CN113484216B - 一种评估致密砂岩气藏水相返排率及合理返排压差的方法 - Google Patents

一种评估致密砂岩气藏水相返排率及合理返排压差的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种评估致密砂岩气藏水相返排率及合理返排压差的方法，包括如下步骤：通过实验，获取储层孔隙结构分布；然后获取不同孔径孔隙的压裂压力作用长度；再获取不同孔径孔隙的渗吸长度；求取不同孔径孔隙在某返排压差下的排液长度；通过上述数据，求取某返排压差下的返排率；求取一系列返排压差下的返排率，绘制返排压差与返排率的关系曲线；开展速敏实验，获取临界最大返排压差；通过返排率曲线和临界最大返排压差，制定出合理返排压差。本发明能适应致密砂岩气藏的具体情况，为解除水相圈闭损害，制定合理的水相返排制度提供依据，为现场施工提供较佳指导方案。

Description

一种评估致密砂岩气藏水相返排率及合理返排压差的方法
技术领域
本发明涉及油气田开发技术领域，特别涉及非常规天然气开发技术领域，具体是一种评估致密砂岩气藏水相返排率及合理返排压差的方法。
背景技术
天然气是一种清洁的能源，在目前的世界经济中扮演着重要的角色，随着非常规天然气勘探技术的不断发展，新增探明天然气储量中有大量致密砂岩气田，广泛分布于我国各大盆地，储量十分丰富，其所蕴含的巨大经济价值逐渐被人们所认知，成为当今非常规天然气开发的重点领域。致密砂岩气储层发育微米纳米级孔喉，具有连通性差，毛管压力高，非均质性强，低含水饱和度等特征，只有经过压裂改造等增产措施才能获得具有工业价值的气流。致密砂岩气藏因其独特的地质条件和渗流特征，在钻完井、压裂改造等过程中，水相易于自吸，且难以返排，这种由于水相滞留所诱发的水相圈闭损害是致密砂岩气藏最主要的损害类型之一，严重制约了致密砂岩气藏的开发。解除水相圈闭损害需要明确合理的返排压差范围，在克服毛管压力等返排阻力的同时避免速敏等敏感性损害。而对于水相返排率以及合理返排压差的计算模型，本领域技术人员进行过一定的研究，并形成部分学术成果，如胡景宏等的论文《压裂液返排率的理论计算》，公开了一种压裂液返排率的计算模型，公开号为CN 111914494 A的中国发明专利《一种致密储层水平井压后压裂液返排率预测方法及系统》也公开了一种压裂液返排率的计算模型。由于致密砂岩气藏具有岩石低孔低渗、气体高度可压缩性的特点，现有技术方案计算模型复杂，计算方法难度大，且均不能与致密砂岩气藏的特性有很好的结合，难以针对性的分析致密砂岩气藏环境下的水相返排率问题，无法指导计算出合理的返排压差，导致难以为致密砂岩气藏开发提供最优的设计施工方案。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种评估致密砂岩气藏水相返排率及合理返排压差的方法，能适应致密砂岩气藏的具体情况，为解除致密砂岩气藏水相圈闭损害，制定合理的水相返排制度提供依据。
本发明的具体技术方案如下：
一种评估致密砂岩气藏水相返排率的方法，包括：
步骤一、对岩心样本进行加工，并测试其孔隙结构分布数据，包括各个孔隙的孔隙半径Ri和孔隙度分量ai；
步骤二、求取不同孔径Ri的压裂压力作用长度Li，作为毛管中气体的流动长度；
步骤三、求取不同孔径Ri的孔隙渗吸长度li；
步骤四、求取不同孔径Ri在某返排压差△Pk下的孔隙排液长度xi；
步骤五、基于上述步骤所得孔隙结构分布数据、不同孔隙渗吸长度li和不同孔隙排液长度xi，以不同孔隙在其渗吸长度li下所渗吸的水相体积总量为总渗吸量，不同孔隙在其孔隙排液长度xi下所返排的水相体积总量为总返排量，求返排压差△Pk下的返排率ξk；
步骤六、重复步骤四和步骤五，求取一系列返排压差△Pk下的返排率ξk，并绘制返排压差与返排率的关系曲线图，在该关系曲线图中，可以得到某返排压差下对应的返排率；
步骤六中，该压差不大于步骤四中所采用的返排压差△Pk的最大值。
