致密砂巖氣藏啟動壓差與可動水變化規律實驗研究

鄭小敏，成志剛，林偉川，羅少成，彭怡眉，楊大千

（中國石油集團測井有限公司，陜西 西安710077）

0 引 言

受致密氣藏儲層巖石細小孔隙喉道和孔隙喉道中連續水化膜影響，孔隙網中束縛水飽和度會明顯增加，氣體的有效滲流空間會明顯減少，從而引起孔隙中氣、水賴以流動的通道變窄，降低了氣體的有效滲透率，產生了一些特殊的物理性質，例如氣體低速滲流啟動壓力、約束束縛水飽和度的變化、氣體滑脫效應減弱等。

啟動壓力效應指巖樣兩端流動壓差增大至一定程度時氣體才開始流動的現象。氣體發生流動所需要的最小壓差即為啟動壓差，描述了氣體從靜止到流動的突變和時間滯后現象，使巖樣滲流偏離達西定律；約束束縛水飽和度是指在成藏過程中不同驅動力條件下所形成的共存水飽和度，可通過在實驗室測定不同驅替壓力下的可動水飽和度加以確定；氣體通過低滲透巖心滲流時，由于氣體分子的滑流和擴散效應，產生一個附加動力，即滑脫效應，在一定程度上表現出非達西滲流特征。

有關低滲透氣藏儲層中的多相流體流動過程的相互作用所產生的阻尼作用的理論，A.E.薛定諤等［1－2］已有較系統的論述；近年來中國油氣藏工程技術人員和相關科研院所針對長慶蘇里格低滲透氣田、大牛地低滲透氣田開展了很多有關氣水兩相復雜滲流特征的研究，文獻［3－10］也給出了這方面的探索性研究。

以長慶油田致密砂巖氣藏為例，通過對束縛水存在狀態下致密砂巖氣藏儲層巖石氣體低速滲流啟動壓差、可動水飽和度和約束束縛水飽和度變化、氣體滑脫效應強弱等特殊物理性質的測試，說明這些特殊性質不能被忽略，進而為致密砂巖氣藏儲層的產能評價提供技術支持。

1 實驗儀器及流程

針對蘇里格致密儲層P1s、P2h巖心，采用由美國巖心公司生產并經過改造的可精確測量流體流動微量體積實驗裝置和測試流程。該裝置為常溫高壓測試系統，測試工作壓力可達到50MPa，壓力測試精度可達0.001MPa；氣體流量計量精度可達到0.1mL；液體流量計量精度可達到0.001mL，可滿足致密巖心氣水兩相復雜流動過程特殊物理性質實驗研究的精度要求。

實驗時首先將實驗巖心飽和100%的地層水，整個實驗過程巖心夾持器出口端放空為1個大氣壓。打開氮氣瓶并控制在預定的壓力值上，由氮氣驅替巖心中的地層水，直至不出水為止；計量出水量，可算出此驅替壓差下的可動水飽和度（初始含水飽和度與p1含水飽和度的差值），也可測出在p1含水飽和度下巖心的氣測滲透率值；將氮氣瓶壓力調低至預定值pa（pa一般為0，對低滲透率致密巖心可適當調大），根據實際實驗狀況，逐級增壓至原先的預定壓力值p1，記錄在此束縛水飽和度（即p1含水飽和度）下不同驅動壓差時的氣體流量；做完這組測試之后，將氮氣瓶壓力增大到另一預定值p2（p2＞p1）。做下一個束縛水飽和度下的滲流實驗，重復以上操作，直至一個足夠大的壓力值為止。多次重復進行實驗，可獲得用于低滲透氣藏儲層巖石可動水飽和度、約束束縛水飽和度、啟動壓力梯度和氣體滑脫效應等特殊物理性質分析的實驗數據。

2 不同含水飽和度約束下的氣體低速滲流啟動壓力

對蘇里格氣田致密儲層P2h的4塊巖心在不同含水飽和度下驅替壓差與流量的關系進行了測試，巖心的孔隙度滲透率參數和實驗結果見表1；每塊巖心不同含水飽和度下驅替壓差和流量的關系曲線見圖1至圖4。

對于每塊巖心的驅替壓差與流量曲線，驅替開始部分總是呈現出非直線的非達西滲流現象，這主要是由于巖心在不同含水飽和度下均產生了啟動壓力效應。將驅替壓差和流量關系曲線的直線段反向延長并與驅替壓差軸相交，交點對應的驅替壓力即是啟動壓力，對應的壓力梯度即是啟動壓力梯度。4塊巖心測試結果顯示，在不同含水飽和度約束下的啟動壓力和啟動壓力梯度隨含水飽和度的增加而呈現上升現象，例如巖心2－101／133其含水飽和度為30%、50%、70%時，啟動壓力分別為0.249 0、0.274 6、0.349 6MPa。

