富县低渗砂岩气藏压裂改造中水锁伤害与防治措施

富县低渗砂岩气藏压裂改造中水锁伤害与防治措施
姚昌宇;李月丽;胡艾国
【摘要】水锁伤害是低渗气藏的主要伤害类型之一,分析了造成富县区块上古生界储层强水锁伤害的原因.富县区块上古生界储层水锁伤害严重的主要原因为储层的
孔喉半径小,其次为压裂液滤液表面张力偏大,压裂液进入地层后产生的毛管阻力大；同时储层地层压力偏低,导致压裂液水相侵入深、液体返排能力差也是造成储层水
锁伤害的重要原因.通过研究,提出了以降低液体表面张力和减小压裂液滤失为目的
的富县区块上古生界储层水锁伤害防止措施.
【期刊名称】《油气藏评价与开发》
【年(卷),期】2012(002)002
【总页数】4页(P61-64)
【关键词】低渗气藏;富县区块;水锁伤害;孔喉半径;表面张力;防治措施
【作者】姚昌宇;李月丽;胡艾国
【作者单位】中国石化华北分公司工程技术研究院,河南郑州450006;中国石化华
北分公司工程技术研究院,河南郑州450006;中国石化华北分公司工程技术研究院,
河南郑州450006
【正文语种】中文
【中图分类】TE375
低渗透气藏普遍具有低孔、低渗的特点,由于水锁效应的存在,水锁伤害广泛存在于
低渗气藏的钻、完井以及储层改造过程中,成为低渗气藏的主要伤害类型之一，很
大程度上影响了气藏的勘探开发效果。

鄂尔多斯盆地南部富县区块上古生界气藏，属致密低孔低渗型储层，储层平均孔隙度7.5%，平均渗透率0.24×10-3μm2，储层均需压裂改造才能获得工业气流。

根据室内实验测试，储层存在严重的水锁伤害，水锁伤害率均在90%以上，平均水
锁伤害率达92.9%，水锁伤害严重影响着气藏的压后产能和最终采收率。

因此，研究富县区块上古生界储层水锁伤害的产生原因及其影响因素,寻找减轻和
解除水锁伤害的措施,对提高气藏勘探开发效果具有重要意义。

水锁效应的本质是由于毛细管压力而产生了一个附加的表皮压降，它等于毛细管弯液面两侧非润湿相压力与润湿相压力之差，其大小可由任意曲界面的Laplace方
程确定[1-3]。

当储层的润湿性为水润湿时，毛细管压力将阻碍地层油、气向井筒
内流动，产生水锁伤害（图1）。

式中：Pc——毛细管压力，dyn/cm2；σ——油、气、水界面张力，dyn/cm；
R1、R2——2曲界面半径，cm；r——毛细管半径，cm；θ——毛细管润湿角，（°）。

水锁伤害的形式可分为热力学水锁和动力性水锁两种[3-5]。

（1）热力学水锁：即由于毛细管压力阻碍油、气向井筒内流动而产生的水锁伤害，是以排液过程达到平衡为前提，假设储层孔隙可视为毛管束，按Laplace方程，
当驱动压力P与毛管压力平衡时储层中未被水充满的毛管半径rk应为：
按照Purcell公式，气相渗透率K表示为:
式中：Ф——孔隙度，%；r——第i组毛细管半径，cm；Si——第i组毛细管体
积分数，%；rmax——最大孔隙半径，cm；rk——最小未被水充填的毛细管半径，cm。

（2）动力学水锁：即由于地层在排液过程中缓慢，造成外来液体长时间滞留在地层中，影响油、气的渗透率，降低油、气产量，产生水锁伤害。

根据Laplace方
程和泊肃叶定律（Paiseuille），可推导出毛管中排液所需时间的计算公式[6,7]：式中：P——流动压差，Pa；μ——滞留水黏度，Pa·s；σ——流体表面张力，10-3N/m；L——水相侵入深度，m；θ——毛细管壁上的润湿角，（°）；r——毛管半径，m。