优选的，步骤一具体包括：将岩心样本清洗干净后，饱和水。将饱和水后的岩心样本进行核磁共振测试，获取T2图谱并进行反演，确定孔隙结构分布数据，即各个孔隙的孔隙半径Ri和孔隙度分量ai，i越大孔隙半径越大，作为毛管束模型的基础参数；
优选的，所述步骤一具体包括：
(1)按照岩心样本制备方法，切割直径3.8cm长度5-10cm的岩心样本；
(2)将岩心样本按照《岩心分析方法(GB/T 29172-2012)》进行洗油、洗盐并烘干；测量岩心样本的长度、直径、孔隙度和渗透率；
(3)为避免岩心样本水敏，饱和水为2％的KCl溶液；将饱和后的岩心样本放入核磁共振探头中，进行核磁共振信号采集，采样结束后，获取T2图谱；
(4)对T2图谱进行反演获得孔隙结构分布数据。
优选的，步骤二具体包括：考虑压力波在不同孔隙中的传播速度，基于单孔渗透率，求取不同孔径Ri的压裂压力作用长度Li，作为毛管中气体的流动长度，计算公式为：
其中，hi的计算步骤如下：
式中，Ri为某一尺寸孔隙的孔隙半径，m；
hi为地层条件下的半径为Ri的单孔的渗透率，D；
T为压裂与闷井的总时间，ks；
Φ为地层条件下的岩石孔隙度；
μ为地层流体粘度，mPa·s；
c为储层总压缩系数，MPa-1。
优选的，步骤三具体包括：考虑气藏岩石孔隙中空气的压缩膨胀特性，求取不同孔径Ri的孔隙渗吸长度li，公式为：
式中，Pf为地层侵入流体压力，Pa；
Pe为地层原始压力，Pa。
优选的，步骤四具体包括：基于返排过程中的动力、阻力分析，毛管力为返排阻力，返排压差、气体膨胀能提供动力，求取不同孔径Ri在某返排压差△Pk下的孔隙排液长度xi，其中，0≤xi≤li，公式为：
式中，θ为侵入流体与岩石的润湿角，°；
σ为侵入流体与甲烷的界面张力，Pa。
优选的，步骤五具体包括：基于上述步骤所得孔隙结构分布数据、不同孔隙渗吸长度li和不同孔隙排液长度xi，以不同孔隙在其渗吸长度li下所渗吸的水相体积总量为总渗吸量，不同孔隙在其孔隙排液长度xi下所返排的水相体积总量为总返排量，求返排压差△Pk下的返排率ξk为：，
式中，n为孔隙类型的总数目。
一种评估致密砂岩气藏合理返排压差的方法，将根据步骤五所述的一种评估致密砂岩气藏水相返排率的方法所得到的不同返排压差△Pk与得到的致密砂岩气藏水相返排率ξk形成两者的关系曲线图；选取返排率曲线斜率趋于0的点的返排压差△Pc，若此返排压差△Pc不大于临界最大返排压差Pmax，将此返排压差△Pc作为得到的合理返排压差△Popt；若此返排压差△Pc大于临界最大返排压差Pmax，则取临界最大返排压差Pmax为合理返排压差△Popt。
优选的，所述Pmax＝τclm，进行速敏实验，获取速敏临界压力梯度τc作为临界最大返排压力梯度，则临界最大返排压差为Pmax＝τclm，其中lm为主力孔隙的渗吸长度，lm的计算方法与li相同，所述主力孔隙为步骤一核磁共振测试所得占比最大的孔隙。
优选的，所述速敏实验的具体步骤为：
(1)根据所需配置相应的侵入流体，如果评价钻井液返排合理压差及返排率预测，则采用钻井液；如果评价压裂液合理返排压差及返排率预测，则采用压裂液；
(2)将岩心样本浸泡在配置的液体中，抽真空加压饱和；
(3)将岩心样本放入岩心夹持器，按照等有效应力原则施加围压，保持围压稳定，用不同的氮气压力驱替岩心样本，记录对应的渗透率和压力梯度，当压力梯度大于或者等于某值时，表现为渗透率急剧下降，则该压力梯度为速敏临界压力梯度τc。
其中步骤(3)的压力梯度计算方法为：
如果压力梯度τj对应渗透率Kj与τj+1对应渗透率Kj+1满足式：
