煤层气工作流体储层伤害评价方法的适宜性研究
郑力会1, 李秀云2, 苏关东1,3, 赵炜1, 巩旭光1, 陶秀娟1,4
1.油气资源与探测国家重点实验室·中国石油大学(北京);
2.中国石化石油工程技术研究院
3. 河北省化工学会化学封堵材料综合利用研究与应用重点实验室·北京力会澜博能源技术有限公司;
4.陕西科技大学
通讯作者:苏关东,1995年生,博士研究生;主要从事储层保护方面的研究工作。地址:(102249)北京市昌平区府学路18号。ORCID: 0000-0003-4760-4998。E-mail: guandong.su@foxmail.com

作者简介:郑力会,1968年生,研究员,楚天学者特聘教授,博士生导师,博士;中国石油学会第九届天然气专业委员会委员、本刊第八届编委会委员、《Natural Gas Industry B》编委;主要从事破碎储层产量伤害防治理论、方法和技术等方面的研究工作。地址:(102249)北京市昌平区府学路18号。ORCID: 0000-0002-2334-3263。E-mail: zhenglihui@cup.edu.cn

摘要

目前,被普遍接受的煤层气工作流体储层伤害评价指标是渗透率变化值,其常用的渗透率测试方法多达6种,尚未见到采用实际测量方法对比研究6种测试方法适用性的成果报道。为此,在实验室内采用恒压法、恒流量法、岩屑脉冲衰减法、柱塞脉冲衰减法、压力振荡法和核磁共振法等6种方法,随机选取3组沁水盆地15号煤平行样品,对其在钻井液和压裂液伤害前后的渗透率进行测定,计算储层伤害前后的渗透率平均值和绝对储层伤害、相对储层伤害数据,进而采用简单排序法、一阶减元等序统计算法和测试原理分析法处理分析上述数据,通过绝对储层伤害和相对储层伤害排位的稳定性筛选适用的测试方法。研究结果表明:①恒压法和恒流量法实测的绝对储层伤害结果偏大,岩屑脉冲衰减法、柱塞脉冲衰减法和压力振荡法实测的结果偏小,核磁共振法实测的结果居中;②6种方法实测的相对储层伤害分布无明显规律;③在煤层气储层伤害评价时,渗透率测试方法优先选择顺序为:岩屑脉冲衰减法>恒流量法>核磁共振法>柱塞脉冲衰减法=压力振荡法=恒压法,这是由各种方法的测试机理所决定的。结论认为:①岩屑脉冲衰减法最适合用于测试煤层气储层基质的伤害程度,恒流量法最适合测量整体的伤害程度;②煤层气工作流体储层渗透率伤害程度室内评价适宜并行使用岩屑脉冲衰减法和恒流量法。

关键词: 煤层气; 储层伤害; 渗透率; 评价方法; 适用性; 钻井液; 压裂液; 算法; 沁水盆地15号煤
Applicability of working fluid damage assessment methods for coalbed methane reservoirs
Zheng Lihui1, Li Xiuyun2, Su Guandong1,3, Zhao Wei1, Gong Xuguang1, Tao Xiujuan1,4
1. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting//China University of Petroleum, Beijing 102249, China
2. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing 100101, China
3. Key Laboratory of Comprehensive Research and Application of Chemical Plugging Materials, Chemical Industry and Engineering Society of Hebei//Beijing LihuiLab Energy Technology Co., Ltd., Beijing 102200, China
4. Shaanxi University of Science and Technology, Xi'an, Shaanxi 710021, China
Abstract

Currently, permeability change is a widely-accepted evaluation index for CBM reservoir damage caused by working fluids. There are six common permeability testing methods. However, there have been no reports on the applicability of these methods based on the comparative investigation by means of actual measurement. In this paper, three groups of parallel samples of No.15 coal in the Qinshui Basin were selected randomly. Their permeabilities before and after being damaged by drilling and fracturing fluids were tested in the laboratory using the six methods, i.e., A. constant pressure method, B. constant flowrate method, C. cutting pulse-decay method, D. plunger pulse-decay method, E. pressure oscillation method and F. nuclear magnetic resonance (NMR) method. Then, the average permeabilities before and after reservoir damage and the absolute and the relative reservoir damage were calculated and subsequently processed and analyzed using simple ranking method, element-reduced statistical screening algorithm and test principle analysis method. Finally, the suitable test method was screened out based on the ranking stability of absolute and relative reservoir damages. And the following research results were obtained. First, the absolute reservoir damage rates tested by the methods A & B are higher, those tested by the methods C, D & E are lower, and those tested by the method F are moderate. Second, as for the relative reservoir damage rates tested by the above-mentioned six methods, there is no obviously regular distribution pattern. Third, the application priority of the six permeability measurement methods for CBM reservoir damage evaluation is: C > B > F > D = E = A, which is determined by their test mechanisms. In conclusion, the method C is most suitable for testing the damage degree of CBM reservoir matrix, while the method B is for overall damage degree. And it is suitable to apply the methods B & C in parallel to the laboratory evaluation of the CBM reservoir permeability damage degree caused by working fluids.

