微納米孔隙網(wǎng)絡中天然氣充注的三維可視化物理模擬

喬俊程，曾濺輝，夏宇軒，蔡建超，陳冬霞，蔣恕，韓國猛，曹喆，馮梟，馮森

（1. 中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2. 中國石油大學（北京）地球科學學院，北京102249；3. 中國地質大學（武漢）地球物理與空間信息學院，武漢 430074；4. 中國地質大學（武漢）構造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢 430074；5. 中國石油大港油田公司，天津 300280；6. 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；7. 中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 102206）

0 引言

隨著全球能源需求加劇，非常規(guī)油氣資源成為油氣勘探開發(fā)的重要接替領域[1-3]。其中，低滲（致密）砂巖氣是當前全球非常規(guī)油氣勘探與開發(fā)的重要對象[4-5]，也是中國油氣增儲上產(chǎn)的重要戰(zhàn)略目標[6-7]。低滲（致密）砂巖氣的成藏特征及機理與常規(guī)油氣藏有明顯區(qū)別[8-10]，源儲緊密交互的空間配置和微納米級微小孔喉系統(tǒng)使得天然氣從烴源巖初次運移進入儲集層的充注過程成為低滲（致密）油氣成藏的核心環(huán)節(jié)[11-14]。充注過程的流體流動機理決定了低滲（致密）砂巖中油氣的充注、賦存和聚集程度，是充注機理研究的關鍵[11,15-17]。

針對低滲（致密）砂巖油氣儲集層流體流動機理，國內外學者從物理模擬、數(shù)值模擬和理論推導 3個方面開展了大量研究[15,18-22]。其中，物理模擬主要包括了沙箱模擬、巖心滲流模擬和孔隙尺度滲流物理模擬實驗[23-29]。通過沙箱模型，前人在實驗室從宏觀砂體尺度研究了油氣充注過程的流體流動，但其與實際儲集層的物性差異大，研究結果難以真實反映充注過程的流體流動機制。因此，國內外學者開展了大量的真實巖心滲流實驗[16-17,29-30]，指出低滲（致密）砂巖中油氣的流動表現(xiàn)出明顯的非達西流，存在明顯的啟動壓力梯度[15,26-27]；Qiao等、Zeng等和曾濺輝等研究發(fā)現(xiàn)低滲（致密）砂巖油氣成藏過程中的油氣充注和運移也具有低速非線性流的特征[14,27,31]。許多學者通過理論推導，得到了描述低速非達西流的滲流方程，但考慮到流體滲流影響因素差別，所得到的滲流方程也具有差異[32-34]。近年來，一些學者通過微米X-CT與油氣滲流實驗裝置相結合，深入開展了微觀可視化油氣多相滲流模擬；然而，這些研究以油氣開發(fā)過程中的水驅油、氣或滲吸過程為主[35-40]，且研究對象以常規(guī)砂巖或碳酸鹽巖為主；盡管 Lin等在研究中關注到了非均質砂巖中氣驅水的毛管驅替過程[38]，但很少有人關注油氣充注成藏過程中油、氣驅水多相流體流動。在此基礎上，很多學者通過 Lattice Boltzmann、Monte Carlo等多場流體滲流數(shù)值模擬方法對低滲（致密）儲集層中流體的動態(tài)流動特征進行了觀測和研究[41]。

