流量替代渗透率评价破碎性储层工作流体伤害程度
郑力会1, 刘皓1, 曾浩2, 吴通1,3, 张文昌2, 王超1,3
1. 油气资源与探测国家重点实验室•中国石油大学(北京)
2. 中国石油化工股份有限公司中原油田分公司
3. 河北省化工学会化学封堵材料综合利用研究与应用重点实验室•北京力会澜博能源技术有限公司
通信作者:刘皓,1993年生,博士研究生;主要从事储层伤害理论和方法方面的研究工作。地址:(102249)北京市昌平区府学路18号。E-mail: tcliuhao666@163.com

作者简介:郑力会,1968年生,研究员、楚天学者特聘教授、中国石油学会第九届天然气专业委员会委员、本刊编委、《Natural Gas Industry B》编委、本刊青年编委会主任;主要从事破碎性储层产量损失防治的理论、方法和工艺方面的研究工作。地址:(102249)北京市昌平区府学路18号。ORCID: 0000-0002-2334-3263。E-mail: lihuilab@lihuilab.com

摘要

若地层岩石整体强度偏低,在力学环境改变后岩石易破碎成不规则破裂体,则储存油气资源的此类破碎地层被称为破碎性储层。由于破碎性储层在纵向上存在着较强的非均质性,通过测试单个柱塞岩样在工作流体伤害前后的渗透率变化难以体现工作流体对储层的整体伤害程度。为此,利用达西定律先从理论上探讨用流量替代渗透率定量表征储层伤害程度的可行性,再开展单层开采、双层及三层并采的流量测试实验,评价工作流体对单层、多层储层的整体伤害程度,并将流量损害率与渗透率损害率进行对比以求证流量替代渗透率的可行性。研究结果表明:①单层开采时,流量损害率与渗透率损害率基本一致,渗透率损害率是流量损害率的一种特殊形式;②双层及三层并采时,单层各自稳定流量损害率与渗透率损害率接近,且流量损害率可以定量表征并采储层的整体伤害程度,而渗透率损害率则无法定量表证;③稳定流量损害率较累积流量损害率更接近渗透率损害率。结论认为,测定稳定流量可以替代测定渗透率评价工作流体对破碎性储层的伤害程度,从而为优选工程技术与评价工作流体的适应性提供了方法依据。

关键词: 破碎性储集层; 煤岩; 致密砂岩; 碳酸盐岩; 储层伤害; 流量; 渗透率; 联探并采
Evaluation of working fluid damage in fractured reservoirs using flow rate instead of permeability
Zheng Lihui1, Liu Hao1, Zeng Hao2, Wu Tong1,3, Zhang Wenchang2, Wang Chao1,3
1. China University of Petroleum, Beijing 102249, China
2. Sinopec Zhongyuan Oilfield Company, Puyang, Henan 457001, China
3. Key Laboratory of Comprehensive Research and Application of Chemical Plugging Materials, Chemical Industry and Engineering Society of Hebei//Beijing LihuiLab Energy Technology Co., Ltd., Beijing 102200, China
Abstract

A "sofigenthcarbon formation" is a subsurface pool of hydrocarbons contained in the rock formations that can be easily broken into irregular fractured bodies when the mechanical environment changes. Typically, it happens on low overall strength rocks with anisotropic property of seepage and stress, such as coal, carbonate, unconsolidated sandstone or fractured tight sandstone, shale. Due to the strong heterogeneity of fractured reservoirs in the vertical direction, it is difficult to reflect the overall reservoir damage degree caused by working fluids by testing the permeability change of a single core plug before and after the intrusion of working fluids. To this end, this paper took advantage of the Darcy's law to theoretically discuss the feasibility of replacing the permeability with the flow rates to quantitatively characterize the reservoir damage degree. Then, the flow test experiments were carried out on single-layer development, double-layer joint development and three-layer joint development to evaluate the overall damage degree of single-layer and multi-layer reservoirs by working fluids. Finally, the flow damage degree was compared with the permeability damage degree to verify the feasibility of replacing permeability with flow rates. And the following research results were obtained. First, during the single-layer development, the flow-rate damage and the permeability damage are basically accordant, and the permeability damage degree is a special form of the flow-rate damage degree. Second, during the double-layer and three-layer joint development, the steady flow-rate damage degree of each layer is close to the permeability damage degree, and the flow-rate damage rate can quantitatively characterize the overall damage degree of jointly developed reservoirs, but the permeability damage degree cannot. Third, the steady flow-rate damage degree is closer to the permeability damage degree than the cumulative flow-rate damage degree. In conclusion, the determination of steady flow rates can be used as the substitute of permeability measurement to evaluate the damage degree of fractured reservoirs by working fluids, so as to provide a method and a basis for optimizing the engineering technology and evaluating the adaptability of working fluids.

