疏松砂岩储层敏感性评价方法

徐加放,李小迪,孙泽宁,马英文,孙中富,顾甜甜,陈 哲

(1.中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580;2.中海油天津分公司钻完井部,天津 300452)

疏松砂岩储层敏感性评价方法

徐加放1,李小迪1,孙泽宁1,马英文2,孙中富1,顾甜甜1,陈 哲1

(1.中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580;2.中海油天津分公司钻完井部,天津 300452)

疏松砂岩胶结差,不能钻取柱状岩心,因此无法用常规储层敏感性评价方法进行评价。建立疏松砂岩敏感性评价方法即气体流速法和回收法,利用气体流速法测定岩心的速敏指数,通过流体动能定理,推导气测法测定岩心速敏的临界流速计算方法。给出利用回收法测定储层的水敏、盐敏、碱敏和酸敏特性的计算方法和敏感指数划分原则。结果表明:回收法适合于测定岩心的水敏、盐敏、碱敏和酸敏特性,适合于疏松和/或未胶结砂岩储层的敏感性测定;研究方法操作简便、理论依据充分、数据结果可靠。

疏松砂岩;储层敏感性;评价方法;回收率;气体渗透率

储层敏感性是指油气储集地层在遇到与自身性质差别较大的外来流体时,与外来流体之间发生的物理化学反应。油气层损害则是指这些物理化学反应造成的储层渗透率下降的现象。储层敏感性评价是指利用一定的实验方法来测定某种外来流体对储层岩心渗透率造成的伤害程度,从而为现场钻井、完井、注水等作业施工提供技术支持和理论依据[1-4]。对于疏松砂岩储层,钻取岩心时可以采用密封法、冷冻法和封蜡法等,以保持岩心的完整性。但对于那些已经解除密封,置于岩心库较长时间的松散岩心,无法钻取适合于岩心流动实验的柱状岩心,也就不能够按照相关标准和实验方法[5-6]完成所规定的测试内容。笔者结合流体动能定律[7-8]和岩心回收率[9]实验,建立一种适合于疏松砂岩储层的敏感性评价方法。

1 岩 心

由于岩心胶结疏松(图1),且在岩心库放置时间较长,因而只能取到储层的油砂。将油砂洗油、烘干保存在干燥器中待用。对已洗油岩心进行矿物分析(全矿和黏矿)和扫描电镜等实验,以便预测和分析岩心潜在敏感性矿物和敏感性因素。

图1 疏松砂岩岩心照片Fig.1 Pictures of unconsolidated sand

2 速敏-气测法

2.1 理论依据

油气层中微粒运移造成的损害主要取决于油气层中流体的流动速度[10]。地层流体开始流动时,参与运动的微粒小而少,多为未胶结颗粒,对岩心渗透率影响较小;随着流速增大,参与运动的颗粒逐渐增多,在岩心孔喉处形成“桥堵”,使岩心渗透率明显下降。维持岩心渗透率平稳的最大流体流动速度称为该岩心的临界流速[5,10]。根据最小动能理论[11],固体颗粒是否产生运移取决于流体的动能,且该动能不受流体状态(气体或液体)的影响,而只取决于流体流动所产生的总动能E,即

式中,E为流体动能,J;ρ为流体密度,kg/m3;v为流体的流速,m/s。

若气测时,气体流动所产生的动能与液体相等,则有

可得发生气速敏时的临界流速即为地层水速敏的临界流速,即

因此,气体的临界流速成为获得岩心速敏的关键。假设岩心为一孔隙导体[12],在流量一定的情况下,

若气体密度和水的密度已知,只要测出气测渗透率时的流量、岩心截面积和孔隙度,即可得到地层水的临界速敏流速。

2.2 实验方法

按照参考文献[13]制作人造岩心(图1),并按参考文献[5]测定岩心的气测渗透率。逐渐增大气体的流速,测定并计算岩心渗透率变化规律。

2.3 敏感指数

岩心的速敏指数由下式计算:流体通过某固定截面积柱状岩心的平均流速与岩心的孔隙度成反比,即

式中,υ孔隙为流体通过孔隙时的平均流速,m/s;Q为流体的体积流量,m3/s;A为多孔介质的截面积,m2; φ为多孔介质孔隙度。

将式(3)和(4)联立,可得疏松砂岩岩心发生速敏时的临界流速为

式中,Dv为速敏指数;kmax为临界流速前岩心渗透率的最大值,μm2;kmin为速敏伤害后的最小渗透率, μm2。

气测速敏造成的渗透率损害程度与液体相同[5,10],即:Dv≤0.05,无速敏;0.05＜Dv≤0.30,弱速敏;0.30＜Dv≤0.50,中等偏弱速敏;0.50＜Dv≤0.70,中等偏强速敏;Dv＞0.70,强速敏。

