趙景原，孫玉學(xué)，馮福平，于 洋，蔣方軍

(1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318； 2.吉林油田鉆井工藝研究院，吉林松原 138000)

相圈閉損害是油氣儲層中典型的損害機(jī)理之一，其實(shí)質(zhì)是物理損害。外來液體與儲層接觸時，如果儲層的初始飽和度低于束縛相飽和度，極易發(fā)生相圈閉損害。常見的相圈閉損害包括水相圈閉損害和烴圈閉損害。在使用水基鉆井液鉆致密氣層時常發(fā)生水相圈閉損害，衰竭凝析氣藏中出現(xiàn)反凝析油損害為烴圈閉損害。其中使用水基工作液在致密氣井作業(yè)過程中發(fā)生的損害更為常見。水相圈閉發(fā)生后，使近井壁地帶水相飽和度提高，減少了天然氣的流動區(qū)域，使氣相滲透率下降，對天然氣資源的發(fā)現(xiàn)和氣井的生產(chǎn)都有較大的影響。

1 水相圈閉損害機(jī)理

根據(jù)初始含水飽和度情況，可以將致密氣藏分為3種類型：亞束縛水飽和、束縛水飽和、過束縛水飽和型。學(xué)者們認(rèn)為，形成亞束縛水飽和度的機(jī)理包括蒸發(fā)作用、壓實(shí)作用、脫水作用、生烴排液作用、異常壓力演變及成巖作用等[1-3]。其中蒸發(fā)和脫水作用是形成亞束縛水飽和度的主要機(jī)理。亞束縛水飽和狀態(tài)是致密氣藏中常出現(xiàn)的情況。

致密氣儲層容易發(fā)生相圈閉損害，主要是因?yàn)橹旅軆訋r心中大量的微孔隙在亞束縛水飽和度條件下帶來的較強(qiáng)的毛管力(圖1)。

圖1 致密氣藏孔隙尺度水相圈閉機(jī)理(Bennion,1999)Fig.1 Pore scale mechanism of aqueous phase trapping in a gas reservoir

圖2 用相滲曲線表示水相圈閉機(jī)理(Bennion,1999)Fig.2 Mechanism of phase trapping expressed by relative permeability curves

當(dāng)外來潤濕相(多數(shù)情況下是水相)與亞束縛水飽和狀態(tài)的巖石相接觸，會被吸入巖石。近井壁地帶的含水飽和度上升，如圖2所示，束縛水飽和度從初始值Swi增加至Sw，引起氣相相對滲透率從Kr1下降到Kr3。經(jīng)過返排過程，損害區(qū)的水飽和度可以從Sw降至Swirr，而不能降至初始值Swi，水飽和度不能恢復(fù)到低于束縛水飽和度的情況[4]。換言之，只有一部分侵入的水相可以返排。而在實(shí)驗(yàn)室中，通常都是假定油氣層的初始水飽和度Swi就是束縛水飽和度Swirr，得到氣相相對滲透率從Kr2降至Kr3的結(jié)果，這樣就低估了水相侵入帶來的損害的程度。

2 水相圈閉損害試驗(yàn)評價

模擬致密砂巖氣藏巖心的初始狀態(tài)是準(zhǔn)確評價水相圈閉損害的關(guān)鍵。致密砂巖氣藏初始含水飽和度一般處于“亞飽和”狀態(tài)，在損害評價試驗(yàn)前，為了模擬地層實(shí)際情況，需要首先建立“亞束縛水飽和度”狀態(tài)。建立含水飽和度的方法主要有：烘干法、離心法和驅(qū)替法。但致密砂巖巖性致密，利用這些方法在建立亞束縛水飽和度時比較困難。利用毛細(xì)管自吸法建立所需原始含水飽和度，再利用在離心機(jī)上離心的方法使自吸水相均勻分布，更符合實(shí)際情況[5-9]。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)常用滲透率損害比來衡量水相圈閉損害的嚴(yán)重性。在初始含水飽和度和束縛水飽和度條件下測試儲層巖心的氣測滲透率，將得到的兩個滲透率值記為Ki(損害前滲透率，mD)和Kf(損害后滲透率，mD)，得到滲透率損害比DR為[10-11]：

(1)