作為流動媒介，多孔介質的孔隙幾何學和拓撲學特征控制并影響了流體流動和分布特征[23-24,42-44]，低滲（致密）砂巖發(fā)育的微納米級孔喉系統(tǒng)是其流體流動和分布規(guī)律復雜的根本原因[22]。隨著孔喉分析技術的發(fā)展，特別是掃描電鏡、核磁共振和微納米 X-CT等技術的應用，一些學者開始探索油氣儲集層中流體流動和分布規(guī)律及其主控因素[14,29,45-46]。Qiao等通過聯(lián)合微米 X-CT與巖心滲流實驗指出孔喉配置關系控制了致密氣充注的流體流動特征[14]。公言杰等指出受微觀孔隙結構類型控制，低滲（致密）砂巖中氣體的非達西流動具備復合型、下凹型、上凹型和直線型 4模式[29]。然而，這些研究都是基于巖心流動實驗與孔隙結構表征的機械耦合；一方面，跨尺度研究會造成系統(tǒng)誤差；另一方面，實驗結果仍是流體流動和孔隙結構的平均統(tǒng)計，所得出的規(guī)律難以直接反映流體在微納米級孔喉中流動和分布狀態(tài)及方式[31]，致使目前對于低滲（致密）儲集層中流體流動和分布特征、規(guī)律及其主控因素的相關認識并不準確。因此，闡明低滲（致密）砂巖油氣充注機理的關鍵在于明確充注過程中流體在微納米孔喉中的流動與分布特征、規(guī)律及主控因素，這必須借助于高精度微納米孔隙流體流動物理模擬方法[23-25]。

本研究通過微納米孔隙三維可視化在線物理模擬實驗開展天然氣充注物理模擬，結合鑄體薄片與掃描電鏡分析，在系統(tǒng)表征低滲（致密）砂巖儲集層微納米孔喉網(wǎng)絡結構特征的基礎上，應用視滲透率理論、孔隙尺度原位疊算技術和孔隙網(wǎng)絡模擬方法（Pore Network Modelling，PNM），對低滲（致密）砂巖氣充注過程中微納米孔隙網(wǎng)絡中的氣水流動與分布特征及其變化規(guī)律進行刻畫，并在此基礎上探討氣水流動及分布的微觀影響因素，以期能夠揭示低滲（致密）砂巖氣充注機理，為低滲（致密）砂巖氣的勘探開發(fā)提供借鑒和參考。

1 實驗介紹

本文的低滲（致密）巖心樣品來源于渤海灣盆地黃驊凹陷中部歧口凹陷歧北斜坡深層古近系沙河街組二段（簡稱沙二段）典型致密砂巖氣儲集層。歧口凹陷沙二段中烴源巖與儲集層緊密交互[47-49]，實驗巖心樣品取自歧北斜坡板橋斜坡帶BS35井沙二段3 790.49 m井深，位于致密氣由烴源巖向儲集層充注的源儲界面位置，巖性為巖屑中砂巖，巖心長度為6.56 cm，直徑為2.51 cm，氣測孔隙度為 11.42%，滲透率為 3.94×10-3μm2，實測潤濕角為 51.90°，是研究低滲（致密）砂巖氣充注的一塊代表性樣品。

實驗方法及其流程如圖1所示，其中，關鍵的微納米孔隙三維可視化在線天然氣充注物理模擬的詳細實驗方法與流程如下：

圖1 實驗方法與流程

1.1 實驗裝置

實驗采用中國石油大學（北京）油氣資源與探測油氣成藏物理模擬實驗室研制的非常規(guī)油氣儲集層油氣運移與聚集物理模擬實驗裝置（見圖2a）。該裝置包含Zeiss Xradia Versa 510 X-μCT掃描儀、CoreLab巖心驅替系統(tǒng)（Core Flooding System，CFS）及Peek巖心夾持系統(tǒng)（見圖2a、圖2b），微米X-CT最高分辨率為650 nm；CFS巖心驅替系統(tǒng)軸壓與圍壓最高可達70 MPa，溫度可達120 ℃；流體計量系統(tǒng)的計量精度為0.001 μL/min；巖心夾持系統(tǒng)的抗壓強度大于45 MPa，2 cm的夾持器外徑保證模擬實驗成像分辨率可達約2 μm（見圖2b），該系統(tǒng)實現(xiàn)了對真實地層溫壓條件下低滲（致密）砂巖儲集層微納米孔隙網(wǎng)絡中流體流動的實時監(jiān)測、成像及分析。

