不同岩性致密砂岩水锁伤害深度实验研究

王文雄, 肖 晖, 叶 亮, 古永红, 李泉辉, 王亚娟, 梁朝阳

(1. 中国石油长庆油田分公司 油气工艺研究院,西安 710000；

2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,西安 710000；

3. 重庆科技学院 石油与天然气工程学院,重庆 401331)

长庆油田盆地东部致密砂岩气藏具有低孔、低渗、岩性复杂等特征,必须通过大规模水力压裂方可获得经济产量。水力压裂后大量液体进入地层,不可避免地造成水锁伤害[1-3],导致压后产量降低。目前,对储层微观特征[4]、水锁伤害特征[5-6]、伤害程度[7-8]和降低水锁伤害措施[9-10]的研究较多,但伤害深度的研究较少[11-13]。不同岩性砂岩水锁伤害存在较大差异,对致密砂岩气藏的水锁伤害规律认识不清,制约了致密砂岩气藏的有效开发。水锁伤害评价方法主要有渗透率损害法、水相圈闭指数法、回归分析、分形特征分析和总水体积法等[14-16],以实验研究为主。该文采用长庆油田盆地东部不同岩性砂岩岩心,开展水锁伤害程度和伤害深度实验研究,探索不同岩性对水锁伤害的影响规律,为致密砂岩气藏开发提供指导。

实验岩心取自长庆油田盆地东部和榆林的山2、盒8以及本溪组层位,包含盆地东部石英砂岩、榆林石英砂岩、岩屑石英砂岩和岩屑砂岩等4种岩性。实验岩心基础物性和矿物组成见表1。

表1 水锁伤害程度实验岩心基础物性和矿物组成Table 1 Basic physical properties and mineral composition of experimental cores for water blocking damage

1.1 实验装置及方法

实验所用岩心驱替装置主要包括夹持器、围压泵、中间容器、计量泵、压力传感器和气体流量计等。最高驱替压力80 MPa,最高围压80 MPa,最高温度180 ℃。测量用岩心为标准尺寸岩心,长度2～10 cm。

实验方法：1)岩样烘干,测试岩心孔隙度和气测渗透率；
2)岩样饱和标准盐水,采用氮气恒压气驱,每10 min计算一次含水饱和度(可动水含水饱和度)和对应的气测渗透率,直至没有水流出，关闭流程,对岩心称重；
3)在45 ℃烘干岩心,每烘30 min,称重样品计算其含水饱和度(不可动水含水饱和度)并测试气测渗透率,直至含水降至10%后停止实验。测试条件为室温,围压8 MPa,驱替压力6 MPa,氮气测试。

1.2 数据处理方法

根据上述实验方法测得的数据,利用式(1)可以计算得到不同含水饱和度下的水锁伤害程度。

(1)

式中：Dwi为水锁伤害率,%；
Kg为样品不含水时气测渗透率,mD；
Kwgi为样品不同含水饱和度时的气测渗透率,mD。

水锁伤害程度评价指标：Dwi≤5为无伤害,590为极强伤害。

1.3 实验结果和分析

随着含水饱和度增加,气测渗透率逐渐减小,水锁伤害率逐渐增大。岩屑石英砂岩(如图1a所示)和岩屑砂岩(如图1b所示)水锁伤害程度均在含水饱和度为45%时出现拐点；
东部石英砂岩(如图1c 所示)和榆林石英砂岩(如图1d所示)由于初始渗透率较低,其最低可动水含水饱和度(分别为95%和89%)高于岩屑石英砂岩和岩屑砂岩(分别为87%和82%)。

图1 不同岩性砂岩含水饱和度与水锁伤害率关系曲线Fig.1 Relationship between water saturation and water blocking damage rate of different lithological sandstones

结合现场实际情况,地层原始含水饱和度约为55%,采用插值方法获得了各岩心原始含水饱和度下的水锁伤害程度并进行了对比,如图2所示。

图2 不同岩性水锁伤害率对比Fig.2 Comparison of water lock damage ratesof different lithology

从中发现：岩屑石英砂岩和岩屑砂岩水锁伤害率相近且最大,东部石英砂岩和榆林石英砂岩水锁伤害率较小。分析认为,岩屑石英砂岩和岩屑砂岩中泥质含量大于石英砂岩,黏土遇水后不可避免地发生膨胀运移,进一步增加了水锁伤害程度。

为了测试不同岩性砂岩的水相侵入深度差异,选取上述4种岩性岩心,在相同条件和相同时间进行盐水驱替,开展水相侵入深度观察实验。实验岩心基础物性和矿物组成见表2。

表2 岩心基础物性及矿物组成Table 2 Basic physical properties and mineral composition of core

2.1 实验装置及方法

实验所用岩心驱替装置与水锁伤害程度实验所用装置相同。

实验方法：1)烘干岩样,测量气测渗透率和孔隙度,在岩样上标记驱替方向；
2)使入口管线充满标准盐水,烘干夹持器；
3)将岩样裹上薄膜防止仪器内部残留水干扰(露出2个端面),岩心放入夹持器胶套内,顶紧岩样,连接驱替流程；
4)驱替20 s(确保岩心尽量不被盐水充满),停止驱替,取出岩心；
5)肉眼观察岩心,测量岩心表面沿着标注的驱替方向被标准盐水侵入的深度。测试条件为室温,围压8 MPa,驱替压力6 MPa,氮气测试。

