楊，李繼強(qiáng)，尹冰毅，趙冠群，張俊法

(1.復(fù)雜油氣田勘探開(kāi)發(fā)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331； 2.重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331； 3.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

引 言

地層水啟動(dòng)壓力梯度會(huì)增大地層水滲流阻力[1-2]，改變儲(chǔ)層中水相的滲流規(guī)律，進(jìn)而影響水驅(qū)氣藏的水侵規(guī)律和注水開(kāi)發(fā)油藏的含水上升規(guī)律[3-5]。準(zhǔn)確確定地層水啟動(dòng)壓力梯度是準(zhǔn)確描述儲(chǔ)層中水相滲流規(guī)律，進(jìn)而做好水驅(qū)氣藏的控水治水工作和油藏的注水開(kāi)發(fā)工作，從而改善水驅(qū)氣藏和注水開(kāi)發(fā)油藏開(kāi)發(fā)效果的重要前提。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)地層水啟動(dòng)壓力梯度開(kāi)展了一些研究，建立了一些地層水啟動(dòng)壓力梯度與儲(chǔ)層滲透率關(guān)系的模型[6-10]。相關(guān)研究[11-12]表明，流體性質(zhì)是影響低滲多孔介質(zhì)中流體啟動(dòng)壓力梯度的重要因素，而現(xiàn)有模型均為啟動(dòng)壓力梯度與滲透率的單因素模型，并未考慮流體性質(zhì)對(duì)啟動(dòng)壓力梯度的影響，致使模型預(yù)測(cè)結(jié)果差異較大，不能有效指導(dǎo)以地層水啟動(dòng)壓力梯度為基礎(chǔ)的其他相關(guān)研究[13-14]。

本文在現(xiàn)有地層水啟動(dòng)壓力梯度預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上，選取四川盆地飛仙關(guān)組超深層碳酸鹽巖標(biāo)準(zhǔn)巖心，開(kāi)展不同黏度條件下的地層水啟動(dòng)壓力梯度實(shí)驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，研究地層水啟動(dòng)壓力梯度隨地層水黏度的變化規(guī)律，建立綜合考慮巖石物性和流體性質(zhì)的地層水啟動(dòng)壓力梯度預(yù)測(cè)模型，以期為確定地層水啟動(dòng)壓力梯度提供有效的方法。

1 現(xiàn)有預(yù)測(cè)模型評(píng)價(jià)

表1列出了現(xiàn)有地層水啟動(dòng)壓力梯度預(yù)測(cè)模型[6-10]。采用現(xiàn)有模型計(jì)算不同滲透率巖石的地層水啟動(dòng)壓力梯度，從計(jì)算結(jié)果(圖1)來(lái)看，不同模型的計(jì)算結(jié)果差異較大。

相關(guān)研究[15-16]表明，流體在細(xì)小孔道中流動(dòng)具有一定的非牛頓特征，流體的黏度越高，其非牛頓特征就越明顯，宏觀表現(xiàn)為啟動(dòng)壓力梯度越大。從表1來(lái)看，現(xiàn)有地層水啟動(dòng)壓力梯度預(yù)測(cè)模型均是與滲透率的單因素關(guān)系模型，未考慮地層水黏度對(duì)啟動(dòng)壓力梯度的影響，致使其計(jì)算結(jié)果差異大，且基于特定地層水黏度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的啟動(dòng)壓力梯度預(yù)測(cè)模型僅適用于特定氣藏，適應(yīng)性較差。

表1 現(xiàn)有地層水啟動(dòng)壓力梯度預(yù)測(cè)模型Tab.1 Existing models for prediction of formation water threshold pressure gradient

圖1 現(xiàn)有地層水啟動(dòng)壓力梯度預(yù)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果Fig.1 Calculating results of existing formation water threshold pressure gradient prediction models

考慮啟動(dòng)壓力梯度的流體滲流運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

式中：v為滲流速度，μm/s；k為絕對(duì)滲透率，10-3μm2；μ為流體黏度，mPa·s；gradp為驅(qū)動(dòng)壓力梯度，MPa·m-1；λ為啟動(dòng)壓力梯度，MPa·m-1。

根據(jù)流體滲流啟動(dòng)壓力梯度的物理意義有

v=c·gradp-d。

(2)

式中：c為擬合參數(shù)，與儲(chǔ)層物性和流體物性相關(guān)，10-3μm2/MPa·s；d為擬合參數(shù)，與儲(chǔ)層物性和流體物性相關(guān)，μm/s。

對(duì)比式(1)和式(2)可得

λ=dμk-1。

(3)

從式(3)來(lái)看，地層水啟動(dòng)壓力梯度與地層水黏度、巖石滲透率和擬合參數(shù)d相關(guān)，而擬合參數(shù)d與巖石滲透率與地層水黏度相關(guān)，說(shuō)明地層水啟動(dòng)壓力梯度是地層水黏度和巖石滲透率的函數(shù)。現(xiàn)有預(yù)測(cè)模型均未考慮地層水黏度變化對(duì)啟動(dòng)壓力梯度的影響。

