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利用泡沫解除黏土造成的儲層傷害試驗研究①

張珈銘1,2韓國慶1吳曉東1陳掌星2張 佳1張 凱2朱 峰1

1.中國石油大學(xué)石油工程教育部重點實驗室2.卡爾加里大學(xué)，卡爾加里 T2N1N4，加拿大

摘要黏土膨脹或運移/沉積會造成孔隙堵塞或吼道堵塞，從而引起儲層孔隙度及滲透率的下降，導(dǎo)致油氣井產(chǎn)能降低。提出了利用泡沫解堵技術(shù)來解除黏土造成的儲層傷害，并設(shè)計了氮氣泡沫解堵試驗系統(tǒng)。為了模擬黏土造成不同程度的儲層傷害，以PVA薄膜包裹細(xì)粉砂及鈣基膨潤土的方式，制備了3塊可出砂人造巖心。巖心測試結(jié)果顯示，黏土含量越高，巖心的滲透率越低，說明黏土造成的儲層傷害越嚴(yán)重。泡沫解堵試驗結(jié)果顯示，將泡沫注入巖心再放噴，可攜帶出部分砂土混合物，能夠有效解除黏土造成的儲層傷害，滲透率恢復(fù)速度較快；黏土造成的傷害比由細(xì)粉砂造成的儲層傷害嚴(yán)重。此研究可為儲層傷害修復(fù)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞黏土膨脹堵塞儲層傷害泡沫解堵滲透率

當(dāng)黏土與注入地層的工作液接觸時，會有兩種機理導(dǎo)致儲層傷害[1]。吸水的黏土膨脹造成孔隙堵塞；運移/沉淀的黏土?xí)氯缀怼＝鉀Q的方法有以下幾種：黏土膨脹和運移所造成的儲層傷害可以通過在修復(fù)流體中加入特定的陽離子來避免，如無機陽離子穩(wěn)定劑[1]。利用無機陽離子聚合物可以保證黏土的穩(wěn)定性，如羥基鋁、氯氧化鋯[1]，這些藥劑可以阻止陽離子交換。此外還有有機陽離子聚合物[1]、低聚物、PH緩沖溶液[2]，通過注入KOH來改變黏土的化學(xué)結(jié)構(gòu)[3]等。但以上所提到的修復(fù)方式皆為化學(xué)修復(fù)，化學(xué)修復(fù)存在二次儲層傷害和污染環(huán)境的風(fēng)險[4]。

在油氣藏中，泡沫通過捕獲氣體和增加流動阻力大大降低了氣體的流動能力[5-11]。泡沫具有低密度、高黏度及獨特的流變特性[12-16]，因此，將泡沫用于修復(fù)由于黏土造成的儲層傷害,并設(shè)計了氮氣泡沫解堵試驗系統(tǒng)。為了模擬黏土造成的不同程度的儲層傷害，以PVA薄膜包裹細(xì)粉砂及鈣基膨潤土的方式，制備了3塊可出砂人造巖心。試驗結(jié)果表明，泡沫解堵技術(shù)可有效解除黏土帶來的儲層傷害，此研究可為儲層傷害修復(fù)提供理論依據(jù)。

1泡沫解堵原理

泡沫解堵是通過向地層中注入泡沫，利用泡沫的膨脹能及攜帶能力，將儲層中的堵塞物攜帶出來，進(jìn)而提高近井地帶的孔隙度和滲透率，增加油氣井產(chǎn)能的一種物理解堵技術(shù)。泡沫解堵施工流程圖見圖1。泡沫解堵工藝可分為5個階段：

(1) 井筒內(nèi)循環(huán)泡沫，排出井筒內(nèi)液體。

(2) 向地層內(nèi)注泡沫。通過井筒向地層內(nèi)注入一定量的泡沫，注入過程需控制注入速度與注入壓力，防止將堵塞推向更深的儲層。泡沫注入量取決于儲層傷害程度。注入的高壓泡沫起到擴(kuò)張孔喉的作用，并為排出堵塞提供能量。