由此可以看出，压裂改造中水锁伤害的主要影响因素为储层孔喉大小及分布、水相侵入深度、流动压差、压裂液表（界）面张力和润湿相接触角。

富县区块上古生界储层黏土矿物含量在1%～9%，黏土矿物成份以绿泥石和伊/蒙间层含量较高，其次为伊利石，高岭石含量较低，无蒙脱石（表1）。

黏土矿物的膨胀和分散运移将造成储层孔隙喉道变窄，从而加大水锁伤害。

从富县区块上古生界储层黏土矿物含量与成分来看，黏土矿物中伊/蒙间层含量较高，在一定程度上加大了水锁伤害。

富县区块上古生界储层以盒1储层物性最好，平均孔隙度7.82%；平均渗透率0.3×10-3μm2。

根据压汞实验分析（表2），盒1储层排驱压力平均5.1 MPa，中值压力平均大于23.5 MPa，孔喉半径平均0.091 μm，歪度平均3.95，分选系数平均0.07，喉道为微细喉道。

从毛管压力曲线和标准化后的J（SHg）函数曲线来看（图2，图3），储层岩石孔喉以细喉道为主，储层孔喉半径小、中值压力高是造成强水锁伤害的主要原因。

从水锁伤害的机理来看，压裂液表面张力的大小对水锁伤害程度具有重要的影响，压裂液表面张力越小，产生的毛管阻力越小，水锁伤害越低。

实验室测试富县区块上古生界储层压裂液滤液表面张力在26.781～27.07 mN/m之间，压裂液滤液表面张力相对于致密低渗透地层来说明显偏高。

假设储层润湿接触角为20°，取孔喉半径为0.091 μm，液体表面张力为27
mN/m，因此可得出单毛细管产生的阻力为：Pc=0.56 MPa。

反应出该压裂液体系在地层中具有高毛细管阻力特征，储层水锁伤害严重。

富县区块上古生界储层埋深在2 600～3 200 m，地层压力23.4～28.4 MPa，地
层压力梯度为0.92 MPa/100 m，属正常压力系统。

但针对低渗透气藏来说，地
层压力偏低，压裂液返排能力差。

假设储层润湿接触角为20°，取孔喉半径为0.091 μm，液体表面张力为27
mN/m，水相侵入深度为1 m，液体黏度为1 mPa·s，地层压力25 MPa；由此计算毛管中排液所需最短时间为：t=5.4 h。

反应了压裂液在地层中的返排速度缓慢，储层动力学水锁伤害严重。

综合分析认为，造成富县区块上古生界储层水锁伤害严重的主要原因为储层的孔喉半径小，其次为压裂液滤液表面张力偏大，压裂液进入地层后产生的毛管阻力大；同时储层地层压力偏低，导致压裂液水相侵入深、液体返排能力差也是造成储层水锁伤害的重要原因。

从前面的研究结果可以看出，在压裂改造过程中，水锁造成的储层伤害主要是侵入地层的压裂液滤液由于低渗储层具有的高毛细管阻力，使得压裂液无法返排或返排缓慢。

防治或减轻水锁伤害的关键在于降低毛细管阻力、控制压裂液滤失和加快压后返排速度。

由Laplace方程可得，毛细管压力的大小与储层的孔喉大小成反比，与液体的界（表）面张力和润湿接触角余弦值成正比，其方向由储层的润湿性决定，当润湿接触角大于90o时（即为憎水性储层），毛细管压力对于液体的返排具有推动作用，当润湿接触角小于90o时（即为亲水性储层），毛细管压力对于液体的返排具有
阻碍作用，且润湿接触角越小，毛细管阻力越大。