Keyword: Coalbed methane; Permeability; Reservoir damage; Evaluation method; Applicability; Drilling fluids; Fracturing fluids; Algorithm; No.15 coal of Qinshui Basin
0 引言

储层伤害程度的诊断和评价, 一直以来都是油气资源开发过程中的难点、重点和热点。特别是在煤层气、致密砂岩气和页岩气等非常规能源成为新的能源增长点后[1, 2], 更是研究人员和现场作业人员讨论的焦点。除了“ 解吸存在伤害[3], 扩散存在伤害” 等观点外, 关于渗透率伤害方面的研究成果也层出不穷, 并研制了许多新的测试方法, 以获得产能伤害的依据, 改善开发效果[4]。但是, 像煤层气这种微观上非均质性极强, 宏观上“ 单井产量低、产能下降快” 的非常规气[5], 研究其渗流能力难度极大, 研究储层伤害后的渗流能力更是极富挑战性, 其牵涉众多, 如设备仪器的精度、测试方法的程序、测试结果数据处理的方法等等。就连较为普遍的工作流体伤害储层渗透率程度评价选择哪一种方法也存在着较大的争议[6, 7]。在理论上的争议时间长短无关紧要, 在生产实际中常常存在“ 先稳定井壁再控制储层伤害” [6]等做法, 以加快非常规天然气开发[7, 8]。然而, 实验研究工作量的不足, 导致许多所谓的理论筛选只能各执一词, 难有定论。

评价储层伤害的方法很多, 总体上分为室内和矿场两大类。其中, 测试渗透率的变化是主要的评价指标, 即利用绝对储层伤害和相对储层伤害来评价伤害程度[9, 10, 11, 12]。测量渗透率变化影响因素较多, 存在诸多问题, 如测量误差无法避免、操作可重复性差等, 以至于渗透率的真实值无法获取。目前, 测试渗透率相对变化获得普遍认可。但是, 测试渗透率相对变化率的前提是渗透率测试, 这又回到渗透率测试方法的筛选上, 所以必须寻找到最合适的渗透率测试方法, 才能合理评价煤层气储层的伤害。

从文献看, 以一维稳态达西定律为测试原理的恒压法和恒流量法, 以非稳态渗流为测试原理的岩屑脉冲衰减法[13]、柱塞脉冲衰减法[14]和压力振荡法[15], 以“ 伪相渗曲线” 和孔渗关系为原理的核磁共振分析法(NMR)[16]都曾被用于评价煤层气储层伤害。但是, 没有学者从理论上或者从实测的角度对比研究过哪一种方法更适合煤层气储层伤害评价, 只是简单说明某方法的原理或者优缺点等。

从实测的角度研究适合的方法, 可能会引起“ 设备精度、操作水平等带来误差” 造成的争议, 但对于3个以上的平行样品来说, 实测法则弥补了过多测试因素所引起的测量精度、测量结果稳定性上的不足, 成为筛选适宜的测试方法最直观的评价手段。因此, 通过室内实际测量36枚/件沁水盆地15号煤样品的渗透率, 对获取的煤层气钻井液和压裂液两种工作流体伤害前后的72套渗透率数据, 用简单排序法、减元等序统计算法和测试原理分析法研究了煤层气储层伤害程度评价方法的适用性。其中, 减元等序统计算法通过统计的方式, 一定程度上弥补了简单排序法存在偶然性的不足, 而测试原理分析则从各种方法的测试机理上进一步论证了排序或统计结果的合理性。

1 室内渗透率测试

从矿井下取沁水盆地15号煤岩样品, 制备直径为2.50 cm、长度为4.90 cm的柱塞30枚, 用于恒压法、恒流量法、柱塞脉冲衰减法、压力振荡法和核磁共振法等5种方法测试渗透率。岩样柱塞的长度与直径之比为1.96, 满足储层伤害评价测试的相关标准[17]。砸碎煤岩样品获取20~40目的颗粒样品, 用于岩屑脉冲衰减法测试渗透率。

