致密砂岩气藏水锁损害评价实验研究

王良 李皋 赵峰

(1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500;2.西南石油大学资源与环境学院，成都 610500)

水锁损害是致密气藏最主要的损害类型之一，严重影响气藏开发效果［1］。致密砂岩水锁损害的发生，通常是由于储层孔喉细小、毛细管压力高且具有强烈的吸收和保留流体的趋势，导致钻完井液在油气开发过程中通过井壁或者裂缝侵入致密砂岩基质，使得储层含水饱和度增加，水相侵占渗流空间，最终使气相渗透率降低。水锁损害一旦发生则难以完全解除，会严重影响储层评价和后期开发，因此对储层水锁损害进行准确评价尤为重要。国内外研究者基于孔隙度和渗透率等参数或实验数据的回归建立了多种水锁损害的预测方法，主要有 ATPi指数法、改进型 ATPi指数法、BVW水相体积法、PTC相圈闭法和CATP相圈闭系数法等［2-3］。其中，CATP相圈闭系数法的使用范围最广，限制条件最少。也有研究者基于储层岩性、物性、孔隙结构、侵入流体等多种因素建立了基于孔隙结构分形特征的水锁损害预测新方法。目前，实验评价方法［4-5］比较成熟，但存在的一些问题仍会对评价结果造成影响。本次研究在一般水锁损害实验评价方法的基础上提出致密砂岩水锁损害评价方法的改进建议，并对钻井现场致密砂岩气层岩心进行评价。

1 水锁损害评价面临的问题

1.1 水锁损害评价中的盐析现象

水锁损害评价中的盐析现象会加大水锁损害。此现象是指在评价过程中，实验流体所含盐分或其他成分会析出结晶并沉积或堆积起来，堵塞孔隙喉道裂缝，造成样品渗透率下降，从而增大水锁损害程度，影响原有评价结果。

水锁损害评价中主要使用地层流体、工作液滤液进行评价，这些流体都具有一定的矿化度。在地下实际高温高压的储层条件下，固相溶解度相对较大，流体中所含盐分难以结晶析出。但在室内评价时，其实验条件和环境状况与地下储层实际情况存在差距，驱替过程中气体会将地层水或工作液滤液中的水相带出，导致流体中的盐浓度增加。其结果是，当盐分含量超过自身溶解度后则会有结晶析出，并附着在颗粒表面或沉积在孔喉中造成堵塞，使损害程度加大而干扰评价结果。图1为水锁损害评价过程中的盐析结晶照片。

1.2 欠平衡条件下的水锁损害

目前的水锁损害评价方法主要针对正压差条件下水锁损害进行评价，模拟的是近平衡或者正压差钻井、完井、压裂等开发生产过程中发生的水锁损害。目前对于致密砂岩气藏普遍采用水基欠平衡钻井，达到对储层的有效保护。而研究表明，在水基欠平衡作业过程中，仍然存在水相逆流自吸现象，并对致密砂岩气层造成水锁损害。针对欠平衡条件下的水相逆流自吸水锁损害的研究并不多，目前提出的评价方法较少［6-7］。

图1 水锁损害评价过程中的盐析结晶照片

2 气藏水锁损害评价方法的改进

2.1 采用蒸馏水作为评价流体

致密砂岩气藏储层水锁损害评价的实质是，进一步研究当水相进入储层后使其含水饱和度升高从而对储层气相渗流能力产生的影响。针对盐析问题，可以选用不含离子的蒸馏水作为实验评价流体，以避免常规实验流体中所含盐分造成的盐析影响，从而仅反映水相对储层带来的水锁损害。蒸馏水作为实验流体可能会造成水敏损害，在此采用高温钝化的方式对实验岩心进行预处理，以消除潜在的水敏损害的影响。此方法主要利用了水敏矿物在地下高温条件下会转化为其他弱水敏性矿物的特点，在实验评价前预先对岩心进行加热处理，使其所含有的水敏性矿物发生转化。在加热钝化过程中，必须逐级增加温度，避免温度急剧变化造成岩心受热和散热不均，以防引起岩心发生裂缝甚至损坏。

2.2 欠平衡水锁损害评价方法

欠平衡条件下的水锁损害主要是指发生在水基欠平衡作业过程中的水相逆流自吸损害。针对水相逆流自吸损害的特点，设计一套可以模拟欠平衡作业条件的水锁损害评价实验装置，用以评价在此条件下水锁损害对储层的影响情况。根据欠平衡钻井的特点，地层压力大于井筒内工作流体压力，地层内流体不断进入井筒，通过欠平衡模拟装置对负压条件下的水锁损害进行评价。图2为欠平衡储层水锁损害自吸模拟装置示意图。

