低渗气井水锁伤害程度评价方法研究

低渗气井水锁伤害程度评价方法研究
摘要：水锁伤害是低渗气井最普遍和最严重的伤害类型，常见的评价方法是基于室内实验方法评价，由于水锁伤害程度是随时间变化而动态改变的，水锁伤害实验所需的时间长且需要大尺寸岩心，因此对现场进行水锁伤害的评价指导作用有限。

通过对气、水两相渗流的对流扩散方程进行求解，计算液相侵入区气相的渗透率变化及水锁伤害半径，同时考虑气相启动压力梯度的影响，建立了水锁伤害对产能影响的动态评价模型。

结算表明：气井水锁伤害半径一般在3.5-5.7m 范围内；一旦形成水锁伤害气井产能降低80%以上。

通过该方法实现了低渗气井水锁伤害程度的动态评价，对解水锁工艺及低产原因诊断具有重要的指导意义。

关键字：水锁；启动压力；伤害半径；评价模型；产能影响
Research on Evaluation Method of Water Block Damage Degree in Low
Permeability Gas Wells
LI Jingsong, LIU Huisheng, LIU Zixiong, LIU Rumin, XIN Jing, WANG
Tao, MA Dongxu
Oilfield Production Research Institute, China Oilfield Services
Limited, Tianjin 300459, China
Abstract：Water lock damage is the most common and most serious type of damage in low-permeability gas wells. The common evaluation method is based on indoor experimental methods. Since the degree of water lock damage changes dynamically with time, the water lock damage experiment takes a long time. In addition, large-size cores are required, so the evaluation and guidance of water lock damage on site is limited. By solving the convective diffusion equation of gas and water two-phase seepage flow, the permeability change of the gas phase in the liquid phase intrusion zone and the water lock damage radius
are calculated, and the influence of the gas phase starting pressure gradient is considered to establish the dynamics of the water lock damage on the production capacity. Evaluation model. The settlement shows that the water lock damage radius of gas wells is generally
within the range of 3.5-5.7m; once water lock damage is formed, the
gas well productivity is reduced by more than 80%. Through this method, the dynamic evaluation of the damage degree of water lock in low-permeability gas wells is realized, and it has important guiding significance for the water lock release technology and the diagnosis
of the causes of low production.
Key words：water lock; starting pressure; damage radius;
evaluation model; productivity impact
0引言
低渗气井在开发过程中，由于储层具有严重的非均质性，孔隙吼道尺度较小，地层产水或者外来液体包括酸化压裂液、钻完井液、固井泥浆等在毛细管力作用
下侵入后，会逐渐占据气相通道，当通道中含水饱和度达到60%以上时，该通道
中气相渗透率基本为0，形成严重的水锁伤害，导致气井产能大幅度降低甚至不产,严重影响低渗气藏的开发效果[1-5]。

由于缺少准确的水锁伤害程度评价方法，
无法准确判断水锁伤害半径，大大降低了解水锁工艺的成功率。

目前在评价水锁
伤害时，常用的方法是通过室内实验进行评价，即将饱和水的岩心进行气驱测定
不同含水饱和度下的气相渗透率，能够从机理上认识水锁对渗透率及产能的影响，唐海等人[6]通过室内实验确定了储层渗透率、气水相渗曲线、粘土矿物含量及种
类是影响低渗气井水锁伤害的主要因素；张荣军等人[7]采用凝析油气藏的岩心渗
透率影响实验发现低渗储层较大的毛管力是导致储层伤害的主要原因;周小平等
人[8]认为含水饱和度、储层润湿性以及开采工艺对水锁伤害影响较大；吕渐江等
人[9]通过气水两相渗流实验提出了低渗气藏水锁研究的新方法；姚茂堂等人[10]采
用室内实验方法确定了致密砂岩气藏在高温高压条件下水锁伤害率为7.5%-40.8%。

针对低渗气井水锁伤害评价的室内实验研究无法确定动态的水锁伤害半径，导致
在矿场实际中制定解水锁工艺的设计参数缺少依据，影响解水锁成功率。

本研究
通过对水锁伤害形成的渗流机理表征，并进行求解，建立了水锁伤害的半径的计
算模型，并结合气相启动压力梯度，评价了不同水锁伤害程度对气井产能的影响，对低渗气藏的水锁伤害评价及解水锁工艺提供有效的指导。

