澀北氣田疏松砂巖氣藏儲(chǔ)集層堵塞機(jī)理及解堵技術(shù)應(yīng)用

廖麗，歐寶明，陳君，吳程，姜琪，倪勇，趙玉

(中國石油 青海油田分公司a.鉆采工藝研究院；b.生產(chǎn)運(yùn)行處，甘肅 敦煌 736200)

澀北氣田第四系疏松砂巖氣藏是柴達(dá)木盆地天然氣開發(fā)的主要?dú)獠?，?chǔ)集層膠結(jié)強(qiáng)度低，巖性以含泥粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，整體上具有泥質(zhì)含量高和壓力敏感性強(qiáng)的特點(diǎn)[1-3]，水體主要以邊水的形式存在，屬于中—強(qiáng)水驅(qū)氣藏，現(xiàn)今地層壓力系數(shù)為0.72，常見作業(yè)井漏失[4-5]。

隨著氣田的深入開發(fā)，氣井出水出砂日益嚴(yán)重。此外，外來流體侵入導(dǎo)致儲(chǔ)集層氣相相對(duì)滲透率降低，堵塞頻發(fā)，嚴(yán)重影響氣井產(chǎn)能[6-8]。針對(duì)儲(chǔ)集層堵塞的30 余口井，采取了增大生產(chǎn)壓差、注氣、注水等解堵措施，解堵有效率僅約為23%，效果不佳。本文針對(duì)澀北氣田疏松砂巖氣藏儲(chǔ)集層泥質(zhì)含量高和出水加劇的特點(diǎn)，以保護(hù)儲(chǔ)集層為目標(biāo)，開展儲(chǔ)集層堵塞和解堵模擬實(shí)驗(yàn)，研制高效低成本的解堵液，為研究區(qū)氣藏的有效開發(fā)提供服務(wù)。

1 儲(chǔ)集層堵塞機(jī)理

澀北氣田第四系疏松砂巖氣藏儲(chǔ)集層以泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和含粉砂泥巖為主，填隙物主要為伊利石、綠泥石、方解石和白云石，還有少量重晶石及鐵氧化物，其中，伊利石和綠泥石含量高；膠結(jié)物以方解石和白云石為主，儲(chǔ)集層水敏性較強(qiáng)。儲(chǔ)集層孔隙度主要為30%～35%，滲透率主要為1.0～10.0 mD，屬于高孔中—低滲儲(chǔ)集層。

隨著開發(fā)步入中—后期，水侵加劇，儲(chǔ)集層巖石骨架承受壓力增大，儲(chǔ)集層滲透率下降，地層壓力系數(shù)下降，85%的作業(yè)井存在不同液量的漏失，造成鉆井液、壓井液、沖砂液、壓裂液等侵入儲(chǔ)集層，使得儲(chǔ)集層滲流通道水鎖[9-14]。氣井壓力下降，出水增多，造成液相流體水鎖、黏土礦物水化膨脹和分散運(yùn)移，是儲(chǔ)集層物性變差的主要因素。

1.1 儲(chǔ)集層堵塞實(shí)驗(yàn)

結(jié)合澀北氣田第四系疏松砂巖氣藏儲(chǔ)集層實(shí)際參數(shù)，分別制作不同孔隙度、滲透率、含水飽和度和黏土礦物含量的樣品，開展水侵傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟如下：①樣品洗油，烘干；②用天然氣測(cè)定有效滲透率；③將孔隙度、滲透率及黏土礦物含量不同的樣品放入盛有地層水的燒杯中，自發(fā)滲吸72 h后取出并擦干，將樣品在用地層水浸濕的纖維上滾動(dòng)，使其除兩端面之外的外表面均勻浸濕，直至樣品吸入水的質(zhì)量是所要建立含水飽和度需要的水的質(zhì)量；④開展樣品驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，測(cè)定滲析后的有效滲透率。

計(jì)算滲透率傷害率：

式中K1——滲析前樣品有效滲透率，mD；

K2——滲析后樣品有效滲透率，mD；

ηd——滲透率傷害率，%。

1.2 孔隙度對(duì)儲(chǔ)集層堵塞傷害的影響

分別制作孔隙度小于10%、10%～20%和大于20%的樣品，開展孔隙度對(duì)儲(chǔ)集層堵塞傷害影響的模擬實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，儲(chǔ)集層樣品孔隙度越小，滲透率傷害率越大(圖1)。從毛細(xì)管力的Laplace公式可知，地層巖石的孔徑越小，所產(chǎn)生的自吸毛細(xì)管力就越大，就會(huì)出現(xiàn)越強(qiáng)的自吸效應(yīng)。在氣藏開發(fā)過程中，水相一旦大量侵入產(chǎn)層，毛細(xì)管自吸效應(yīng)會(huì)十分顯著，進(jìn)而產(chǎn)生水鎖，近井地帶水鎖會(huì)縮小或封閉氣體流向井筒的通道，造成氣井產(chǎn)能降低[15-19]。

