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1裂缝-孔隙型致密砂岩气藏水相圈闭损害模式

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裂缝 孔隙 致密 砂岩 气藏水相 圈闭 损害 模式
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第2009年10月 天然气地球科学 E()0 2鬻 裂缝一孔隙型致密砂岩 气藏水相圈闭损害模式 张凤东 。,康毅力 ,游利军 ,王永恒 (1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500; 2.中国石化石油勘探开发研究院,北京100083) 摘要:裂缝一孔隙型致密砂岩气藏具有低孔低渗、高毛管压力、裂缝发育、水湿性、高束缚水饱和度 等地质特征。在钻井完井、增产改造及气藏开发过程中,滤液和边底水等侵入会导致气井近井地带 含水饱和度上升,气相渗透率下降,致使发生水相圈闭损害。针对裂缝一孔隙型致密砂岩气藏的地 质特征,对裂缝一孔隙网络系统在钻井和开发过程中不同的水相圈闭损害模式进行了研究,探讨了 基块和裂缝系统中工作液和边底水侵入导致水相圈闭损害的形成过程和损害机理,提出在钻井、完 井、修井、增产改造及开采过程中,通过屏蔽暂堵及欠平衡等技术减少工作液侵入量、优化工作液、 增大返排压差、减少界面张力、蒸发或加热降低含水饱和度以及排水采气、均衡开发等措施防治水 相图闭损害。 关键词:致密砂岩;水相圈闭;水侵;损害模式;场能变化;防治技术 中图分类号:献标识码:A 文章编号:1672 1926(2009)05—0812一 引言 在钻井、完井、修井、增产改造及开发过程中,致 密砂岩气藏的水湿性、高毛管压力、超低含水饱和度 以及正压差等因素,会使工作液侵入气藏,或造成气 藏自身发生相态变化。边底水、夹层水的快速突进, 均造成气井周围近井带含水饱和度上升,气相渗透 率下降,发生水相圈闭损害,导致气井减产甚至停 产。很多学者对水相圈闭损害进行了研究,为水相圈闭对渗透率会造成严重影响,Be 研究了致密气藏裂缝带外来液漏失损害分布, 康毅力[3 ]指出当初始含水饱和度低于束缚水饱和 度时易引起水相圈闭损害;借助物理模型及实验,周 克明 ]探讨了气水两相渗流机理、游利军[6]指出致 密砂岩气藏水相圈闭的损害特征。虽然诸多学 者[7 。 从不同角度对水相圈闭进行了探讨,但对水 相圈闭损害模型,尚缺少系统的研究。本文探讨了 不同条件下水相圈闭的损害模式,对裂缝一孑密砂岩气藏从钻井至开发过程中的水相圈闭损害 规律及治理途径进行了探讨。 1 裂缝一孔隙型致密砂岩气藏潜在水 相圈闭损害地质特征 中国致密砂岩气藏主要集中在四川盆地、鄂尔 多斯盆地、松辽盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地及柴 达木盆地等。裂缝一孔隙型致密砂岩气藏通常具有 低孔低渗、高毛管压力、水湿性、高束缚水饱和度及 强非均质性等地质特征,孔隙度一般为3 ~12 , 原地条件下渗透率低于0.1×10_。 m。,透镜状砂体 发育,沉积物成熟度低,连续性差,粘土矿物含量较 高。致密砂岩毛管孔隙细小,微裂缝发育,存在很高 的水相圈闭损害潜力,捕集控制的束缚水饱和度较 高,当含水饱和度达到60 ~7O 时,气相渗透率 降至很低甚至为零,在钻井、完井和开发中易造成严 收稿日期:2009—05一l 2;修回日期:2009 07 1 4. 