1 水锁伤害半径计算
水锁损害范围及程度目前广泛使用的液相侵入模型主要包括两相流模型和对
流扩散模型。

两相流模型主要采用达西定律和质量守恒方程求解两相饱和度分布。

对流扩散模型将液相侵入视为单相渗流过程，采用对流扩散方程描述侵入液相的
浓度分布，进而求解液相侵入前缘。

比较而言，对流扩散模型具有形式简单、求
解效率高的特点[11]，因此本研究采用对流扩散模型求解液相侵入深度。

如图1所示为低渗气井的水锁损害区，其中井眼半径为r
w ，供给边界为r
e
，
液相侵入区半径为r
d。

假设致密砂岩气藏均值各向同性，液相侵入为等温达西水平渗流，不考虑毛管力和重力的影响，液相侵入的连续性方程为：
(1)
式中：p为流体压力，Pa；
t为时间，s；
r为径向距离，m；
kw为液相的有效渗透率，m2；
µw为液相的黏度，Pa·s；
C
t
：为综合压缩系数， Pa-1。

图1 液锁侵入区示意图
Fig1 Schematic diagram of liquid lock intrusion area 采用对流扩散方程求解液相侵入前缘，液相浓度分布方程为：
(2)
式中：c为液相的浓度，kg/m；
D为扩散系数，m2/s；
u为液相侵入速度，m/s；
φ为孔隙度，%；
为束缚水饱和度；
S
w
为束缚气饱和度。

S
gr
扩散系数为：
(3)
其中f和g为经验系数。

液锁损害范围通过下式求解：
(4)
式中：c
d 为无因次临界液相浓度；c
f
：为井壁处侵入的液相浓度，kg/m。

2 考虑液相的产能评价方法
对于低渗气藏，压力梯度较小时气体不流动，只有当压力梯度大于某临界压力梯度时气体才开始流动[12]。

同时由于近井壁地层气体的流通断面减小，流速增加表现出非达西流动现象。

稳态产气过程只考虑气体的单相流动，结合Forchheimer非达西渗流定律[13]，考虑启动压力梯度的非线性渗流二次方程为：
(5)
式中：λ为启动压力梯度，Pa/m；
u
g
为气体黏度，Pa·s；
v
g
为气体渗流速度，m/s；
ρ
g
为气体密度，kg/m3；
β为紊流系数，1/m。

气体的密度为：
(6)
式中：M为气体摩尔质量，kg/mol；
Z为气体的偏差因子；
R为气体常数，8.314 J/(mol·K)；
T为气体的绝对温度，K。

将渗流速度表示为标准状况：
(7)
式中：q
为标准状况下的气体产量，m/s；
sc
为天然气在标准状况下的压力，Pa；
p
sc
为天然气在标准状况下的温度，K；
T
s
Z
为标准状况下的天然气偏差因子；
sc
h为气藏厚度，m。

(8)
边界条件为：
(9)
为井底压力，Pa；
式中：P
w
pe为地层压力，Pa；
pd为损害区与未损害区界面处的压力，Pa。

和Z在积分范围内通常视为常数，式（8）分离变量后两边进行积分变换，μ
g
取其平均值并移除积分符号：
(10)
式（10）两边积分得到考虑液锁损害的二项式气井产能方程：
(11)
其中：
(12)
(13)
(14)
表皮因子s表征水锁损害造成的气相渗透率降低对产能的影响，A项表征素流效应的影响，和表征启动压力的影响。

气井产量即可表示为：
(15)
其中：
(16)
3 现场应用
模型的基础参数如表1所示。

表1 模型基础参数
Table1 Basic parameters of the model
油藏类型润湿性天然气相对
密度
岩石压缩系
数/kPa-1
气藏水湿0.652×10-7
模型网格控制半径/m孔渗分布网格精细化
100×10070.71随机正态分
布
克里金插值
本次模拟中地质模型的孔隙度和渗透率采用随机正态分布，并利用克里金插值进行网格精细化。

