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酸化气驱交变载荷对超深层岩石强度及出砂影响_王亮亮.pdf

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资源描述

1、断块油气田2023年1月0引言塔里木油田东河1石炭系砂岩油藏开发进入中后期,油井含水率上升快,产量递减幅度较大,油井增产稳产难度大。由于该区块天然气气源丰富、储层适应性酸化气驱交变载荷对超深层岩石强度及出砂影响王亮亮1,王杰祥1,张鹏2,王鹏3,陈毅1,宋伟1(1.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东 青岛266580;2.中国石油玉门油田分公司工程技术研究院,甘肃 酒泉735019;3.中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院,新疆 库尔勒841000)摘要东河1油藏于2014年开展注天然气开发先导试验,增油效果显著。随着注气开发进程的不断推进,由于油井酸化及注天然气的影响,储层地质条件日益

2、复杂,油井出砂程度不断加剧。为实现油田稳产增产,需深入评价酸化、气驱及交变载荷对岩石力学性质及油井出砂的影响。文中通过室内实验对比了气驱前后岩石微观孔隙特征,研究了酸化、气驱对岩石强度及油井出砂程度的影响规律,明确了多轮次注采交变载荷下储层渗透率变化特征。室内岩心实验表明,气驱酸化气驱后,岩石三轴抗压强度降幅高达36.30%。循环加载50次,岩石三轴抗压强度由201.6 MPa降低至146.8 MPa。多轮次注采过程中,油井含水率上升快,提液造成生产压差加大,易引起油井出砂。因此,合理控制油井产水量、生产压差及产气量、优化注气参数对东河1油藏注气开发控砂和实现注气长效开发具有重要意义。关键词东

3、河砂岩油藏;出砂;酸化;气驱;交变载荷中图分类号:TE341文献标志码:A收稿日期:20220708;改回日期:20221106。第一作者:王亮亮,男,1994年生,在读博士研究生,从事油田化学及注气提高采收率研究。E-mail:。通信作者:王杰祥,男,1963年生,教授,博士,从事提高采收率理论与技术研究。E-mail:。引用格式:王亮亮,王杰祥,张鹏,等.酸化气驱交变载荷对超深层岩石强度及出砂影响J.断块油气田,2023,30(1):136142.WANG Liangliang,WANG Jiexiang,ZHANG Peng,et al.Influence of acidificatio

4、n,gas flooding and alternating load on rock strength and sandproduction in ultra-deep wellsJ.Fault-Block Oil&Gas Field,2023,30(1):136142.Influence of acidification,gas flooding and alternating load on rock strength and sandproduction in ultra-deep wellsWANG Liangliang1,WANG Jiexiang1,ZHANG Peng2,WAN

5、G Peng3,CHEN Yi1,SONG Wei1(1.School of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China;2.Research Institute of EngineeringTechnology,Yumen Oilfield Company,PetroChina,Jiuquan 735019,China;3.Research Institute of Oil and Gas Engineering,Tarim Oilfield Company,PetroChina,Korla

6、 841000,China)Abstract:In 2014,a pilot development test of natural gas injection was carried out in the Donghe 1 oil reservoir,and the oil-increasingeffect was remarkable.With the continuous advancement of the gas injection,due to the influence of oil well acidification and gasinjection,the reservoi

7、r geological conditions have become increasingly complex,and the sand production degree of oil wells has beenincreasing.To achieve stimulation and stable production in oilfields,it is necessary to deeply evaluate the effects of acidification,gasflooding,andalternatingloadsonrockmechanicalpropertiesa

8、ndoilwellsandproduction.Inthispaper,the micropore characteristicsofrockbefore and after gas flooding were compared through the laboratory experiments,the effectofacidification and gas flooding on therock strength and sand production degree of oil wells was studied,and the variation characteristics o

9、f reservoir permeability undermultiple rounds of alternating load were defined.The laboratory core experiments show that after gas flooding to acidification to gasflooding,the triaxial compressive strength of rock dropped by as much as 36.30%.After 50 cycles of loading,the triaxial compressivestreng

