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(1+)致密砂岩气藏损害特征及评价技术

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致密 砂岩 损害 特征 评价 技术
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收稿日期 : 2011 -08 -18基金项目 : 国家重大专项子课题 ( 编号 : 2008002 -11 和编号 : 2008003 -04) 的资助 。作者简介 : 赵峰 ( 1980 - ) , 讲师 , 博士 , 从事储层矿物与储层保护方面的教学和科研工作 。地址 : ( 610500) 四川省成都市新都区西南石油大学资源与环境学院 , 电话 : 13709046007, E - 系人 : 钟水清 , 地址 : ( 610051) 四川省成都市成华区华油路 143 号 , 电话 : ( 028) 86016641, E - 26. 1, 唐洪明1, 2, 李玉光3, 王 珊3, 李 皋2( 1 西南石油大学资源与环境学院 2 油气藏地质及开发工程国家重点实验室 ·西南石油大学3 中海石油研究总院 )赵 峰等 . 致密砂岩气藏损害特征及评价技术 . 钻采工艺 , 2011, 34 ( 5) : 47 -51摘 要 : 致密砂岩气藏具有孔喉细小 、裂缝发育 、超低初始含水饱和度等特点 , 在勘探开发过程中易受到损害 , 其中水锁和应力敏感是最致命的损害方式 。利用毛细管力自吸 - 离心法 、 利用毛细管流动孔隙结构仪 、描等手段评价了致密砂岩气藏的应力敏感性 。结果表明 , 致密砂岩气藏有很强的水锁损害潜力 , 即使在欠平衡条件下水相自吸对气藏仍然有一定程度的损害 , 过低的欠压值不能达到有效保护储层的目的 。随着有效应力的增加 , 致密砂岩储层基块孔径明显减小 , 裂缝渗透率大幅度降低 ; 在应力加载初期裂缝闭合程度较大 , 后期减缓 。在水基欠平衡钻井过程中 ,水锁和应力敏感的叠加效应使储层损害程度大幅度地增加 。储层原始地层条件的真实模拟以及将室内评价实验结果与现场工程设计紧密结合是下步研究工作的重点 。关键词 : 致密砂岩 ; 气藏 ; 储层损害 ; 水锁 ; 应力敏感 ; 评价技术中图分类号 : 53 文献标识码 : A 10. 3969/J. 1006 -768X. 2011. 05. 15全国第二轮天然气资源评价结果表明 , 致密砂岩气资源量占我国天然气资源量的 40% 左右 , 资源量达 ( 50 ~ 100) × 10121 ~2]。但是致密砂岩气属于典型的难动用储量 , 在钻完井 、开采 、增产措施过程中极易受到损害 , 而且一旦发生损害就难以恢复 。所以在致密砂岩气藏的勘探开发过程中 , 从钻开储层的那一刻起 , 就要时刻注意储层保护问题 。本文从致密砂岩气藏基本地质特征入手 , 对致密砂岩主要损害类型及其评价技术进行归纳和探讨 , 为致密砂岩气藏的高效勘探开发提供依据 。一 、致密砂岩气藏地质特征1. 岩性及孔隙结构特征致密砂岩储层一般富含黏土和碳酸盐胶结物 。以鄂尔多斯北部上古生界致密砂岩气藏为例 , 储层为三角洲平原分流河道成因的岩屑石英砂岩 , 以钙质和硅质胶结为主 , 其次为泥质胶结[ 3]。致密砂岩储层原生粒间孔隙基本被压实和胶结作用消耗殆尽 , 储集空间主要为后期溶蚀作用形成的粒内溶孔和黏土矿物的晶间微孔 。鄂北致密砂岩气藏储层孔喉半径平均为 0. 