大尺寸砂岩靶射孔孔道损伤评价*

郭书生 梁 豪 崔佳莉

(1. 中海石油(中国)有限公司海南分公司 海南海口 570300; 2. 中海油能源发展工程技术公司湛江分公司 广东湛江 524057)

“十三五”资源评价结果表明:中国近海主要盆地深层石油资源量占比44%,天然气资源量占比86%,海洋深层油气藏成为海洋油气勘探的重点方向和领域[1-2]。受海上作业空间、能力及费用(300万～500万元/天)等限制,海洋深层油气藏产能释放手段极其有限,射孔是该类油气藏构建油气流动通道、获取地层真实产能的关键手段。射孔过程中高速金属射流穿透油气层会致使射孔孔道周围的岩石结构受到严重破坏,在孔眼附近形成“压实损害区”或“射孔损害带”[3-6],导致岩石孔隙度和渗透率下降,进而严重影响油气井产能。黄风雷 等[7]以贝雷砂岩为靶材,利用自制的试验仪器在地面条件下完成射孔试验,并对射孔损害区进行核磁共振试验,试验表明贝雷砂岩损害区的厚度大约为1.25 cm,损害区内岩石的孔隙度和渗透率下降明显,渗透率将降至原渗透率的25%～30%,由于射孔过程造成近孔眼区域的岩石的压实损害,将严重地影响油井的生产流动效率。李东传 等[8-9]利用贝雷砂岩靶完成了负压射孔及流动测试研究,核磁共振试验测试表明射孔将造成压实带的平均孔隙度下降13.1%～21.8%,平均渗透率下降率72.0%～78.1%,他认为尽管混凝土靶通常被用作检验聚能射孔器穿孔性能的标准物,但混凝土靶抗压强度波动大,会严重影响试验结果和评价结论。薛世峰 等[10]和韩耀图 等[11]按照API RP-19B标准流程,利用超高温、高压射孔效能检测装置模拟储层与井筒环境条件,对砂岩靶进行射孔,并提出了一种用于CT扫描定量评价射孔压实带孔隙度和渗透率损伤程度的方法。通过调研发现,当前对于射孔效果的检验主要基于地面水泥靶、钢靶或小尺寸砂岩靶进行实验,无法真实评价原位地层条件下的射孔效果、流动效率,对于射孔孔道压实伤害机理、伤害程度认识不清,射孔优化核心参数表皮系数的计算需要压实带半径和压实带渗透率,但无实测数据支撑,导致射孔优化结果缺乏针对性。为此,研发模拟原位地层条件下的大型射孔物理模拟装置及实验技术,明确射孔压实损伤机理,准确测量压实区域参数,对于指导射孔器材选择、射孔参数优化具有重要意义。

1 大尺寸砂岩靶的优选与制作

目前检测射孔效果的砂岩靶直径均小于200 mm,小尺寸的砂岩靶射孔后易断裂,孔道周围沿靶体易形成贯穿裂纹,如图1所示,无法真实反映地下条件射孔后的真实形态,也无法满足后期模拟流动实验[12]。

图1 砂岩靶射孔摸底试验结果(φ200 mm ×1 000 mm)

为改善射孔评价效果,以南海珠江口盆地珠海组三段储层为研究对象,地层埋深大于3 500 m,储层物性差异大,非均质性强,孔隙度主要分布在8.5%～11%,渗透率K<1 mD范围占比61.9%,属于低渗-特低渗储层,利用声波、密度等测井参数及室内实验表明储层段岩石抗压强度57.6～65.0 MPa,岩石石英含量平均为67.4%,长石含量平均为15%,方解石含量平均为1.6%,黏土矿物含量平均为16%。基于以上储层特征参数,走访调研了13个砂岩厂采集样品,综合考虑砂岩常规孔渗、覆压孔渗、抗压强度及矿物组分优选砂岩靶,制取了直径400 mm大尺寸砂岩靶(图2)进行后期射孔物模实验。

图2 砂岩试验靶成品(φ400 mm×1 000 mm)

2 大尺寸射孔实验装置及流程

为提升射孔检测效果,研发了适用于直径400 mm的砂岩靶射孔实验装置(图3),其主要由高温高压容器、中间分隔装置、靶套装置、靶支撑装置、射孔单元、限位筒、加热装置、支撑装置组成,分为3个压力腔室(井筒压力腔、围压腔、孔隙压力腔),其中围压腔室通过柔性介质传递压力至砂岩靶体上,形成包覆应力;孔隙压力腔室承载砂岩靶体,并通过向靶体内注入压力介质,模拟实际地层孔隙中的油气压力;井筒压力腔承载射孔器,并通过压力介质加载,模拟实际井下套管内的静液柱压力,具体设计参数见表1。实验时,将准备的实验用砂岩靶、靶套装置和模拟工装组装在一起,并与装有射孔弹的射孔单元相连接,一起放入高温高压容器中,通过进压接口及加热装置升温升压,在各腔压力和温度达到目标值后关闭进压通道,监测压力、温度稳定后引爆射孔弹;射孔后保持射孔时有效应力,根据所需的流动压差,对岩心施加孔隙压力,使流动介质流过岩心,进行流动性测定。

