储气库井注气压力剧变诱发微粒运移实验模拟

康毅力 邵佳新 游利军 高新平 陈明君 谭启贵 韩慧芬

1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学；2.中国石油西南油气田分公司工程技术研究院

相国寺储气库是中石油建设的地下储气库之一，是各大气区天然气管道建设的重要一环，具有缓解高峰供气、事故应急供气和战略储备供气的功能［1-2］。相国寺储气库以枯竭型碳酸盐岩气藏为基础建设，具有强注强采、建设周期长、技术难点多的特点［3-6］。相国寺构造隶属川东南中隆高陡构造区华蓥山构造群，地层倾角大，构造破碎［7］。不同地质历史时期的构造应力和地质作用形成了不同尺度的裂缝，其中以小开度网状裂缝和孔洞为主，是工作液漏失和微粒运移的潜在通道［8］。相国寺储气库是典型的枯竭型碳酸盐岩气藏，注气过程中储层压力会增加；储气库注入井在单注过程中，由于地面气体压缩机的故障可能存在气体注入压力波动，即注入压力时高时低的情况。注入压力的递增或波动会诱发储层中的碳酸盐矿物、黏土矿物和裂缝壁面的微粒发生运移。因此，针对储气库注气时的压力变化特点，在室内开展模拟实验，以提高储气库注气效率。

微粒运移是造成储层损害的一种重要方式［9-10］。微粒运移包括微粒的释放和运移，并最终堵塞渗流通道的过程［11］。Hunter R J 等(1962)研究表明当孔隙尺寸与微粒匹配度较低时，压力导致孔隙和裂缝壁面的形变对微粒滞留影响很小［12］。Sharma M M 等(1989)研究了不同pH 值、流动速率和微粒浓度等条件下，将黏土悬浮液注入填砂管后孔喉尺寸的分布变化［13］。Muecke 等(1979)用显微镜观察了液体流动时2～15 μm 的碳酸钙颗粒运移情况，分析了流速和润湿性对微粒运移的影响［14］。

以往学者多研究微粒运移对油层的损害，而基于气层领域的微粒运移相对研究较少，系统评价储气库井注气压力变化所诱发的微粒运移实验研究更是罕见。笔者选取相国寺储气库黄龙组碳酸盐岩储层岩样，开展了气体速敏实验、应力敏感实验以及模拟注气压力递增和压力波动两种变化形式下的岩心流动实验，测试了驱替压力递增和压力波动下岩心的渗透率和出口端微粒浊度等参数，并结合XRD和SEM 等手段，分析了微粒运移的潜在微粒类型，以及诱发微粒运移的机理。

1 实验样品与方法

1.1 实验样品及装置

实验岩样取自川渝地区相国寺储气库黄龙组碳酸盐岩储层，埋深为2 300～2 600 m，地层温度为62.23 ℃，储气库库容40.5×108m3，垫底气量17.7×108m3，工作气量22.8×108m3［1］。岩样进行切割和人工造缝后，直径24.50～25.10 mm，长度42.86～45.80 mm，孔隙度1.98%～5.96%，平均3.02%，渗透率(3.014 3～417.373 4)×10-3μm2，平均47.414 6×10-3μm2，裂缝宽度8.87～45.94 μm。实验岩心具体参数如表1所示。实验装置主要由围压系统、岩心夹持器、恒流/压泵、质量流量计、压力传感器、数据采集系统等组成(图1)。

表1 实验岩心物性参数Table 1 Physical parameters of experimental cores

图1 岩心流动实验设备Fig.1 Device for core flow experiment

1.2 实验方法

开展碳酸盐岩应力敏感实验以验证驱替压力递增和压力波动实验中应力敏感对实验影响较小或无影响。开展碳酸盐岩气体速敏实验以验证压力梯度远小于驱替压力递增和压力波动岩心流动实验中压力梯度时，便会发生微粒运移。

1.2.1 应力敏感实验

基于研究区注采井的地层压力变化情况设计实验步骤：(1)将预先处理好的裂缝岩心放入岩心夹持器，首先在40 MPa 有效应力下进行老化处理；(2)测试有效应力为2、10、20、30、35、45、50、60 MPa 条件下的岩心渗透率；(3)采用应力敏感系数法［15］进行应力敏感程度评价，评价标准如表2 所示，应力敏感系数SS计算公式为

式中，SS为应力敏感系数；σ0为初始有效应力，MPa；k0为初始有效应力σ0对应的渗透率，10-3μm2；σi为各测试点的有效应力，MPa；ki为各测试点的有效应力σi对应的渗透率，10-3μm2。

