水相圈闭损害机理、评价及防治措施研究进展

赵景原，孙玉学，冯福平，于 洋，蒋方军

(1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318； 2.吉林油田钻井工艺研究院，吉林松原 138000)

相圈闭损害是油气储层中典型的损害机理之一，其实质是物理损害。外来液体与储层接触时，如果储层的初始饱和度低于束缚相饱和度，极易发生相圈闭损害。常见的相圈闭损害包括水相圈闭损害和烃圈闭损害。在使用水基钻井液钻致密气层时常发生水相圈闭损害，衰竭凝析气藏中出现反凝析油损害为烃圈闭损害。其中使用水基工作液在致密气井作业过程中发生的损害更为常见。水相圈闭发生后，使近井壁地带水相饱和度提高，减少了天然气的流动区域，使气相渗透率下降，对天然气资源的发现和气井的生产都有较大的影响。

1 水相圈闭损害机理

根据初始含水饱和度情况，可以将致密气藏分为3种类型：亚束缚水饱和、束缚水饱和、过束缚水饱和型。学者们认为，形成亚束缚水饱和度的机理包括蒸发作用、压实作用、脱水作用、生烃排液作用、异常压力演变及成岩作用等[1-3]。其中蒸发和脱水作用是形成亚束缚水饱和度的主要机理。亚束缚水饱和状态是致密气藏中常出现的情况。

致密气储层容易发生相圈闭损害，主要是因为致密储层岩心中大量的微孔隙在亚束缚水饱和度条件下带来的较强的毛管力(图1)。

图1 致密气藏孔隙尺度水相圈闭机理(Bennion,1999)Fig.1 Pore scale mechanism of aqueous phase trapping in a gas reservoir

图2 用相渗曲线表示水相圈闭机理(Bennion,1999)Fig.2 Mechanism of phase trapping expressed by relative permeability curves

当外来润湿相(多数情况下是水相)与亚束缚水饱和状态的岩石相接触，会被吸入岩石。近井壁地带的含水饱和度上升，如图2所示，束缚水饱和度从初始值Swi增加至Sw，引起气相相对渗透率从Kr1下降到Kr3。经过返排过程，损害区的水饱和度可以从Sw降至Swirr，而不能降至初始值Swi，水饱和度不能恢复到低于束缚水饱和度的情况[4]。换言之，只有一部分侵入的水相可以返排。而在实验室中，通常都是假定油气层的初始水饱和度Swi就是束缚水饱和度Swirr，得到气相相对渗透率从Kr2降至Kr3的结果，这样就低估了水相侵入带来的损害的程度。

2 水相圈闭损害试验评价

模拟致密砂岩气藏岩心的初始状态是准确评价水相圈闭损害的关键。致密砂岩气藏初始含水饱和度一般处于“亚饱和”状态，在损害评价试验前，为了模拟地层实际情况，需要首先建立“亚束缚水饱和度”状态。建立含水饱和度的方法主要有：烘干法、离心法和驱替法。但致密砂岩岩性致密，利用这些方法在建立亚束缚水饱和度时比较困难。利用毛细管自吸法建立所需原始含水饱和度，再利用在离心机上离心的方法使自吸水相均匀分布，更符合实际情况[5-9]。

在实验室内常用渗透率损害比来衡量水相圈闭损害的严重性。在初始含水饱和度和束缚水饱和度条件下测试储层岩心的气测渗透率，将得到的两个渗透率值记为Ki(损害前渗透率，mD)和Kf(损害后渗透率，mD)，得到渗透率损害比DR为[10-11]：

(1)

根据损害比的大小，这种方法将水相圈闭潜在严重程度分为无、弱、中等和强4个级别。

水相圈闭损害可能出现在钻、完井及增产作业的各个环节中。针对压裂液对致密气藏的损害试验结果说明，对于干燥条件下空气渗透率在0.05～2.04 mD的岩样，损害程度可以达到30%以上，且当渗透率小于0.1 mD时，可以达到85%以上。储层物性越差，损害程度越大，越难恢复[12-13]。

水相圈闭的严重程度由多个因素控制，包括毛管力、岩石的润湿性、相对渗透率、饱和度水平，侵入相的黏度、侵入深度、储层温度、压力及生产压差等。当水基工作液与低初始含水饱和度的水湿性气藏岩石接触时，即使在欠平衡条件下，仍然可以发生由对流自吸引起的相圈闭损害。而且，欠平衡压力值越低、初始含水饱和度越低、接触时间越长，相圈闭损害越严重[14-16]。

3 水相圈闭损害的预测与模拟

对储层损害进行预测、诊断、评价和动态模拟是保护油气层系统工程的技术思路的重要环节[17]。在以往的钻完井实践过程中，对于水相圈闭损害后的处理往往十分困难，处理效果不佳。所以，对于水相圈闭损害的预先评估、诊断十分重要，预先评估的方法包括应用潜在损害程度公式和数值模拟方法。

