鄭力會(huì) 劉 皓 曾 浩 吳 通,3 張文昌 王 超,3

1.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國石油大學(xué)（北京） 2.中國石油化工股份有限公司中原油田分公司

3.河北省化工學(xué)會(huì)化學(xué)封堵材料綜合利用研究與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·北京力會(huì)瀾博能源技術(shù)有限公司

0 引言

若地層巖石整體強(qiáng)度偏低，在力學(xué)環(huán)境改變后巖石易破碎成不規(guī)則破裂體，該地層被視為破碎地層[1]。而儲(chǔ)存油氣資源的破碎地層則被稱為破碎性儲(chǔ)層。目前，破碎性儲(chǔ)層分成兩大類：一類是以煤巖、碳酸鹽巖、疏松砂巖等為代表的天然破碎性儲(chǔ)層；另一類是以改造后致密砂巖、頁巖等為代表的人工破碎性儲(chǔ)層。破碎性儲(chǔ)層在巖石組分、滲流能力和巖石力學(xué)參數(shù)等方面各向異性嚴(yán)重，且多數(shù)需要經(jīng)過儲(chǔ)層改造才能獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[2]。由于投入產(chǎn)出比較低，亟需通過對(duì)不同滲透能力的產(chǎn)層并采以提高開發(fā)效益[3]。

然而，并采前后，評(píng)價(jià)鉆井流體或者儲(chǔ)層改造所用的工作流體對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度，由于測試條件、開采環(huán)境不同，帶來諸多難題，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①由于并采儲(chǔ)層工作流體傷害實(shí)驗(yàn)所用的柱塞巖樣長度不一，在利用達(dá)西公式計(jì)算多個(gè)柱塞的滲透率時(shí)，無法確定采用哪一個(gè)柱塞巖樣的長度；②若采用相同長度柱塞巖樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于孔隙度和有效滲流面積存在差異，無法將端面面積簡單代數(shù)相加后代入達(dá)西公式求取整體滲透率；③通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測定滲透率變化來評(píng)價(jià)儲(chǔ)層傷害程度，而現(xiàn)場關(guān)注的是儲(chǔ)層整體受傷害程度對(duì)油氣井測試產(chǎn)量大小的影響，兩者不對(duì)等。部分學(xué)者雖然改進(jìn)了采用滲透率評(píng)價(jià)儲(chǔ)層傷害程度的方法，但大都是針對(duì)單一儲(chǔ)層[4-9]，并且，這些測試普遍借鑒常規(guī)碎屑巖流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[10]，另外，有少數(shù)學(xué)者考慮到部分破碎性儲(chǔ)層自生自儲(chǔ)特性，通過開展等溫吸附、核磁共振實(shí)驗(yàn)，以及對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸，從多個(gè)方面研究工作流體對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度[11-16]?？偟目磥?，由于破碎性儲(chǔ)層在縱向上存在較強(qiáng)非均質(zhì)性，通過測試單個(gè)柱塞巖樣在工作流體傷害前后的滲透率變化難以體現(xiàn)工作流體對(duì)儲(chǔ)層的整體傷害程度。為此，利用達(dá)西定律先從理論上探討用流量替代滲透率定量表征儲(chǔ)層傷害程度的可行性，再開展單層開采、雙層及三層并采的流量測試實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)工作流體對(duì)單層、多層儲(chǔ)層的整體傷害程度，并將流量損害率與滲透率損害率進(jìn)行對(duì)比以求證流量替代滲透率的可行性。

1 基于達(dá)西定律的流量法評(píng)價(jià)工作流體對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度

由達(dá)西定律可以推導(dǎo)出流量損害率和滲透率損害率的關(guān)系式，如式（1）所示，流量損害率與滲透率損害率、被工作流體傷害前后不同流量下測得的巖心進(jìn)出口壓力平方差有關(guān)，通過流量損害率、被工作流體傷害前后不同流量下巖心的進(jìn)出口壓力，可以計(jì)算出滲透率損害率。

式中DQ表示流量損害率；DK表示滲透率損害率；α、β表示系數(shù)；Qo表示被工作流體傷害前通過巖心的氣體流量，cm3/s；Qd表示被工作流體傷害后通過巖心的氣體流量，cm3/s；Ko表示巖樣初始滲透率，mD；Kd表示接觸工作流體后巖樣滲透率，mD；p1表示傷害前巖心進(jìn)口壓力，MPa；p2表示傷害前巖心出口壓力，MPa；p1'表示傷害后巖心進(jìn)口壓力，MPa；p2'表示傷害后巖心出口壓力，MPa。