205 μm; 退汞效率平均 30. 2%。储层孔喉半径细小 , 孔喉连通性差 。致密砂岩气藏储层一般为次生成因的特低渗透储层 , 后期成岩作用是储层低渗致密化的主要原因 。根据对川中地区须四段气藏研究表明[ 4]: 压实作用使储层原生孔隙度损失 20% ~30%, 胶结作用引起孔隙度缩小 2% ~7%。致密砂岩储层普遍发育裂缝 , 尤其是微裂缝发育 , 不同的致密砂岩储层裂缝发育特征不一样 。以川西为例 , 随埋藏深度增加 , 微裂缝发育程度增加 ,裂缝发育的角度也逐渐由水平缝向高角度缝变化[ 5]。微裂缝对致密砂岩储层渗流有着极其重要的贡献 , 但由于其特殊的空间结构容易受到损害 , 且损害后难以恢复 , 是储层保护的重点对象 。2. 黏土矿物特征致密砂岩中黏土胶结发育 , 以鄂北上古生界气藏为例 , 黏土矿物以伊利石为主 , 其次为高岭石 、绿泥石 、伊 /蒙间层[ 6]。在致密砂岩中黏土矿物产状以粒表衬垫和桥接式为主 , 其对孔隙空间的分割和·74·第 34 卷 第 5 期34 5钻 采 工 艺 导致孔隙度和渗透率降低 , 使得岩石致密化 , 并大大增加储层水锁损害潜力 。3. 润湿性及流体特征在致密砂岩中 , 自生黏土矿物使得骨架颗粒表面粗糙度增加 , 孔隙表面的亲水性增强 , 普遍表现为强亲水特征[ 7]。通常认为致密砂岩气藏含水饱和度在 40% 以上 , 然而 , 国内外致密砂岩气藏勘探开发的实践证明 , 致密砂岩气藏高含水饱和度假象主要是由于井壁附近地层强烈的毛管自吸作用造成的 。鄂北致密砂岩气藏密闭取心和测井资料显示 , 气藏初始含水饱和度为 20% ~30%, 实验证实气藏束缚水饱和度范围为 40% ~55. 2%[ 8]。二 、致密砂岩气藏损害特征致密砂岩气藏孔喉细小 , 富含自生黏土矿物 , 多为裂缝 - 孔隙型储层 , 强亲水 , 并且原始含水饱和度低于束缚水饱和度 。因此 , 相对于常规储层 , 致密砂岩储层更容易受到损害 , 勘探开发过程中主要的储层损害类型包括水锁 、应力敏感 、固相侵入及敏感性损害 。1. 水锁损害原始含水饱和度和束缚水饱和度之间的差异使得致密砂岩气藏处于 “亚饱和 ”状态 , 钻井正压差和毛细管自吸效应可使水基滤液迅速侵入气层 , 造成水锁损害 。以川西侏罗系致密砂岩气藏为例 , 室内实验表明储层含水饱和度大于 65% 时 , 气相渗透率接近或等于 0, 造成强水锁损害[ 9]。水锁损害不仅在储层基块发生 , 还可通过裂缝沿裂缝表面形成强水锁损害区域 , 阻止天然气由基块流向裂缝 。水锁损害一旦发生即难以解除 , 是制约致密砂岩气藏高效勘探开发的主要损害类型和瓶颈 。2. 应力敏感性损害钻完井或生产测试过程中 , 压差过大会引起微缝 、张开缝发生闭合 , 造成裂缝导流能力的丧失 , 储层渗透率降低 , 即应力敏感性损害 。致密砂岩储层中孔隙基本靠微裂缝沟通 , 一旦微裂缝在有效应力作用下发生闭合 , 将大大降低储层的渗流能力 , 甚至完全丧失渗流能力 。在应力释放后裂缝很难开启 ,即一旦发生损害就不可恢复 。3. 固相侵入损害致密砂岩气藏一般为典型的裂缝 —孔隙型 , 裂缝是储层主要的渗流通道 。钻井过程中固相会在正压差的作用下快速侵入和堵塞裂缝及裂缝网络 , 使裂缝渗流能力大幅降低 , 甚至完全丧失 。而且由于裂缝弯曲 , 缝面往往被一些自生矿物充填 , 所以固相堵塞后反排更加困难 。固相侵入主要对储层大缝 、宏观缝造成损害 。4. 敏感性损害钻井液与地层的配伍性只是相对的 , 而不配伍是绝对的 。