低渗砂岩储层正压射孔中水锁损害试验研究

贾 虎王瑞英杨洪波王 锐张 凡宋孝丹

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学),四川成都 610500;2.西安长庆科技工程有限责任公司,陕西西安710018;3.西部钻探工程有限公司国际钻井公司,新疆乌鲁木齐 830006;4.中国石油西南油气田分公司采气工程研究院,四川广汉 618300;5.川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司,陕西西安 710086)

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低渗砂岩储层正压射孔中水锁损害试验研究

贾 虎1王瑞英2杨洪波3王 锐4张 凡5宋孝丹5

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学),四川成都 610500;2.西安长庆科技工程有限责任公司,陕西西安710018;3.西部钻探工程有限公司国际钻井公司,新疆乌鲁木齐 830006;4.中国石油西南油气田分公司采气工程研究院,四川广汉 618300;5.川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司,陕西西安 710086)

低渗砂岩水锁损害已成为高效开发低渗透油气藏的一大技术瓶颈,因此,如何通过室内试验评价水锁损害显得尤为重要。国内外许多学者大都研究钻完井中“相对稳定”正压差或欠平衡钻井自吸作用造成的损害,忽视了正压射孔完井中瞬时附加压力对孔道水锁损害的影响。通过试验研究了在瞬时附加压力下东海地区低渗砂岩的水锁损害,结果表明,瞬时正压差可增加损害程度25%左右。根据低孔低渗透岩心水锁损害试验结果,提出了低孔低渗透气藏降低水锁损害的措施和建议。

低渗透油气藏;砂岩;水锁;射孔完井;附加压力;实验室试验

东海地区一直是中日政治敏感区,搞好东海地区石油天然气的勘探开发对我国政治经济意义重大。但随着东海地区勘探开发的进一步深入,今后所面临的油气藏多为低孔低渗油气藏。完井液对这类气藏的损害主要是液相的损害,具体表现如下[1-3]:1)液相与岩石矿物不配伍,造成渗流通道堵塞;2)外来液体与产层流体不配伍,产生二次沉淀; 3)液相进入产层后,由水锁(水相圈闭损害)和贾敏效应引起毛管阻力。前两者造成的损害,使用目前的完井液都可以很好地控制,低孔低渗气藏保护的技术难点在于水锁损害。因此,有必要制订相应试验方案研究其不同作业中的水锁损害特征。

1 水锁损害试验方法

D.B.Bennion等[4]提出一种建立含水饱和度的方法,称为定含水饱和度法(the fixed initial saturation technique)。张振华等[5]首次利用灰色静态预测模型对低渗透砂岩储层水锁损害进行了定量预测,指出油(气)水界面张力对水锁效应的影响程度更为明显,气测渗透率和储集层的含水饱和度对水锁损害的影响程度较为接近。林光荣等[6]将干岩心抽空并饱和模拟地层水,根据岩样的孔渗资料选择试验压力,水驱10倍孔隙体积后,在地层温度下测地层水渗透率,然后继续气驱到无水产出,再测量岩心的气体渗透率,并用该方法研究了鄂尔多斯盆地上古生界低渗气层的水锁损害。游利军等[7]提出了一种建立含水饱和度的新方法——毛管自吸法,利用该方法能够在致密岩心中建立所需的含水饱和度,并通过试验证实该方法可行。王富华等[8]将干岩心用标准盐水浸泡不同时间后测定气体的驱替曲线,通过浸泡时间与含水饱和度对岩心渗透率的影响来研究低渗气层水锁规律。

总之,国内外许多学者已经对水相圈闭或水锁进行了较为广泛的研究。但目前很多学者评价水锁损害的方法都是研究自吸量与时间的关系,或在定压力下研究水锁损害与时间的关系。

2 正压射孔中潜在水锁损害分析

2.1 孔道压力衰减特征

射孔是为了穿透钻完井中的损害带,增加储层的导流能力。如果射孔液储层保护效果欠佳或射孔工艺选择不当,就会影响最终的投产效果,若采用压裂等增产措施便会增加成本[9]。钻完井中钻井液滤液的侵入深度一般为0.2～1.2 m,采用聚能射孔工艺一般能够消除一定损害。高压气体可以产生巨大能量,考虑到孔道内不同位置的压力衰减特点,用下式表示孔道压力分布(假设孔眼压力历程如图1所示[10]):