3.1 水相圈闭潜在损害程度预测公式

学者们尝试提出过多个相圈闭严重程度预测模型，包括水相圈闭指数(APTi)、总水体积百分比(%BVW)以及相圈闭系数(PTC)等，这些参数的取值范围及相应的潜在损害程度如表1和图3所示。

表1 现有评价及预测公式判别标准Table 1 Present evaluation or forecast formula and criterion

图3 PTI指数法预测水相圈闭损害潜在严重程度(Saboorian-Jooybari，2016)Fig.3 Potential severity of APT forecasted by PTI index method

3.1.1 水相圈闭指数(APTi)

水相圈闭指数APTi是在大量水相圈团试验数据的基础上，应用回归分析的方法建立的诊断公式。在这些试验中，选取了多种岩性的岩心，多种含水饱和度及渗透率级别，最终得到水相圈闭损害的经验关系式[18]。

APTi=0.25[log10(Ka)]+2.2Swi

(2)

式中Ka——未修正的储层平均气测渗透率，mD；

Sw——初始含水饱和度。

实际上，该判别式体现出储层的初始含水饱和度及渗透率越低，越容易发生严重的相圈闭问题。水相圈闭指数法的主要优点是简便易用，并且节省时间和试验成本。但是，在该判别式中，虽考虑了气测渗透率和初始水饱和度两个因素，但仍未考虑其他影响水相圈闭的关键因素。该方法有较合理的基础，但是仍主要以试验数据为基础，未给出该预测方法的精度与置信度。

3.1.2 %BVW公式

Davis等人建立了简单的诊断模型[19]：

%BVW=100×Ф×Sw

(3)

式中 Ф——孔隙度，%；

Sw——平均水饱和度，%；

%BVW——水占据的总体积，%。

该方法的思想仍是低水饱和度储层易发生水相圈闭损害，该方法简便易用，仅需要孔隙度和饱和度两个数据。同样，该方法未考虑其他重要的影响因素。

3.1.3 相圈闭系数(PTC)

游利军等提出了用无量纲系数来预测相圈闭损害的方法，该方法中考虑了初始含水饱和度和束

缚水饱和度，储层压力及岩石、流体的性质[11]。

(4)

式中K——渗透率，mD；

Ф——孔隙度，%；

Δp——最大压差，KPa；

σ——界面张力，mN/m；

μm——损害相与地层流体的黏度之比，无量纲；

Swi和Swirr——初始含水饱和度与束缚水饱和度，%。

虽然该方法考虑了较全面的工程、地质因素，但由于该方法仍然是基于试验数据得到的经验关系式，其依据的基础数据数量有限，并同样未给出该模型的有效性和精度范围。

3.1.4 相圈闭指数(PTI)

上述预测方法都是在岩心尺度下，针对水相圈闭的潜在损害程度提出的。Saboorian建立了近井壁地带滤液侵入导致相圈闭损害的数学模型，通过将偏微分控制方程线性化并求解，得到近井地带液相饱和度分布。然后以饱和度分布剖面为基础，给出新的相圈闭损害判别指数PTI。该判别指数在计算过程中考虑了时间及距井筒的距离的影响，能更直观地反映近井地带的损害情况[20]。

(5)

3.2 水相圈闭损害预测数值模拟

在储层损害的评价与预测过程中应用数值模拟技术正逐渐成为研究热点[21-23]，Tsar和Bahrami等针对水相圈闭损害问题，利用CMG软件模拟了水侵入—气体返排的过程(图4)。在这个过程中发现，当气井开始生产后，不仅不能将侵入的水完全排出，而且在强大的毛管力的作用下，水的侵入仍在继续。并对比了致密气藏在水、油基钻井液侵入后气井产量的变化。模拟结果表明，水、油基钻井液都会对致密气储层带来伤害，但油基钻井液的损害要明显低于水基钻井液[24-25]。Masoud等用数值模拟的方法研究了欠平衡钻井条件下的水相圈闭损害情况，欠平衡压差越小、接触时间越长，由自吸导致的水相圈闭越严重[24]。

图4 气井水相侵入及返排过程近井地带气饱和度变化模拟(Bahrami, N. 2015)Fig.4 Water saturation in the simulation model during water invasion and clean-up periods

4 水相圈闭损害防治方法

4.1 预防措施

4.1.1 避免使用圈闭相基液

如果通过室内试验或预测手段确定水相圈闭损害严重，应选择低圈闭、自吸趋势的液体作为工作液的基液。例如在水湿气藏中使用油基工作液，非润湿相不会产生毛管自吸现象，虽在过平衡压力下非润湿相液体仍会进入孔隙，但只会占据孔隙的中心位置，而不同于润湿相会牢固地附着在孔隙壁上。通过室内试验比较油基、水基钻井液对同层的致密气岩心的损害情况可知，油基钻井液可以大幅降低损害程度[25]。另外，针对储层钻进过程，可以选用气体钻井方式，减少液相与储层的接触。