圖2 非常規(guī)油氣儲集層油氣運移與聚集物理模擬實驗裝置及原理示意圖

1.2 實驗流程

本次實驗基于穩(wěn)態(tài)法開展天然氣充注物理模擬。實驗全程在線，實現(xiàn)對樣品的原位掃描（見圖2c），實驗步驟如下。

①對樣品進行洗油、洗鹽預處理，鉆取直徑為5 mm、長度為22 mm的柱塞樣品，將其裝入特制膠套，裝填進Peek巖心夾持器中，將夾持器置入微米X-CT載物臺，連接管線，接入CFS系統(tǒng)，檢查實驗系統(tǒng)的整體密封性。

②通過CFS系統(tǒng)向巖心夾持系統(tǒng)中加載合適的圍壓（2 MPa），對樣品進行第1次原始狀態(tài)X-CT掃描（分辨率為2.00 μm），用以獲取樣品原始的孔喉結構信息。

③對巖心夾持系統(tǒng)進行抽真空，排驅樣品中空氣，通過CFS系統(tǒng)向樣品中持續(xù)注入質量分數(shù)為25%碘化鉀（KI）溶液72 h以上，KI溶液對X射線的吸收能力強，在灰度圖像上往往呈現(xiàn)出明顯高于巖石基質和含氣孔隙的灰度，可以有效區(qū)分巖石基質與孔隙中的氣體和水，在樣品達到地層水飽和狀態(tài)后，進行 X-CT掃描。

④完成飽和水狀態(tài)的X-CT掃描后，開始以較低的驅替壓力（0.1 MPa）進行恒壓驅替，根據(jù)穩(wěn)態(tài)法的實驗原理，待出口端穩(wěn)定出氣，氣流速度穩(wěn)定且與氣體注入速度相等后，再次進行X-CT掃描。

⑤繼續(xù)提高驅替壓力確保每個驅替壓力下出口的氣體流速達到穩(wěn)定后，在相應的驅替壓力節(jié)點分別依次進行 X-CT掃描，直至提高驅替壓力出口端不再出水，氣體流速穩(wěn)定與注入速度相等后停止實驗。

⑥詳細記錄氣體充注物理模擬實驗過程中的流體流動數(shù)據(jù)，對各個驅替壓力節(jié)點X-CT掃描結果進行數(shù)據(jù)分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

為準確獲取不同充注階段氣水兩相的流體流動和賦存特征，采用FEI Avizo 9.0.1圖形處理軟件對各個充注壓力節(jié)點獲得的 X-CT掃描圖像進行孔隙尺度原位疊算和孔隙網(wǎng)絡模擬，具體流程如下。

①使用 Zeiss重構軟件對不同充注壓力節(jié)點的X-CT原始掃描數(shù)據(jù)進行重構，準確校正圖像中心位移，消除射線硬化，獲得灰度斷層圖像；采用基于自相似圖像結構像素灰度加權平均的三維非局部中值濾波（3D Non Local Median Filter）方法對灰度斷層圖像進行濾波，降低圖像噪音，重復進行多次降噪，直至圖像中顆粒表面光滑，顆粒、孔隙、氣和水多相邊緣和界面清晰，保證灰度分割的準確性（見圖3a—圖3c）。

圖3 微米X-CT圖像濾波、空間原位校正與原位疊算

②利用 FEI Avzio 9.0.1圖像配準（Image Registration）模塊，依據(jù)相鄰充注壓力節(jié)點灰度斷層圖像中特征礦物，通過校準特征礦物的微米級空間位移，使相鄰充注壓力節(jié)點的灰度斷層圖像在空間上處于原位。據(jù)此將所有充注壓力節(jié)點灰度圖像兩兩配準，之后進行圖像的原位疊加計算（見圖3a—圖3c）。

③對原始干燥節(jié)點掃描獲得灰度斷層圖像進行灰度閾值分割（Interactive Threshold Segmentation），以樣品的氣測孔隙度為標準，提取巖石中的孔喉空間，使 Avizo9.0.1中 Material Statistics模塊計算得到的X-CT孔隙度與氣測孔隙度基本一致，進而獲得二值化孔喉網(wǎng)絡模型圖像；通過孔隙連通性分割，獲取孔喉網(wǎng)絡的三維連通模型；采用孔隙網(wǎng)絡模擬技術，得到孔喉網(wǎng)絡三維骨架模型，并計算得到相應的原始孔隙結構參數(shù)。

