基于致密砂岩气藏初始含水饱和度的水锁伤害评价

王茜， 王双威， 唐胜蓝， 张洁， 张蝶， 赵志良

美国非常规气资源的成功开发极大地鼓舞了世界范围内的非常规气藏开发热潮。中国非常规气藏资源丰富，初步评价中国非常规气藏可采资源量为（84～125）×1012m3，是常规气资源量的5倍左右[1]。致密砂岩气藏作为非常规气藏的一种，基质渗透率低，Law and Curtis曾将渗透率小于0.1 mD的气藏定义为致密砂岩气藏[2]，其通常具有较高的毛细管力和束缚水饱和度以及较低的初始含水饱和度[3-4]。较低的初始含水饱和度和较高的束缚水饱和度，导致储层接触水基工作液后，大量的水分在储层滞留，造成严重的水锁伤害。研究证明，水锁对致密砂岩储层的伤害率普遍在70%～90%[5-7]。目前水锁伤害的评价多使用恒压注入或自吸实验模拟水锁伤害，然后对比分析自吸后以及干岩心的气体渗透率之间的变化情况，计算水锁程度[8-10]，忽略了致密砂岩气藏的初始含水饱和度对岩心初始渗透率的影响，通常得到的水锁伤害程度较实际情况更加严重。为了更加符合致密砂岩气藏的真实情况，建立了一套基于初始含水饱和度的致密砂岩气藏水锁伤害评价方法，并进行了实验验证。实验证明，该方法可操作性高，数据稳定，具有很大的推广价值。

1 室内实验

1.1 实验方法

实验过程中使用的岩心取自塔里木油田神木1井致密气藏的储层段的天然岩心，埋深5 194～5 203 m，气测渗透率小于0.1 mD。岩心的准备按照SY/T 5358—2010《储层敏感性流动实验评价方法》的要求进行。使用自主创建的致密岩心初始含水饱和度建立方法，使实验岩心的含水饱和度与气藏储层实际含水饱和度相同。污染的过程，按照抽真空法进行。通过对比初始含水饱和度下岩心的气体渗透率和水锁伤害后束缚水饱和度下岩心的气体渗透率计算水锁伤害程度。岩心气测渗透率步骤按照《油层物理学》中气测渗透率实验方法进行[11]。

1.2 实验仪器及材料

多孔纤维，水润湿；精密ISCO泵；中间容器，1 L；脉冲发生器，0～20 MPa；岩心夹持器，直径2.5 cm；JHCSI岩心抽真空饱和装置，工作压力-0.06～50 MPa；回压阀，0～20 MPa；精密气体流量计，EL-FLOW，2～100 mL/min。

2 岩心初始含水饱和度的建立

为了水分在岩心内部分散得更加均匀，使用3步走的方法建立致密岩心的初始含水饱和度。

1）使用饱和水后的多孔纤维包裹岩心，增加岩心表面的含水饱和度。首先按照GB/T 29172—2012《岩心分析方法》规定的实验流程对储层岩心进行洗油、洗盐、干燥，然后测定岩心的覆压孔隙度和滑脱矫正后的气体渗透率。对地层水或模拟地层水按照标准规定的方法进行过滤，计算地层水的密度。根据岩心孔隙度和地层水密度，计算地层初始含水饱和度下岩心饱和水质量。使水润湿性多孔纤维，在地层水中充分饱和，适当拧干，去除多孔纤维中的流动水。使用多孔纤维包裹岩心，每隔2 min测定1次岩心的质量。使用多孔纤维包裹的方法，使岩心吸入1/2需要饱和质量的水。

2）使用湿气驱替法增加岩心内部的含水饱和度。将氮气瓶中的氮气通过加入4/5水的中间容器，为氮气加湿，然后使用湿润氮气驱替岩心，驱替流速应低于同区块岩心速敏实验中确定的临界流速，实验围压高于驱替压力3 MPa。每隔10 min测定1次岩心的质量，使用湿气驱替的方法，将1/2需要饱和的水驱入岩心。