按照沁水盆地煤层水的矿化度配制地层水[18], 用于饱和岩样。按照沁水盆地现场用的钻井与压裂流体配浆水配方, 配制矿化度相当的配浆水, 用于配制工作流体; 再按照该盆地现场的钻井液和压裂液配方, 配制2%KCl溶液作为模拟钻井液, 配置滑溜水作为模拟压裂液, 为实验提供储层伤害工作流体。

测试样品先用模拟地层水饱和, 然后按照标准或者仪器推荐的操作流程进行渗透率测试。室温下, 以储层埋深800 m计算, 岩样柱塞围压取10 MPa。根据动液面深度, 恒压法测试入口压力为5 MPa; 恒流量法测试入口流量设置为0.5 mL/min(小于速敏临界流速)。使用岩屑脉冲衰减法、柱塞脉冲衰减法和压力振荡法测试的初始压力分别为1.15~1.20 MPa、4.8~5.0 MPa和10 MPa。取值不同是因为压力波穿透岩屑比岩样更容易, 而气体产生脉冲的压力低于压力产生振荡的压力。

用恒压法、恒流量法、岩屑脉冲衰减法、柱塞脉冲衰减法、压力振荡法和核磁共振法测定同种钻井液和同种压裂液分别连续污染伤害两小时前后实验样品的渗透率。因为不同方法测量的渗透率大小不同, 测量结果保留到小数点后7位便于比较。测量得到的渗透率及其平均值以及对应的实验条件如表1、2所示。

表1 钻井液伤害前后煤岩样品的渗透率统计表
表2 压裂液伤害前后煤岩样品的渗透率统计表

表1可以看出, 钻井液伤害前, 渗透率由大到小的顺序是:恒流量法> 恒压法> 核磁共振法> 柱塞脉冲衰减法> 压力振荡法> 岩屑脉冲衰减法; 钻井液伤害后渗透率由大到小的顺序是:恒流量法> 恒压法> 核磁共振法> 柱塞脉冲衰减法> 压力振荡法> 岩屑脉冲衰减法。钻井液伤害前后渗透率大小顺序一致。

表2可以看出, 压裂液伤害前, 渗透率由大到小的顺序是:恒压法> 恒流量法> 核磁共振法> 柱塞脉冲衰减法> 压力振荡法> 岩屑脉冲衰减法; 压裂液伤害后, 渗透率由大到小的顺序是:恒压法> 恒流量法> 核磁共振法> 柱塞脉冲衰减法> 压力振荡法> 岩屑脉冲衰减法。压裂液伤害前后渗透率大小顺序一致。

综合表1、2可以看出, 钻井液和压裂液伤害前后, 渗透率由大到小的顺序除了恒压法与恒流量法位置对调外, 其他方法测出的渗透率大小排序基本一致。测得的渗透率介于0.001× 10– 3~0.045 mD, 属于超低渗范围, 符合煤层气低孔低渗的地层特点。

2 结果与讨论

表1、2中各组数据的平均值, 分别代入绝对储层伤害和相对储层伤害的计算公式, 计算出绝对储层伤害和相对储层伤害。钻井液和压裂液伤害前后的渗透率以及储层伤害程度的分布如图1、2所示。

图1 钻井液伤害前后渗透率及储层伤害程度的分布图

图2 压裂液伤害前后平均渗透率及储层伤害程度的分布图

从图1中可以看出, 各种方法测出的渗透率和储层伤害程度差别较大。渗透率由大到小的顺序是:恒流量法> 恒压法> 核磁共振法> 柱塞脉冲衰减法> 压力振荡法> 岩屑脉冲衰减法。

恒压法和恒流量法测出的渗透率都相对较大, 并且比较接近。这是因为二者的测试原理都是一维的达西定律[19]。二者的主要区别在于, 恒压法是在恒定的压差下、流量稳定后, 利用稳定的流量代入达西定律计算渗透率; 恒流量法则是恒定流量, 待两端压差稳定后, 将稳定压差代入达西定律计算出渗透率。一般来说, 流量恒定时, 压力也相对恒定。因此, 二者的结果较为相近。

核磁共振法测出的渗透率数值居中。由于核磁共振法不对岩样造成损伤, 核磁共振法测出的渗透率可能最接近真实值, 其相对储层伤害较之前两种方法也居中。但是, 通过该方法测出的绝对储层伤害较前两种方法低, 可能是这种方法没有用流体流动表征岩样性质的原因。因而, 只能表征伤害物质的量, 但无法表征其流动阻力大小。但从测得的渗透率变化看, 稳定居中, 有一定的可信度。