外来工作液侵入气藏必将引起原始平衡条件的破坏 , 发生与地层矿物和流体之间的不配伍反应 。侵入液相可引起黏土矿物强度降低 、水化膨胀及分散脱落 , 诱发多种形式的敏感性损害 , 严重时可使气藏丧失产能 。总体上看 , 水锁和应力敏感是致密砂岩气藏在勘探开发过程中最致命的损害方式 , 因此本文主要针对这两种损害类型的评价技术进行探讨 。三 、水锁损害评价技术1. 毛细管自吸法致密砂岩气藏初始含水饱和度一般处于 “亚饱和 ”, 那么在室内水锁损害评价实验过程中 , 为了尽量模拟地层实际情况 , 需要在室内实验过程中建立这种 “亚束缚水饱和度 ”状态 。建立含水饱和度的方法主要有 : 烘干法 、离心法和驱替法 。但由于致密砂岩岩性致密 , 利用这些方法在致密砂岩岩心中建立亚束缚水饱和度是十分困难的 。利用毛细管自吸法可建立所需要的原始含水饱和度 , 通过毛管自吸后在离心机上离心的方法可以使自吸水相在岩心中均匀分布 , 更加符合地层实际情况 。岩心的水锁损害程度通常采用水锁损害指数( 来定义 :1)式中 : 始含水饱和度条件下的气体渗透率 ;利用毛细管自吸 - 离心法评价了川西蓬莱镇组气藏水锁损害程度 , 试验结果见表 1。可见 , 水相饱和度小于 20%时 , . 3, 造成弱水锁损害 ; 饱和度为 30% ~ 50% 时 , 导致中等 ~ 强水锁损害 ; 当模拟地层水饱和度大于 65% 时 , 造成强 ~ 极强水锁损害 。当岩心通过自吸作用达到 60% ~65%左右的含水饱和度时 , 所实验的大部分岩心气相渗透率很小 , 甚至完全丧失渗流能力 。·84·钻 采 工 艺 9 月2011表 1 毛管力自吸 - 离心法水锁损害评价结果表岩心号渗透率/10-3μ46 0. 92 1. 38 1. 84 2. 3093% 50. 85% 57. 15% 69. 47% 88. 58%. 61 19. 76% 0-3μ02 2. 58 2. 22 0. 07 0. 04478 0. 663 0. 714 0. 991 179% 27. 56% 46. 37% 63. 88% 80. 51%7. 77 21. 61% 0-3μ85 22. 19 12. 30 0. 76 0. 56183 0. 204 0. 565 0. 974 0. 98367% 36. 78% 48. 69% 65. 71% 85. 72%. 38 14. 55% 0-3μ90 0. 84 0. 59 0. 04 0. 01354 0. 393 0. 572 0. 974 0. 992. 10]毛细管自吸实验研究发现 , 吸入岩心中水的体积和时间的平方根成正比 。这个斜率和岩石流体系统的渗吸势成比例 , 表示多孔介质对润湿相的自吸能力 。考虑初始含水饱和度时渗吸势为 : ( 2)侵入油气层中的工作液液相返排过程 , 假定满足 律 , 且油气驱替工作液滤液返排也是活塞驱 , 同理可以得到 : ( p - ( 3)为滞留势或束缚势 , 表示储层岩石对液相的滞留能力或束缚能力 。储层岩石的自吸滤液量和驱替时排除滤液量均与时间的平方根成正比 。因此 , 室内评价水锁损害的方法为[ 11]: ①精确测量实验岩心的质量 、渗透率 、孔隙度和孔隙体积 ; ②建立初始含水饱和度 ; ③进行毛细管自吸实验 , 计量自吸水量 , 作出自吸量 ( 和时间平方根 ( 5) 关系图 , 拟合出两者之间线性关系 , 确定斜率 ④在和自吸实验相同实验条件下 , 用湿氮气反向驱替 , 计量驱替出水体积 , 作出排出水量 ( 和时间平方根( 5) 关系图 , 拟合出两者之间线性关系 , 确定斜率 ⑤计算水锁损害系数 - d。