2 地層水啟動(dòng)壓力梯度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理及步驟

采用壓差-流量法測(cè)定巖樣不同地層水流量對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定壓差。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，通過(guò)回歸分析確定巖樣的地層水啟動(dòng)壓力梯度。

實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。實(shí)驗(yàn)步驟為：①將實(shí)驗(yàn)巖心洗凈、烘干后抽真空飽和地層水；②將飽和地層水的巖心放入夾持器，設(shè)置凈圍壓為3.0 MPa，然后啟動(dòng)回壓泵，設(shè)置出口端回壓值為1.0 MPa，開(kāi)啟巖心夾持器加熱裝置，設(shè)置實(shí)驗(yàn)溫度(不同實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)應(yīng)不同地層水黏度)；③測(cè)定巖樣不同地層水流量對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定壓差。

圖2 地層水啟動(dòng)壓力梯度測(cè)試實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 Flow chart of formation water threshold pressure gradient testing experiment

2.2 實(shí)驗(yàn)條件及樣品

實(shí)驗(yàn)采用高精度恒速恒壓泵、高精度數(shù)顯壓力表和高精度回壓閥。高精度恒速恒壓泵壓力精度為0.02%，流量精度0.001 mL/min，高精度數(shù)顯壓力表和高精度回壓閥壓力精度均為0.02%。實(shí)驗(yàn)選取四川盆地飛仙關(guān)組超深層碳酸鹽巖標(biāo)準(zhǔn)巖心8塊(表2)，孔隙度2.53%～9.05%，滲透率(0.018 8～5.730 4)×10-3μm2。實(shí)驗(yàn)用水根據(jù)地層水礦化度8.5×104mg/L配制。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)回歸分析得到8塊巖心的地層水啟動(dòng)壓力梯度，繪制其與巖心滲透率的關(guān)系曲線(xiàn)(圖3)。從圖3來(lái)看，地層水啟動(dòng)壓力梯度隨滲透率的降低而增大，兩者在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下呈較好的線(xiàn)性關(guān)系，這表明地層水啟動(dòng)壓力梯度和滲透率呈較好的冪函數(shù)關(guān)系。當(dāng)滲透率相對(duì)較高時(shí)，隨著滲透率的降低，地層水啟動(dòng)壓力梯度會(huì)緩慢增大；當(dāng)滲透率相對(duì)較低時(shí)，隨著滲透率的降低，地層水啟動(dòng)壓力梯度會(huì)急劇增大。同時(shí)，地層水啟動(dòng)壓力梯度也會(huì)隨地層水黏度的增大而增大，地層水黏度越大，啟動(dòng)壓力梯度隨滲透率的降低而增大得越快。

表2 實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Tab.2 Basic data of experimental cores

圖3 不同溫度下地層水啟動(dòng)壓力梯度與滲透率關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3 Relationship between formation water threshold pressure gradient and reservoir permeability at different temperatures

3 預(yù)測(cè)模型的建立

從地層水啟動(dòng)壓力梯度實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果來(lái)看(圖3)，地層水啟動(dòng)壓力梯度和滲透率呈冪函數(shù)關(guān)系，采用冪函數(shù)回歸分析，建立不同溫度條件下的地層水啟動(dòng)壓力梯度與滲透率關(guān)系方程(表3)。

表3 不同溫度下地層水啟動(dòng)壓力梯度與滲透率關(guān)系方程Tab.3 Relation equations between formation water threshold pressure gradient and reservoir permeability at different temperaures

根據(jù)乘冪系數(shù)、冪指數(shù)和對(duì)應(yīng)的地層水黏度數(shù)據(jù)，繪制乘冪系數(shù)、冪指數(shù)與地層水黏度的關(guān)系曲線(xiàn)(圖4—圖5)。

從圖4來(lái)看，乘冪系數(shù)隨地層水黏度的增大而增大，其與地層水黏度呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，采用冪函數(shù)回歸分析建立乘冪系數(shù)與地層水黏度關(guān)系方程為

a=0.046 0μw1.874 3。

(4)

式中：μw為地層水黏度，mPa·s。

圖4 乘冪系數(shù)與地層水黏度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 Relationship between power function factor and formation water viscosity

從圖5來(lái)看，冪指數(shù)隨地層水黏度的增大而減小，其與地層水黏度呈較好的線(xiàn)性關(guān)系，采用線(xiàn)性方程建立冪指數(shù)與地層水黏度關(guān)系方程為

-b=-(0.350 3μw+0.608 1)。

(5)

圖5 冪指數(shù)與地層水黏度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.5 Relationship between power function exponent and formation water viscosity

綜合式(4)和式(5)，建立地層水啟動(dòng)壓力梯度預(yù)測(cè)模型為

λ=0.046 0μw1.874 3k-(0.350 3μw+0.608 1)。

(6)