2.2 实验结果和分析

岩心在相同条件下采用标准盐水驱替20 s后,均在入口端被水相侵入一定深度,岩心水相侵入照片如图3所示。水相从左至右侵入,每颗岩心左端深色区域为水相侵入区域,可以看出,每颗岩心均被水相侵入,但差异不大。测试得到12颗岩心的水相侵入深度为1.1～1.9 cm,不同岩性岩心侵入深度均较短且相近,如图4所示。从图5可以看出,岩心初始渗透率与侵入深度相关性极好,这说明初始渗透率越大,盐水渗流速度越快,相同时间内水相侵入量越大,侵入深度越深。岩性与水相侵入深度相关性不强,水相侵入深度主要受渗透率影响。

图3 部分岩心水相侵入照片Fig.3 Photos of water phase intrusion in some cores

图4 岩性与水相侵入深度的关系图Fig.4 Relationship between lithology and water intrusion depth

图5 初始渗透率与水相侵入深度的关系图Fig.5 Relationship between initial permeability and water intrusion depth

水相侵入深度并不一定等同于水锁伤害深度。为了防止水分蒸发,需把水相侵入深度观察实验后的岩心用保鲜膜反复包裹密封,并尽快开展水锁伤害深度实验。

3.1 实验装置及方法

实验所用岩心驱替装置与水锁伤害程度实验所用装置相同。

实验方法：1)将水相侵入深度观察实验后的岩心按照标记的驱替方向放入夹持器,并连接驱替流程；
2)加围压至8 MPa,加驱替压力至6 MPa,采用恒压气驱直至岩心没有水流出,计算对应含水饱和度和气测渗透率；
3)从中间截断岩心,气测两段岩心渗透率差异。若前段渗透率小,则说明伤害深度位置在前段,将前段岩心中间截断,气测确定大致伤害深度位置；
若后段渗透率小,则说明伤害深度位置在后段,将后段岩心中间截断,气测确定大致伤害深度位置。4)结束测试,取出岩心。测试条件为室温,围压8 MPa,驱替压力6 MPa,氮气测试。

3.2 实验结果和分析

以11#岩屑石英砂岩为例进行说明。恒压气驱直至出口端没有液体流出,测得此时的含水饱和度为42.6%,气测渗透率为0.49 mD。取出岩心从中部切开,测得前段岩心渗透率为0.51 mD,后段岩心渗透率为0.55 mD,判断出岩心伤害位置在前段。将前段岩心中部切开,测得前段前端岩心渗透率为0.51 mD,前段后端岩心渗透率为0.45 mD,由此判断出11#岩屑石英砂岩伤害位置为前段后端。实验结果如表3所示。

表3 11#岩心水锁伤害深度实验结果Table 3 Experimental results of water blockingof damage depth of core 11#

为便于对比,将伤害深度进行半定量化。将岩心平均分为4段(如图6所示),按照岩心驱替方向,从入口到出口顺序分别赋值1,2,3,4,数字越大伤害位置越深。例如,伤害位置在前段的前端,伤害深度则为1；
伤害位置在后段的后端,伤害深度则为4。

图6 水锁伤害深度量化示意图Fig.6 Quantification diagram of water blocking injury depth

图7为不同岩性岩心伤害深度对比图。从中看出,泥质含量最低的石英砂岩和榆林地区石英砂岩侵入伤害位置最靠前,泥质含量最高的岩屑砂岩侵入伤害位置最靠后,泥质含量适中的岩屑泥质砂岩侵入伤害位置居中,说明岩性对水锁侵入伤害深度影响较大,砂岩含量越高伤害深度越浅。主要原因在于砂岩含量越低,黏土含量相对较高,水相侵入后导致黏土矿物水化、膨胀及分散运移,分散物不断往深部运移堆积,伤害深度不断增加。图8说明伤害深度与岩性渗透率相关性不强。

图7 不同岩性岩心伤害深度对比图Fig.7 Comparison diagram of core damage depth of different lithologies

图8 初始渗透率与伤害深度关系曲线Fig.8 Relationship curve between inilial permeabilityand damage depth

结合水相侵入观察实验可以发现,水相侵入深度与岩性无关,但受渗透率的影响极大,渗透率越大,水相侵入速度越大。液体总量相同情况下,水相侵入深度相差不大,只是侵入速度不同。水相侵入深度虽然影响水相伤害深度,但水相侵入深度并不等同于水相伤害深度,因为水相伤害深度极大地受到岩性影响。黏土含量较大时,水相侵入后导致黏土矿物水化、膨胀及分散运移,分散物不断往深部运移堆积,伤害深度不断增加。黏土含量较低时,水相伤害深度较小,此时伤害主要受水锁影响,而水相侵入的区域均受到水锁伤害。

1)随着含水饱和度增加,气测渗透率逐渐减小,水锁伤害率逐渐增大。岩屑石英砂岩和岩屑砂岩均在含水饱和度为45%时出现拐点。

2)岩屑石英砂岩和岩屑砂岩水锁伤害率相近且最大,石英砂岩水锁伤害率较小。岩屑石英砂岩和岩屑砂岩中泥质含量大于石英砂岩,黏土遇水后不可避免地发生膨胀运移,进一步增加了水锁伤害程度。

3)水相侵入深度与岩性无关,但受渗透率的影响极大,渗透率越大,水相侵入速度越大。水相侵入深度并不等同于水相伤害深度,水相伤害深度极大地受到岩性影响,黏土含量越高,伤害深度越大。