1.1 單層開采

單層開采時(shí)，被工作流體傷害前、后巖心進(jìn)口壓力相等，出口壓力也相等，同為大氣壓。由此，α=1、β=0，則滲透率損害率等于流量損害率。

1.2 雙層、三層并采

在實(shí)驗(yàn)室模擬物性不同的兩套儲(chǔ)層進(jìn)行并采，由于各柱塞巖心的長度、橫截面積、實(shí)時(shí)流量以及進(jìn)出口壓力可能不同，無法準(zhǔn)確計(jì)算出巖心的整體滲透率及滲透率損害率。即使通過單獨(dú)計(jì)量，兩個(gè)單層各自的滲透率能夠計(jì)算獲得，但整體滲透率是否為兩個(gè)巖心滲透率的簡單疊加尚存在疑問。

假設(shè)工作流體傷害前后，巖心進(jìn)口壓力、出口壓力都不變，式（1）轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

式中Kob表示模擬雙層并采時(shí)巖心初始總滲透率，mD；A表示雙層并采巖心初始橫截面積，cm2；L'表示接觸工作流體后雙層并采巖心長度，cm；Kdb表示接觸工作流體后雙層并采巖心總滲透率，mD；A'表示接觸工作流體后雙層并采巖心橫截面積，cm2；L表示雙層并采巖心初始長度，cm。

由式（2）可知，雖然模擬雙層并采時(shí)巖樣的總滲透率、橫截面積及長度等還無法計(jì)算，但流量損害率是接觸工作流體前、后巖心總滲透率的函數(shù)，且總流量能夠直接測得，說明流量法可以替代滲透率法，進(jìn)行破碎性儲(chǔ)層工作流體傷害程度測試。

三層并采則與雙層并采情況類似。綜上所述，單層開采時(shí)流量損害率與滲透率損害率相同；雙層及三層并采時(shí)流量損害率是滲透率的函數(shù)，通過測量傷害前后的總流量，能夠計(jì)算出多層并采時(shí)工作流體對(duì)巖心滲流能力的整體損害率。

2 基于流量測試的工作流體傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊下石盒子組致密砂巖與太原組煤巖，鉆切制備成直徑為2.5 cm，長度介于4.176～6.060 cm的柱塞巖心7個(gè)，用于開展砂巖、煤巖單層開采、砂巖＋煤巖雙層并采、砂巖＋砂巖＋煤巖三層并采條件下的工作流體傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。柱塞巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖1 多層并采儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

通過選取臨興H井，該井儲(chǔ)層孔隙度介于7.2%～9.2 %，產(chǎn)量介于14 319～34 148 m3/d，射孔井段長度為650.40 m，鉆頭直徑為139.70 mm，將現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件下的氣體等效流量（介于3.083～9.433 cm3/s），然后根據(jù)該區(qū)間范圍調(diào)試得到與真實(shí)儲(chǔ)層壓力相匹配的測試圍壓值。

2.1 單層開采

首先，根據(jù)地層水礦化度配制鹽水并使用該鹽水將柱塞巖心飽和；然后，分別將砂巖、煤巖巖心裝入上層巖心夾持器，關(guān)閉中、下層閥門；設(shè)定溫度為48 ℃，緩慢增大圍壓至2.0 MPa；逐漸增加巖心進(jìn)口壓力，使砂巖巖心的進(jìn)口壓力與H井砂巖儲(chǔ)層壓力（11 MPa）一致，使煤巖巖心的進(jìn)口壓力與H井煤巖儲(chǔ)層壓力（14 MPa）一致，同時(shí)也逐步增大圍壓，調(diào)節(jié)過程中始終保持圍壓比進(jìn)口壓力大1.5～2.0 MPa；觀察模擬開采單層砂巖、煤巖時(shí)的氣體流量，若氣體流量介于3.083～9.433 cm3/s，且圍壓值與巖石在地層中受到的上覆巖層壓力較接近，則認(rèn)為此時(shí)的圍壓值可以作為試驗(yàn)圍壓，若不能滿足則需更換巖心；確定圍壓后，取出柱塞巖心，將其反向安裝；向柱塞巖心注入工作流體，此時(shí)調(diào)節(jié)圍壓至5.0 MPa，設(shè)定驅(qū)替泵注入工作流體的流速介于0.10～0.25 mL/min，以保證入口端壓力維持在3.5 MPa左右，連續(xù)注入2 h；將柱塞巖心取出，再反向重新裝入巖心夾持器，后續(xù)操作步驟和實(shí)驗(yàn)參數(shù)均與工作流體傷害前一致，測定通過單層柱塞巖心的氣體穩(wěn)定流量。

如表2所示，模擬開采單層砂巖、煤巖時(shí)，巖心進(jìn)口壓力分別達(dá)到實(shí)際儲(chǔ)層壓力（11 MPa、14 MPa），圍壓也滿足測試要求，且通過巖心的氣體流量介于3.083～9.433 cm3/s，表明該模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚍从超F(xiàn)場開采單層的情況。