式中,p(x,t)为孔道中的压力分布,MPa;p0(t)为 t时刻的孔道气体压力,MPa;θ为相对位置变量。

图1 孔眼压力历程曲线

2.2 附加压力形成现象

图2所示为一容器,假设a中是水,b中是油,在中间隔板预开孔,用一挡板遮住,保持对孔板的压力 pa>pb。当挡板抽开瞬间,会观察到一种现象:有一股强烈射流从a容器通过小孔进入b容器中,而a液面逐渐下降。对于黏度较大的原油,由于其黏滞阻力大,射流现象会更加明显,但当a、b中是同种液体介质,且液面高度相同时,就不会发生射流现象。

图2 水力学射流示意

同理,假设其为重力驱气藏(如图3所示),井筒液柱和静水压头分别对应a、b容器,若孔眼压力为图1所示历程,则由于井筒压力大于地层压力,当能量衰减到与井筒压力相等时,射孔液开始侵入孔道,此时地层流体还来不及渗流到孔道,射孔液对孔道壁便会产生一个附加压力Δp1,但要与形成射孔压实带的压力区分开来,射孔压实带形成于射孔液进入之前,是靠高能气体膨胀形成的。

图3 射孔瞬间流体运动模拟

文献[11]研究表明,贝雷砂岩压实带平均渗透率只有原渗透率的21.90%～28.02%,而射孔液是在孔道相对敞通、几乎无阻力条件下进入的,理论上二者达到原始正压差平衡过程中,地层流体会有短暂的滞后现象,会产生另一个瞬间附加正压力Δp2。对于附加压力造成的水锁损害不容忽视。有必要研究附加压力下射孔液对孔道壁的水锁损害,以对现场作业提供更好的指导。

3 正压射孔中水锁损害模拟试验

过去研究水锁损害只是单一地对比水侵后岩心的气测渗透率与干燥岩心的气测渗透率。水锁损害是岩石固有的性质,但在不同的条件下又有所差别,建立的试验反映的只是一个损害趋势,并非量度,因此室内测得的数据只能作为参考,对不同作业应具体问题具体分析,制订相应的试验方案。赖南君等[12]考虑到外来压力对水锁损害的影响,研究了压裂中工作液强行挤入时的水锁,结果表明,水锁损害随压力增大和时间延长而加重。但正压射孔中射孔液对孔道壁产生的只是瞬间的附加压力,这与压裂中模拟损害有本质的不同。

为平衡油气层,射孔液对地层的正压差设为3.5 MPa,由于确定不同情况下的附加压力较为困难,但其却又客观存在,因此进行模拟试验只能定性反映这种现象。假设作业瞬间附加压力为4.5 MPa,则瞬间的正压差就会达到8.0 MPa。由于低渗气藏岩石致密、渗流空间狭小、微粒不为气体润湿,在低渗气藏一般不存在微粒运移的损害,即也不存在流速敏感性损害[13-14],所以在一定驱替压力范围内,水锁损害是主要的。为此,笔者在前人研究的基础上,考虑射孔附加压力因素,建立了一套试验方案。

3.1 试验方法与步骤

为更真实地反映实际情况,整个过程中岩心不取出来,温度、围压保持不变,定义水锁损害程度为:

式中,I为损害程度,小数;K∞为平均气测渗透率, 10-3μm2;Kf为驱替稳定后的气测渗透率,10-3μm2。

具体试验方法与步骤为:

1)利用水锁试验评价装置(见图4)测干岩样的气相渗透率;

图4 水锁试验评价装置示意

2)在3.5 MPa驱替压力下用一定体积的模拟地层水在岩心出口端反向驱替(由于岩石在工作液柱压力浸泡下,初始含水饱和度破坏,驱替可定性反映在作业中含水饱和度增加的趋势);

3)驱替一定时间,含水饱和度会逐渐高于原始含水饱和度,将不同的时间作为测量点,选取某时间点,停止地层水驱替;

4)缓慢加压让氮气正向驱替,压力加至计量管有气泡缓慢逸出为止,驱替足够长时间,待计量管中气泡流速稳定后测定岩心的气相渗透率;

5)继续在3.5 MPa驱替压力下进行地层水驱替,按步骤4)依次测量接下来时间点的气相渗透率;