圖1 研究區(qū)儲(chǔ)集層樣品滲透率傷害率與孔隙度的關(guān)系Fig.1.Relationship between permeability damage rate and porosity of the reservoir samples from the study area

1.3 滲透率對(duì)儲(chǔ)集層堵塞傷害的影響

分別制作滲透率小于10 mD、10～100 mD 和100～500 mD 的樣品，開展?jié)B透率對(duì)儲(chǔ)集層堵塞傷害影響的模擬實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，樣品滲透率越小，滲透率傷害率越大(圖2)。這是由于通常滲透率較小的樣品孔喉半徑較小，毛細(xì)管力較大，自吸效應(yīng)更顯著。

1.4 含水飽和度對(duì)儲(chǔ)集層堵塞傷害的影響

制作6 塊含水飽和度不同的樣品，開展含水飽和度對(duì)儲(chǔ)集層堵塞傷害影響的模擬實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，樣品含水飽和度較高時(shí)，滲透率傷害率較大(圖3)。這是由于含水飽和度越高，則初始含水飽和度和束縛水飽和度的差值越大，多余的水滯留孔道，使得樣品滲透率降低，水鎖傷害程度提高。

圖3 研究區(qū)儲(chǔ)集層樣品滲透率傷害率與含水飽和度的關(guān)系Fig.3.Relationship between permeability damage rate and water saturation of the reservoir samples from the study area

1.5 黏土礦物含量對(duì)儲(chǔ)集層堵塞傷害的影響

采用鉆井用鈉基膨潤土，分別制作黏土礦物含量為10%、20%、30%和40%的樣品各2 個(gè)，開展黏土礦物含量對(duì)儲(chǔ)集層堵塞傷害影響的模擬實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，樣品的黏土礦物含量越高，滲透率傷害率越大(表1)。這是由于黏土礦物水化膨脹后，儲(chǔ)集層孔喉縮小，滲透率降低，因此，黏土礦物含量越高，對(duì)儲(chǔ)集層的傷害越大。非膨脹性的黏土礦物會(huì)分割和充填孔喉，產(chǎn)生大量的微孔隙，并表現(xiàn)出強(qiáng)烈的親水性，增大毛細(xì)管力自吸趨勢(shì)能和流體束縛能，使得儲(chǔ)集層潛在堵塞效應(yīng)增強(qiáng)。

表1 研究區(qū)儲(chǔ)集層不同黏土礦物含量樣品滲透率變化Table 1.Changes of permeability of the reservoir samples with different clay mineral contents

2 解堵方法

增大生產(chǎn)壓差、注氣、注表面活性劑和注解堵液解堵應(yīng)用較為普遍，可操作性強(qiáng)[20-27]。針對(duì)上述方法開展解堵模擬實(shí)驗(yàn)，增大生產(chǎn)壓差、注氣解堵和注表面活性劑解堵后，測(cè)定解堵后樣品有效滲透率，實(shí)驗(yàn)后樣品滲透率提高20.0%～30.0%。此外，設(shè)置以下類型的解堵液：解堵液1 為1.0%～3.0%氟硼酸+3.0%緩釋酸；解堵液2 為1.0%～3.0%氫氟酸+8.0%鹽酸；解堵液3 為8.0%～10.0%鹽酸前置酸+1.0%～3.0%氫氟酸+8.0%鹽酸，采用解堵液3進(jìn)行解堵后，樣品滲透率最大可提高55.3%(表2)。儲(chǔ)集層孔喉堵塞物的有效溶解，降低了近井帶黏土礦物運(yùn)移對(duì)儲(chǔ)集層的傷害，有效提高了儲(chǔ)集層滲流能力。

表2 不同類型解堵液對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)集層的解堵能力Table 2.Performance of different plugging removal fluids in the reservoirs of the study area

結(jié)合澀北氣田第四系疏松砂巖氣藏儲(chǔ)集層特征，針對(duì)高黏土礦物含量導(dǎo)致微粒運(yùn)移堵塞儲(chǔ)集層的情況，在不傷害儲(chǔ)集層骨架結(jié)構(gòu)的前提下，通過酸液溶解儲(chǔ)集層淤塞的泥質(zhì)或其他堵塞物，達(dá)到解除儲(chǔ)集層堵塞的目的。在上文所述優(yōu)選解堵液類型的基礎(chǔ)上，測(cè)定不同比例酸液對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)集層的巖屑溶蝕率(表3)，明確了鹽酸使用比例為4.0%～10.0%，氫氟酸使用比例為1.0%～1.5%。若鹽酸比例大于10%，氫氟酸比例大于1.5%時(shí)，樣品溶蝕率預(yù)計(jì)超過45.0%，可能導(dǎo)致儲(chǔ)集層骨架破壞，增大出砂風(fēng)險(xiǎn)。