基金项目:国家重大专项“低渗透油气田储层保护技术”(编号:20084);四川省杰出青年学科带头人培养基金项目(编号 07I 3);中国石油天然气集团公司应用基础研究项目(编号:07合资助. 第一作者E— 63. 张凤东等:裂缝一孔隙型致密砂岩气藏水相圈闭损害模式 813 重的水相圈闭损害。 2 裂缝一孔隙网络中的水相圈闭损害 模式 2.1 基块中水相圈闭损害模式 基块中流体渗流能力主要受喉道大小及分布控 制,水侵发生前,储层孔喉中有一定量以水膜形式存 在的束缚水,多孔介质中只有单相气体流动,气相渗 流阻力较低;外来水侵入,储层的亲水性使水膜以连 续相沿孔喉表面扩展,孔隙和喉道表面水膜增厚,气 体在孔喉中央流动,多孔介质中单相流变为多相流, 气相渗流通道减小,流动阻力增大。水膜在孔喉处 扩展增厚聚拢时,就封闭了气体的渗流通道,当大量 的气渗流通道被封闭,气井产量骤减甚至停产。 侵入压差较小时,毛细管压力为侵入水流动的 主要动力,基块中水首先沿较小的孔道表面进入孔 隙,占据可能的小孔隙和小喉道,气体在孔道中央流 动;在大孔隙及大喉道中,水的渗流速度相对较慢, 这使水进入2条大小不同的孑毛细管压力 作用下水以较快的速度进入较小的孔道,当侵入水 在纵横交织的立体网络中渗流交汇时,便将大孔道 中的气圈闭起来。当水侵压差较大时,惯性力起主 要作用,水在大孑来。气水两相流经某一孔隙喉道时,沿表面扩展 增厚的水膜使喉道更为狭窄,流动阻力增大,气体经 过喉道处发生收缩变形,连续气流发生卡断而形成 珠泡状被圈闭在孔道中央;在孔隙盲端、角隅等处存 留的气体受到压缩进一步向深处退缩,形成难以采 出的圈闭气 ]。孑水在两边孔隙 率先通过,连通两边的中间桥形孔道中气体则受压 而成圈闭气。基块中圈闭模式如图1所示。 图1 基块中水相圈闭气 2.2裂缝中水相圈闭损害模式 对裂缝孔隙型致密砂岩,基块是主要的储气 空间,裂缝是主要的渗流通道。水侵入裂缝后,裂缝 的高导流能力及水湿性使水以较快的速度窜流。大 裂缝中,水可能占据全部渗流通道,但在裂缝弯曲和 缩颈部位会发生卡断现象滞留部分气体;在中小裂 缝中,水沿裂缝表面流动形成连续相,气体在裂缝中 央形成段塞和珠泡呈不连续相;在微裂缝中,水仍分 布在裂缝表面,气体被卡断以珠泡形式孤立存在。 裂缝中压力上升,缝壁两侧水相饱和度升高,减弱甚 至阻断了气体从基块向裂缝中的流动,致使大量天 然气被圈闭于基块中,如图2所示。 图2裂缝中水相崮闭损害模式 裂缝一孔隙网络系统中,当水从相对均质的基 块部位推进到裂缝时,水进入裂缝流动而改变了原 来的流向,将许多孑。随侵入时间延长,侵人水量增加,水沿裂缝纵窜 横侵,被裂缝分割的基块形成宏观基块圈闭,与其中 的微观圈闭气结合形成复合圈闭体。当近井带形成 严重水相圈闭损害及边底水侵入井底后,极易导致 气产量急剧下降甚至暴性水淹停产。表1为基块一 裂缝系统中水相圈闭损害形成因素分析。 3 钻井完井过程中的水相圈闭损害模式 在钻井完井过程中,当井底压力大于地层压力 时,工作液会侵人气藏;近平衡或欠平衡条件下,致 密砂岩的水湿性、高毛管压力及超低含水饱和度等 因素,会使工作液逆流自吸侵入;外来液侵入导致近 井带含水饱和度上升,气相渗透率下降,导致水相圈 闭损害发生。以川西深层须家河组为例,钻井过程 中水沿裂缝及孔隙侵入,使近井带含水饱和度上升, 特别是在狭窄裂缝及喉道处形成的水相滞留,会造 成较严重的水相圈闭损害。钻井过程中近井带水相 圈闭损害模式如图3所示。 