④在灰度圖像空間位移校正的基礎上，進行原位數(shù)字巖心疊算，以飽和 KI溶液的掃描圖像為基準節(jié)點，利用 Avizo 9.0.1的 Arithmetic算法對充注壓力0.10 MPa和 0.15 MPa節(jié)點的掃描圖像進行差值計算（見圖3d、圖3e），將充注壓力 0.10 MPa狀態(tài)下與0.15 MPa狀態(tài)下的KI溶液的分布圖像（見圖像中高亮部分）相減，可以得到充注壓力0.15 MPa節(jié)點巖心孔隙中被氣驅出的水相二值化圖像，即該階段充注進入巖心中氣體的二值化圖像（見圖3f），將其與充注壓力0.10 MPa節(jié)點的氣體二值化圖像疊加即可準確獲得充注壓力0.15 MPa節(jié)點孔喉中的氣體分布；通過閾值分割充注壓力0.15 MPa節(jié)點的高亮度KI溶液圖像可以獲得該節(jié)點的孔隙水分布二值化圖像；將獲得的空間氣水分布疊合，可以得到該充注壓力下孔喉中的空間氣水分布狀態(tài)（見圖3g）。以此類推，可以分別獲得各個充注壓力下的氣水分布狀態(tài)與特征?；跉馑畧D像的閾值分割，利用體積分數(shù)（Volume Fraction）方法可以分別計算巖心在飽和KI溶液狀態(tài)下的含水體積分數(shù)和不同充注壓力節(jié)點的含氣體積分數(shù)，通過（1）式可以計算不同充注壓力節(jié)點的含氣飽和度。同時，對不同充注壓力節(jié)點的氣相分布圖像進行孔隙網(wǎng)絡模擬分析，可獲得相應節(jié)點的含氣孔喉的孔喉結構參數(shù)。

2 實驗結果

2.1 微納米孔喉網(wǎng)絡孔隙結構特征

樣品中存在原生孔隙和次生孔隙兩類孔隙類型[50]，其中原生孔隙主要為原生殘余粒間孔，孔隙形狀規(guī)則，大小在幾十至幾百微米（見圖4a）。次生孔隙包括了溶蝕粒間孔、溶蝕粒內孔、晶間孔和微裂縫，溶蝕粒間孔為顆粒邊緣溶蝕形成的粒間孔隙，形成于長石和巖屑等可溶蝕性礦物的邊緣，形狀不規(guī)則，大小在幾十至幾百微米（見圖4a、圖4b）；溶蝕粒內孔形成于長石、巖屑等溶蝕性礦物內部，形狀不規(guī)則，多在十幾至幾十微米（見圖4b）；晶間孔為黏土礦物晶體之間形成的微小空間，大小介于幾百納米至幾微米（見圖4c）；微裂縫為切穿多個巖石顆粒的狹長孔隙，延伸較遠，能夠連接多個互不連通的孔隙（見圖4a）。樣品表現(xiàn)出與致密砂巖儲集層相似的孔隙成因構成[50]，粒間孔隙發(fā)育，占比高達 80%左右，其中原生粒間孔和粒間溶蝕孔占比相近，在巖屑和長石顆粒中存在小規(guī)模的粒內溶蝕孔隙，占比約為 15%左右，發(fā)育少量的微裂縫和晶間孔（見圖4a）。

圖4 BS35井沙二段3 790.49 m井深低滲（致密）砂巖儲集層孔隙成因類型

微米X-CT分析表明，空間上，形狀規(guī)則的連通大孔隙構成了低滲（致密）砂巖的微納米孔喉網(wǎng)絡的主體，形狀不規(guī)則的小孔隙一般靠近孔喉網(wǎng)絡主體分布，連通程度低，而球狀的微小孔隙既可分布在孔喉網(wǎng)絡主體中，也可分布在遠離網(wǎng)絡主體的區(qū)域，其中位于孔網(wǎng)絡主體中的微小孔隙往往能夠橋接大孔隙和小孔隙，而遠離網(wǎng)絡主體的微小孔隙多呈孤立分布（見圖5a—圖5d）?；贒ong和Blunt開發(fā)的孔隙網(wǎng)絡模擬方法[51]計算表明，樣品的孔喉半徑分布范圍較廣（見圖5d），孔隙半徑為 10～120 μm，集中分布在 20～60 μm，平均值為12.34 μm（見圖5e），喉道半徑為2～120 μm，集中分布在 10～30 μm，平均值為9.67 μm（見圖5f），平均孔喉比為 1.28，平均配位數(shù)為 1.31，孔喉連通性相對較好（見圖5d）。