(3) 關(guān)井反應(yīng)。這一階段是為了使泡沫在地層中擴(kuò)散，為將堵塞物攜帶出儲層做準(zhǔn)備。

(4) 放噴。泡沫將堵塞物攜帶到井筒中，其中一部分堵塞物會隨著泡沫直接由井口噴出，另一部分則沉積于井底。這個階段一直持續(xù)到井口無泡沫排出。

(5) 井筒內(nèi)循環(huán)泡沫。通過井筒內(nèi)循環(huán)一定質(zhì)量的泡沫，將井底的堵塞物攜帶出來。

2泡沫解堵試驗研究

2.1　試驗設(shè)備

泡沫解堵試驗系統(tǒng)見圖2。

泡沫解堵試驗系統(tǒng)由泡沫注入部分、油藏部分、井筒部分以及計量部分構(gòu)成。

泡沫注入部分包括：氮氣瓶、高壓容器(裝存起泡劑溶液)、泡沫發(fā)生器(均勻混合氮氣和起泡劑溶液)以及高壓泵。

油藏部分包括：巖心夾持器(與油藏緩沖容器連接一端裝有篩網(wǎng)，防止堵塞物進(jìn)入油藏緩沖容器)、巖心、油藏緩沖容器(儲存更多的泡沫)以及回壓泵(提供環(huán)壓)。

井筒部分包括：井筒容器(入口端裝篩網(wǎng)，將攜帶出的砂收集于井筒)、兩個數(shù)字壓力計(分別置于井筒兩端)。

2.2　試驗材料

氮氣：體積分?jǐn)?shù)99.99%；起泡劑：采用陰離子磺酸鹽起泡劑(Fa220)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%；巖心：目前出砂試驗大多采用填砂管來模擬巖心，但填砂管中的砂沒有膠結(jié)，無法準(zhǔn)確反映實際儲層的規(guī)律。本次試驗采用可出砂人造巖心(中國石油大學(xué)(北京)研制)來模擬實際可出砂儲層。

巖心制作流程示意圖如圖 3所示。

使用出砂巖心前，將其放入PVA溶解液中靜置8 h左右，使PVA薄膜降解，釋放出其中的細(xì)粉砂及鈣基膨潤土，并用地層水飽和，然后放入烘干機中,在80 ℃下恒溫烘干24 h以上,備用。

本次試驗中所采用的巖心物性參數(shù)如表 1所示。

表1 試驗巖心物性Table1 Physicalpropertiesofthecores巖心序號巖樣高度/cm游離砂粒徑/μm游離砂質(zhì)量/g膨潤土質(zhì)量/gB18.04148400B28.35148404B38.46148408

2.3　試驗過程

(1) 先測試巖心的初始滲透率，然后將其放入巖心夾持器。

(2) 通過六通閥，向泡沫發(fā)生器中注入一定壓力(P1)的氮氣。

(3) 將起泡劑溶液加入高壓容器，利用高壓泵，通過六通閥，向泡沫發(fā)生器中注入一定壓力(P2)的起泡劑溶液。

(4) 開啟泡沫發(fā)生器中的磁力攪拌裝置，讓氮氣和起泡劑溶液在泡沫發(fā)生器中充分混合5 min。

(5) 利用高壓泵，將泡沫發(fā)生器中的泡沫緩慢注入井筒-巖心夾持器-油藏緩沖容器，同時記錄井筒兩端的壓力。

(6) 關(guān)閉注入閥門，使泡沫在巖心中充分反應(yīng)一段時間。

(7) 打開放噴閥門，使泡沫迅速排出，從而攜帶巖心中的砂，解除堵塞，期間記錄兩個壓力計讀數(shù)。

(8) 一段時間后關(guān)閉放噴閥，取出井筒容器中的沉淀物并烘干，測量質(zhì)量。烘干巖心，測試解堵后巖心的滲透率。將巖心裝入巖心夾持器后，重復(fù)步驟(7)和步驟(8)。

2.4　試驗結(jié)果

滲透率恢復(fù)系數(shù)βK：

βK=(K1-K0)/K0

(1)

式中：K0為巖心原始滲透率；K1為泡沫解堵后的巖心滲透率。

定義排出程度ε：

ε=m1/m0

( 2 )