选取鄂北致密砂岩岩样 , 根据以上实验步骤进行评价实验 , 岩心的水锁损害系数为 0. 75 ~ 0. 92,损害程度为强 ~ 极强 。3. 欠平衡水相逆流自吸效应评价目前 , 利用欠平衡钻井开发致密砂岩气藏是研究的热点 , 但由于逆流自吸效应的影响 , 即使在欠平衡条件下 , 致密砂岩气藏仍然具有很强的水相自吸能力 。目前对于逆流自吸效应的研究大多还停留在理论预测阶段 , 实验方面的研究还相当欠缺 。因此 ,根据欠平衡钻井的原理 , 在室内研制了一套欠平衡水相逆流自吸评价装置 , 原理如图 1。利用该装置可以模拟现场温度 、压力条件 , 评价水基欠平衡钻井过程中欠压值 、有效应力 、初始含水饱和度等因素对储层气相渗透率的影响 。室内实验结果表明 ( 图2) , 即使在欠平衡条件下 , 水相逆流自吸也会对气藏造成一定程度的损害 , 在欠压值为 345 , 气相渗透率损害率可达 90%。可见 , 过小的欠压值不能达到保护储层的目的 。·94·第 34 卷 第 5 期34 5钻 采 工 艺 应力敏感性损害评价技术1. 裂缝闭合规律研究利用多层螺旋 对有代表性的含裂缝岩心在不同的有效应力 ( 0 . 5 2条件下进行扫描和三维成像 , 可以观测 、研究储层裂缝在各种条件下的受力闭合特征 。实验结果见图 3。可见 , 不同有效应力下裂缝有效宽度亦然不同 , 随着有效应力的增加 , 裂缝宽度不断减小 , 且初始加压阶段裂缝宽度大幅度较低 , 随后应力增加 ,裂缝宽度降低幅度趋于平缓 。裂缝宽度降低幅度随着有效应力的增加趋于缓和 , 与裂缝可视化系统实验结果一致 。图 3 不同有效应力条件下 描裂缝宽度变化规律图2. 裂缝机械宽度测试系统裂缝内部空间可以看成多毛管组成的毛管束 ,其依据在于裂缝内部的机械宽度是呈杂乱分布的 ,每一个位置对应于一个机械宽度 , 在该位置周围的微小范围内可以认为是一条半径很小 、长度为裂缝在该处的机械宽度的毛管 , 而整条裂缝就可以看成是许多不同的毛管组成的毛管束 。毛细管流动孔隙结构仪 ( 采用水相作为润湿相 , 气相为非润湿相 , 利用气水两相流动原理 , 可对同一岩心样品的孔径分布进行多次测试 。因此 , 可以通过毛细管流动孔隙结构仪测量裂缝内部的毛管长度分布情况 , 并进而得到裂缝的机械宽度分布 。图 4 不同有效应力下裂缝机械宽度分布变化规律图测试结果见图 4, 图 4 中的横坐标表示的是裂缝机械宽度 , 纵坐标为某一机械宽度在裂缝总的机械宽度分布中所占的百分比 。裂缝机械宽度在一定范围内分布 , 但其主峰一般都集中在一个较窄的范围内 , 在有效应力 2. 5 , 裂缝机械宽度主要分布在 36 ~ 48 μm, 5 分布在 24 ~ 36 μm, 10分布在 16 ~ 28μm。随着有效应力的增大 ,裂缝机械宽度呈减小趋势 , 并且减小的趋势在减弱 。在应力加载的初期 , 裂缝闭合速度较快 , 说明大裂缝不断闭合形成小裂缝 ; 在应力加载的后期 , 随着裂缝中相互接触的微凸体数量越来越多 , 裂缝闭合的阻力越来越大 , 小裂缝闭合形成更小的裂缝就更加的困难 , 在应力加载的后期裂缝机械宽度的变化不是太明显 。3. 储层基块有效渗流喉道分布变化规律致密砂岩储层基块孔喉细小 , 喉道类型以片状和弯片状为主 , 在有效应力作用下喉道会发生闭合 ,降低储层的渗流能力 。康毅力[ 12]等利用恒速压汞的方法测试了致密砂岩储层孔喉结构参数对有效应力的响应 , 但是压汞是破坏性的测试 , 储层非均质性的影响可能导致实验结果的对比性不一定很强 。