由此可见，降低毛细管阻力的关键在于降低返排液界（表）面张力和增加返排液润湿接触角。

压裂液的滤失通常经过三个不同的过程，即：
1）油藏流体的位移和压缩；
2）滤液或压裂液的地层侵入；
3）外部滤饼的形成。

在压裂液滤失过程中，三个滤失过程是同时发生的，压裂液滤失系数的大小主要与滤液的黏度、滤失带压力降以及滤失带渗透率有关[8]。

控制压裂液滤失的关键在于控制压裂液黏度、降低滤失带附近的储层渗透率以及减小压力降。

通过富县区块上古生界储层强水锁伤害原因分析，结合前人研究成果[1-10]，提出以降低液体表面张力和减小压裂液滤失为目的的防治水锁伤害措施：
1）在水基压裂液体系中添加防水锁剂，降低压裂液的表面张力,增大压裂液与岩石表面的润湿角,从而降低毛细管阻力,增加压裂液的返排能力，降低压裂液的水锁伤害。

压裂液表面张力降低5 mN·m,润湿角增加10°，可降低25%的毛管阻力。

2）采用全程液氮伴注、支撑剂段塞等压裂工艺技术，增强压裂液返排能力，减少压裂液的滤失，降低压裂液侵入深度。

氮气有良好的可压缩性和膨胀性，在能量释放时具有良好的解堵、助排、驱替和气举等作用，有助于克服毛管力的束缚，从而降低水锁伤害；前置液加入小陶粒段塞可堵塞微裂缝，降低压裂液的滤失渗透率，控制压裂液滤失。

3）采用“基液成缝+高黏压裂液控制滤失”组合技术，利用基液的低黏特性来有效控制裂缝的初始起裂形态，利用高黏压裂液有效控制液体滤失，降低水相侵入深度。

4）压后快速返排技术，采用裂缝强制闭合技术，通过压后有控制地进行压裂液快速返排，减少压裂液在地层中滞留时间,减轻对地层造成的水锁伤害。

1）水锁伤害是低渗气藏的主要伤害类型之一，压裂改造中水锁伤害的主要影响因素为储层孔喉大小及分布、水相侵入深度、流动压差、压裂液表（界）面张力和润湿相接触角。

2）造成富县区块上古生界储层水锁伤害严重的主要原因为储层的孔喉半径小，其次为压裂液滤液表面张力偏大，压裂液进入地层后产生的毛管阻力大；同时储层地
层压力偏低，导致压裂液水相侵入深、液体返排能力差也是造成储层水锁伤害的重要原因。

3）在低渗气藏压裂改造过程中，防治或减轻水锁伤害的关键在于降低毛细管阻力、控制压裂液滤失和加快压后返排速度。

降低毛细管阻力的关键在于降低返排液表面张力和增加返排液在储层中的润湿接触角；控制压裂液滤失的关键在于控制压裂液黏度、降低滤失带附近的储层渗透率以及减小压力降。

4）通过富县区块上古生界储层强水锁伤害原因分析，有针对性的提出了水锁防治措施。

【相关文献】
[1]张振华,鄢捷年.低渗透砂岩储集层水锁损害影响因素及预测方法研究[J].石油勘探与开发，2000,27（3）：75-78.
[2]范文永,舒勇,李礼,等.低渗透油气层水锁损害机理及低损害钻井液技术研究[J].钻井液与完井
液,2008,25(4):16-19.
[3]钟新荣，黄雷，王利华.低渗透气藏水锁效应研究进展[J].特种油气藏，2008,15（6）：12-15.
[4]赵春鹏，李文华.低渗气藏水锁伤害机理与防治措施分析[J].断块油气田，2004,11（3）：45-46.
[5]贺承祖，胡文才.浅谈水锁效应与储层伤害[J].天然气工业，1994,14（6）：36-37.
[6]张智勇,丁云宏,胥云.低渗砂岩气藏压裂改造中水锁伤害的防治措施[J].油气井测试，2009,18（1）：58-59.
[7]魏茂伟，薛玉志，李公让，等.水锁解除技术研究进展[J].钻井液与完井液[J]，2009,26（6）:65-68.
[8]米卡尔J.埃克诺米德斯，肯尼斯G.诺尔特.油藏增产措施（第三版）[M].张保平，蒋阗，译.北京：石油工业出版社，2002.。