岩屑脉冲衰减法、柱塞脉冲衰减法和压力震荡法测出的渗透率都相对较小。因为这3种方法很大程度上是测量基质渗透率的, 因为连通的裂缝无法产生压力波, 或者说, 有力作用在样品上, 就有可能导致裂缝或者割理的闭合, 损伤岩样, 引起渗透率变化。但是, 如果这种测量的力损伤程度不足以影响工作流体损伤前后的渗透率, 或者说对工作流体伤害前后的渗透率影响一致, 则不影响使用绝对损伤率作为指标对储层伤害评价的准确性。同时, 由于这种渗透率损伤还可以放大相对储层伤害, 检测到无损伤的测量方法检测不到的流体伤害, 因此, 更有助于研究伤害机理。但是, 在研究工作或现场实践中, 由于其“ 伤害” 太大而使选择它们作为工作流体储层伤害评价方法时犹豫不决; 同时这些方法测定的工作流体储层伤害过大, 以至于作为评价方法在现场选择工作流体时, 使得对一些工作流体的选择也犹豫不决。

图2展示的压裂流体伤害前后的渗透率、相对储层伤害和绝对储层伤害与钻井流体的结果类似。但是在钻井流体伤害下, 压力震荡法对相对储层伤害的放大效应最大, 而在压裂流体伤害过程中, 柱塞脉冲衰减法的放大效应最大。

总的来看, 各种方法测量出的渗透率和储层伤害程度的准确与否是无法用观察法直接判断得到的, 故需要利用数学方法来定量分析。

2.1 用简单排序法筛选适用的测试方法

对各种方法测出的渗透率计算出的绝对储层伤害和相对储层伤害进行组内排序, 并求取它们的排位差值, 计算绝对值, 得到对应两种工作流体的结果如图3、4所示。

图3 钻井液伤害作用下储层伤害程度排序图

图4 压裂液伤害作用下储层伤害程度排序图

由图3可知, 钻井液对储层的伤害, 只有岩屑脉冲衰减法测得的绝对储层伤害和相对储层伤害的排位是相同的, 排位差为0。故从钻井液的数据来看, 岩屑脉冲衰减法评价煤层气储层伤害相对其他5种方法最可靠。同时, 排位差从小到大对应的测试方法为:岩屑脉冲衰减法< 核磁共振法< 柱塞脉冲衰减法=恒压法< 恒流量法< 压力振荡法。排位差越小, 测定的储层渗透率伤害程度就越可靠。因此, 仅从钻井液的数据来看, 评价储层伤害方法的可靠程度为:岩屑脉冲衰减法> 核磁共振法> 柱塞脉冲衰减法=恒压法> 恒流量法> 压力振荡法。

同理, 从图4可以看出, 就压裂液伤害测得的数据而言, 恒流量法评价渗透率的伤害程度最可靠。评价储层伤害方法的可靠程度为:恒流量法> 岩屑脉冲衰减法=核磁共振法=压力振荡法> 柱塞脉冲衰减法> 恒压法。

综合钻井液和压裂液的结果, 岩屑脉冲衰减法和恒流量法是评价煤层气储层渗透率伤害程度两种相对最为准确的方法。但是, “ 两种方法都可靠” 的结论, 还是给测试带来选择难题, 需要进一步筛选。

为了寻找一种测量方法误差最小的测试方法, “ 减元排序统计算法” 应运而生, 通过统计的方式减小实验结果偶然性带来的误差。

2.2 用减元等序统计算法筛选适用的测试方法

减元等序统计算法简称为等序统计法, 是一种以“ 剥茧寻根算法” 的数学思想为指导, 受世界大学排名评价体系启发而开发的用于评价储层伤害评价方法适用性的新算法, 属于“ 剥茧寻根算法” 的子算法之一。剥茧寻根算法是力会澜博团队研究储层伤害主控因素时, 解决众多相互关联的影响因素的一种寻找最主要因素的方法。

众所周知, 目前国际上的大学排名体系十分多样, 例如Quacquarelli Symonds(简称QS)世界大学排名、《美国新闻和世界报导》(简称US News)全球大学排名、泰晤士世界大学排名、上海交大世界大学排名等。这些大学的评价体系由于评价的标准不同, 各所学校在每个评价体系中的排名也不尽相同, 究竟哪个或者哪几个评价体系是最可信的呢?除了具体分析各个排名体系背后的评分标准外, 各个排名体系中的某所大学的排名也是一种对评价方法是否可信的检验方法。譬如, 2018年清华大学在QS评价体系中的排名是25, 在泰晤士评价体系中的排名是30, 在上海交大评价体系中的排名是48, 由此可以认为清华大学的真实水平约为30左右, 也就是说前两种评价体系比较可信。这种排序测试的方法就是通过样本(各个大学)的排序反过来对得到排序的不同评价方法(各个排名评价体系)进行检验评价的方法。