表2 应力敏感程度评价标准Table 2 Stress sensitivity degree evaluation standard

1.2.2 速敏实验

在借鉴SY/T 5358—2010《储层敏感性流动实验评价方法》的基础上设计了气体速敏实验，使之更加符合于储气库储层为气层的实际情况，具体实验步骤：(1)将预先处理好的裂缝岩心放入岩心夹持器中，加高围压，静置4 h，消除应力敏感；(2)保持围压始终大于入口压力2 MPa，测试压力梯度0.01、0.035、0.06、0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.8、1.6、2 MPa/cm 下的渗透率；(3)确定临界流速点，如果某流速引起的渗透率变化率＞5%说明发生了速敏，该流速为临界流速。速敏程度评价标准见表3，速敏引起的渗透率损害率由式(2)计算。

式中，DK1为速敏引起的渗透率损害率，%；kW1为临界流速前岩心渗透率的算术平均值，10-3μm2；kmin为临界流速后岩心渗透率的最小值，10-3μm2。

表3 速敏程度评价标准Table 3 Velocity sensitivity degree evaluation standard

1.2.3 驱替压力递增与压力波动的岩心流动实验

根据储气库井生产动态曲线，结合注入压力与地层压力的压差变化范围和室内实验实际情况确定有效应力值和驱替压力值，并设计了驱替压力递增和压力波动的岩心流动实验。渗透率损害率DK由式(3)计算。

式中，k1为初始渗透率，10-3μm2；kx为实验过程中渗透率最小值，10-3μm2。

微粒浊度变化通过驱替前后岩心出口端烧杯内蒸馏水的浊度差表征。实验过程中，应力敏感和滑脱效应等因素可影响渗透率，因此，实验前保持高围压以消除应力敏感，实验过程中采用高纯N2作为气测介质，对实验结果进行线性回归以消除或减小气体滑脱效应。

模拟注入压力递增的岩心流动实验步骤：(1)将基块岩心进行烘干、造缝等预处理；(2)保持围压40 MPa，岩心静置4 h 消除应力敏感；(3)保持有效应力40 MPa，测定实验前岩心渗透率，记为基准渗透率(k1)；(4)保持有效应力恒定40 MPa，测定驱替压力依次为1.5、2、4、8、10 MPa 时的渗透率；(5)通过浊度仪实时监测上述岩心出口端烧杯中蒸馏水浊度。模拟注入压力波动的岩心流动实验与压力递增实验的区别是步骤(4)，改为保持有效应力恒定40 MPa，测定驱替压力依次为4、8、4、8、4、8、4 MPa，以及气体驱替压力依次为4、6、4、8、6、8、10、8、10 MPa 时的渗透率。最后采用SEM 和XRD 对实验前后的岩心进行观察分析。

2 实验结果分析

2.1 应力敏感实验

由图2 可以看出，随着有效应力的增加岩心渗透率降低。计算得到YXH-A、YXH-B 岩心的应力敏感系数分别为0.20 和0.34，应力敏感程度为弱～中等偏弱。

图2 岩心渗透率与有效应力关系Fig.2 Relationship between core permeability and effective stress

2.2 速敏实验

岩心速敏评价结果见表4，气体渗透率损害率范围为43.96%～62.11%，平均52.51%，速敏程度为中等偏弱～中等偏强，随着压力梯度的增加，岩心渗透率先增加后降低，最后趋于平缓(图3)。

表4 速敏实验评价结果Table 4 Evaluation results of velocity sensitivity experiment

图3 速敏实验无因次渗透率与压力梯度关系Fig.3 Relationship between dimensionless permeability and pressure gradient in the velocity sensitivity experiment

2.3 驱替压力递增与波动下的气体渗透率测定

由表5 测试结果可以看出，驱替压力递增和波动下岩心渗透率均明显降低，驱替压力递增和波动下岩心平均渗透率损害率分别为77%和57%。分析认为，由于驱替压力的递增和波动，使得岩心裂缝壁面微粒附着程度降低并脱落，发生微粒运移。

表5 实验岩心渗透率损害结果Table 5 Permeability damage results of experimental cores

2.3.1 驱替压力递增的微粒运移机制

驱替压力递增的3 块岩心气体渗透率呈现出不同的变化特征(图4a)。实验过程中驱替压力递增到大于突破压力时，堵塞渗流通道的部分微粒被排出［16］，渗透率发生变化，岩心YXH-1 和YXH-3 的渗透率分别呈现出阶梯式递减和时减时增的形式。微粒粒径与裂缝宽度之间的匹配关系较好时，可以实现稳定架桥［17］，YXH-2 的裂缝宽度小于YXH-1 和YXH-3，渗透率为线性递减，表明微粒与裂缝匹配关系较好。速敏实验显示在较小的驱替压力梯度下会发生速敏，驱替压力递增过程中的压力梯度远大于发生速敏时的临界压力梯度，增大驱替压力可以起动裂缝壁面附着更牢固的微粒，大量微粒仍会通过桥接的方式堵塞裂缝宽度较大的岩心YXH-1 和YXH-3，导致渗透率降低［18］。

图4 驱替压力递增下的渗透率变化及渗透率与浊度关系Fig.4 Permeability variation and permeability-turbidity relationship under the influence of progressive displacement pressure increase