3 水敏、盐敏、碱敏、酸敏-回收法

3.1 实验方法

回收法[9,14-16]是井壁稳定性研究最常用方法之一。为适应储层敏感性研究,对实验方法和步骤进行了调整。

将洗油岩心轻轻粉碎,全部通过100目筛,筛取100～200目岩心颗粒,放到105℃干燥箱中烘干4～6 h,取出,放到干燥皿中密闭冷却,待用;取适量岩心颗粒(50 g)加入到敏感性待测溶液中(350 mL水、盐溶液、酸液、碱液等),轻轻搅拌2～3 h,倒入200目样品筛中,筛取剩余样品;将筛余固相回收,放到105℃干燥箱中烘干4～6 h,取出,放到干燥皿中密闭冷却,称重,计算岩心回收率Rr:

式中,m1为实验前岩心质量,g;m2为回收后岩心质量,g。

3.2 敏感指数

由于酸既可以与砂岩储层中的SiO2发生反应,也可以与黏土矿物发生反应,而水、盐和弱碱一般只与黏土矿物反应,因此,岩心在酸液中的回收率与其他敏感性流体的回收率不同,酸敏的敏感指数也应该与其它试液的敏感指数有所不同,根据对回收率方法、泥岩和疏松砂岩回收率的研究,推荐敏感指数见表1。

表1 敏感性评价指标Table 1 Evaluation indicators for sensibility

4 实验结果分析

取如图1(a)所示的胜利油田某井沙一段(埋藏深度850 m)疏松砂岩岩心碎屑若干,并收集该井及邻井有关资料进行对比分析。根据资料显示,岩心胶结差,粒度分选中等,颗粒磨圆度次棱至次圆,胶结类型为晶粒镶嵌式胶结,接触方式为点－线接触。

4.1 岩心分析

利用X－射线衍射法对该岩心的矿物组成进行分析[2],实验结果及邻井资料见表2、3;同时利用扫描电镜对矿物分布、发育情况进行观察和分析[2],结果见图2。

表2 岩心全矿物分析结果Table 2 Total mineral analysis by X-ray diffraction %

表3 岩心黏土矿物分析结果Table 3 Clay mineral analysis by X-ray diffraction %

对比实验结果与邻井资料,各种矿物的含量差别不大,黏土矿物的相对含量测试结果也比较接近,且三种岩心同属一个地层,埋藏深度接近,因此,该井岩心敏感性应该与邻井差别不大,也是该实验方法参考的重要依据。

图2 岩心扫描电镜分析结果Fig.2 Pictures by SEM

4.2气测速敏实验

洗油后岩心完全变成分散的颗粒,不加入黏结剂时压制岩心遇水分散(标准盐水,图3),而加入黏结剂则可能改变岩心颗粒的表面特性,失去了实验的真实性,因此,采用人造岩心利用气体测定岩心的敏感性,实验结果见图4。

图3 人工岩心遇水前后对比Fig.3 Core's comparison before and after immersed in water

由图4看出,在流量为0.11 cm3/s时岩心渗透率损失近30%,渗透率最大损失率超过了80%。因此,根据敏感性指数认定该岩心为强速敏,临界气流速为0.11 cm3/min[5]。

图4 岩心渗透率损失率与气体流量的关系Fig.4 Permeability changing with gas flowing speed

实验测得该岩心的直径为2.54 cm,孔隙度为0.30,则水的临界流速可以计算如下:

因此,该岩心的临界流速为2.60×10－5m/s。

查阅岩心相邻区块敏感性资料(同为疏松砂岩,采取冷冻取心法),计算地层水临界流速为2.26 ×10－5m/s,误差为13%。表明该方法具有一定可比性。

4.3 酸敏、盐水敏及碱敏

实验岩心的酸敏、盐水敏和碱敏实验结果见表4(实验程序按参考文献[6]进行)。

表4 岩心酸敏、盐水敏、碱敏实验结果Table 4 Experimental results for acid,salt,water and alkali sensitivity