这种方法也可以借鉴性地用于储层伤害室内测试评价方法科学性的评价和检验中去, 因为二者的评价机制是相似的。不同的是, 此排序测试方法中的样本就是各个岩样的渗透率和通过它们计算出来的绝对储层伤害和相对储层伤害, 被评价的方法就是前文提到的6种渗透率测试方法。若某种方法的排位是相同或相近的, 则认为这种方法是科学可信的。与世界大学排名不同的是, 由于测试渗透率的方法比较少, 即样本容量比较小, 所以, 某测试方法在排序后的排位需要严格一致, 才可以认为该测试方法是可信的。

但是, 如果通过严格排序方法的筛选出来的方法有两个或多个, 又如何进一步确定哪种方法才是最科学可靠的呢?为解决这个问题, 可以通过减元或者增元统计的方法来进一步优选, 即增加或者减少样本容量, 再重新排序, 统计排位相同的次数, 进而进一步检验排序方法的合理性, 排位相同次数越多, 该方法得到的结果就越稳定, 因而就越可信。对大学排名而言, 就是增加或减少被评价的大学数量, 而对于本文中的储层伤害而言, 则是增加或减少被评价的测试方法测出的储层伤害值。由于不论是大学, 还是储层伤害值, 都不可以凭空捏造以增加样本容量, 所以采取减少样本容量的方法进一步优选, 即减元优选, 通过对变化率运行减元等序统计算法来评价这6种方法的准确性和合理性是比较合理的。具体的方法和步骤如图5所示。

图5 减元等序统计算法流程图

如图5所示, 减元等序统计算法对储层伤害测试方法优选过程分为以下4个步骤:①将实验得到的岩样伤害前和伤害后的渗透率测量值分别代入绝对储层伤害和相对储层伤害公式, 计算出绝对储层伤害和相对储层伤害; ②再对两种不同的伤害程度值进行组内排序, 标记等序的测量方法; ③去掉第n组数据(n=1, 2, 3…6), 重新对两种不同的伤害程度值进行组内排序, 标记等序的测量方法; ④统计排序相同的测量方法的次数, 得到排序统计结果。

测试方法等序次数越多, 说明这种方法在评价渗透率伤害时越合理, 等序次数最多的方法便是评价储层渗透率伤害程度最合理的测试方法, 也就是要寻找的方法。

分别对用钻井液和压裂液伤害后的岩样获得的数据在组内单独运行图5的算法程序, 得到的结果分别如表3、4所示。其中, 绿色底纹标记的数据是排序相同的实验组。值得注意的是, 对于压裂液伤害而言, 恒压法和恒流量法测得的绝对储层伤害相等, 可视作并列第一或者第二。

表3 钻井液伤害减元等序统计结果表
表4 压裂液伤害减元等序统计结果表

综合表3、4中两种工作流体的数据, 统计排位相同的总次数, 结果如图6所示。

图6 综合排位相同的总次数统计图

从图6可以看出, 排序相同的次数最多的方法是岩屑脉冲衰减法, 故岩屑脉冲衰减法是等序算法筛选出的测试煤层气储层渗透率伤害程度最为合理的方法。因此, 评价渗透率伤害程度的方法优先级是:岩屑脉冲衰减法> 恒流量法> 核磁共振法> 柱塞脉冲衰减法=压力振荡法=恒压法。同时, 还可以看出, 用恒流量法测量, 排位相同的总次数是5, 而岩屑脉冲衰减法的是6, 二者十分接近, 这与前文使用简单排序法无法将二者筛分一致。这表明, 采用评价常规储层渗透率伤害的恒流量法来评价煤储层这种非常规的储层伤害程度是可行的。

那么, “ 减元等序统计算法” 得到的序列:岩屑脉冲衰减法> 恒流量法> 核磁共振法> 柱塞脉冲衰减法=压力振荡法=恒压法, 从理论的角度能否解释清楚呢?以下从各种方法的测试机理的角度对其进行进一步的阐述。

2.3 用测试原理分析法筛选适用的测试方法

测试渗透率的方法按照测试机理可大致分为直接法和间接法两类。直接法又可以分为稳态法和非稳态法两大类。稳态法主要有恒压法和恒流量法两种, 非稳态法可分为压力脉冲法和压力震荡法。

压力脉冲法主要是模拟气体在岩样中一维非稳定渗流求取渗透率, 原理依旧是一维的达西定律; 压力震荡法则是利用压力波的传播来模拟气体的流动。使用这两种方法测试渗透率, 均需要借助相对达西定律较为复杂的渗流模型, 可以认为是一种相对间接的测试方法。压力脉冲法又可以分为柱塞脉冲衰减法、岩屑脉冲衰减法和脱气法。因为脱气法需要现场密闭取心, 且只能利用样品岩样测量一次渗透率, 故无法用于渗透率伤害的室内评价。