毛管流动孔隙结构仪 ( 可以对同一样品进行多次测试 , 弥补了压汞法的不足 , 可用于测试在不同有效应力条件下致密砂岩基块孔隙结构参数的变化特征 。图 5 不同有效应力条件下致密砂岩渗流喉道分布图实验结果见图 5。随着有效应力的增加 , 孔喉半径在不断变小 , 其孔喉主峰不断向小孔方向移动 。储层中参与渗流的喉道在有效应力的作用下发生闭合 , 使储层渗流喉道半径逐渐变小 , 降低了储层渗流能力 。由于孔喉被压缩直接导致储层自吸毛细管力增大 , 从而造成更高程度的水锁损害 。应力敏感和水锁损害的叠加效应大大增加了致密砂岩损害程度 。五 、结束语致密砂岩气藏由于特殊的地质特征 , 导致其在钻完井 、增产及开发过程中易于受到损害 , 且损害机理复杂 , 一旦发生损害便难以解除 。水锁损害和应·05·钻 采 工 艺 9 月2011力敏感性损害是致密砂岩气藏最主要的损害类型 ,即使在欠平衡条件下仍然具有较强的损害潜力 。致密砂岩气藏储层保护今后的重点研究方向 :一是在室内实验时尽量模拟储层原地条件 , 获得接近现场的实验结论 , 才能更好地应用于现场 ; 二是将室内评价结果如何与现场工程设计紧密结合 , 指导钻井方式选择 、工程参数的确定 , 建立相关的系统评价方法和判别体系 。参考文献[ 1] 李景明 , 李剑 , 谢增业 , 等 . 中国天然气资源研究 [ J] 2005, 32( 2) : 15 -18.[ 2] 刘成林 , 范柏江 , 葛岩 , 等 . 中国非常规天然气资源前景 [ J] . 油气地质与采收率 , 2009, 16( 5) : 26 -29.[ 3] 郝蜀民 , 惠宽洋 , 李良 . 鄂尔多斯盆地大牛地大型低渗气田成藏特征及其勘探开发技术 [ J] . 石油与天然气地质 , 2006, 27( 6) : 762 -768.[ 4] 库丽曼 , 刘树根 , 朱平 , 等 . 成岩作用对致密砂岩储层物性的影响 - 以川中地区上三叠统须四段气藏为例[ J] . 天然气工业 , 2007, 27( 1) : 33 -36.[ 5] 张贵生 . 川西坳陷须家河组致密砂岩气藏储层裂缝特征 [ J] . 天然气工业 , 2005, 25( 7) : 11 -13.[ 6] 张浩 , 康毅力 , 李前贵 , 等 . 鄂尔多斯盆地北部致密砂岩气层黏土微结构与流体敏感性 [ J] . 钻井液与完井液 , 2005, 22( 6) : 22 -25.[ 7] 张曙光 , 刘景龙 , 邓颖 . 储层岩石表面接触角的不确定性研究 [ J] . 矿物岩石 , 2001, 21( 1) : 48 -51.[ 8] E, . 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R. +86 -13507229176E - U 1. il/2. 3. , 4( 5) , 2011: 37 -40OP of of in it is to of in to on of 0% 0%; to of If . 3g/if to At if of be , 003 s 298 18000, P. R. +86 -13990232535E - 26. A 1.2. , 4( 5) , 2011: 41 -44is a is to be of on in to on 980, 007 s in on 40 00451, P. R. +86 -22 -66310586E - 26.
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