说明已经发生速敏损害，τj则为速敏临界压力梯度τc的值。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明针对性的设计了适应致密砂岩气藏的水相合理返排压差评价及返排率预测方案，基于毛管束模型，将致密砂岩各孔隙视为不同半径的毛细管，首先获取各个孔隙的孔隙半径和孔隙度分量；其次，获取毛管束模型中单根毛管的压裂压力作用长度，作为毛管中气体的流动长度；再次，考虑水相渗吸造成毛细管中气体的压缩，水相返排时压缩的气体能够提供返排能量，分析渗吸和返排过程中的动阻力，分别求取不同孔径的渗吸长度和排液长度；然后，以不同孔隙在其渗吸长度下所渗吸的水相体积总量为总渗吸量，不同孔隙在其排液长度下所返排的水相体积总量为总返排量，求取不同压差下的返排率，获取返排率与返排压差的关系曲线；最后，根据目标返排率，以返排压差不超过最大返排压差为原则，由返排率曲线和临界最大返排压差选择合理返排压差。通过这些步骤，能有效地预测致密砂岩气藏的返排率，同时结合返排率确定对应的合理返排压差，为施工提供技术指导。
2、本发明的步骤，充分考虑致密砂岩气藏压力波在不同孔隙中的传播速度、岩石孔隙中空气的压缩膨胀特性、以及返排过程中的动力阻力，求取不同返排压差下对应的不同孔隙的渗吸长度、排液长度以及储层返排率；同时考虑了速敏对气藏开发的影响，针对每一步骤，均独立推导设计出新的计算公式，最终得到所需的返排率和合理返排压差，让本发明能符合现场施工的实际情况，且求解过程计算简单、实验方便、准确度高。
3、在本发明的实验过程中，无需设计制造新的实验设备和构建新的实验方法，可基于现有实验体系进行实验，结合新的计算方法和步骤，完成相关计算并得到所需结果。
4、本发明能对钻井、压裂等施工流程的返排都进行预测和评价，满足更多施工种类的需求。
附图说明
图1是本发明的流程框图；
图2是返排压差与返排率关系曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所提供的一种评估致密砂岩气藏水相返排率的方法，评价对象为水力压裂后的致密砂岩气藏，在本实施例中，选取国内某区块的岩层作为实验对象，所在储层深度为1700-1800米，平均压力为14MPa，上覆地层压力为40MPa，如图1所示，具体实施方式包括以下步骤：
步骤S1、钻取致密砂岩储层岩石，按照《岩心分析方法(GB/T 29172-2012)》，将其制作成直径约3.8cm(误差不超过0.1cm)、长度约5-10cm的岩心样本；将岩心样本按照《岩心分析方法(GB/T 29172-2012)》中的方法洗油洗盐、烘干。因为致密砂岩低孔低渗，用标准岩心分析方法较难获得准确的孔隙度，因此本技术方案设计并采用压力衰减法测试其渗透率，准确获取渗透率的同时避免液体对岩心样本物性的影响。在本实施例中，制备并选取4块实验用的岩心样本，所得实验岩心样本的基本参数见表1所示。
表1实验岩心样本基础参数
步骤S2、将岩心样本清洗干净后，抽真空加压2％的KCl溶液作为饱和水，选择合适的核磁共振探头，将饱和后的岩心样本放入核磁共振探头中，进行核磁共振信号采集，采样结束后，获取T2图谱，对T2图谱进行反演获得孔隙结构分布数据。对各岩心样本孔隙结构分布做评价，得到平均孔隙结构分布，孔隙结构分布即各个孔隙的孔隙半径Ri和孔隙度分量ai(i越大孔隙半径越大)，通过核磁共振测试所得具体数据见表2。
表2平均孔隙结构分布
步骤S3、求取不同孔径Ri的压裂压力作用长度Li(m)，公式为：
式中，Ri为某一尺寸孔隙的孔隙半径，m；
hi为地层条件下的半径为Ri的单孔的渗透率，D；
T为压裂与闷井的总时间，ks；
Φ为地层条件下的岩石孔隙度；
μ为地层流体粘度，mPa·s；
c为储层总压缩系数，MPa-1；
下标i为取值顺序，其值为1，2，3，，，n；n为孔隙类型的总数目，本例中n为84。
计算得到的各孔隙的压裂压力作用长度Li见表3。
表3各孔隙压裂压力作用长度
步骤S4、求取不同孔径Ri的孔隙渗吸长度li，公式为：
式中，Pf为地层侵入流体压力，Pa；
Pe为地层原始压力，Pa。
计算的各孔隙渗吸长度见表4。
表4各孔隙对应渗吸长度
步骤S5、求取不同孔径Ri在某返排压差△Pk下的排液长度xi(0≤xi≤li)，公式为：
式中，θ为侵入流体与岩石的润湿角，°；
σ为侵入流体与甲烷的界面张力，N/m。
式中，所述△Pk的确定方法是，根据该储层的储层压力，以储层压力14MPa为最大取值，设定0-14MPa为计算取值范围，在0-14MPa中按照等差数列依次取值，每次取值的公差为0.5MPa。△Pk中下标k表示取值顺序，其值为1，2，3，，，m；m为△Pk的取值总数目，本例中m为29。