地质模型如图2所示：
图2 地质模型
Fig2 Geological model
模拟结果如表2所示：
表2 液锁伤害模拟结果
Table2 Simulation results of liquid lock damage
井名液锁半径
/m
液锁程度
/%
绝对无阻
流量/×104m3/d
X-1 6.382.133.48 X-2 3.532.226.80 X-3 6.575.428.35 X-4 3.748.934.28 X-5 4.238.616.65目标区块X-1井~X-5井的伤害半径如图3-图7所示：
图3 X-1井伤害半径
Fig3 Damage radius of X-1well
图4 X-2井伤害半径
Fig4 Damage radius of X-2well
图5 X-3井伤害半径
Fig5 Damage radius of X-3well
图6 X-4井伤害半径
Fig6 Damage radius of X-4well
图7 X-5井伤害半径
Fig7 Damage radius of X-5well
根据模拟结果可知，研究区块各井的水锁伤害半径在3.5m~6.5m范围内，气
井水锁伤害发生以后，伤害半径会急剧增大，随后逐渐平缓，表明低渗气井水锁
伤害的半径在初期增加较快，当生产半年以后伤害半径增加幅度较小。

其中X-3
井伤害半径最大,为6.5m，水锁伤害效应显著。

目标区块X-1井~X-5井在考虑液相伤害后的产能评价结果如图8、图9所示：
图8 目标井产气量随井底压力变化（绝对无阻流量）
Fig8 The gas production rate of the target well varies with bottom hole pressure (absolute free flow rate)
图9 目标井产气量随井底压力变化（考虑液相伤害）
Fig9 The target well gas production varies with bottom hole
pressure (considering liquid phase damage)
由评价结果可知，研究区块各井绝对无阻流量在
16.65×104m3/d~34.28×104m3/d范围内，考虑液相伤害的无阻流量为
2.11×104m3/d~2.82×104m3/d，产量降低90%左右，水锁伤害对低渗气井开发产能
抑制作用明显，气井一旦发生水锁伤害，气相渗透率迅速降低，气井产量也随之
降低，甚至不产。

分析认为低渗气藏储层非均质性严重，产出水或外来流体优先进入大孔道，
但由于毛管力作用，产出水或外来流体之后会进入细微孔道，以束缚水或可动水
的形式存在，降低气相渗透率，严重影响气井产能。

低渗气藏在开发过程中，水
锁伤害不可避免，常规伤害半径一般在3.5m-6.5m之间。

因此，在矿场实际生产中，应根据储层物性和生产动态控制生产压差及采气速度，建立合理的气井生产
制度，做好预防水锁伤害发生的措施，针对已产水气井及时采取合理的解水锁技
术提高单井产量。

4 结论及建议
（1）采用对流扩散模型求解液相侵入深度能够表征水锁的动态伤害半径，
指导现场水锁伤害评价；
（2）通过计算表明低渗气井水锁伤害的半径在初期增加较快，当生产半年
以后伤害半径增加幅度较小，常见的水锁伤害半径为3.5-6.5m；
（3）考虑水相伤害后气井的产能与实际生产情况接近，由于水锁伤害对气
井产能的降低幅度达到90%以上，在矿场实际中应合理控制生产压差及采气速度，结合储层物性做好预防水锁伤害发生的措施，针对产水气井及时采取合理的解水
锁技术提高单井产量。