3）在氮气瓶控压阀后安装脉冲控制设备，通过控压阀，制造脉冲压力。使用脉冲压力，驱替达到初始含水饱和度的岩心，脉冲压力的存在，可以加快岩心内部水分分布均匀所需的时间。在正式实验开始前，对脉冲压力的最大值进行优选。优选的依据为脉冲压力驱替的过程中，避免将岩心中的水分驱出。优选实验通过称量不同最高脉冲压力条件下，驱替岩心2 h。称量脉冲压力驱替前后岩心的质量，岩心的质量变化小于5%的驱替压力，为脉冲压力的最大值。通过优选实验，本论文中使用的脉冲压力最大值为4 MPa。

3 岩心的饱和以及返排条件确定

3.1 岩心抽真空饱和时间的确定

为了保证实验结果的可重复性，必须保证在抽真空饱和的过程中，每块岩心被钻井液滤液充分饱和。充分饱和所需的时间与岩心的体积、岩石成分、抽真空装置的负压大小有关。因此在使用抽真空饱和方法前，需要做饱和度随时间的变化情况实验，确定最低的饱和时间。取致密气藏岩心，测定了饱和度随时间的变化关系。所使用的抽真空饱和装置在正常工作时的负压值为0.05 MPa，所用的岩心取自同一区块，长度和直径都非常接近，以增加实验的对比性。使用抽真空饱和装置，对5块岩心进行了抽真空饱和实验，各岩心的含水饱和度随时间的变化如图1所示。

图1 5块岩心吸水量随时间的变化曲线

从图1可以看出，在使用本实验装置条件下，各岩心在饱和10 h之后，含水饱和度不再发生明显的变化，因此将抽真空饱和时间定为10 h，能够保证岩心被水相充分饱和。

3.2 实验过程中返排时间的确定

抽真空饱和法测定致密岩心水锁伤害程度要求将岩心抽真空饱和后，在一定驱替压力下，将岩心驱替至束缚水饱和度，然后测定岩心的气测渗透率变化，计算岩心的水锁伤害程度。岩心从完全饱和状态被驱替至束缚水饱和度状态所需要的时间与岩心的长度、渗透率大小、驱替时岩心入口端与出口端的压差有关。为了保证每组实验污染后岩心的含水饱和度情况保持一致，在使用尺寸和渗透率相近岩心的前提下，需要对驱替压力和驱替时间进行优化。

3.2.1 驱替压力的确定

其他条件不变的情况下，驱替压力越大，气体在岩心内部的流动速度越快，岩心达到束缚水饱和度的时间越短。但是流速过快会对岩心造成速敏伤害。同时驱替压力越大，所需要的围压越大，过大的围压会对岩心造成一定程度的应力敏感伤害。因此，首先需要确定岩样的速敏情况，以确定临界驱替压力。

将岩心入口端的驱替氮气压力分别设置为1、2、3、3.5、4、4.5、5 MPa，根据岩心的长度，计算出各驱替压力下的压力梯度，然后测定岩心的气体渗透率。测量过程中，将岩心所受的围压设定为高于驱替压力2 MPa，固定净围压值，减少围压对岩心渗透的影响。每个压力下测定3组实验，取其平均值，作为不同驱替压力下岩心的气体渗透率。

实验结果显示，致密岩心临界压力梯度较低，当驱替压力超过1 MPa时渗透率伤害程度超过了20%。在驱替压力为1～4 MPa时，岩心渗透率比较平稳，压力继续增大，岩心渗透率会明显下降。因此最佳驱替压力为1～4 MPa之间。