根據(jù)損害比的大小，這種方法將水相圈閉潛在嚴(yán)重程度分為無、弱、中等和強(qiáng)4個級別。

水相圈閉損害可能出現(xiàn)在鉆、完井及增產(chǎn)作業(yè)的各個環(huán)節(jié)中。針對壓裂液對致密氣藏的損害試驗(yàn)結(jié)果說明，對于干燥條件下空氣滲透率在0.05～2.04 mD的巖樣，損害程度可以達(dá)到30%以上，且當(dāng)滲透率小于0.1 mD時，可以達(dá)到85%以上。儲層物性越差，損害程度越大，越難恢復(fù)[12-13]。

水相圈閉的嚴(yán)重程度由多個因素控制，包括毛管力、巖石的潤濕性、相對滲透率、飽和度水平，侵入相的黏度、侵入深度、儲層溫度、壓力及生產(chǎn)壓差等。當(dāng)水基工作液與低初始含水飽和度的水濕性氣藏巖石接觸時，即使在欠平衡條件下，仍然可以發(fā)生由對流自吸引起的相圈閉損害。而且，欠平衡壓力值越低、初始含水飽和度越低、接觸時間越長，相圈閉損害越嚴(yán)重[14-16]。

3 水相圈閉損害的預(yù)測與模擬

對儲層損害進(jìn)行預(yù)測、診斷、評價和動態(tài)模擬是保護(hù)油氣層系統(tǒng)工程的技術(shù)思路的重要環(huán)節(jié)[17]。在以往的鉆完井實(shí)踐過程中，對于水相圈閉損害后的處理往往十分困難，處理效果不佳。所以，對于水相圈閉損害的預(yù)先評估、診斷十分重要，預(yù)先評估的方法包括應(yīng)用潛在損害程度公式和數(shù)值模擬方法。

3.1 水相圈閉潛在損害程度預(yù)測公式

學(xué)者們嘗試提出過多個相圈閉嚴(yán)重程度預(yù)測模型，包括水相圈閉指數(shù)(APTi)、總水體積百分比(%BVW)以及相圈閉系數(shù)(PTC)等，這些參數(shù)的取值范圍及相應(yīng)的潛在損害程度如表1和圖3所示。

表1 現(xiàn)有評價及預(yù)測公式判別標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Present evaluation or forecast formula and criterion

圖3 PTI指數(shù)法預(yù)測水相圈閉損害潛在嚴(yán)重程度(Saboorian-Jooybari，2016)Fig.3 Potential severity of APT forecasted by PTI index method

3.1.1 水相圈閉指數(shù)(APTi)

水相圈閉指數(shù)APTi是在大量水相圈團(tuán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用回歸分析的方法建立的診斷公式。在這些試驗(yàn)中，選取了多種巖性的巖心，多種含水飽和度及滲透率級別，最終得到水相圈閉損害的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[18]。

APTi=0.25[log10(Ka)]+2.2Swi

(2)

式中Ka——未修正的儲層平均氣測滲透率，mD；

Sw——初始含水飽和度。

實(shí)際上，該判別式體現(xiàn)出儲層的初始含水飽和度及滲透率越低，越容易發(fā)生嚴(yán)重的相圈閉問題。水相圈閉指數(shù)法的主要優(yōu)點(diǎn)是簡便易用，并且節(jié)省時間和試驗(yàn)成本。但是，在該判別式中，雖考慮了氣測滲透率和初始水飽和度兩個因素，但仍未考慮其他影響水相圈閉的關(guān)鍵因素。該方法有較合理的基礎(chǔ)，但是仍主要以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，未給出該預(yù)測方法的精度與置信度。

3.1.2 %BVW公式

Davis等人建立了簡單的診斷模型[19]：

%BVW=100×Ф×Sw

(3)

式中 Ф——孔隙度，%；

Sw——平均水飽和度，%；

%BVW——水占據(jù)的總體積，%。

該方法的思想仍是低水飽和度儲層易發(fā)生水相圈閉損害，該方法簡便易用，僅需要孔隙度和飽和度兩個數(shù)據(jù)。同樣，該方法未考慮其他重要的影響因素。

3.1.3 相圈閉系數(shù)(PTC)

游利軍等提出了用無量綱系數(shù)來預(yù)測相圈閉損害的方法，該方法中考慮了初始含水飽和度和束

縛水飽和度，儲層壓力及巖石、流體的性質(zhì)[11]。

(4)

式中K——滲透率，mD；

Ф——孔隙度，%；

Δp——最大壓差，KPa；

σ——界面張力，mN/m；

μm——損害相與地層流體的黏度之比，無量綱；

Swi和Swirr——初始含水飽和度與束縛水飽和度，%。

雖然該方法考慮了較全面的工程、地質(zhì)因素，但由于該方法仍然是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，其依據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)量有限，并同樣未給出該模型的有效性和精度范圍。