圖5 低滲（致密）儲集層孔隙形態(tài)學與幾何學特征

2.2 低滲（致密）砂巖氣充注過程的氣體流動特征

低滲（致密）砂巖氣充注過程的天然氣流動表現(xiàn)為非線性流，與低滲（致密）砂巖中的氣體單相非達西流相似，存在明顯的“啟動壓力平方梯度”，即天然氣充注的臨界壓力平方梯度，為 0.01 MPa2/cm。流速隨壓力平方梯度增加而增加，流速增幅先快后穩(wěn)，流動曲線可分為上凹段和線性段兩段（見圖6a）。含氣飽和度表現(xiàn)出快速至穩(wěn)定的二段式增長模式，初始階段，含氣飽和度隨壓力梯度增長快速增加，壓力梯度超過0.29 MPa/cm，含氣飽和度逐漸穩(wěn)定（見圖6b）。

圖6 低滲（致密）砂巖氣充注過程的氣體滲流與含氣飽和度變化特征

氣相視滲透率多被廣泛地應用于表征兩相流體滲流中氣體單相的流動特征變化[14,27]，氣相視滲透率，如（2）式分析的氣相視滲透率表明，充注過程中的氣相視滲透率表現(xiàn)出隨壓力平方梯度增加先增加后穩(wěn)定的兩段式增長特征，與充注過程氣體流動和含氣飽和度的變化規(guī)律相符（見圖6c）。

2.3 充注過程孔隙尺度氣水分布與氣相充注通道變化

從充注模擬實驗中選取了巖心在原始狀態(tài)下、飽和KI溶液狀態(tài)下以及在充注壓力分別為0.10，0.15，0.20，0.50 MPa的4種狀態(tài)下共計6個特征節(jié)點進行分析（見圖7），獲得了不同充注壓力節(jié)點下氣水分布的二維和三維X-CT原始灰度圖像。KI溶液使得飽和水的孔隙在灰度圖像中顯示為亮白色，巖石基質呈灰色，而氣體充注進入孔隙后會使得存在氣體的孔隙部分呈現(xiàn)黑色，與Armstrong等和Khishvand等學者所開展的孔隙尺度多相流模擬實驗中飽和節(jié)點的成像特征基本一致[23,36]?；趲r石基質、氣體和水溶液的灰度差異以及不同節(jié)點氣水分布變化導致的圖像灰度分布變化，通過孔隙尺度原位疊算技術和閾值分割技術，獲得不同充注壓力節(jié)點的微納米孔隙網(wǎng)絡中的氣水空間分布圖像（見圖7g—圖7l）；進一步地，對氣相占據(jù)的孔喉空間進行分離提?。ㄒ妶D8a—圖8d），利用孔隙網(wǎng)絡模擬技術構建了不同充注節(jié)點氣體充注通道的孔喉網(wǎng)絡骨架模型（見圖8e—圖8h），并計算相應節(jié)點氣體充注通道的孔隙結構參數(shù)。