Keyword: Fractured reservoir; Coal bed; Tight sandstone; Carbonate rock; Reservoir damage; Flow rate; Permeability; Joint exploration and development
0 引言

若地层岩石整体强度偏低, 在力学环境改变后岩石易破碎成不规则破裂体, 该地层被视为破碎地层[1]。而储存油气资源的破碎地层则被称为破碎性储层。目前, 破碎性储层分成两大类:一类是以煤岩、碳酸盐岩、疏松砂岩等为代表的天然破碎性储层; 另一类是以改造后致密砂岩、页岩等为代表的人工破碎性储层。破碎性储层在岩石组分、渗流能力和岩石力学参数等方面各向异性严重, 且多数需要经过储层改造才能获得经济产量[2]。由于投入产出比较低, 亟需通过对不同渗透能力的产层并采以提高开发效益[3]

然而, 并采前后, 评价钻井流体或者储层改造所用的工作流体对储层的伤害程度, 由于测试条件、开采环境不同, 带来诸多难题, 主要表现在以下3个方面:①由于并采储层工作流体伤害实验所用的柱塞岩样长度不一, 在利用达西公式计算多个柱塞的渗透率时, 无法确定采用哪一个柱塞岩样的长度; ②若采用相同长度柱塞岩样进行实验, 由于孔隙度和有效渗流面积存在差异, 无法将端面面积简单代数相加后代入达西公式求取整体渗透率; ③通过室内实验测定渗透率变化来评价储层伤害程度, 而现场关注的是储层整体受伤害程度对油气井测试产量大小的影响, 两者不对等。部分学者虽然改进了采用渗透率评价储层伤害程度的方法, 但大都是针对单一储层[4, 5, 6, 7, 8, 9], 并且, 这些测试普遍借鉴常规碎屑岩流动实验评价标准[10], 另外, 有少数学者考虑到部分破碎性储层自生自储特性, 通过开展等温吸附、核磁共振实验, 以及对现场数据进行多元回归, 从多个方面研究工作流体对储层的伤害程度[11, 12, 13, 14, 15, 16]。总的看来, 由于破碎性储层在纵向上存在较强非均质性, 通过测试单个柱塞岩样在工作流体伤害前后的渗透率变化难以体现工作流体对储层的整体伤害程度。为此, 利用达西定律先从理论上探讨用流量替代渗透率定量表征储层伤害程度的可行性, 再开展单层开采、双层及三层并采的流量测试实验, 评价工作流体对单层、多层储层的整体伤害程度, 并将流量损害率与渗透率损害率进行对比以求证流量替代渗透率的可行性。

1 基于达西定律的流量法评价工作流体对储层的伤害程度

由达西定律可以推导出流量损害率和渗透率损害率的关系式, 如式(1)所示, 流量损害率与渗透率损害率、被工作流体伤害前后不同流量下测得的岩心进出口压力平方差有关, 通过流量损害率、被工作流体伤害前后不同流量下岩心的进出口压力, 可以计算出渗透率损害率。

(1)

其中

式中DQ表示流量损害率; DK表示渗透率损害率; α β 表示系数; Qo表示被工作流体伤害前通过岩心的气体流量, cm3/s; Qd表示被工作流体伤害后通过岩心的气体流量, cm3/s; Ko表示岩样初始渗透率, mD; Kd表示接触工作流体后岩样渗透率, mD; p1表示伤害前岩心进口压力, MPa; p2表示伤害前岩心出口压力, MPa; p1'表示伤害后岩心进口压力, MPa; p2'表示伤害后岩心出口压力, MPa。