间接法有压汞法和核磁共振法。使用压汞法测定渗透率会破坏柱塞[20], 一般用于获取毛细管压力曲线以表征孔隙结构而无法用于储层伤害的评价, 主要原因是测量伤害前的渗透率时岩样被破坏, 无法完成后续的工作流体伤害岩心和伤害后岩心的渗透率测量。

在测量用于工作流体储层伤害评价的渗透率时, 需要测试发生在工作液伤害前和伤害后两次渗透率。设岩样的初始渗透率的真值为Ki, 流体伤害后的渗透率真值为Kf, 绝对储层伤害和相对储层伤害的测量值的数学表达式为:

式中Da, m表示绝对储层伤害的测量值, mD; Ki表示岩样的初始渗透率真值, mD; Kf表示流体伤害后的渗透率真值, mD; Δ K1、Δ K2分别表示第一次、第二次测试的室内实验方法误差, mD; Dr, m表示相对储层伤害的测量值, 无因次。

对式(1)进行化简, 得:

式中Da, t表示绝对储层伤害的真值, mD。

显然, 当时, 绝对储层伤害的测试值与真值相同。

类似地, 若相对储层伤害的测量值Dr, m和真值Dr, t相同, 则需要满足:

式中Dr, t表示相对储层伤害的真值, 无因次。即为:

化简得:

由于在一般情况下KfKi、Δ K1和Δ K2大于0, 且KfKi大于Δ K1、Δ K2, 故式(8)可化简为:

进一步根据合比定理或差比定理, 可得:

综上所述, 可知欲使绝对储层伤害和相对储层伤害的测量值都与真值相同, 物理量KfKi、Δ K1和Δ K2需要同时满足Δ K1K2式和式(9), 即满足以下方程组:

此时, 需要满足:

式(11)的物理意义是, 工作流体没有对储层造成伤害, 或者说测试过程中测量方法带来的负储层伤害的误差抵消了工作流体带来的正储层伤害。显然, 这与实际情况是不符的。因此, 方程组(10)无现实意义的解。既然不能同时满足绝对储层伤害和相对储层伤害的测量值都与真值相同, 只能寻求一种折中的测量方法, 使得二者都尽可能地接近真实值, 或者应用价值较大的相对储层伤害尽可能接近真实值, 而绝对储层伤害也具有一定的评估作用。

绝对储层伤害和相对储层伤害都是评价储层伤害程度的合理参数。当两次测量带来的方法误差相等时, 绝对储层伤害的测量值与真值相等; 当流体伤害前后两次测量带来的方法误差与流体伤害前后的渗透率比值相等, 即满足式(9)时, 相对储层伤害的测量值与真值相等。因此, 可以结合测试机理特别是测试方法带来的储层伤害来研究哪种方法更适合。

核磁共振法是公认的一种对岩样没有损害[21]的测试方法, 但因为它是静态的, 影响“ 流” 动的诸多因素不能表征。其求解渗透率的过程和压汞法比较类似, 主要是根据核磁共振横向弛豫时间与孔喉半径之间的转换关系[22], 先构造出“ 伪毛细管压力曲线” [23], 再通过孔喉半径与渗透率的关系求解渗透率。其原理与压汞法的原理相似, 主要差别在于毛细管压力曲线的获取方式[24], 且压汞法会破坏岩样而核磁共振法则不会。然而, 尽管核磁共振法是一种对岩样无损的测试方法, 但并不代表测试出来的渗透率就没有测试方法所带来的误差, 即所谓的方法误差。因为在利用“ 伪毛细管压力曲线” 求解渗透率的过程中, 原始数据经过了多次的非线性迭代和传递, 并且计算过程中使用的模型在业界也没有统一或者相对权威的定论, 目前比较有影响力的计算模型是Schlumberger Doll Research Model(SDR模型)、Coates模型以及它们的扩展模型, 现阶段还有很多学者正在致力于模型的研究和改进[25]。因此, 核磁共振法测试渗透率的方法误差可能主要来源于计算模型。