3.1.4 相圈閉指數(shù)(PTI)

上述預(yù)測方法都是在巖心尺度下，針對水相圈閉的潛在損害程度提出的。Saboorian建立了近井壁地帶濾液侵入導(dǎo)致相圈閉損害的數(shù)學(xué)模型，通過將偏微分控制方程線性化并求解，得到近井地帶液相飽和度分布。然后以飽和度分布剖面為基礎(chǔ)，給出新的相圈閉損害判別指數(shù)PTI。該判別指數(shù)在計算過程中考慮了時間及距井筒的距離的影響，能更直觀地反映近井地帶的損害情況[20]。

(5)

3.2 水相圈閉損害預(yù)測數(shù)值模擬

在儲層損害的評價與預(yù)測過程中應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)正逐漸成為研究熱點(diǎn)[21-23]，Tsar和Bahrami等針對水相圈閉損害問題，利用CMG軟件模擬了水侵入—?dú)怏w返排的過程(圖4)。在這個過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣井開始生產(chǎn)后，不僅不能將侵入的水完全排出，而且在強(qiáng)大的毛管力的作用下，水的侵入仍在繼續(xù)。并對比了致密氣藏在水、油基鉆井液侵入后氣井產(chǎn)量的變化。模擬結(jié)果表明，水、油基鉆井液都會對致密氣儲層帶來傷害，但油基鉆井液的損害要明顯低于水基鉆井液[24-25]。Masoud等用數(shù)值模擬的方法研究了欠平衡鉆井條件下的水相圈閉損害情況，欠平衡壓差越小、接觸時間越長，由自吸導(dǎo)致的水相圈閉越嚴(yán)重[24]。

圖4 氣井水相侵入及返排過程近井地帶氣飽和度變化模擬(Bahrami, N. 2015)Fig.4 Water saturation in the simulation model during water invasion and clean-up periods

4 水相圈閉損害防治方法

4.1 預(yù)防措施

4.1.1 避免使用圈閉相基液

如果通過室內(nèi)試驗(yàn)或預(yù)測手段確定水相圈閉損害嚴(yán)重，應(yīng)選擇低圈閉、自吸趨勢的液體作為工作液的基液。例如在水濕氣藏中使用油基工作液，非潤濕相不會產(chǎn)生毛管自吸現(xiàn)象，雖在過平衡壓力下非潤濕相液體仍會進(jìn)入孔隙，但只會占據(jù)孔隙的中心位置，而不同于潤濕相會牢固地附著在孔隙壁上。通過室內(nèi)試驗(yàn)比較油基、水基鉆井液對同層的致密氣巖心的損害情況可知，油基鉆井液可以大幅降低損害程度[25]。另外，針對儲層鉆進(jìn)過程，可以選用氣體鉆井方式，減少液相與儲層的接觸。

4.1.2 減少接觸時間

減少不必要的浸泡時間，降低侵入深度。在易發(fā)生水相圈閉的儲層中鉆進(jìn)的過程中，可以通過控制鉆井液失水量、合理使用屏蔽暫堵技術(shù)，減少侵入，或者采用低密度鉆井液體系[26-28]，并盡早開始返排過程。

4.1.3 降低水—?dú)饨缑鎻埩?/p>

常見的降低界面張力的處理劑包括揮醇類、表面活性劑和二氧化碳等。劉雪芬等利用潤濕試驗(yàn)篩選出能將致密砂巖由液潤濕改變?yōu)闅鉂櫇竦姆砻婊钚詣?，將其加入工作液中，可以增大潤濕接觸角、降低毛管力減弱毛管自吸。試驗(yàn)結(jié)果表明，處理后巖心總吸水量降低了60%，自吸速率較處理前降低了40%～50%，說明氟表活性劑能夠有效改變儲層巖心的潤濕性，具有預(yù)防水相圈閉損害的應(yīng)用潛力[29-30]。

4.2 解除辦法

4.2.1 蒸發(fā)作用

可以通過向儲層注入干燥氣體或儲層中天然氣的自然返排解除水相圈閉。通過氣體的干燥作用清除近井地帶或裂縫縫面區(qū)的水，恢復(fù)被水占據(jù)的滲透通道。但在這一過程中可能會導(dǎo)致水中的鹽類達(dá)到飽和狀態(tài)后析出[18]。