根據(jù)特定儲(chǔ)層的滲透率和地層水黏度數(shù)據(jù)，采用式(6)可計(jì)算得到地層水啟動(dòng)壓力梯度。式(6)綜合考慮了巖石滲透率和地層水黏度兩個(gè)主控因素對(duì)地層水啟動(dòng)壓力梯度的影響，預(yù)測(cè)模型具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

4 實(shí)例應(yīng)用

普光氣田主體氣藏為帶有邊、底水的超深層碳酸鹽巖氣藏，氣藏水體較為活躍，水侵較為嚴(yán)重[14]。氣藏壓力梯度為1.98～2.21 MPa/100m，屬于低溫系統(tǒng)，實(shí)測(cè)地層溫度為118～132 ℃，計(jì)算對(duì)應(yīng)溫度的地層水黏度為0.21～0.24 MPa·s。氣藏儲(chǔ)層按物性分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三類(lèi)(表4)，三類(lèi)儲(chǔ)層間互發(fā)育，從開(kāi)發(fā)井鉆遇氣層厚度占比來(lái)看(圖6)，Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層占比為9.6%，Ⅱ、Ⅲ類(lèi)儲(chǔ)層占比分別為32.9%、57.5%，物性較差的Ⅱ、Ⅲ類(lèi)儲(chǔ)層占比較大。隨著開(kāi)發(fā)的進(jìn)行，氣藏目前已經(jīng)進(jìn)入遞減期(圖7)，Ⅱ、Ⅲ類(lèi)儲(chǔ)層產(chǎn)量占比逐漸增大[17]。

表4 普光氣田儲(chǔ)層分類(lèi)Tab.4 Classification of reservoir in Puguang Gas Field

圖6 普光氣田主體氣藏開(kāi)發(fā)井鉆遇儲(chǔ)層厚度柱狀圖Fig.6 Reservoir thickness histogram of gas wells in Puguang Gasfield

圖7 普光氣田主體氣藏生產(chǎn)曲線(xiàn)Fig.7 Production curves of main gas reservoir in Puguang Gasfield

根據(jù)普光氣田主體氣藏氣井測(cè)井解釋成果和地層水黏度計(jì)算結(jié)果，采用新建的地層水啟動(dòng)壓力梯度預(yù)測(cè)模型，計(jì)算普光氣田主體氣藏Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類(lèi)儲(chǔ)層在不同地層水黏度下的啟動(dòng)壓力梯度(圖8)。從圖8來(lái)看，Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層地層水啟動(dòng)壓力梯度較小；Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層地層水啟動(dòng)壓力梯度較Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層明顯增大，最大可達(dá)0.015 MPa/m；Ⅲ類(lèi)儲(chǔ)層地層水啟動(dòng)壓力梯度急劇增大，最大可達(dá)0.24 MPa/m。

圖8 普光氣田主體氣藏儲(chǔ)層地層水啟動(dòng)壓力梯度Fig.8 Formation water threshold pressure gradient of main gas reservoir in Puguang Gasfield

普光氣田Ⅱ、Ⅲ類(lèi)儲(chǔ)層的地層水啟動(dòng)壓力梯度較大，啟動(dòng)壓力梯度會(huì)影響儲(chǔ)層中水相的滲流規(guī)律，進(jìn)而對(duì)氣藏的水侵規(guī)律造成較大影響。開(kāi)發(fā)后期開(kāi)展氣藏水侵滲流規(guī)律研究，制定氣藏控水、治水措施時(shí)均需考慮地層水的啟動(dòng)壓力梯度。

5 結(jié) 論

(1)地層水啟動(dòng)壓力梯度是巖石滲透率和地層水黏度的函數(shù)，現(xiàn)有地層水啟動(dòng)壓力梯度預(yù)測(cè)模型均未考慮地層水黏度對(duì)啟動(dòng)壓力梯度的影響，致使其適應(yīng)性較差。

(2)地層水啟動(dòng)壓力梯度隨滲透率的降低而增大，在滲透率相對(duì)較低時(shí)，隨著滲透率的降低，地層水啟動(dòng)壓力梯度急劇增大。地層水啟動(dòng)壓力梯度隨地層水黏度的增大而增大，地層水黏度越大，啟動(dòng)壓力梯度隨滲透率的降低而增大得越快。

(3)新建模型不僅考慮了巖石性質(zhì)對(duì)地層水啟動(dòng)壓力梯度的影響，也考慮了流體性質(zhì)對(duì)地層水啟動(dòng)壓力梯度的影響，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

(4)普光氣田Ⅱ、Ⅲ類(lèi)儲(chǔ)層的地層水啟動(dòng)壓力梯度較大，Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層最大可達(dá)0.015 MPa/m，Ⅲ類(lèi)儲(chǔ)層最大可達(dá)0.24 MPa/m。地層水啟動(dòng)壓力梯度會(huì)影響儲(chǔ)層中水相的滲流規(guī)律和氣藏的水侵規(guī)律，在后期相關(guān)研究中均需加以考慮。