表4表明:对于酸敏,岩心的回收率较低,且随酸度增加而变小,结合推荐敏感性指数和邻井测试结果(邻井1:酸敏损害率59.2%;邻井2:酸敏损害率89.0%),该地层属强酸敏性地层。

对于盐水敏,邻井1使用模拟地层水驱替时其液体渗透率偏低,属强水敏性岩样,临界矿化度不低于模拟地层水;邻井2使用1%氯化钾溶液驱替时(0.05 cm3/min)流动实验压力超过10 MPa,出口流量极低无法获取液体渗透率值,属强水敏岩样。该地层岩心盐敏矿化度较高,在1%氯化钾溶液中已经发生较严重水敏,且0.05 cm3/min已严重超出速敏的临界流量,造成实验失败。对比图3可知,该地层岩心以黏土矿物接触胶结为主,孔隙黏土矿物发育但胶结疏松,因此可以说明该地层岩心水敏性很强。

对于碱敏,邻井1碱敏损害率73.7%,属强碱敏,临界pH值7.0;邻井2碱敏损害率70.8%,属强碱敏,临界pH值7.0。该结果的不当之处在于实验仍是在1%盐水中进行,岩心已经发生水敏,因此测试结果可能是水敏结果,而不是碱敏造成的。由于岩心水敏性较强(即使是模拟地层水),因此碱敏实验利用8%KCl溶液代替模拟地层水,以消除由于水敏带来的实验误差,用NaOH溶液调节pH值为7～13。实验结果表明,该地层岩心无论是在弱碱性还是强碱性条件下的回收率都比较低,而在pH值约为10时才比较高,因此认为其临界pH值为10而非7。

5 结 论

(1)建立了一种疏松砂岩储层速敏实验方法－气测法,并通过流体动能定律推导出了地层水条件下发生速敏的临界流速。

(2)建立了一种疏松砂岩储层水敏、盐敏、碱敏和酸敏的快速评价方法－回收率法,并给出了敏感指数划分方法。

(3)该方法操作简单,理论依据充分,实验结果具有很好的可参考性,特别适合于疏松和/或未胶结砂岩储层的敏感性测定。

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(编辑 刘为清)

Evaluation methodology of formation sensitivity for unconsolidated sandstones

XU Jiafang1,LI Xiaodi1,SUN Zening1,MA Yingwen2,SUN Zhongfu1,GU Tiantian1,CHEN Zhe1
(1.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 2.Drilling&Completion Department of CNOOC Limited in Tianjin,Tianjin 300452,China)

The conventional evaluation methods for the formation sensitivity are not applicable to the unconsolidated sandstones because of its unconsolidation,which leads to be unable to get columnar cores.The evaluation methods for unconsolidated sandstone sensitivity were established,which are gas flow rate method and recovery method,respectively.The gas flow rate method measures the velocity index of cores.Then,the critical flow rate of the velocity index was deduced using gas-testing method by kinetic energy theorem of fluid.And the sensitivity calculation formulation and sensitivity index dividing principle of water,salt,alkali and acid were given by recovery method.It is found that the recovery method is fit for water sensitivity,salt sensitivity,alkali sensitivity and acid sensitivity.The results show that the method is easy to proceed,and has a firm theoretical foundation.And the experimental data are reliable.

unconsolidated sandstone;formation sensitivity;evaluation method;recovery;gas permeability

TE 256

A

1673-5005(2014)05-0130-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.05.018

2014－05－13

国家自然科学基金项目(41072094);国家“973”项目(2015CB251206);山东省自然科学基金项目(ZR2012EEM020)

徐加放(1973－),男,副教授,博士,主要从事井壁稳定、钻井液及油气层保护教学科研工作。E－mail:xjiafang@upc.edu.cn。

徐加放,李小迪,孙泽宁,等.疏松砂岩储层敏感性评价方法[J].中国石油大学学报:自然科学版,2014,38 (5):130-134.

XU Jiafang,LI Xiaodi,SUN Zening,et al.Evaluation methodology of formation sensitivity for unconsolidated sandstones [J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(5):130-134.