10、th ofthe rock decreased from 201.6 MPa to 146.8 MPa.With the multiple rounds of injection and production,the quick increase ofwatercutandliquidproductionofwellswillleadto easysandproduction.Therefore,reasonable controlofwatercut,productionpressuredifferenceandthegasoutputofoilwellsandoptimizinggasin

11、jectionparametersareofgreatsignificanceforthesandcontrolofDonghe1oilreservoirand long-termstable production bygasinjection.Key words:Donghe sandstone reservoirs;sand production;acidification;gas flooding;alternating loaddoi:10.6056/dkyqt202301019断块油气田FAULT-BLOCK OIL GAS FIELD第30卷第1期第30卷第1期强、注气见效快,因此

12、东河1油藏水驱之后选择注天然气提高采收率12。截至2018年4月,东河1油藏全面进入注天然气开发阶段,前期注气受效井增油效果显著。但随着注气开发进程的不断推进、酸化解堵措施的应用、生产制度的调整等,油井生产压差逐渐加大,含水率急剧升高,油井出砂进一步加剧。出砂难题严重制约了东河1油藏酸化和注天然气的高效开发。储层胶结疏松、岩石强度低引起的微粒运移是东河1油藏注气开发砂埋油层的主要原因之一。随着注气开发时间的增加,出砂储层地质条件更加复杂,常规岩心力学性质实验不能表征长时间气体浸泡条件下储层岩石的力学强度。文献调研发现,酸化及流体浸泡会引起砂岩岩石力学性质的改变,这种变化是砂岩油藏储层岩石骨架发

13、生破坏的根本原因,并且导致油井容易出砂34。此外,东河1油藏注气开发过程中,由于储层受到多轮次注采交变载荷作用,循坏加压和多轮次吞吐使岩石力学性质和渗透率发生改变,从而加剧油井出砂56。近年来,针对砂岩储层出砂机理进行了诸多研究。张杜杰等7通过应力敏感性评价实验研究指出,高速流体的冲刷作用下,裂缝壁面砂粒受到的气流拖曳力以及砂粒对壁面的剥蚀作用是裂缝壁面出砂的主要原因。赵博等8基于颗粒流分析平台(PFC 3D)构建了离散元模型,用于研究疏松砂岩储层出砂机理,并且指出,较高生产压差、较大地应力差异和内聚力较低的储层更容易出砂。沈建新等9通过定压差注气驱替实验,指出高流量下的气液混合物紊流及水驱后

14、气驱,容易破坏岩石胶结强度,导致油井出砂。然而,东河1油藏注气开发油井出砂程度日益加剧,目前对该类砂岩储层酸化、气驱及交变载荷下岩石力学性质变化特征及油井出砂规律的定量表征研究相对较少。本文首先开展了储层段岩心物性分析实验,运用扫描电子显微镜对比了气驱实验前后岩石微观形貌特征。其次,分析了酸化前后以及气驱酸化气驱后岩石三轴力学强度变化特征,研究了气驱酸化气驱后岩石出砂情况。最后,根据储层埋深(5 700 m)、地层压力(62.38 MPa)及地层压力系数(普遍小于1),选择开展围压60 MPa条件下循环加载后岩石力学强度评价实验,明确了多轮次注采交变载荷下储层渗透率变化特征。研究结果对东河1油

15、藏进一步实施注气开发、实现增产稳产具有一定的指导意义。1岩心物性分析1.1黏土矿物及全岩X射线衍射通过X射线衍射(XRD)对东河1油藏储层段岩心进行了黏土矿物及全岩组分测试分析(见表1),研究储层段岩心物性与油井出砂之间的关系。表1黏土矿物及全岩组分测定结果Table 1Determination of clay minerals and whole rock composition由表1可以看出:东河1油藏岩心石英组分质量分数高达93%以上;而黏土矿物及胶结物组分质量分数较低,为2%3%,储层段岩石胶结程度较弱。因此,东河1油藏储层本身具备出砂的地质条件。同时,黏土矿物组分测试结果表明,储层