4.2.2 降低水—巖石界面張力

水與巖石間界面張力的大小對毛細(xì)管壓力及毛細(xì)管末端效應(yīng)影響顯著，使用表面活性劑可以降低儲層向井筒排出多余水分所需要的能量，對返排過程中降低損害區(qū)的含水飽和度有利。哈里伯頓公司在墨西哥部致密氣井中進(jìn)行壓裂施工的過程中，通過向工作液中加入微乳表面活性劑，在降低了液相侵入量的同時，提高了返排效率[31]。郭建設(shè)等為解決巴喀地區(qū)致密砂巖氣藏酸化后的水相圈閉傷害問題，在酸液中混入甲醇，得到混醇酸液體系，用于改善地層的氣相滲透率和酸化效果。經(jīng)多氫酸+醇體系酸化后的巖心滲透率提高13.28～20.00倍，解堵效果明顯[32]。

4.2.3 近井地帶熱處理

Jamaluddin等較早開始關(guān)于利用“儲層熱處理法”解除水鎖和與黏土膨脹相關(guān)的損害的研究，熱處理減少損害的機(jī)理包括：①使水蒸發(fā)解除水鎖；②使黏土脫水、破壞黏土的部分結(jié)構(gòu)；③通過熱應(yīng)力變化使近井區(qū)產(chǎn)生微裂縫等[33-34]。

戢俊文針對微波對水鎖損害的解除能力，用試驗(yàn)的方法對比了用波導(dǎo)把微波送入目的層及用微波發(fā)生器直接對目的層加熱兩種加熱方式，結(jié)果表明，后者加熱效果好。并設(shè)計了不同類型的微波發(fā)生裝置及安裝方式[35]。

胡國忠等發(fā)明了一種解除煤層水鎖損害的微波加熱方法，利用微波場的電磁輻射作用使近井煤層受熱，使發(fā)生水鎖損害的煤層的水分蒸發(fā)，降低含水飽和度，提高氣相的滲透容積，從而改善受到損害的煤層氣的解吸與擴(kuò)散能力[36]。

Wang等將有限元方法與油藏數(shù)值模擬軟件結(jié)合，利用西澳某氣井的數(shù)據(jù)，用模擬的方法對比了微波加熱前后孔隙、裂縫型氣井近井地帶的水飽和度分布、氣井的累積產(chǎn)氣量隨時間變化情況等(圖5、圖6)，模擬結(jié)果表明微波加熱可以有效地清除液相并恢復(fù)氣井的產(chǎn)能。并且微波加熱對孔隙型氣層的水相圈閉損害的解除效果更佳[37-38]。

圖5 利用微波加熱技術(shù)解除水相圈閉損害示意(Wang，2017)Fig.5 Concept figure of heating formation with microwave

圖6 西澳某氣井微波加熱前后氣井累積產(chǎn)量模擬(Wang，2015)Fig.6 Cumulative gas production in a gas well of western Australia with and without MW heating

5 結(jié)束語

(1)作為致密氣藏的關(guān)鍵損害機(jī)理，水相圈閉損害逐漸受到儲層保護(hù)工作者的重視。其發(fā)生機(jī)理已經(jīng)得到了較好的認(rèn)識。但還沒有關(guān)于水相圈閉評價試驗(yàn)的統(tǒng)一程序及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)對水相圈閉潛在損害程度的預(yù)測，從巖心尺度的多種經(jīng)驗(yàn)性公式發(fā)展到考慮侵入時間和侵入深度的單井尺度的預(yù)測模型，但該單井尺度預(yù)測模型的推導(dǎo)及應(yīng)用過程較為復(fù)雜。針對水相圈閉損害的數(shù)值模擬技術(shù)可以更加全面地考慮儲層性質(zhì)、儲層及外來流體的性質(zhì)，給出更為直觀的預(yù)測結(jié)果。

(3)由于水相圈閉損害具有較強(qiáng)的不可逆性，所以對此種類型的損害，預(yù)防更為重要。預(yù)防措施主要包括實(shí)施欠平衡工藝、避免使用潤濕相液體作為工作液基液、改變巖石潤濕性控制吸入等方面。解除措施包括蒸發(fā)作用、降低水-巖石界面張力促進(jìn)返排、微波加熱等。目前，利用微波加熱解除水相圈閉的研究從室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方面都取得了良好的結(jié)果，但將該技術(shù)用于現(xiàn)場實(shí)際氣井中，尚有很多技術(shù)問題需要解決。