表1 岩心气体渗透率随驱替压力变化情况

3.2.2 驱替时间的确定

考虑到岩心驱替时间越长，由于蒸发效应导致的岩心含水饱和度变化越不可控。而且，流速越低毛细管力和岩心的末端效应对气测渗透率造成的误差越大[4]。所以将驱替压力定为4 MPa，对岩心进行气体返排实验，测定了岩心内部含水饱和度随时间的变化关系。首先，将岩心烘干后测定了岩心的干重、充分饱和地层水后的湿重、岩心的长度、直径，从而计算出岩心的孔隙体积，岩心基本信息见表2。其中使用的模拟地层水的密度为1.075 kg/m3。然后将岩心装入岩心夹持器，围压加至6 MPa，测定了驱替 10、20、30、60、90、120、150、180 min时岩心的质量，见表3。根据岩心的基本信息和实验数据，可以计算出岩心内部含水饱和度随时间的变化趋势，见图2。

表2 使用岩心的基本信息

表3 岩心质量随时间的变化情况

由图2可以看出，由于9#、10#岩心的渗透率比较接近，2块岩心的含水饱和度变化趋势也大致相同。11#岩心的渗透率较高，在使用4 MPa的驱替压力驱替时，出口出水早于另外2块岩心，在驱替40 min时，基本已经达到平衡。3块岩心，在驱替2 h后，基本上都达到了含水饱和度平衡。之后，岩心含水饱和度在蒸发效应的作用下，含水饱和度会继续缓慢降低，但是变化幅度可以忽略。因此，当驱替压力为4 MPa时，岩心需驱替2 h以上。

图2 含水饱和度随时间变化曲线

4 水锁伤害程度评价

通过离心法，将取自神木4井6 649 m的聚磺钻井液进行固液分离。然后使用0.22 μm滤膜对滤液进行抽滤，除去滤液中的微粒。使用上述指定的方法，将4块岩心建立初始含水饱和度（储层的初始含水饱和度为30%），并使用抽滤后的滤液对岩心进行水锁伤害。实验过程中，真空泵的负压为0.05 MPa、抽真空饱和时间为10 h。抽真空饱和后，返排压力为4 MPa，返排时间为2 h。分别测定了岩心的初始含水饱和度下和束缚水饱和度下岩心的气体渗透率，评价岩心在聚磺钻井液中受到的水锁伤害程度。所用岩心参数见表4，实验结果见图3。如图3所示，4个岩心的渗透率分布为0.011～0.057 mD，孔隙度分布为2.16%～5.41%，4个岩心水锁伤害为54.83%～72.73%。整体趋势为渗透率越低，潜在的水锁伤害越严重。水锁伤害主要是由于水相在储层孔隙毛细管力的作用下产生的，毛细管力越强，水锁伤害越严重。液体的毛细管力的计算公式如公式1所示：

式中，Pc为毛细管力，Pa；r为储层岩石孔隙的毛管半径，mm；σ为液体与岩石的之间的表面张力，mN/m。由毛细管力计算公式可知，当液体和岩石性质确定后，σ和θ的值一定，毛细管力的大小取决于储层岩石孔隙的毛细管半径，r越小，毛细管力越严重。通过建立的水锁伤害评价可知，岩心的渗透率越低，毛细管半径越小，水锁伤害越严重。上述实验结果与水锁伤害发生机理相匹配。因此这种方法能够很好地评价储层岩心的水锁伤害程度。同时，使用以岩心初始含水饱和度下的气体渗透率为基础计算的水锁伤害程度要低于基于岩心含水饱和度为0（充分干燥后）时的水锁伤害程度（70%～90%）。

表4 岩心基本参数

图3 岩心水锁伤害程度

5 结论

1.使用抽真空饱和法能够有效地测定致密岩心的水锁伤害程度，以初始含水饱和度为基准测得致密砂岩气藏岩心水锁伤害程度为54.83%～72.73%，较常规方法测得的70%～90%低。

2.致密岩心通过抽真空的方法达到含水饱和度为100%所需要的时间与岩心的尺寸、物性有关。针对不同条件岩心，必须进行抽真空饱和时间优化。本实验使用岩心的饱和时间为10 h。

3.岩心返排时间与驱替压力有关，驱替压力在小于岩心应力敏感的临界压力的情况下取最高值，以降低由于蒸发效应导致的不确定性和气测渗透率的准确性。本实验使用岩心的返排压力定为4 MPa，返排时间为2 h。

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