4 开发过程中的水相圈闭损害模式 裂缝 孔隙型致密砂岩气藏开发过程中,随天 814 天 然 气地球科 学 0 然气的产出,近井带压降逐渐向外传播,当压降波及 到边底水区域时,边底水随即侵入气藏。侵入水首 先沿裂缝进入,微观上沿裂缝及微裂缝渗流,宏观上 呈水锥推进,纵窜横侵水连成一体,最终使所波及区 域天然气被块状圈闭。压降梯度及裂缝的发育状况 决定水侵活动的主要方向。沿构造发育带、高渗带 及断层裂缝带的复合型水侵、纵向上水气层的交互 分布、横向上侵人水的突进绕流,都会圈闭控制基块 中天然气以及含气边缘区天然气,开发过程中典型 的水相圈闭损害模式如图4所示。 表3近井带水相圈闭损害模式 1.与井筒相连开启裂缝;2.未完全充填的裂缝或微裂缝 3.管状、片状、弯片状喉道;4.颗粒内微裂缝 图4边底水侵入水相圈闭损害模式 5 决定水相圈闭损害程度的势能场变 化及强化因素 5.1综合势能决定水相圈闭损害强度 能量总是从高能处向低能处传递,在致密砂岩 质能传递过程中,压力差产生的压力势、颗粒吸附产 生的基质势、温度差产生的温度势、溶质浓度产生的 溶质势以及重力势等各种势能场的综合作用,决定 着多孔介质中水气的运动及水对气的圈闭强度。 压力势是指由于岩石水系统中的压力超过参照 状态下的压力而引起的岩石水势变化,反映了外界 压力的效应,包括静水压势、气压势和荷载势;基块 势是由岩石水系统中固体颗粒表面力场作用力引 起的基质对水的吸附势能,表征岩石(包括颗粒与颗 粒间隙)吸力对水引起的摩尔势能,与含水饱和度呈 负相关关系,含水饱和度越低,基质势越大;岩石中 通常含有一定量的可溶性盐类,渗透势就是由溶质 离子水化时所产生的势能,离子水化时,把其周围的 水分子吸引到离子周围成定向排列,这就会使岩石 水分失去一部分自由活动的能力,这种由溶质所产 生的势能称为渗透势,它增强了侵入水对气的圈闭 效应;温度影响水的特性,温度改变导致表面张力和 粘滞性改变,温度越高水粘滞系数越小,从而引起岩 石水势发生改变;温度势影响着水的运移,温度升 高,水粘滞系数减小、水气界面张力下降,水从液态 向汽态转化、蒸汽压上升,水同时以汽态和液态形式 运移并沿温度势梯度的正方向移动在致密砂岩 质能传递过程中形成的水相圈闭损害,场能的变化 对损害程度起着决定作用。 5.2强化水相圈闭损害的系统内外因 储层的非均质性、超低含水饱和度、水湿性、高 毛管压力以及天然裂缝发育等因素,都是加剧水相 圈闭的内在条件,气藏裂缝大小和分布的不均匀和 不规则性、侵入水量的大小、水气区之间的连通状况 以及压降梯度等决定着侵入水和圈闭气的分布规 律。外来水的侵入改变了气藏的原来环境,加上压 力、温度的改变,易诱发岩石矿物和地层水气间的物 理、化学变化,如粘土矿物吸引极性分子形成水化 张凤东等:裂缝一孔隙型致密砂岩气藏水相圈闭损害模式 815 膜、粘土微粒的膨胀分散、气相长链烃的析出粘附、 乳化液滴的形成、气体中凝析水的析出凝结、液固气 界面的相互作用增强及各种敏感性损害等,使储渗 空间及渗流阻力变化更大,渗流通道更窄,从而使更 多的气相渗流孔道被减小和阻断。 开发过程中不断向外扩展的压降漏斗不仅诱发 边底水侵入,而且使岩石基块膨胀,孑度受压,致密气藏毛管压力进一步增强,这使侵入 水顺流白吸深入到更细小的孑化了 水相圈闭效应。储层宏观结构和微观结构上的非均 质性、各向异性和不连续性也使水相圈闭损害加重。 6 水相圈闭损害防治技术 6.1精细设计。预防损害 尽量避免水相进入储层,使侵入液量和深度减至 最小,是控制工作液侵入致近井带水相圈闭损害的基 本思路。屏蔽暂堵及欠平衡技术是减少工作液侵入 的有效技术。