另外一方面, 因为煤储层相对特殊, 含有大量的裂缝或割理, 非均质性极强, 这些特性对核磁共振法获得的渗透率的准确性具有一定的负面影响[26]。当这种方法测试出的渗透率用于表征储层伤害时, 也就没有那么高的准确性了, 而且测量值的方法误差也相对随机。因为无论是SDR模型、Coates模型还是它们的扩展模型, 渗透率与孔喉半径之间、孔喉半径与弛豫时间之间的关系都不是简单的线性关系。用核磁共振法测试渗透率和进行储层伤害评价, 很难得到准确的定量评价结果。举个简单的例子, 用核磁共振法测得A岩样的渗透率为0.8 mD, 而在同等条件下测得相同岩性的B岩样渗透率为0.4 mD, 此时只能定性地说明A岩样的渗透率比B岩样的渗透率大, 而不能定量地说明A岩样的渗透率是B岩样的两倍或者A岩样的渗透率比B岩样大0.4 mD。综上所述, 核磁共振法对煤层气储层的渗透率测定只是定性的, 无法用于储层伤害评价。

对于恒流量法和恒压法而言, 二者的基本原理都是一维稳态的达西定律。恒流量法在测试渗透率时, 保持工作流体伤害前后的流量一致, 而恒压法则是保持岩样两端的压差一致。如果工作流体对岩样的渗透率具有较大的伤害, 那么在用恒压法测量渗透率时, 相同的压差下, 第一次测得的流量, 即工作流体伤害前的流量, 便会比第二次测得的流量即工作流体伤害后的流量大许多。流量增大, 煤储层中一些弱胶结面的缝隙或割理便会被较大幅度地撑开, 在渗透率测量值上的表现便是测出的渗透率较大[27], 导致工作流体伤害前后的测量方法误差不一致, 即不满足关系式Δ K1K2, 从这个角度来看, 恒压法用于储层伤害评价的准确性是相对较低的, 而恒流量法则是相对较为准确合理的。

使用岩屑脉冲衰减法、柱塞脉冲衰减法和压力振荡法室内测试渗透率以评价煤层气储层伤害, 测试原理都是通过脉冲波或者压力波(机械波)在多孔介质中的传播来对地下不稳定渗流进行物理模拟, 准确而言, 真正在多孔介质中传播的是空气或者是储层岩样中残留的气体, 而脉冲波或压力波仅仅是在为岩样中的不稳定渗流提供动力而已。从图1、2中可以看到这3种方法测量出的渗透率处于同一区间, 这与它们的测试机理是一致的, 正好从实验数据的角度论证了前文的分析。

因为煤储层具有应力敏感的特性[28], 脉冲波或压力波在衰减的过程中会对岩样造成机械伤害, 这也是图1、2中这3种方法测出的渗透率相对其他方法较低的原因。对于柱塞脉冲衰减法和压力振荡法, 测试渗透率的过程中, 随着脉冲压力波的衰减, 弱胶结面上的割理会由高脉冲压力下的张开状态[29], 变成低脉冲压力下的闭合状态, 这便是这两种测试方法对被测岩样产生伤害的主要机理[30]。因此, 在工作流体伤害前后, 用这两种方法测试渗透率带来的测量方法误差可以认为是一致的, 即满足Δ K1K2。所以, 柱塞脉冲衰减法和压力振荡法用于煤储层伤害室内评价时优先级一致。

岩屑脉冲衰减法较之前面两种方法, 主要的区别在于测试的样品为岩屑, 而非前两种方法所使用的岩样柱塞。这样便导致在使用岩屑脉冲衰减法测定渗透率时, 样品的大部分弱胶结面已经分开, 可以这样认为, 在使用岩屑脉冲衰减法测定渗透率评价储层伤害时, 只测量了煤基质的渗透率, 而大部分裂缝的渗透率却没有包含在内, 所以测量出的渗透率相对偏小。一般而言, 在储层伤害的过程中, 工作流体对基质的渗透率伤害更倾向于永久性, 而对裂缝的伤害则是可以通过后期相应的重复压裂等解堵方法对其进行减轻修复的。所以, 从储层伤害的治理上来看, 用岩屑脉冲衰减法来评价煤层气的储层伤害是较为合理的, 但这种方法忽略了煤层气流动的另一通道, 偏重于现场, 可能只在一定程度上对现场有指导意义。

综上所述, 间接法测试渗透率用于煤层气储层伤害评价直接弃用, 因为压汞法只能测量一次渗透率而核磁共振法对渗透率的测试仅仅是停留在定性的“ 观望” 阶段; 对于直接法而言, 稳态法中最适合用于储层伤害评价的渗透率室内测试方法是恒流量法, 而非稳态法中最适合的方法则是岩屑脉冲衰减法。恒流量法和岩屑脉冲衰减法之所以相对准确的原因是这两种方法都契合了测量对象的特点。相比之下, 恒流量法测量的是储层的整体渗透率, 和页岩气储层相似[31]; 而岩屑脉冲衰减法测量的则是基质的渗透率。这两种方法中的哪一种才是最适合煤层气储层伤害评价的实验方法呢?需结合现场的生产动态具体分析。