[参考文献] (References)
[1] 贺承祖,华明琪. 水锁效应研究[J]. 钻井液与完井液,1996(06):14-16.
He Chengzu, Hua Mingqi. Research on Water Locking Effect[J].
Drilling Fluids and Completion Fluids, 1996(06): 14-16.
[2] 赵春鹏,李文华,张益,韩锋刚. 低渗气藏水锁伤害机理与防治措施分析[J]. 断块油气田,2004(03):45-46.
Zhao Chunpeng,Li Wenhua,Zhang Yi,Han Fenggang. Analysis of Water Blocking Damage Mechanism and Prevention Measures in Low Permeability Gas Reservoirs[J]. Fault Block Oil and Gas Field,2004(03):45-46.
[3] 贺承祖,华明琪. 水锁效应研究[J]. 钻井液与完井液,1996(06):14-16.
He Chengzu, Hua Mingqi. Research on Water Locking Effect[J]. Drilling Fluids and Completion Fluids, 1996(06): 14-16.
[4] 莫邵元，何顺利，雷刚，等. 致密气藏气水相对渗透率理论及实验分析[J]. 天然气地球科学，2015，26（11）：2149-2154.
Mo Shaoyuan, He Shunli, Lei Gang, et al. Theoretical and experimental analysis of gas-water relative permeability of tight gas reservoirs[J]. Natural Gas Geoscience, 2015, 26(11): 2149-2154.
[5] 徐伟，杨洪志，陈中华. 广安地区须六段气藏特征及开发策略［J］. 天然气工业，2007，27（6）：19-21.
Xu Wei, Yang Hongzhi, Chen Zhonghua. Characteristics and development strategies of Xu 6th Member gas reservoir in Guang'an area ［J］. Natural Gas Industry, 2007, 27(6): 19-21.
[6] 唐海,吕渐江,吕栋梁,吴小庆,彭得兵. 致密低渗气藏水锁影响因素研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版),2009,31(04):91-94.
Tang Hai, Lu Jianjiang, Lu Dongliang, Wu Xiaoqing, Peng Debing. Research on the influence factors of water blocking in tight and low permeability gas reservoirs[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Natural Science Edition),2009,31(04):91-94.
[7] 张荣军,蒲春生,赵春鹏. 板桥凝析油气藏水锁损害实验研究[J]. 钻采工艺,2006,29(3):79-81.
Zhang Rongjun, Pu Chunsheng, Zhao Chunpeng. Experimental study on water blocking damage of Banqiao condensate reservoir[J]. Drilling & Production Technology,2006,29(3):79-81.
[8] 周小平,孙雷,陈朝刚. 低渗透气藏水锁效应研究[J]. 特种油气
藏,2005(05):52-54.
Zhou Xiaoping,Sun Lei,Chen Chaogang. Research on water blocking effect of low permeability gas reservoirs[J]. Special Oil & Gas Reservoirs,2005(05):52-54.
[9] 吕渐江,唐海,吕栋梁,黄小亮,余贝贝. 利用相渗曲线研究低渗气藏水锁
效应的新方法[J].天然气勘探与开发,2008(03):49-52.
Lv Jianjiang,Tang Hai,Lv Dongliang,Huang Xiaoliang,Yu Beibei. A
new method to study the water blocking effect of low-permeability gas reservoirs using relative permeability curves[J].Natural Gas
Exploration and Development,2008(03):49-52.
[10] 姚茂堂,袁学芳,黄龙藏,彭芬,任登峰,谢向威. 高温高压裂缝性致密砂
岩气藏水锁伤害及解除[J]. 石油与天然气化工,2021,50(04):96-99.
Yao Maotang, Yuan Xuefang, Huang Longzang, Peng Fen, Ren Dengfeng, Xie Xiangwei. Water blocking damage and relief of fractured tight sandstone gas reservoirs at high temperature and high pressure[J]. Chemical Engineering of Oil and Gas,2021,50(04):96-99.
[11] 朱华银,徐轩,安来志，等. 致密气藏孔隙水赋存状态与流动性实验[J]. 石油学报,2016, 3 Zhu Huayin, Xu Xuan, An Laizhi, et al. Occurrence
state and fluidity experiment of pore water in tight gas reservoirs[J]. Acta Petrolei Sinica,2016, 37(2): 230-236.7(2): 230-236.
[12] 刘宇展，潘毅，郑小敏，等. 致密气藏岩石应力敏感对气水两相渗流
特征的影响［J］. 复杂油气藏，2013，6（3）：36-39.
Liu Yuzhan, Pan Yi, Zheng Xiaomin, et al. Impact of rock stress sensitivity of tight gas reservoirs on gas-water two-phase seepage characteristics［J］. Complex Oil and Gas Reservoirs, 2013, 6(3): 36-39.
[13] 朱长军. 非达西渗流实验研究及数学描述[D]. 中国科学院研究生院（渗流流体力学研究所）,2002.
Zhu Changjun. Experimental study and mathematical description of non-Darcy flow[D]. Graduate School of Chinese Academy of Sciences (Institute of Flow Mechanics), 2002.。