4.1.2 减少接触时间

减少不必要的浸泡时间，降低侵入深度。在易发生水相圈闭的储层中钻进的过程中，可以通过控制钻井液失水量、合理使用屏蔽暂堵技术，减少侵入，或者采用低密度钻井液体系[26-28]，并尽早开始返排过程。

4.1.3 降低水—气界面张力

常见的降低界面张力的处理剂包括挥醇类、表面活性剂和二氧化碳等。刘雪芬等利用润湿试验筛选出能将致密砂岩由液润湿改变为气润湿的氟表面活性剂，将其加入工作液中，可以增大润湿接触角、降低毛管力减弱毛管自吸。试验结果表明，处理后岩心总吸水量降低了60%，自吸速率较处理前降低了40%～50%，说明氟表活性剂能够有效改变储层岩心的润湿性，具有预防水相圈闭损害的应用潜力[29-30]。

4.2 解除办法

4.2.1 蒸发作用

可以通过向储层注入干燥气体或储层中天然气的自然返排解除水相圈闭。通过气体的干燥作用清除近井地带或裂缝缝面区的水，恢复被水占据的渗透通道。但在这一过程中可能会导致水中的盐类达到饱和状态后析出[18]。

4.2.2 降低水—岩石界面张力

水与岩石间界面张力的大小对毛细管压力及毛细管末端效应影响显著，使用表面活性剂可以降低储层向井筒排出多余水分所需要的能量，对返排过程中降低损害区的含水饱和度有利。哈里伯顿公司在墨西哥部致密气井中进行压裂施工的过程中，通过向工作液中加入微乳表面活性剂，在降低了液相侵入量的同时，提高了返排效率[31]。郭建设等为解决巴喀地区致密砂岩气藏酸化后的水相圈闭伤害问题，在酸液中混入甲醇，得到混醇酸液体系，用于改善地层的气相渗透率和酸化效果。经多氢酸+醇体系酸化后的岩心渗透率提高13.28～20.00倍，解堵效果明显[32]。

4.2.3 近井地带热处理

Jamaluddin等较早开始关于利用“储层热处理法”解除水锁和与黏土膨胀相关的损害的研究，热处理减少损害的机理包括：①使水蒸发解除水锁；②使黏土脱水、破坏黏土的部分结构；③通过热应力变化使近井区产生微裂缝等[33-34]。

戢俊文针对微波对水锁损害的解除能力，用试验的方法对比了用波导把微波送入目的层及用微波发生器直接对目的层加热两种加热方式，结果表明，后者加热效果好。并设计了不同类型的微波发生装置及安装方式[35]。

胡国忠等发明了一种解除煤层水锁损害的微波加热方法，利用微波场的电磁辐射作用使近井煤层受热，使发生水锁损害的煤层的水分蒸发，降低含水饱和度，提高气相的渗透容积，从而改善受到损害的煤层气的解吸与扩散能力[36]。

Wang等将有限元方法与油藏数值模拟软件结合，利用西澳某气井的数据，用模拟的方法对比了微波加热前后孔隙、裂缝型气井近井地带的水饱和度分布、气井的累积产气量随时间变化情况等(图5、图6)，模拟结果表明微波加热可以有效地清除液相并恢复气井的产能。并且微波加热对孔隙型气层的水相圈闭损害的解除效果更佳[37-38]。

图5 利用微波加热技术解除水相圈闭损害示意(Wang，2017)Fig.5 Concept figure of heating formation with microwave

图6 西澳某气井微波加热前后气井累积产量模拟(Wang，2015)Fig.6 Cumulative gas production in a gas well of western Australia with and without MW heating

5 结束语

(1)作为致密气藏的关键损害机理，水相圈闭损害逐渐受到储层保护工作者的重视。其发生机理已经得到了较好的认识。但还没有关于水相圈闭评价试验的统一程序及相关行业标准。

(2)对水相圈闭潜在损害程度的预测，从岩心尺度的多种经验性公式发展到考虑侵入时间和侵入深度的单井尺度的预测模型，但该单井尺度预测模型的推导及应用过程较为复杂。针对水相圈闭损害的数值模拟技术可以更加全面地考虑储层性质、储层及外来流体的性质，给出更为直观的预测结果。

(3)由于水相圈闭损害具有较强的不可逆性，所以对此种类型的损害，预防更为重要。预防措施主要包括实施欠平衡工艺、避免使用润湿相液体作为工作液基液、改变岩石润湿性控制吸入等方面。解除措施包括蒸发作用、降低水-岩石界面张力促进返排、微波加热等。目前，利用微波加热解除水相圈闭的研究从室内试验和数值模拟方面都取得了良好的结果，但将该技术用于现场实际气井中，尚有很多技术问题需要解决。