表1 高温高压射孔系统各部件设计性能参数

图3 升级改造后试验装置结构示意图

装置中设有射孔前后实验用靶渗透率测量的基本功能,在射孔前后可直接测量大尺寸砂岩靶的渗透率,从而评价射孔前后实验靶流动效率的变化情况;同时孔隙压力腔可实现气液压力转换功能,可分别模拟油、气藏储层的流动特性;射孔和流动测试一体化,减少了装置拆卸流程,提高实验测试成功率。与国内外现有的砂岩靶射孔流动效率测试装置相比,该装置的尺寸更大,能够容纳较大尺寸的砂岩靶(φ400 mm×800 mm),可有效避免射孔过程中样品破碎起裂造成的不利影响;同时通过装置内部腔体分隔结构的合理设计,满足较大压差(≤60 MPa),可实现大负压射孔、超正压射孔等特殊射孔工艺的模拟实验。

3 实验结果与分析

3.1 温度对射孔参数影响

选取常规深穿透、超深穿透射孔弹,开展不同温度条件下的射孔实验,射孔形态如图4所示,围压及温度对穿孔深度的影响如图5、6所示。对比不同围压下的射孔穿深,发现相同射孔弹围压越大,穿深越浅。CN_127-40高温弹耐温160 ℃/48 h,在未超过射孔弹耐温界限的条件下温度对射孔深度及孔径的影响均较小:温度由50 ℃升高至150 ℃,射孔深度仅由309 mm缩短至297 mm。

图4 大尺寸砂岩靶射孔形态

图5 不同围压对射孔深度的影响

图6 不同温度对射孔深度的影响

3.2 不同有效应力、负压对射孔参数影响

有效应力、负压条件对砂岩靶射孔参数的影响结果如图7～9所示。由结果可以看出,有效应力越大,射孔深度越小,负压对于穿深没有影响;有效应力与负压对孔径影响较小;砂岩靶强度从40 MPa增加到60 MPa,射孔深度减小了47 mm,降幅11%,射孔孔径仅减小了0.2 mm,降幅约2%;负压大小与砂岩靶的流动能力呈正相关性,负压越大,流量增加。

图7 有效应力对砂岩靶射孔深度的影响

图8 负压条件对砂岩靶射孔深度的影响

图9 负压条件对砂岩靶流动能力的影响

4 射孔损伤区域评价

4.1 岩心扫描系统

自动岩心扫描系统是一种利用使用稳态气流注入技术来确定岩心样品任意点渗透率的仪器。该系统核心仪器是气体渗透性探头,它是一种在平台上自动扫描测量的探头(图10),可实现射孔砂岩靶轴向和径向开展平面(点、线、面)渗透率扫描(图11),获得靶体渗透率展布变化特征,从宏观上落实射孔损伤形态、面积和厚度等参数,并为微观损伤分析微CT实验取样提供依据。

图10 具有渗透性探头的自动扫描系统

图11 探头测试流动原理

实验测试的表观渗透率Kapparent计算公式如下:

(1)

式(1)中:p为注入压力,Pa;patm为大气压力,Pa;Q为大气压下的体积流量,m3/s;μ为气体动力黏度,Pa·s;a为内部顶部密封半径,m;Go为无量纲几何因子。

4.2 样品取样设计

为实现射孔砂岩靶沿孔道轴线和径向方向损伤特征,射孔损伤岩样制备具体要求为:砂岩靶射孔打靶后将射孔靶沿轴向方向对半剖开,并沿射孔孔道对称取1/2 (图12);砂岩靶射孔打靶后沿轴向方向将射孔靶射孔孔道不同位置(入口段、中部、末端等)方向沿径向方向切开(图13)。

图12 轴向剖面示意图

图13 径向剖面示意图

4.3 砂岩靶射孔损伤特征

利用岩心扫描系统测试获得了4组射孔砂岩靶不同位置点渗透率,绘制获得其对应的渗透率分布云图,并结合聚类分析法获得了对应砂岩靶的分区分带(图14)。从图14可以看出,射孔砂岩靶表现的明显的分区分带特征,即射孔孔道存在明显的高渗带-破碎带,射孔孔道附近存在明显的低渗透带-压实带,破碎带与压实带间可能存在过渡带,远离射孔孔道处为原状带;不同射孔工艺及弹型射孔后砂岩靶分区分带特征差异较大,比较不同射孔工艺发现负压射孔过渡带可能被掩盖掉(图14c、e)。