图2 欠平衡储层水锁损害自吸模拟装置示意图

2.3 水锁损害程度评价方法

通过式(1)计算不同含水饱和度下的水锁损害率:

式中:I— 水锁损害率，%;

Ki—岩心初始渗透率，取原始含水饱和度下的气体渗透率，μm2;

Kr— 水锁损害后的气体渗透率，μm2。

致密砂岩气藏水锁损害程度标准可参照“储层敏感性流动实验评价方法(SY/T 5358—2002)”，不同损害程度与损害率的对应关系如表1所示。

3 应用效果分析

3.1 采用蒸馏水作为评价流体

本次研究选用塔里木盆地阿合组致密砂岩气层岩心作为评价样品，分别采用蒸馏水和破胶后的水基压裂液(含KCl)作为评价流体，在室内条件下进行水锁损害评价，1#、2#岩样评价流体为蒸馏水，3#、4#号岩样评价流体为水基压裂液。表2为水锁损害实验结果统计表。

表1 不同损害程度与损害率的对应关系 %

评价结果显示，水基压裂液水锁损害率平均为89.71%，蒸馏水的水锁损害率平均为77.05%，两者之间存在一定差距。观察压裂液水锁损害评价实验后的岩心，发现盐析结晶附着在颗粒表面(图3)。这表明盐析因素是导致压裂液水锁损害程度偏大的原因之一，采用蒸馏水作为实验介质更能真实反映气层的水锁损害程度。

3.2 欠平衡条件水锁损害评价

选用川中须家河组致密砂岩进行欠平衡水锁损害评价，分析对比2组不同渗透率级别的岩心在欠压值为1 MPa时的渗透率连续变化趋势。图4为2组渗透率岩心欠平衡水锁损害渗透率变化曲线。

表2 水锁损害实验结果统计表

图3 压裂液水锁损害后岩心内部盐析结晶

由图4可知，随着自吸时间的延续，渗透率逐渐下降，这说明在欠平衡条件下仍然发生了水锁损害。初始渗透率大于0.1×10-3μm2的岩心，在开始的30 min内渗透率下降较快，随后渐趋稳定。此时水相的侵入和气体的反向作用达到动态平衡，保持2 h后损害率低至30%以下，相对正压差对储层有较好的保护作用。

图4 2组岩心欠平衡水锁损害渗透率变化曲线

在欠平衡条件下且不断有流体排出时，储层仍会继续吸水，直至发生水锁损害而造成渗透率下降。初始渗透率越小，水锁损害越严重。随着时间的延长，储层最终会达到一种动态平衡状态，水锁损害程度不再加深，气相渗透率不再下降。而欠压值过低可能造成近井壁孔喉被水相完全封堵，持续一段时间后完全失去渗流能力，难以达到保护储层的目的。因此在进行欠平衡钻井设计之前，需要评价不同欠压值下的自吸损害程度，选择合理的欠压值，以防止发生较强的储层损害。如果实验得到的欠压值超出了常规欠平衡钻井能够达到的最大值，则应当改变钻井方式以保护储层。

4 结语

本次研究是在一般水锁损害实验评价方法的基础上提出致密砂岩水锁损害评价方法的改进建议，并对钻井现场致密砂岩气层岩心进行评价。研究认为，在现有水锁损害评价的实验条件和操作流程下，应充分考虑到盐析现象，采用高温钝化处理和蒸馏水作为实验流体，以提高评价效果的准确性。所设计的欠压条件下的水锁损害模拟装置和评价方法可以较好地评价分析欠平衡条件下的水锁损害情况，是对现有评价方法的补充。采用欠平衡钻井方式可使储层得到较好保护，但仍无法避免水锁损害。在进行欠平衡钻井设计前，需要评价不同欠压值下的水锁损害程度，选择合理的欠压值，才能预防较强的储层损害。

［1］任冠龙，吕开河，徐涛，等.低渗透储层水锁损害研究新进展［J］.中外能源，2013，18(12):55.

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［3］谢晓永，郭新江，蒋祖军，等.基于孔隙结构分形特征的水锁损害预测新方法［J］.天然气工业，2012，32(11):68-71.

［4］赖南君，叶仲斌，赵文森，等.川西致密气藏水锁损害室内实验研究［J］.油气地质与采收率，2005，11(6):75-77.

［5］朱国华，徐建军，李琴.砂岩气藏水锁效应实验研究［J］.天然气勘探与开发，2003，26(1):29-36.

［6］赵峰，唐洪明，孟英峰，等.低渗透致密气藏水基欠平衡钻井损害评价技术［J］.石油勘探与开发，2009，36(1):113-119.

［7］李皋，孟英峰，唐洪明，等.砂岩气藏水基欠平衡钻井逆流自吸效应实验研究［J］.天然气工业，2007，27(1):75-77.