1.1 单层开采

单层开采时, 被工作流体伤害前、后岩心进口压力相等, 出口压力也相等, 同为大气压。由此, α =1、β =0, 则渗透率损害率等于流量损害率。

1.2 双层、三层并采

在实验室模拟物性不同的两套储层进行并采, 由于各柱塞岩心的长度、横截面积、实时流量以及进出口压力可能不同, 无法准确计算出岩心的整体渗透率及渗透率损害率。即使通过单独计量, 两个单层各自的渗透率能够计算获得, 但整体渗透率是否为两个岩心渗透率的简单叠加尚存在疑问。

假设工作流体伤害前后, 岩心进口压力、出口压力都不变, 式(1)转变为:

(2)

式中Kob表示模拟双层并采时岩心初始总渗透率, mD; A表示双层并采岩心初始横截面积, cm2; L'表示接触工作流体后双层并采岩心长度, cm; Kdb表示接触工作流体后双层并采岩心总渗透率, mD; A'表示接触工作流体后双层并采岩心横截面积, cm2; L表示双层并采岩心初始长度, cm。

由式(2)可知, 虽然模拟双层并采时岩样的总渗透率、横截面积及长度等还无法计算, 但流量损害率是接触工作流体前、后岩心总渗透率的函数, 且总流量能够直接测得, 说明流量法可以替代渗透率法, 进行破碎性储层工作流体伤害程度测试。

三层并采则与双层并采情况类似。综上所述, 单层开采时流量损害率与渗透率损害率相同; 双层及三层并采时流量损害率是渗透率的函数, 通过测量伤害前后的总流量, 能够计算出多层并采时工作流体对岩心渗流能力的整体损害率。

2 基于流量测试的工作流体伤害评价实验

实验选取鄂尔多斯盆地临兴区块下石盒子组致密砂岩与太原组煤岩, 钻切制备成直径为2.5 cm, 长度介于4.176~6.060 cm的柱塞岩心7个, 用于开展砂岩、煤岩单层开采、砂岩+煤岩双层并采、砂岩+砂岩+煤岩三层并采条件下的工作流体伤害评价实验。柱塞岩心基础数据如表1所示, 实验装置如图1所示。

表1 实验岩心基础数据统计表

图1 多层并采储层伤害评价实验装置示意图

通过选取临兴H井, 该井储层孔隙度介于7.2%~ 9.2 %, 产量介于14 319~34 148 m3/d, 射孔井段长度为650.40 m, 钻头直径为139.70 mm, 将现场生产数据转换为室内实验条件下的气体等效流量(介于3.083~9.433 cm3/s), 然后根据该区间范围调试得到与真实储层压力相匹配的测试围压值。

2.1 单层开采

首先, 根据地层水矿化度配制盐水并使用该盐水将柱塞岩心饱和; 然后, 分别将砂岩、煤岩岩心装入上层岩心夹持器, 关闭中、下层阀门; 设定温度为48 ℃, 缓慢增大围压至2.0 MPa; 逐渐增加岩心进口压力, 使砂岩岩心的进口压力与H井砂岩储层压力(11 MPa)一致, 使煤岩岩心的进口压力与H井煤岩储层压力(14 MPa)一致, 同时也逐步增大围压, 调节过程中始终保持围压比进口压力大1.5~2.0 MPa; 观察模拟开采单层砂岩、煤岩时的气体流量, 若气体流量介于3.083~9.433 cm3/s, 且围压值与岩石在地层中受到的上覆岩层压力较接近, 则认为此时的围压值可以作为试验围压, 若不能满足则需更换岩心; 确定围压后, 取出柱塞岩心, 将其反向安装; 向柱塞岩心注入工作流体, 此时调节围压至5.0 MPa, 设定驱替泵注入工作流体的流速介于0.10~0.25 mL/min, 以保证入口端压力维持在3.5 MPa左右, 连续注入2 h; 将柱塞岩心取出, 再反向重新装入岩心夹持器, 后续操作步骤和实验参数均与工作流体伤害前一致, 测定通过单层柱塞岩心的气体稳定流量。

表2所示, 模拟开采单层砂岩、煤岩时, 岩心进口压力分别达到实际储层压力(11 MPa、14 MPa), 围压也满足测试要求, 且通过岩心的气体流量介于3.083~9.433 cm3/s, 表明该模拟实验能够反映现场开采单层的情况。