在现场排采煤层气时, 一般情况下会控制气井的流量在短期内相对稳定。因此, 恒流量法在一定的程度上可看作是对现场生产动态的还原或者在实验室内的物理模拟, 其测试值对生产也具有一定的指导意义。但是, 如图6所示, 等序统计时为何岩屑脉冲衰减法的等序次数还是比恒流量法多一次呢?主要是因为在实际生产过程中气井的流量很难保持绝对的恒定。在实际生产过程中, 由于地层出砂(煤粉出现)、多相流不稳定等工程因素, 无法避免地产生不稳定的流量波动, 即生产过程是非稳态或者说仅仅是拟稳态的渗流过程。而恒流量法则没有体现这些影响因素。因此, 岩屑脉冲衰减法相对来说更适合用于煤层气储层伤害评价。但是, 不能忽略的是, 在一阶减元等序统计算法的结果(图6)中, 岩屑脉冲衰减法等序的次数仅仅比恒流量法多一次, 故从定量的角度来看, 二者评价储层伤害时的合理性相差不大, 各有千秋。所以, 结合二者的特点, 我们可以这样认为, 岩屑脉冲衰减法比恒流量法更适合室内评价煤层气储层基质渗透率的伤害, 而恒流量法得到的渗透率测量值则比较接近基质和天然裂缝共同作用下的渗透率, 更适合用于评价整体的储层伤害。

总而言之, 岩屑脉冲衰减法是目前最适合用于室内评价煤层气储层伤害的测试方法, 这是由于煤储层具有割理发育、非均质性强和应力敏感等特性所决定的, 岩屑脉冲衰减法则排除这些不确定因素的干扰, 与实际岩样相比却又忽略了渗流的裂缝; 恒流量法测试出的结果反映岩样整体受伤害的状况, 接近现场作业情况, 虽然无法区别储层伤害作用的对象, 但一定程度上弥补了岩屑脉冲法的不足。故推荐实验室综合使用两种方法并行评价储层伤害, 其中, 恒流量法测量整体的渗透率变化, 而岩屑脉冲衰减法测量基质渗透变化。

3 结论与建议

1)实际测量表明, 通过恒压法和恒流量法测出的渗透率计算出的绝对储层伤害偏大, 岩屑脉冲衰减法、柱塞脉冲衰减法和压力振荡法偏小, 核磁共振法得到的结果居中。相对储层伤害的分布无明显规律。

2)在“ 剥茧寻根算法” 数学思想指导下, 开发的“ 减元等序统计算法” 解决了煤层气储层工作流体伤害渗透率适用的室内测试方法的筛选问题。通过一阶减元等序统计得到在煤层气储层伤害评价时, 渗透率测试方法优先选择顺序为:岩屑脉冲衰减法> 恒流量法> 核磁共振法> 柱塞脉冲衰减法=压力振荡法=恒压法, 这是由各种方法的测试机理决定的。这种方法对其他领域评价方法优选也有一定的指导作用。

3)实际测量结合数学处理认为, 恒流量法和岩屑脉冲衰减法并行使用测定渗透率以评价煤层气储层伤害程度最为合理。一定程度上规避了学术界用理论表明哪个方法更优的争论, 为室内测试提供测试依据。对致密砂岩气等低孔低渗储层, 破碎性页岩气等裂缝发育的特殊储层的储层伤害评价也具有一定的借鉴意义。

从研究的角度来看, 任何一种测试方法都有其适用范围。清楚地知晓研究目标, 是选择测试方法的前提。但必须清楚, 不论是在实验室对煤储层样品测试渗透率测试并计算储层伤害率排序, 或是采用“ 减元等序统计算法” 推算优先级序列, 还是从测试机理上分析推荐测试方法, 都是基于现有的操作程序, 对煤层气储层伤害程度的“ 黑盒测试” 。煤岩沉积过程、煤层气藏成藏过程、煤层气渗流机理未明确之前, 寻找工作流体储层伤害从制备样品到评价指标, 乃至形成完整的方法体系, 依然任重道远。现场评价则有望依赖于剥茧寻根算法的进步和发展, 直接用现场数据计算出可能更具有说服力的煤层气储层伤害程度。

致谢:感谢中国地震局地质研究所、中国石油大学(北京)非常规天然气研究院、北京力会澜博能源技术有限公司以及苏州纽迈分析仪器有限公司提供的实验室条件或实验设备。感谢中国石油大学(北京)程林峰对核磁共振法测量渗透率的有益探讨以及中国石油大学(北京)周琳与岭南师范学院杨增标对储层伤害等值条件的有益探讨。

The authors have declared that no competing interests exist.

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