表3 研究區(qū)儲(chǔ)集層樣品注入不同酸液配比解堵液的巖屑溶蝕率Table 3.Cutting dissolution rates of reservoir samples after injecting plugging removal fluids with different proportions of acid

此外，研究區(qū)儲(chǔ)集層的堵塞原因多為復(fù)合型，因此，應(yīng)在解堵液中添加解水鎖劑以提高解堵效果，同時(shí)也可降低解堵后返排液的表面張力，從而利于液體排出。通過實(shí)驗(yàn)可知，解水鎖劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.1%時(shí)，表面張力降至最低為21 mN/m。考慮成本及氣井水鎖程度，確定研究區(qū)解水鎖劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～2.0%。綜上所述，最終優(yōu)選出前置酸為8.0%～10.0%鹽酸，主體配方為4.0%～10.0%鹽酸+1.0%～1.5%氫氟酸+1.0%～2.0%解水鎖劑的解堵液。

3 實(shí)際應(yīng)用

為增強(qiáng)措施針對(duì)性、提高施工效率及降低成本，確定3 個(gè)選井原則：①停產(chǎn)前生產(chǎn)平穩(wěn)，具備復(fù)產(chǎn)潛力；②氣舉空循環(huán)，未砂埋或少量砂埋；③人工助排無氣水，關(guān)井注氣壓力高?，F(xiàn)場(chǎng)采用原井不動(dòng)管柱進(jìn)行施工，解堵劑注入儲(chǔ)集層后沿井軸徑向擴(kuò)散，考慮解堵液在儲(chǔ)集層中多沿溶蝕后的孔隙推進(jìn)，酸液用量設(shè)計(jì)中考慮近井地帶儲(chǔ)集層孔隙度，防砂充填部位孔隙度為37.4%，地層孔隙度取堵塞井實(shí)際值。

2020 年，優(yōu)選17 口停產(chǎn)井，開展化學(xué)解堵技術(shù)先導(dǎo)性試驗(yàn)，施工成功率為89%，施工復(fù)產(chǎn)率為56%，試驗(yàn)井平均日增產(chǎn)氣量為6.5×104m3，累計(jì)增產(chǎn)氣量為1 776.2×104m3。2021 年，不斷優(yōu)化工藝技術(shù)，在井均酸液用量降低14.67%、井均解堵半徑縮小16.36%、儲(chǔ)集層每米解堵液用量下降21.21%的基礎(chǔ)上，儲(chǔ)集層解堵后復(fù)產(chǎn)率提升至85%，相比優(yōu)化前復(fù)產(chǎn)率提高了29%(表4)。同時(shí)，經(jīng)解堵類型和施工車組優(yōu)化，單井施工費(fèi)用降低67%，現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用92 井次，天然氣日產(chǎn)量為41.4×104m3，累計(jì)增產(chǎn)氣量為5 800.0×104m3，應(yīng)用效果顯著。

表4 研究區(qū)儲(chǔ)集層化學(xué)解堵優(yōu)化參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 4.Parameters before and after the optimization of chemical plugging removal in the reservoirs of the study area

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該項(xiàng)化學(xué)解堵技術(shù)能夠有效解決澀北氣田出現(xiàn)的儲(chǔ)集層堵塞問題，為疏松砂巖儲(chǔ)集層堵塞井挖潛提供了有效方法，豐富了采氣工藝技術(shù)，對(duì)氣田穩(wěn)產(chǎn)以及提高采收率起到重要作用，取得了較顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，該技術(shù)成果具有較好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

(1)澀北氣田疏松砂巖氣藏在開發(fā)過程中，氣井壓力下降、液相流體水鎖及黏土礦物運(yùn)移是儲(chǔ)集層物性降低的主要因素，其中，黏土礦物含量高是儲(chǔ)集層堵塞的主要因素。

(2)澀北氣田應(yīng)采用解堵液解除儲(chǔ)集層堵塞，主體配方建議為4.0%～10.0%鹽酸+1.0%～1.5%氫氟酸+1.0%～2.0%解水鎖劑。

(3)形成的化學(xué)解堵技術(shù)適用于澀北氣田疏松砂巖氣藏，能夠有效解除儲(chǔ)集層堵塞，施工成本低，作業(yè)周期短，應(yīng)用效果顯著。