对致密砂岩气藏,在工作液中加入暂堵 剂,正压差作用下在近井带形成薄而致密的屏蔽层, 既能有效降低工作液渗漏导致的水相圈闭损害,保护 了储层,又提高了经济效益;欠平衡钻井针对正常压 力或低于正常压力的地层,通过增加平衡压力减小反 向自吸效应,减少气藏中钻井液的侵入量。此外,避 免频繁压力波动和减小正负激动压差值、减少正压作 业次数、减少事故的发生、降低工作液对气层的侵人 时间等,都有利于减少工作液的侵入量。 6.2多管齐下,治理损害 由于作业过程中水相侵入难以完全避免,选用 抑制性强、滤失低、流变性好、界面张力低、高效返的 工作液,通过改进工作液体系、增大返排压差等方 法,使进入气藏的工作液易于排出,降低含水饱和 度。如采用表面活性剂、纳米材料、热化学技术等处 理方法,减小界面力场的不平衡,降低界面张力,毛 管压力下降,水膜厚度减小,含水饱和度降低 气相 渗透率增加,从而增强侵人液的返排能力。采用地 层热处理使圈闭区的水蒸发汽化;向损害带注入气 体使近井地带发生物理干化;酸化和压裂增大孔隙 体积降低毛管压力,都有利于降低含水饱和度和提 高气相渗透率,减轻作业后的损害效应。 6.3合理开发。排水采气 裂缝一孔隙型致密气藏开发中边底水侵入,会 导致大范围的水相圈闭损害。将渗流特征与采气工 艺相结合,以优化的布井方式、采气速度、排水井位、 排水时机、排水量和相适应的排水工艺,能够有效预 防水相圈闭损害,获得最大的开发效益。 控制气井的采气速度,利用气藏早期能量以气 带水自喷方式生产,用人工举升方式排水采气,以及 实行早期边部同步排水,能够对水相圈闭损害进行 表2水相圉闭损害防治策略 有效的治理。把气藏视为一个系统,通过综合地质 研究、动态监测、数值模拟等手段,优化开发方案,科 学确定排水井、采气井、气水同产井的井位、数量和 产量,适时调整压力场分布,在未水侵区、已水侵区、 水体区协调开采,均衡开发,减少水侵波及范围和被 圈闭气,是开发过程中治理水相囤闭损害的重要手 段。水相圈闭损害防治策略如表2所示。 7 结论 (1)致密气藏极低的孔渗性及水湿性使气层在 钻井、完井和开发中易造成严重的水相圈闭损害,而 裂缝孔隙型致密砂岩气藏基块和裂缝中的水相圈 闭损害又具有不同的微观损害机理及圈闭模式,二 者形成的网络系统加上多因素的耦合作用,强化了 水相圈闭损害作用。 (2)工作液侵入与开发中边底水侵入的水相圈 闭损害具有不同的损害模式,水相圈闭损害的范围、 规模以及预防和治理策略也不相同,但减少水的侵 入,降低含水饱和度,保护或恢复气相渗透率是共同 的目标;通过减少工作液侵入量、降低含水饱和度、 816 天然 气地球科 学 O 排水采气等方法,能够有效防治水相圈闭损害。 (3)对于排水采气治理开发中的水相圈闭损害, 除完善原有举升工艺的优化选型及复合式应用外, 还需对聚合物控水采气、超声波排水采气、井下气液 分离回注、智能人工举升配套等技术进行研究和应 用,达到最大限度降低水相圈闭损害和提高开发效 益的目的。 参考文献: [2] B, B.e— R].0325.at 000 e— 00l:,.2298.at to be 3003. 康毅力,罗平亚.天然气工业,1999,19(4):46 50. 康毅力,罗平亚.中国致密砂岩气藏勘探开发关键工程技术现 状与展望[油勘探与开发,2007,34(2):239—245. 克明,李宁.气水两相渗流及封闭气的形成机理实验研究 天然气工业,22(增):122—125. 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