16、段岩心高岭石组分质量分数高达95%以上,因其属于硬度较小的速敏性矿物,高流速条件下容易发生颗粒运移分散1011。结合东河1油藏高速注气开采的生产特征,可以看出高气液流量易造成高岭石等黏土矿物流失,从而导致储层胶结强度减弱,引起油井出砂。1.2扫描电镜1.2.1岩心分析对东河1油藏储层段S2岩心进行边角料洗油、断面上桩、无尘干燥、真空镀膜后,开展了不同放大倍数下的扫描电镜实验,对试样进行微观形貌表征和微观成分分析研究,实验结果如图1所示。扫描电镜结果分析表明,东河1油藏储层段岩心粒间孔常见,胶结物主要为自生高岭石、自生石英,常见长石颗粒表面蚀变为高岭石。黏土矿物中高岭石质量分数较高,因其速敏效应

17、明显,在地层流体高速流动时部分高岭石伴随石英颗粒发生微粒运移,被搬运至井筒,从而出现砂埋油层现象12。同时,高岭石等黏土矿物组分质量分数降低使得储层岩石的胶结作用更加薄弱,地层骨架容易遭到破坏,因此长时间注气会导致地层强度降低,油井砂埋速度加快。岩心编号井深/m全岩组分质量分数/%KC,I,S黏土矿物石英钾长石、斜长石、方解石等S45 727.05 735.59632944S65 727.05 735.59532944S95 727.05 735.59622944S25 727.05 735.59633934黏土矿物组分质量分数/%S55 744.05 752.59533934I/S,C/S1

18、2212注:K为高岭石,C为绿泥石,I为伊利石,S为蒙皂石,I/S为伊/蒙混层,C/S为绿/蒙混层。王亮亮,等.酸化气驱交变载荷对超深层岩石强度及出砂影响137断块油气田2023年1月图1S2岩心扫描电镜照片Fig.1SEM image of the core S21.2.2气驱前后岩心扫描电镜对比结合现阶段东河1油藏注气开发方式,基于扫描电镜实验,开展了S10岩心气驱实验前后微观孔隙特征对比分析,实验结果如图2和图3所示。图2气驱实验前岩心扫描电镜照片Fig.2SEM image of the core before gas flooding experiment图3气驱实验后岩心扫描电镜照

19、片Fig.3SEM image of the core after gas flooding experiment由图2可以看出,岩石表面可见明显微粒,且分布较均匀。结合东河1油藏岩石属于含粉砂的细砂岩这一特性,气驱前扫描电镜结果和岩石本身物性具有较好的一致性。由图3可以看出,气驱实验后岩石颗粒表面易运移的石英和黏土矿物颗粒减少,并且注气后岩石微观孔隙更加明显。分析认为:东河1油藏注气开发前已经开展过水驱开发,注入水对储层岩石长期浸泡,导致其强度降低;而注气强度加大,加剧了储层黏土矿物以及裸露的地层粉砂的运移,造成油井出砂。同时,由于目标油藏注气开发时间的增加,储层段孔隙结构长时间受到气体和产

20、出液的冲刷、浸泡而发生改变,出砂粒径随之变大,油井出砂进一步加剧。2酸化对地层岩石强度及出砂的影响2.1酸化对岩石强度的影响随着东河1油藏注气开发出砂后的储层条件日益复杂化,以及储层酸化施工的逐步开展,为了评价酸化(盐酸和氟硼酸)对储层段岩心力学性质及出砂规律的影响,根据储层埋深、压力系数、酸液配方等相关数据,开展了酸液对岩石力学强度影响实验和酸化后的岩心出砂评价实验。先利用真空泵等对选取的目标层位岩心进行酸液饱和,通过耐高压、耐酸驱替装置进行酸液驱替岩心实验(注入量3 PV),最后将驱替后的岩心进行三轴力学强度测试实验。将酸化后的岩心三轴力学强度实验结果与未酸化的同目标层位岩心三轴力学实验结