2.2 雙層、三層并采

依據(jù)儲(chǔ)層在縱向上的實(shí)際排列順序，確定上、中層巖心夾持器中分別放入砂巖、煤巖巖心。在實(shí)際地層中，由于下部致密砂巖儲(chǔ)層較上部致密砂巖儲(chǔ)層深31～97 m，煤巖儲(chǔ)層較上部、下部致密砂巖儲(chǔ)層分別深241～284 m、152～245 m，由壓力梯度為0.022 64 MPa/m計(jì)算[17]，下部致密砂巖受到的上覆巖層壓力比上部致密砂巖高約1 MPa，煤巖受到的上覆巖層壓力較上部、下部致密砂巖分別高約5 MPa、4 MPa。因此在并采條件下，需要始終設(shè)定下部致密砂巖巖心所受圍壓比上部致密砂巖巖心高1.0 MPa，對(duì)煤巖施加的圍壓比上部、下部致密砂巖巖心分別高5 MPa、4 MPa。除圍壓及總流量外，模擬雙層、三層并采的實(shí)驗(yàn)步驟與前述模擬單層開采的步驟相同。模擬雙層（下部砂巖＋煤巖）并采、三層（上部砂巖＋下部砂巖＋煤巖）并采的工作流體傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3、4所示。

表2 工作流體傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表3 “砂＋煤”雙層并采工作流體傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表4 “砂＋砂＋煤”三層并采工作流體傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3 工作流體傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了科學(xué)構(gòu)建儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)，筆者提出了穩(wěn)定流量和累計(jì)流量兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。這兩項(xiàng)指標(biāo)的取值依據(jù)是要求在連續(xù)4個(gè)相鄰時(shí)刻（每個(gè)時(shí)刻相隔3 min）測試通過巖樣的氣體體積差異均在5%以內(nèi)，且測試總時(shí)長不少于60 min。

3.1 單層開采

基于前述單層砂巖工作流體傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到砂巖滲透率損害率和流量損害率，其中滲透率損害率與穩(wěn)定流量損害率較接近，相差0.37%；而累計(jì)流量損害率略高于前兩個(gè)指標(biāo)，分別高2.68%和2.31%（圖2）；基于前述單層煤巖工作流體傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到煤巖滲透率損害率和流量損害率，其中滲透率損害率與穩(wěn)定流量損害率基本一致，僅相差0.10%；而累計(jì)流量損害率略低于前兩個(gè)指標(biāo)，分別低0.70%和0.60%（圖3）?？梢?，在進(jìn)行單層工作流體傷害評(píng)價(jià)時(shí)可以采用穩(wěn)定流量損害率取代滲透率損害率來表征工作流體對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度。

圖2 砂巖單層開采工作流體傷害程度評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比圖

圖3 煤巖單層開采工作流體傷害程度評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比圖

3.2 雙層、三層并采

在雙層、三層并采的條件下，采用滲透率損害率無法表征工作流體對(duì)儲(chǔ)層的整體傷害程度，依據(jù)前述雙層（砂巖＋煤巖）、三層（砂巖＋砂巖＋煤巖）并采工作流體傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算穩(wěn)定流量損害率及累計(jì)流量損害率。如圖4、5所示，滲透率損害率無法定量表征雙層并采時(shí)工作流體對(duì)儲(chǔ)層的整體傷害程度，而采用流量損害率能夠進(jìn)行有效表征；雙層、三層并采時(shí)，單層砂巖、煤巖的穩(wěn)定流量損害率與滲透率損害率數(shù)值更接近，絕對(duì)差值均在2%以內(nèi)，明顯小于累計(jì)流量損害率與滲透率損害率的絕對(duì)差值；雙層并采時(shí)儲(chǔ)層整體流量損害率與各單層流量損害率的平均值較接近，三層并采時(shí)儲(chǔ)層整體流量損害率明顯低于各單層流量損害率的平均值。可見，在雙層、三層并采條件下，流量法能夠有效表征工作流體對(duì)儲(chǔ)層整體的傷害程度。

圖4 “砂巖＋煤巖”雙層并采工作流體傷害程度評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比圖

圖5 “砂巖＋砂巖＋煤巖”三層并采工作流體傷害程度評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比圖

4 結(jié)論與建議

1）流量法無需考慮破碎性儲(chǔ)層非均質(zhì)滲流特性的差異，解決了滲透率法不能定量表征工作流體對(duì)破碎性儲(chǔ)層整體傷害程度的難題，為優(yōu)選工程技術(shù)和評(píng)價(jià)工作流體的適應(yīng)性提供了方法依據(jù)。

2）目前，流量法只適用于評(píng)價(jià)工作流體對(duì)儲(chǔ)層的整體傷害程度，測定儲(chǔ)層內(nèi)部因素造成的敏感性損害的可行性還沒有明確做法。

3）利用流量法評(píng)價(jià)工作流體對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度僅僅是開始。關(guān)于敏感性類型的診斷、評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的選擇及測試周期的確定，特別是設(shè)備儀器的配套與性能參數(shù)的優(yōu)化，都是下步亟待開展的工作。