式中：m0為巖心充填游離砂和膨潤土的質(zhì)量；m1為泡沫解堵排出砂和膨潤土的質(zhì)量。

如表 1所示，B1、B2和B3巖心都填充粒徑為148 μm的細(xì)粉砂40 g，不同的是填充膨潤土的質(zhì)量不同。B1、B2和B3填充膨潤土的質(zhì)量分別為0 g、4 g和8 g，用來模擬黏土所造成的不同程度的儲層傷害。

從圖 4 可看出，B系列巖心在排砂前，滲透率由大至小依次為：B1、B2、B3。由此可看出，黏土含量越高，儲層傷害所造成的滲透率下降越明顯。隨著細(xì)粉砂及膨潤土的排出，巖心滲透率逐漸恢復(fù)，說明泡沫解堵工藝對于砂堵及黏土所造成的儲層傷害修復(fù)效果較好。在相同的實驗條件下，注入地層水溶液無法解除黏土造成的儲層傷害。

從圖 5可看出，B2、B3巖心的恢復(fù)程度遠(yuǎn)高于B1巖心的滲透率恢復(fù)程度。說明黏土造成的傷害比由細(xì)粉砂造成的儲層傷害嚴(yán)重。在出砂比小于11%時，滲透率恢復(fù)速度較快；當(dāng)出砂比達(dá)到11%時，滲透率恢復(fù)速度變緩。說明在排出程度達(dá)到11%時，已修復(fù)了大部分堵塞的孔隙，連通了大部分孔隙。因此，在排出程度達(dá)到11%前，滲透率恢復(fù)速度較高。

3結(jié)論與認(rèn)識

(1) 提出了泡沫解堵概念，利用泡沫的膨脹能及攜帶能力，將儲層中的砂土混合物攜帶出來，從而提高近井地帶的孔隙度和滲透率，是增加油氣井產(chǎn)能的一種物理解堵技術(shù)。

(2) 為了研究泡沫解堵技術(shù)對黏土造成傷害的修復(fù)效果，制備了可出砂人造巖心，采用對比解堵前后巖心滲透率的方式，設(shè)計了氮氣泡沫解堵試驗。

(3) 實驗結(jié)果顯示，黏土含量越高，巖心的滲透率越低；泡沫解堵技術(shù)能夠有效解除黏土造成的儲層傷害；排出程度在達(dá)到約11%之前，滲透率恢復(fù)速度較快；黏土造成的傷害比由細(xì)粉砂造成的儲層傷害嚴(yán)重。

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Experimental study of formation damage caused by

clay with cyclic foam stimulation

Zhang Jiaming1,2, Han Guoqing1, Wu Xiaodong1, Chen Zhangxing2,

Zhang Jia1, Zhang Kai2, Zhu Feng1

(1.MOEKeyLaboratoryofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum，

Beijing102249,China; 2.UniversityofCalgary,CalgaryT2N1N4,Canada)

Abstract:Reservoir damage caused by clay is due to clay swelling or transport/deposition, which causes porous media blockage, drop of reservoir porosity and permeability, and reduce of oil and gas well production capacity. Foam plugging technology is proposed in this paper to remove the reservoir damage caused by clay, and cyclic foam stimulation test system is designed. In order to simulate formation damage caused by clay in different levels, 3 man-made sand producible cores invent firstly based on PVA film wrapped fine sand and calcium bentonite. Experiments results show that more weight percentage of clay in formation will cause lower of core permeability, the reservoir damage more seriously. Foam has good discharge effect on sand blockage and clay swelling. Permeability restitution coefficient is defined; the damage caused by the clay is severer than by the fine sand.

Key words:clay, swelling, blockage, formation damage, foam, formation plugging removal, permeability

收稿日期：2015-06-18；編輯：馮學(xué)軍

中圖分類號：TE357.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.01.012

作者簡介：張珈銘,男，博士研究生，中國石油大學(xué)(北京)，研究方向:油氣田開發(fā)工程。E-mail：zjiaming86@163.com

基金項目：①國家留學(xué)基金和加拿大CMG基金會項目“Industrial Research Chair in Non- Conventional Reservoirs Modeling”(1602316)。