驅替已達到平衡，原生水處于束縛狀態(tài)，因此當油、氣層產純油或純氣時的原始含水飽和度就是束縛水飽和度。近年來的研究發(fā)現，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層的溫度、壓力、礦物組成及孔隙結構發(fā)生變化有關，也與氣藏的蒸發(fā)作用有關。實驗室通過毛細管壓力或相滲透率實驗測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量出的原始含水飽和度是油、氣層未打開前的含水飽和度，兩者不可能總是一致。
    長慶氣田蘇西地區(qū)上古生界致密砂巖氣藏含水飽和度數據如表1所示，束縛水飽和度由氣、水相對滲透率實驗得到。當水相滲透率等于零時所對應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，儲層的原始含水飽和度總是低于束縛水飽和度，且儲層滲透率越低，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層中的水鎖損害時，也發(fā)現了同樣的規(guī)律[7]。長慶上古生界氣藏形成跨越了相當長的地質時間，在漫長的地質歷史時期中，高溫低含水量天然氣不斷充注氣藏，同時天然氣又不斷從氣藏中溢出、泄漏，這樣儲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價實驗
    實驗以長慶氣田上古生界山1段致密砂巖儲層巖心為基礎，首先將巖心抽真空飽和地層水浸泡48h，在2.5MPa壓差下用氮氣驅地層水，直至束縛水飽和度，測量不同含水飽和度下的氣測滲透率，再用加溫氮氣驅替巖心，直至原始含水飽和度，氣測原始含水飽和度時的滲透率。實驗結果見表1。
3.1 暫時性水鎖
    以氣驅水1h為例，驅替1h后，儲層滲透率越低，含水飽和度就越高，由此造成的暫時性水鎖損害越強(圖2)，當滲透率從1.5mD降到0.04mD時，儲層滲透率損害率從17%增加到近90%。隨著驅替時間的增長，含水飽和度會逐漸降低，當驅替至束縛水飽和度時，暫時性水鎖完全解除。在驅替壓差及流體性質一定的情況下，解除暫時性水鎖所需時間與儲層滲透率密切相關，儲層滲透率越低，所用時間越長(圖3)；當滲透率從1.5mD降到0.04mD時，驅替至束縛水飽和度時所用時間從1.5增加到50h，表明儲層滲透率越低，暫時性水鎖越難解除。地層條件下所能提供的最大壓降要比實驗室所用的壓差小得多，且實驗室用的是干氮氣，因此在地層條件下天然氣反排外來工作液至束縛水飽和度所需時間比實驗室長得多，其時間長短與儲層滲透率有關。
 

3.2 永久性水鎖
    天然氣反排外來工作液降到束縛水飽和度后就再也不能降低了，由于儲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不能解除。永久性水鎖滲透率損害率與儲層滲透率密切相關，儲層滲透率越低，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(圖4)。當滲透率從1.5mD降到0.04mD時，永久性水鎖滲透率損害率從17.75%增至63.33%。
 

    當儲層原始含水飽和度等于或大于束縛水飽和度時，一般只存在暫時性水鎖，不存在永久性水鎖。但當有固相顆粒侵入儲層，造成部分孔喉堵塞，或外來工作液侵入儲層后與儲層巖石和流體發(fā)生物理、化學反應，造成孔喉縮小或堵塞，可使外來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 結論
    1) 當儲層原始含水飽和度低于束縛水飽和度時，油、氣反排外來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。前一過程中產生的水鎖稱暫時性水鎖，只要時間足夠長，暫時性水鎖可以完全解除。后一過程產生的水鎖稱永久性水鎖，不能解除。
    2) 儲層滲透率越低，暫時性水鎖損害和永久性水鎖損害越強，解除暫時性水鎖所需時間越長。
    3) 暫時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程和解除水鎖損害的難易程度。
參考文獻
[1] 賀承祖，華明琪.油氣藏物理化學[M].成都：電子科技大學出版社，1995：34-37.
[2] KLEELAN D K，KOEPF E H.The role of cores and core analysis in evaluation of formation damage[J].Journal of Petroleum Technology，1977，295：482-490.
[3] 張琰，崔迎春.低滲氣藏主要損害機理及保護方法的研究[J].地質與勘探，2000，36(5)：76-78.
[4] 唐海，呂漸江，呂棟梁，等.致密低滲氣藏水鎖影響因素研究[J].西南石油大學學報：自然科學版，2009，31(4)：91-94.
[5] 樊世忠.天然氣藏的損害機理、評價方法及保護措施(一)[J].低滲透油氣田，1999，4(1)：58-63.
[6] 廖銳全，徐永高，胡雪濱.水鎖效應對低滲透儲層的損害及抑制和解除方法[J].天然氣工業(yè)，2002，22(6)：87-89.
[7] 張敏諭，毛美利.長慶低滲氣藏水鎖效應與抑制對策[J].低滲透油氣田，1999，4(2)：65-68.
[8] 賀承祖，華明琪.水鎖效應研究[J].鉆井液與完井液，1996，13(6)：13-15.
 
(本文作者：曾偉 陳舒 向海洋 西南石油大學)