氣體滲流規律表明，地層水的存在使得地層中的氣、水接觸關系變得復雜，氣體不僅與固體孔道壁接觸，同時也與孔隙中的地層水接觸。在壓差較低時，氣體必須克服束縛水所產生的毛細管阻力才能保持連續流動，在滲流曲線上表現為啟動壓差。當實驗壓差高于啟動壓差時，氣、水兩相接觸狀態發生變化，分布在較大喉道處封閉孔隙中氣體的地層水逐漸變少，這部分地層水以水膜水的形式分布在孔隙壁上，或者以毛細管水狀態充填那些更細小的毛細管中。隨著實驗壓差的不斷升高，氣體分子之間黏滯力的影響變得明顯，進入擬線性滲流階段。

圖1 召29井2－101／133號巖心壓差與流量關系圖

圖2 召42井1－36／57號巖心壓差與流量關系圖

圖3 召16井3－3／52號巖心壓差與流量關系圖

圖4 蘇124井5－13／47號巖心壓差與流量關系圖

3 不同驅替壓力下可動水和剩余約束束縛水變化規律

選擇蘇里格氣田致密儲層P1s、P2h的4塊巖心進行約束束縛水飽和度實驗測試，各塊巖心分別測定了5個壓力點，測定的可動水飽和度和約束束縛水飽和度隨驅替壓差的變化規律見圖5；不同束縛水飽和度下滲透率隨壓力平方梯度變化規律見圖6。

通過實驗數據分析（見表2至表5），可以得出驅替壓差對可動水飽和度的影響規律。從圖5可以看出，隨著驅替壓差的增大，4塊巖心的累計可動水飽和度均逐漸上升，上升幅度隨驅動壓差增大逐漸減??；約束束縛水飽和度均逐漸下降，下降幅度隨壓差增大逐漸減小。這說明在驅替壓差作用下，一開始是較大孔道中的水先被驅出，剩余約束束縛水下降幅度較大；隨著驅替壓差增大，氣驅水已開始發生在孔徑相對較小的孔道中，氣流驅替可動水的能力逐漸變弱，從而剩余約束束縛水下降的幅度有所減緩。還可看出，物性相同的巖心在相同壓差下，絕對滲透率大的巖心其累計可動水飽和度更大、約束束縛水飽和度更低（比如2－5／133號巖心滲透率為0.421mD，約束束縛水飽和度為65.07%，而3－17／44號巖心滲透率為0.157mD，約束束縛水飽和度為80.06%）。這是由于滲透率大的巖心，其巖石有效孔道半徑更大，邊界層水膜效應不明顯，更利于水在孔道中的滲流。因此在天然氣采出過程中，致密氣藏地層物性不好，巖石致密，發生水鎖或者水淹時地層可動水不易被氣流攜帶出井底，水體阻礙天然氣滲流明顯，驅替可動水至井筒的氣體壓力損失很大。

表2 51井2－1／125號巖心實驗測試數據表

表3 ×73井3－17／44號巖心實驗測試數據表

表4 ×29井2－5／133號巖心實驗測試數據表

表5 ×124井5－13／47號巖心實驗測試數據表

圖5 剩余含水飽和度、累計可動水飽和度與驅替壓差關系圖

圖6 滲透率與壓力平方梯度關系圖

從圖6可以直觀地看到，隨著壓力平方梯度的變大，巖心氣測滲透率逐漸增大。這是因為在驅替壓差的增大過程中，從巖心中不斷地驅替出可動水，導致剩余約束束縛水減小，氣相滲透率隨剩余約束束縛水的減小而逐漸增大。相同壓力平方梯度下，絕對滲透率越高的巖心，其剩余約束束縛水越低，氣相滲透率也就越高。

4 克氏回歸曲線分析

分別作出4塊巖心在不同含水飽和度下的平均壓力倒數與氣測滲透率關系曲線（見圖7）。由圖7可以看出，不同巖心的K－1／ˉp關系曲線呈現出以下特征：各條曲線走勢大致相同，均隨著平均壓力的減小即平均壓力倒數的增大，氣相滲透率略有增加，大致在一條直線上，未見明顯的氣體滑脫效應。

致密氣藏中，滑脫效應與啟動壓力梯度效應哪一個占主導地位，取決于水在孔隙喉道處是否會形成堵塞而阻礙氣體流動。致密純氣藏的特殊滲流機理主要是滑脫效應，而沒有啟動壓力梯度效應。致密氣藏普遍含水飽和度較高，氣體滲流過程中受水影響產生啟動壓力梯度效應的可能性較大，研究資料表明，受水的影響，儲層條件下氣體的滲透率比干巖心在低應力、低流動氣壓下測得的滲透率小得多，其差距可達10～1 000倍。因此，在這種情況下，啟動壓力梯度效應居主導地位，滑脫效應所產生的作用就可以大致忽略。

圖7 K－1／關系曲線

5 結 論

（1）對于長慶蘇里格高含水飽和度、低豐度、孔隙結構復雜的致密氣藏，氣水兩相流動時存在明顯的啟動壓力效應，在不同含水飽和度約束下的啟動壓力和啟動壓力梯度隨含水飽和度的增加而呈現上升現象。

（2）隨著致密儲層滲透率的降低，約束束縛水飽和度增加，可動水飽和度降低，氣相滲透率大大降低，水鎖現象嚴重。

（3）在含水飽和度較高的致密氣藏中，受束縛水界面層的影響，啟動壓力梯度作用影響明顯，但氣體滑脫效應不明顯。

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