步骤S6、该返排压差△Pk下的返排率ξk为：
式中，n为孔隙类型的总数目。
步骤S7、进一步的，根据上述内容，还可以进一步求得返排率曲线，重复步骤S5和步骤S6，求取一系列返排压差△Pk下的返排率ξk，以返排压差△Pk作为横坐标，返排率ξk作为纵坐标，得到返排压差△Pk与返排率ξk的关系曲线图，如图2所示。
步骤S8、根据所需配置相应的侵入流体；将岩心样本浸泡在配置的液体中，抽真空加压饱和；将岩心样本放入岩心夹持器，按照等有效应力原则施加围压，施加围压为26MPa，保持围压稳定，用不同的氮气压力驱替岩心样本，具体是，按照行业实验标准，用0.01MPa/cm、0.03MPa/cm、0.06MPa/cm、0.10MPa/cm、0.15MPa/cm、0.20MPa/cm、0.25MPa/cm、0.30MPa/cm、0.35MPa/cm、0.40MPa/cm、045MPa/cm、0.50MPa/cm、0.60MPa/cm的压力梯度依次增加岩心样本压力梯度，记录对应的渗透率和压力梯度，如果压力梯度τj对应渗透率Kj与τj+1对应渗透率Kj+1满足式：
说明已经发生速敏损害，τj则为速敏临界压力梯度τc。其中τj与Kj下标j表示取值顺序，其值为1，2，3，，，w；w为τj与Kj取值总数目，本例中w为13。压本次实验中，当压力梯度大于或者等于0.20MPa/cm，且渗透率急剧下降满足上式，则可得到速敏临界压力梯度τc为0.20MPa/cm。而临界最大返排压差的计算公式为Pmax＝τclm，式中lm为主力孔隙的渗吸长度，所述主力孔隙为步骤一核磁共振测试所得占比最大的孔隙。由表2，本例主力孔隙为半径0.01144474μm，由表3可知，该主力孔隙的渗吸长度lm为2.992m。
因此，根据上述判断方法和计算公式，得到本实施例的临界最大返排压差Pmax为59.8MPa。
步骤S9、为避免储层速敏损害，以返排压差不超过最大返排压差为原则，选取返排率曲线斜率趋于0的点的返排压差作为所需求得的合理返排压差△Popt。在本例中，在返排压差为2MPa时，返排率曲线斜率趋于0，且2MPa小于临界最大返排压差Pmax，因此本例选择2MPa作为合理返排压差△Popt。
本发明基于毛管束模型，相对于其他模型不需要复杂的迭代编程计算，计算简便；在实验过程中，只需做常规的核磁共振测试和速敏测试，测试方法简便，且为行业通用测试方法，无需额外购置设备和培训；计算过程考虑了致密砂岩气藏不同大小孔隙中压力波的传播差异，同时考虑了气藏气体的可压缩性，能够更贴合致密砂岩气藏低孔低渗、气体可压缩膨胀的特殊性质；对致密砂岩气藏水相渗吸返排过程中的动阻力进行分析和计算，相比于现有技术的返排率计算方法，本方案针对致密砂岩气藏的特性，考虑了各个孔隙的渗吸返排长度及体积，计算更加精确。
通过计算获取返排压差与反排率的关系曲线，并以返排压差不超过临界最大返排压差、避免速敏损害为原则，选取返排率曲线斜率趋于0的点的返排压差作为合理返排压差，既能实现较大返排率，又能最高效地利用地层能量，能有效支持致密砂岩开发的现场施工方案的设计和操作。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种评估致密砂岩气藏水相返排率的方法，其特征在于，包括：
步骤一、对岩心样本进行加工，并测试其孔隙结构分布数据，包括各个孔隙的孔隙半径Ri和孔隙度分量ai；
步骤二、求取不同孔径Ri的压裂压力作用长度Li，作为毛管中气体的流动长度；
步骤三、求取不同孔径Ri的孔隙渗吸长度li；
步骤四、求取不同孔径Ri在某返排压差△Pk下的孔隙排液长度xi；
步骤五、基于上述步骤所得孔隙结构分布数据、不同孔隙渗吸长度li和不同孔隙排液长度xi，以不同孔隙在其渗吸长度li下所渗吸的水相体积总量为总渗吸量，不同孔隙在其孔隙排液长度xi下所返排的水相体积总量为总返排量，求返排压差△Pk下的返排率ξk；