表2 工作流体伤害评价实验数据统计表
2.2 双层、三层并采

依据储层在纵向上的实际排列顺序, 确定上、中层岩心夹持器中分别放入砂岩、煤岩岩心。在实际地层中, 由于下部致密砂岩储层较上部致密砂岩储层深31~97 m, 煤岩储层较上部、下部致密砂岩储层分别深241~284 m、152~245 m, 由压力梯度为0.022 64 MPa/m计算[17], 下部致密砂岩受到的上覆岩层压力比上部致密砂岩高约1 MPa, 煤岩受到的上覆岩层压力较上部、下部致密砂岩分别高约5 MPa、4 MPa。因此在并采条件下, 需要始终设定下部致密砂岩岩心所受围压比上部致密砂岩岩心高1.0 MPa, 对煤岩施加的围压比上部、下部致密砂岩岩心分别高5 MPa、4 MPa。除围压及总流量外, 模拟双层、三层并采的实验步骤与前述模拟单层开采的步骤相同。模拟双层(下部砂岩+煤岩)并采、三层(上部砂岩+下部砂岩+煤岩)并采的工作流体伤害评价实验数据如表3、4所示。

表3 “ 砂+煤” 双层并采工作流体伤害评价实验数据统计表
表4 “ 砂+砂+煤” 三层并采工作流体伤害评价实验数据统计表
3 工作流体伤害评价实验结果

为了科学构建储层伤害评价方法和指标, 笔者提出了稳定流量和累计流量两项评价指标。这两项指标的取值依据是要求在连续4个相邻时刻(每个时刻相隔3 min)测试通过岩样的气体体积差异均在5%以内, 且测试总时长不少于60 min。

3.1 单层开采

基于前述单层砂岩工作流体伤害评价实验结果, 计算得到砂岩渗透率损害率和流量损害率, 其中渗透率损害率与稳定流量损害率较接近, 相差0.37%; 而累计流量损害率略高于前两个指标, 分别高2.68%和2.31%(图2); 基于前述单层煤岩工作流体伤害评价实验结果, 计算得到煤岩渗透率损害率和流量损害率, 其中渗透率损害率与稳定流量损害率基本一致, 仅相差0.10%; 而累计流量损害率略低于前两个指标, 分别低0.70%和0.60%(图3)。可见, 在进行单层工作流体伤害评价时可以采用稳定流量损害率取代渗透率损害率来表征工作流体对储层的伤害程度。

图2 砂岩单层开采工作流体伤害程度评价指标对比图
(岩心A-2-15)

图3 煤岩单层开采工作流体伤害程度评价指标对比图
(岩心C-4-12)

3.2 双层、三层并采

在双层、三层并采的条件下, 采用渗透率损害率无法表征工作流体对储层的整体伤害程度, 依据前述双层(砂岩+煤岩)、三层(砂岩+砂岩+煤岩)并采工作流体伤害评价实验的流量统计结果, 计算稳定流量损害率及累计流量损害率。如图4、5所示, 渗透率损害率无法定量表征双层并采时工作流体对储层的整体伤害程度, 而采用流量损害率能够进行有效表征; 双层、三层并采时, 单层砂岩、煤岩的稳定流量损害率与渗透率损害率数值更接近, 绝对差值均在2%以内, 明显小于累计流量损害率与渗透率损害率的绝对差值; 双层并采时储层整体流量损害率与各单层流量损害率的平均值较接近, 三层并采时储层整体流量损害率明显低于各单层流量损害率的平均值。可见, 在双层、三层并采条件下, 流量法能够有效表征工作流体对储层整体的伤害程度。

图4 “ 砂岩+煤岩” 双层并采工作流体伤害程度评价指标对比图

图5 “ 砂岩+砂岩+煤岩” 三层并采工作流体伤害程度评价指标对比图

4 结论与建议

1)流量法无需考虑破碎性储层非均质渗流特性的差异, 解决了渗透率法不能定量表征工作流体对破碎性储层整体伤害程度的难题, 为优选工程技术和评价工作流体的适应性提供了方法依据。

2)目前, 流量法只适用于评价工作流体对储层的整体伤害程度, 测定储层内部因素造成的敏感性损害的可行性还没有明确做法。

3)利用流量法评价工作流体对储层的伤害程度仅仅是开始。关于敏感性类型的诊断、评价指标的优化、实验数据的选择及测试周期的确定, 特别是设备仪器的配套与性能参数的优化, 都是下步亟待开展的工作。

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