浊度是一种光学效应，是指水中悬浮物透过光线时所发生的阻碍度。水中的微粒浓度越大，水层对光的吸收和散射能力越强，浊度就越大［19-20］。康毅力等(2018)研究刚性堵漏材料在裂缝中的滞留行为时，用出口端颗粒浊度与入口端初始颗粒浊度的比值C/C0来反映固相通过裂缝时的滞留情况，比值越大说明滞留概率越小，流出的颗粒越多［21］。通过驱替压力递增的渗透率与浊度关系曲线(图4b)可知，岩心渗透率降低的同时出口端浊度发生波动，浊度波动说明发生了微粒运移，同时在岩心出口端排出微粒。

2.3.2 驱替压力波动的微粒运移机制

驱替压力波动的渗透率变化曲线见图5a，3 块岩心气体渗透率损害率范围为53%～61%。通过驱替压力波动的渗透率与浊度关系曲线可知(图5b 黑色虚线以左)，岩心渗透率波动，但对应的浊度没有呈现出良好的负相关关系。微粒在裂隙狭窄处受压力波动影响较大，由于微粒与裂缝壁面发生频繁碰撞，出现时走时停现象，因此渗透率出现波动［22］。驱替压力波动时，在裂缝内以压力波的形式传播，压力波沿缝长方向传播时呈现压力衰减的过程［23］，因此微粒运移程度较弱，渗透率损害率较小。

图5 驱替压力波动下的渗透率变化及渗透率与浊度关系Fig.5 Permeability variation and permeability-turbidity relationship under the influence of displacement pressure fluctuation

驱替压力波动递增阶段(图5a 黑色虚线以右)，渗透率损害率增加。压力的波动式递增给岩心施加一个外部载荷使裂缝壁面微粒附着能力降低，微粒在高速流体下产生滑动和运移，运移至狭窄或更加平衡的位置上，堵塞渗流通道［24］。两个压力点的波动范围在1～1.5 倍之内时(图5b 黑色虚线以右)，渗透率损害率较小。驱替压力递增下的平均渗透率损害率比驱替压力波动下的高20% (表5)，表明岩心渗透率相近的情况下，驱替压力递增引起的微粒运移程度强于驱替压力波动。

2.3.3 驱替压力递增后裂缝壁面分析

(1)裂缝壁面结构特征。图6 是实验前后YXH-1 岩心裂缝壁面扫描电镜照片，分析裂缝壁面微观表征结果认为，裂缝壁面出现微粒脱落现象。由于储层基块岩心胶结致密，流体流动过程中附着牢固的微粒难以脱离裂缝壁面，所以认为岩心裂缝壁面发生微粒运移的先决条件是其壁面必须存在脆弱结构［25］。由于选用的岩心中白云石和方解石等碳酸盐矿物含量相对较高，岩心样品进行人工造缝后，裂缝壁面产生大量脱落的微粒。虽然实验前已将大量脱落的微粒清除，但仍可能因为驱替压力过大产生微粒［26］。通过扫描电镜对实验前后岩心样品的裂缝壁面进行观察，发现裂缝壁面真实分布有大量松散、附着程度低的脆弱结构，当驱替压力超过临界压力时［27］，裂缝壁面的微粒在气体的拖拽下发生拉张破坏，微粒脱落并发生运移。

图6 驱替压力递增实验岩心裂缝壁面扫描电镜照片Fig.6 SEM photo of the wall surface of the cores in the experiment with progressive displacement pressure increase

(2)裂缝壁面微粒类型分析。通过扫描电镜对实验后的样品进行观察，发现岩心裂缝壁面存在大量的脆弱结构，对实验后岩心裂缝壁面微粒进行XRD 分析(表6)，结果表明实验后裂缝壁面微粒以碳酸盐矿物为主，其中白云石含量较高，方解石次之，还有极少量的石英和黏土矿物，该结果和实验前XRD 分析结果一致，但实验后矿物含量均降低。

表6 驱替压力递增实验岩心YXH-1 的XRD 分析结果Table 6 XRD analysis results of core YXH-1 in the experiment with progressive displacement pressure increase

3 结论与建议

(1)储气库井实际注气压力梯度远大于岩心发生速敏时的临界压力梯度，注气压力过大会起动更多的微粒，实际作业时应维持合理的注气压力递增速率，控制相邻注气压力点的差值范围。

(2)驱替压力波动引起岩心裂缝壁面脆弱结构附着程度降低是微粒运移的一个重要诱发机制，裂缝壁面附着程度低且尺寸小于裂缝及孔喉的微粒发生脱落运移将桥接堵塞渗流通道。应定期排查地面压缩机故障，防止其引发注气压力波动。

(3)建议注气前对近井地带储层中固有和无法返排微粒进行小规模酸洗清除，防止微粒在注气过程被带入储层深部；同时裂缝酸蚀后会拓展注气通道，提高注气效率。