6)选取某一时刻,将地层水驱替压力从3.5 MPa迅速升至8.0 MPa,再迅速降低至3.5 MPa,滤出30 mL滤液后停止驱替;

7)重复步骤4)。

对于步骤4),如果驱替过程中气泡流量明显变缓,就适当加大压力保证气泡流量足以被测量,并驱替一段时间再降低至原始压力下测量。

3.2 试验结果及分析

选取东海地区B5井平湖组3块低孔低渗岩心(埋深3 100～3 122 m)进行水锁试验,结果见表1和图5(表中90 min数据为驱替压力迅速转变后测得)。从表1可看出:在3.5 MPa驱替压力下基本上是气测渗透率随着时间延长明显降低;在驱替压力迅速从3.5 MPa升至8.0 MPa再降至3.5 MPa的过程中渗透率降幅较大,后来渐渐趋于平稳。

表1 低孔低渗岩心水锁试验

图5 低孔低渗岩心水锁损害试验结果

从图5可以看出:东海平湖组低孔低渗岩心水锁损害程度比较严重,最高达0.8以上;渗透率低的岩心初始损害程度较大,如P8-23井岩心20 min损害程度已达0.42,且随流体作用时间的延长而增大。特别是在射孔完井时,瞬间附加正压力使水锁损害陡然增大,即使恢复到正常压差下,这种损害也不能降低。如果不考虑瞬间附加压差影响,可能只会得到损害程度在0.2～0.6之间的假象,实质上损害程度最高达0.8以上。当然,试验中人为控制附加压力,不可能等同于真实情况,但附加压力是客观存在的,试验定性反映了附加压力下的损害趋势。对于“先天发育不足,后天易受损害”的低渗砂岩气藏,作业中任何一个细节都不容忽视,众多的细节损害会产生“蝴蝶效应”,从而加大损害程度。

4 结论与建议

1)对正压射孔中附加压力下的水锁损害做出了定量评价,通过试验,验证了低渗气藏正压射孔中存在一定的水锁损害。

2)建议加强正压射孔下射孔液对孔道压力和地层压力重新达到平衡时产生的压差与时间关系的数值模拟工作。

3)降低水锁可采取“暂堵”和“改善”两种思路(暂堵即采用完井液封堵孔喉,减少滤液侵入;改善指在完井液中加入助排剂,降低气-水界面张力,降低水锁损害),对于低渗气藏有必要将二者结合起来,研制优质完井液、射孔液。

4)东海地区低渗砂岩模拟射孔附加压力下的水锁试验表明,瞬间附加压力使水锁损害程度陡然增大,应尽量采用负压射孔;对不能采用负压射孔的胶结力弱、易出砂地层,应研制暂堵-抑制型优质射孔液。

5)侵入的滤液要快速返排,尽量缩短低渗储层浸泡时间,降低自吸效应,尽快诱喷投产,才能最大限度地保护储层。

[1] 王道富,朱义吾,李忠兴.鄂尔多斯盆地低渗透油气田开发技术[M].北京:石油工业出版社,2003.

[2] Bennion D B,Thomas F B,Bietz R F,et al.Water and hydrocarbon phase trapping in porous media-diagnosis,prevention and treatment:The 46thPetroleum Society ATM,Banff,Canada,May 14-17,1995[C].

[3] 谢晓永,孟英峰,唐洪明,等.裂缝性低渗砂岩气藏水基钻井液欠平衡钻井储层保护[J].石油钻探技术,2008,36(5):51-53.

[4] Bennion D B,Thomas F B,Ma T.Recent advances in laboratory test protocols to evaluate optimum drilling,completion and stimulation practices for low permeability gas reservoirs[R]. SPE 60324,2000.

[5] 张振华,鄢捷年.低渗透砂岩储集层水锁损害影响因素及预测方法研究[J].石油勘探与开发,2000,27(3):75-78.

[6] 林光荣,邵创国,徐振锋,等.低渗气藏水锁伤害及解除方法研究[J].石油勘探与开发,2003,30(6):117-118.

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[审稿 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

贾虎(1983—),男,湖北武汉人,2006年毕业于长江大学石油工程专业,2009年获西南石油大学油气井工程专业硕士学位,在读博士研究生,主要从事储层保护及提高采收率技术方面的研究。

联系方式:15902825270;tiger-jia@163.com