21、果进行对比分析,评价酸液对东河1油藏岩心力学强度的影响。未酸化的S4岩心(空白样)和酸化后的S5岩心三轴力学强度实验结果分别如图4和图5所示,未酸化和不同酸液配方下岩心驱替实验参数及力学强度实验结果如表2所示。图4岩心S4应力应变曲线Fig.4Stress-strain curve of the core S4实验结果表明,未酸化的储层段岩心在围压60MPa情况下的平均抗压强度为201.6 MPa,可以明显看出东河1油藏储层段岩石力学强度较高,具有较好的井壁稳定性,这和东河1油藏注气开发前期生产压差a全貌;b自生石英及自生高岭石;c长石表面蚀变为高岭石;d粒间孔a500倍b1 000倍a500

22、倍b1 000倍138第30卷第1期2.2气驱酸化气驱对出砂及岩石力学强度影响东河1油藏注天然气开发对井壁稳定性及油井出砂程度影响明显。通过室内实验定量分析储层段岩心气驱酸化气驱后出砂特征及岩石三轴力学强度变化规律。首先,利用气驱设备对选取目标层位X1岩心进行气驱实验,完成出砂量测定。其次,通过耐高压、耐酸驱替装置进行酸液驱替实验,将酸化驱替后的岩心再次进行气驱实验,记录酸化后气驱的出砂量。最后,开展气驱酸化气驱后岩心三轴力学强度实验。对比分析了酸化前气驱及酸化后气驱的岩石出砂情况,探究酸化后的储层孔渗变化特征,研究酸化、气驱等措施对出砂及岩石抗压强度的影响。实验结果见表3、图6。由表3可以看

23、出,酸化实验前岩心气驱出砂量较低,为0.1 mg。经酸化岩心再次进行气驱实验,10 min和20 min后出砂量分别为0.1,0.2 mg。10%盐酸及6%氟硼酸构成的酸液体系和岩石中的碳酸盐、黏土等矿物发生物理作用及化学反应,造成孔隙喉道内溶蚀的颗粒物脱落、生成物运移1315。储层酸化后,岩石的胶结物被破坏,出砂程度高。表3X1岩心酸化气驱实验参数及出砂实验结果Table 3 Experimental parameters and sand production results of core X1 forgas flooding combined with acidification酸化后

24、的岩心气驱实验后更易发生微粒运移,因此酸化气驱措施后岩石出砂量上升1617。同时,酸化作用后气驱早期出砂明显,但在气驱酸化气驱实验后期岩心无明显出砂现象。分析认为,第2次气驱前期,由于酸化产生的易运移石英和黏土矿物颗粒被高速流体携带至井筒,因此出砂明显。气驱酸化气驱实验后期,出砂结果受室内物模实验尺寸限制,因此在20 min岩心编号深度/m酸液配方驱替速度/(mLmin-1)驱替时间/min围压/MPa弹性模量/GPa泊松比抗压强度/MPa平均抗压强度/MPaS45 727.05 735.5空白样6025.650.251263.8201.6S65 727.05 735.56019.230.23

25、2172.3S95 727.05 735.56019.820.285168.6S25 727.05 735.510%盐酸+6%氟硼酸0.21306010.330.272156.2153.8S55 744.05 752.50.21266012.020.301159.2S75 752.55 761.00.21246011.890.232146.0S15 727.05 735.512%盐酸+8%氟硼酸0.21266012.770.156135.1133.4S125 761.05 769.50.21266012.310.261130.2S85 752.55 761.00.21256015.020.21

26、2134.8表2岩心三轴力学强度实验结果Table 2Experimental results of core triaxial mechanical strength小、油井不出砂或出砂程度比较低的生产动态特征相一致。经10%盐酸+6%氟硼酸体系处理后,岩石平均三轴抗压强度为153.8 MPa,相比未酸化岩心,力学强度降幅为23.69%。当酸液质量浓度继续增大,经12%盐酸+8%氟硼酸体系处理后,岩石三轴抗压强度降低至133.4 MPa,力学强度降幅达33.83%。定量化实验结果明确了酸化引起砂岩岩心力学强度的改变幅度,并且分析认为,储层段岩石力学强度降低导致储层岩石骨架发生破坏,引起油井出