注:1#、3#、4#渗透率分布图中黑色箭头代表射孔孔道方向;b、d、f图例中的x表示靶扫描纵坐标位置,即沿射孔径向方向的距离。

利用岩心扫描系统对4组砂岩靶沿孔道轴向和径向方向宏观平面(点、线、面)渗透率、纵横波扫描,落实砂岩靶渗透率、孔隙度定量表征。其中渗透率是岩心扫描系统测量直接获得,而岩石孔隙度利用全岩心扫描系统波速进行计算。岩石声波速度随着密度的增加而增加。根据不同地区砂岩岩样密度与纵横波速关系的统计,筛选了与本地区计算结果相近的公式。岩心扫描系统实现射孔靶点、线、面不同位置纵横波速的扫描,进而可以计算得到射孔靶点、线、面不同位置的密度。根据密度测井曲线可以计算岩石的孔隙度。综合32组砂岩靶孔道分析结果,射孔砂岩靶损伤区带特征:可划分为破碎带、过渡带、压实带和原状带,破碎带与原状带渗透率比值范围为1.51～5.57,压实带与原状带渗透率比值范围为0.57～0.72,破碎带与原状带孔隙度比值范围为1.007 5～1.040 4,压实带与原状带孔隙度比值范围为0.964 2～0.995 1,负压射孔有助于降低损伤。

4.4 砂岩靶射孔损伤微特征

为了明确宏观与微观一致性,并从微观角度进行深入剖析,分别采用微CT扫描和扫描电镜等微观手段开展了相关研究。下面对典型砂岩靶CN_127-16超高温5-0靶不同区带微观特征进行分析。CN_127-16超高温5-0靶开展了1#、3#、5#等3个位置取样分析分别对应原状带、压实带和破碎带(图15)。

图15 CN_127-16超高温5-0靶取样位置与渗透率对应关系对比图

将所取岩样进行微CT扫描获得3个位置样品的孔隙度计算成像图,如图 16所示。从图16可以看出,相比原状带而言,破碎带的孔隙度高于原状地层,其主要原因是射孔弹高速冲击岩石,在射孔孔道处在冲击波震动及子弹剪切作用下岩石胶结变弱,孔隙间变得更为松散,此外在应力载荷下岩石可能出现剪切裂缝的特征;而子弹冲击岩石时,在孔道远端存在加载的压实载荷,因此在射孔孔道远端存在明显的低孔低渗特征(图15、16)。该现象从分辨率更高的扫描电镜中进一步得到证实。

图16 CN_127-16超高温5-0靶不同取样位置孔隙度成像对比图(蓝色为孔隙)

CN_127-16超高温5-0靶中分别沿着射孔孔道4#、5#、6#处(破碎带,图15a)取样,利用扫描电镜设备扫描样品,均发现了在应力载荷下明显的裂缝特征(图17)。

图17 CN_127-16超高温5-0靶沿孔道不同破碎带扫描电镜实验结果

为了进一步对比分析原状、压实和破碎带微观特征,分别沿着射孔孔道同一位置不同区带进行取样,获得了样品全区形貌及微观孔隙特征(图18)。从整体全区形貌破碎带颗粒相对松散,压实带颗粒更为紧密,同时从微观孔隙大小看,破碎带孔隙尺寸要大于原状带,而原状带孔隙尺寸要大于压实带。

图18 CN_127-16超高温5-0靶样品全区形貌及微观孔隙特征

在上述微观结构和孔隙分析基础上,结合微CT扫描和数字岩心重构技术,建立孔喉连接关系,并按孔、喉的等效半径大小分别对孔、喉进行显色表征,红色代表大的等效半径,蓝色代表小的等效半径(图19)。

图19 CN_127-16超高温5-0靶不同位置取样的孔隙网络模型

基于孔隙网络模型计算获得的原状带、压实带、破碎带的渗透率分别为2.518、0.523、20.220 mD。同时,从孔隙网络图可以看出破碎带5#样连通喉道尺寸及数量均最大,3#样几乎不连通,渗透率较小。综合微CT、扫描电镜等明确射孔损伤机制:孔道内壁受剪胀作用,孔隙度、渗透率增加;压实区域受塑性挤压,大幅降低喉道直径,导致孔隙度、渗透率显著下降。

5 结论

1) 与小尺寸射孔砂岩靶相比,φ400 mm砂岩靶无裂痕;对比混凝土靶的射孔数据,砂岩靶穿深急剧下降,且不存在明显的裂纹,不同弹型射孔穿深下降幅度不一(下降至混凝土靶数据的17%～40%),温度对射孔深度无明显影响。

2) 射孔孔道径向表现为破碎带、过渡带、压实带及原状带等4个区域,平均压实带厚度17.1～79.95 mm,压实损伤率12%～63%,破碎带的孔隙度、渗透率大于原状地层,而原状带孔隙度、渗透率要大于压实带。

3) 综合微CT、扫描电镜等明确射孔损伤机制:孔道内壁受剪胀作用,孔隙度、渗透率增加;压实区域受塑性挤压,大幅降低喉道直径,导致孔隙度、渗透率显著下降。