步骤六、重复步骤四和步骤五，求取一系列返排压差△Pk下的返排率ξk，并绘制返排压差与返排率的关系曲线图，在该关系曲线图中，可以得到某返排压差下对应的返排率；
步骤二具体包括：考虑压力波在不同孔隙中的传播速度，基于单孔渗透率，求取不同孔径Ri的压裂压力作用长度Li，作为毛管中气体的流动长度，计算公式为：
其中，ki的计算步骤如下：
式中，Ri为某一尺寸孔隙的孔隙半径，m；
hi为地层条件下的半径为Ri的单孔的渗透率，D；
T为压裂与闷井的总时间，ks；
Φ为地层条件下的岩石孔隙度；
μ为地层流体粘度，mPa·s；
c为储层总压缩系数，MPa-1；
步骤三具体包括：考虑气藏岩石孔隙中空气的压缩膨胀特性，求取不同孔径Ri的孔隙渗吸长度li，公式为：
式中，Pf为地层侵入流体压力，Pa；
Pe为地层原始压力，Pa；
步骤四具体包括：基于返排过程中的动力、阻力分析，毛管力为返排阻力，返排压差、气体膨胀能提供动力，求取不同孔径Ri在某返排压差△Pk下的孔隙排液长度xi，其中，0≤xi≤li，公式为：
式中，θ为侵入流体与岩石的润湿角，°；
σ为侵入流体与甲烷的界面张力，Pa；
步骤五具体包括：基于上述步骤所得孔隙结构分布数据、不同孔隙渗吸长度li和不同孔隙排液长度xi，以不同孔隙在其渗吸长度li下所渗吸的水相体积总量为总渗吸量，不同孔隙在其孔隙排液长度xi下所返排的水相体积总量为总返排量，求返排压差△Pk下的返排率ξk为：
式中，n为孔隙类型的总数目。
2.根据权利要求1所述的一种评估致密砂岩气藏水相返排率的方法，其特征在于，步骤一具体包括：将岩心样本清洗干净后，饱和水，将饱和水后的岩心样本进行核磁共振测试，获取T2图谱并进行反演，确定孔隙结构分布数据，即各个孔隙的孔隙半径Ri和孔隙度分量ai，作为毛管束模型的基础参数。
3.根据权利要求2所述的一种评估致密砂岩气藏水相返排率的方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：
(1)按照岩心样本制备方法，切割直径3.8cm长度5-10cm的岩心样本；
(2)将岩心样本进行洗油、洗盐并烘干；测量岩心样本的长度、直径、孔隙度和渗透率；
(3)为避免岩心样本水敏，饱和水为2％的KCl溶液；将饱和后的岩心样本放入核磁共振探头中，进行核磁共振信号采集，采样结束后，获取T2图谱；
(4)对T2图谱进行反演获得孔隙结构分布数据。
4.一种评估致密砂岩气藏合理返排压差的方法，其特征在于，将根据权利要求3所述的一种评估致密砂岩气藏水相返排率的方法所得到的不同返排压差△Pk与得到的致密砂岩气藏水相返排率ξk形成两者的关系曲线图；选取返排率曲线斜率趋于0的点的返排压差△Pc，若此返排压差△Pc不大于临界最大返排压差Pmax，将此返排压差△Pc作为得到的合理返排压差△Popt；若此返排压差△Pc大于临界最大返排压差Pmax，则取临界最大返排压差Pmax为合理返排压差△Popt。
5.根据权利要求4所述的一种评估致密砂岩气藏合理返排压差的方法，其特征在于，所述Pmax＝τclm，进行速敏实验，获取速敏临界压力梯度τc作为临界最大返排压力梯度，则临界最大返排压差为Pmax＝τclm，其中lm为主力孔隙的渗吸长度，所述主力孔隙为步骤一中核磁共振测试所得占比最大的孔隙。
6.根据权利要求5所述的一种评估致密砂岩气藏合理返排压差的方法，其特征在于，所述速敏实验的具体步骤为：
(1)根据所需配置相应的侵入流体，如果评价钻井液返排合理压差及返排率预测，则采用钻井液；如果评价压裂液合理返排压差及返排率预测，则采用压裂液；
(2)将岩心样本浸泡在配置的液体中，抽真空加压饱和；
(3)将岩心样本放入岩心夹持器，按照等有效应力原则施加围压，保持围压稳定，依次增加氮气压力驱替岩心样本，记录对应的渗透率和压力梯度，当压力梯度大于或者等于某值时，表现为渗透率急剧下降，则该压力梯度为速敏临界压力梯度τc。
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