27、砂。图5S7岩心10%盐酸+6%氟硼酸酸化后应力应变曲线Fig.5Stress-strain curve of core S7 after acidification with 10%hydrochloric acid and 6%fluoroborate王亮亮,等.酸化气驱交变载荷对超深层岩石强度及出砂影响参数参数数值酸化前气驱出砂量/mg酸液驱替速度/(mLmin-1)0.3酸化前气驱压力/MPa酸液驱替时间/min120酸化后气驱10 min出砂量/mg酸化后气驱压力/MPa9.9酸化后气驱20 min出砂量/mg酸化后气驱40 min出砂量/mg0.2气体驱替速度/(m3h-1)气体驱

28、替时间/min10数值0.110.10.10.23139断块油气田2023年1月后并未观察到明显出砂现象。此外,酸化前的注入压力较高。酸化后,由于酸液对岩心孔喉壁面的溶蚀等作用,造成颗粒物的脱落、运移,渗流通道增大,造成气驱注入压力下降18。图6X1岩心气驱酸化气驱后应力应变曲线Fig.6Stress-strain curve of core X1 after gas floodingacidificationgasflooding由图6可以看出,相比未气驱酸化气驱岩心(S6,S4,S9),X1岩心经过气驱酸化气驱后,三轴抗压强度降至128.4 MPa,力学强度降幅高达36.30%。由于前期注

29、水开发,注入水浸泡储层导致储层岩石强度降低。分析认为,注气出砂是因为随着注气强度加大,加速了低强度的粉细砂携带能力。而酸化使岩心胶结物破坏,注气本身不会导致油井出砂加剧。3交变载荷对岩石强度及出砂影响3.1循环载荷下岩石力学性质东河1油藏注气开发过程中,由于其储层段岩石长期受到注水、注气及酸化等交变载荷作用,使得有效应力发生改变。使用三角波加载模拟了东河1油藏循环载荷对岩石力学强度的影响。设定损伤实验的上限运行压力为56 MPa,下限运行压力31 MPa,围压60MPa。S3号岩心中间循环加压50次变载时的三轴岩石力学强度实验结果如图7和图8所示。图7S3岩心应力应变曲线Fig.7Stress

30、-strain curve of the core S3图8S3岩心循环加压50次变载时偏应力形变时间曲线Fig.8Eccentric stressdeformationtime curve of the core S3 under 50times cyclic loading相比未循环加载岩心(S6,S4,S9),S3号岩心三轴力学强度降至146.8 MPa,降幅达27.2%。结合东河1油藏注气开发生产现状,说明多轮次注采造成储层段不断受到交变载荷作用,并且储层孔隙压力的变化造成岩石力学强度降低,导致储层岩石骨架发生破坏,因此油井出砂程度不断加剧。3.2多轮次交变载荷下渗透率变化3.2.1不

31、同含水率及生产压差东河1油藏属于典型的块状底水油藏,底水以及开发前期水驱阶段的注入水对砂岩储层段岩石颗粒表面束缚水的极性有着较大影响。同时,蒙皂石、伊利石及伊/蒙混层等黏土矿物水敏性强。此外,东河1油藏注气开发后期生产压差普遍提高,过高的流体流速容易造成水体突进及微粒运移。因此,开展多轮次吞吐,模拟储层间歇气驱下含水率和生产压差对油井出砂影响的定量化实验研究,对优化东河1油藏开发方案至关重要。以放喷频率分别为1.0,0.8为例,生产压差分别为2.5,5.0 MPa,含水率分别为0,60%情况下的渗透率变化率随吞吐轮次变化情况如图9和图10所示。图9放喷频率1.0时不同含水率和生产压差下渗透率变

32、化率Fig.9Permeability change rate under various water cut and productionpressure difference at discharge frequency of 1.0多轮次吞吐下改变含水率和生产压差,储层段岩140第30卷第1期心渗透率变化规律明显。由图9和图10可知:平衡压力一定、含水率相同情况下,生产压差升高至5.0 MPa,渗透率变化率随吞吐轮次增加而增大。相同生产压差情况下,含水率升高至60%,岩心渗透率变化率随着吞吐轮次显著增大。生产压差5.0 MPa、不含水和生产压差2.5 MPa、含水率60%情况下的渗透率变

33、化趋势和增幅基本一致。实验结果表明:相同生产压差下,随着注气吞吐轮次的增加,含水率越高,渗透率变化率越大。相比生产压差,油井出水对出砂程度影响更大。图10放喷频率0.8时不同含水率和生产压差下渗透率变化率Fig.10Permeability change rate under various water cut and productionpressure difference at discharge frequency of 0.83.2.2不同放喷频率通过室内调节放喷频率可模拟东河1油藏注气开发气举生产现状。分别开展了平衡压力10 MPa和9MPa、生产压差5 MPa、不含水和含水率60

34、%情况下的岩心渗透率测试实验,其渗透率变化率随吞吐轮次的变化情况如图11和图12所示。图11不含水时不同放喷频率下渗透率变化率Fig.11Permeability change rate at various discharge frequencies withoutwater由图11和图12可以看出,随着放喷频率的提高,岩心渗透率增幅不断扩大。相比不含水,含水率60%情况下的渗透率增幅明显,最高达17.85%。室内实验结果表明,高含水率情况下放喷频率增加,储层段岩石渗透率明显升高,从而导致储层容易出砂。实验结果与东河1油藏注气开发阶段油井含水率急剧升高、出砂严重的生产动态特征具有较好的一致性

35、。图12含水率60%时不同放喷频率下渗透率变化率Fig.12Permeability change rate at various discharge frequencies underwater cut of 60%4结论1)东河1砂岩油藏岩石黏土矿物质量分数较低,胶结程度较弱,储层本身具备出砂的地质条件。高岭石组分质量分数高,其速敏效应容易造成微粒被携带走。由于水驱注入水对储层的浸泡,导致地层强度降低,高强度注气携带能力增强,加剧了储层出砂。2)东河1油藏储层段岩石力学强度较高,10%盐酸+6%氟硼酸体系处理后,岩石三轴力学强度降幅为23.69%;12%盐酸+8%氟硼酸体系处理后,岩石三轴

36、力学强度降幅达33.83%;气驱酸化气驱后,岩石三轴抗压强度降幅高达36.30%。实验结果定量化论证了酸化及注入水浸泡会引起砂岩岩心力学性能的改变,从而导致储层岩石骨架发生破坏,引起油井出砂。3)围压60 MPa下,循环加载50次后岩石三轴抗压强度由201.6 MPa降低至146.8 MPa。多轮次注采过程中,含水率、生产压差和放喷频率的升高,造成储层渗透率增大,易引起油井出砂。合理控制油井含水率、生产制度及储层酸化后的注气参数对东河1油藏注气开发控砂和实现注气稳产增产具有重要意义。参考文献1祁大晟,项琳娜,裴柏林.塔里木东河油田出砂动态预测研究J.新疆石油地质,2008,29(3):3413

37、43.王亮亮,等.酸化气驱交变载荷对超深层岩石强度及出砂影响141断块油气田2023年1月1QI Dasheng,XIANG Linna,PEI Bailin.Study on dynamic sandingprediction in Donghe oilfield,Tarim BasinJ.Xinjiang PetroleumGeology,2008,29(3):341343.2范坤,朱文卿,周代余,等.隔夹层对巨厚砂岩油藏注气开发的影响:以塔里木盆地东河1油田石炭系油藏为例J.石油学报,2015,36(4):475481.1FAN Kun,ZHU Wenqing,ZHOU Daiyu,et

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50、燕,唐斌,王明,等.高压裂缝性致密砂岩气藏出砂影响因素及防治:以塔里木盆地迪那2气藏为例J.石油钻采工艺,2019,41(5):663669.1WU Yan,TANG Bin,WANG Ming,et al.Influence factors and controlof sand production in high-pressure fractured tight sandstone gasreservoirs:a case study on Dina 2 gas reservoir in the Tarim BasinJ.Oil Drilling&Production Technology

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