圖7 低滲（致密）砂巖氣充注過程中二維與三維氣水分布變化

圖8 低滲（致密）砂巖氣充注過程氣相充注通道變化

從二維和三維原始灰度圖像與三維氣水分布圖像可以看出，從飽和狀態(tài)至充注壓力0.10 MPa，天然氣優(yōu)先充注進入較大粒間孔隙的中央（見圖7c、圖9a、圖9d），氣體主要賦存在大孔隙中央，水溶液在大孔隙中呈薄膜狀吸附在孔隙邊緣；這與 Lin等在毛管驅替X-CT成像實驗中觀察到氮氣優(yōu)先驅替非均質砂巖中大孔隙的現(xiàn)象相似[38-39]，也同 Alizadeh等在含碳酸水實時 X-CT驅替成像實驗中發(fā)現(xiàn) CO2析出后優(yōu)先占據(jù)孔喉中央的現(xiàn)象相似[35]；但本實驗階段仍有大量的水溶液在小孔隙中呈現(xiàn)飽和式充填的賦存形式。在空間上，氣相和水相都呈網(wǎng)簇狀分布（見圖7i），計算含氣飽和度為 40%。在該階段，被氣體充注的粒間大孔隙由較粗的喉道相連接，孔喉系統(tǒng)中形成了氣體充注通道的初始基礎格架（見圖8a、圖8e），基礎格架中氣體的連續(xù)流動和孔喉系統(tǒng)中含水飽和度降低使得氣相視滲透率突變式增加（見圖6c）。

圖9 低滲（致密）砂巖氣充注過程中不同孔徑孔喉中氣水流動與分布變化

隨充注壓力增至0.15 MPa，較大粒間孔隙邊緣的KI溶液被驅出（見圖7d、圖9b、圖9e），水膜厚度不斷減小，大孔隙基本被氣體完全飽和；同時，孔徑較小的粒間孔隙中央的水溶液也被驅出，較小孔隙開始參與流動?？臻g上，網(wǎng)簇狀氣相的規(guī)模不斷擴大，水相逐漸變?yōu)橐员∧な劫x存為主（見圖7j、圖7k），孔喉網(wǎng)絡的含水程度不斷降低，含氣飽和度增加至78%（見圖6d），氣相充注通道的規(guī)模不斷擴張（見圖8b、圖8c）；相應地，骨架模型中主體格架的球體和圓柱體半徑不斷增加；同時，更多較小的球體和圓柱體與主體格架相連通（見圖8f、圖8g）。在氣體充注通道擴張過程中，氣體流速增大，含水飽和度降低，致使氣相視滲透率快速增加。

充注壓力增加至0.50 MPa，連通孔喉中的可動水基本被完全驅出（見圖7f），即使充注壓力再增加，氣體也難以驅替連通孔隙邊緣和微小粒內和晶間孔隙中的地層水（見圖9c、圖9f）孔喉網(wǎng)絡中形成束縛水，水相在孔喉網(wǎng)絡中整體表現(xiàn)出薄膜狀零散分布，而氣相則表現(xiàn)出集中式網(wǎng)簇狀分布形式（見圖7l），含氣飽和度到達95%（見圖6d），氣相充注通道擴張至極限規(guī)模，天然氣沿穩(wěn)定的通道進行運移。該階段孔喉系統(tǒng)中氣體多表現(xiàn)為穩(wěn)定的線性流動，氣相視滲透率增幅逐漸降低并趨于穩(wěn)定。穩(wěn)態(tài)充注過程中，天然氣充注通道呈現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的變化，這與 Spurn等在 CO2注入過程的快速同步輻射 X-CT掃描實驗中發(fā)現(xiàn)的瞬態(tài)流動過程中間斷性流體通道變化規(guī)律具有差異，而與其在穩(wěn)態(tài)流動過程中發(fā)現(xiàn)的流體通道變化和含氣飽和度變化規(guī)律十分相似[52]。

對不同充注壓力節(jié)點氣相充注通道孔隙結構參數(shù)的分析表明，充注通道的最大孔隙半徑和喉道半徑基本不隨充注動力增加而變化，僅在充注壓力0.15 MPa節(jié)點最大孔隙半徑略有增加，最大孔隙半徑基本穩(wěn)定在116 μm左右，最大喉道半徑基本穩(wěn)定在78 μm左右，表明大孔喉在充注的起始階段就基本完全參與流動，對氣相充注通道的貢獻到達極值（見圖9g）。然而，平均孔隙半徑、喉道半徑、配位數(shù)和喉道長度隨充注動力增加而降低（見圖9h），表明隨氣相充注通道擴張，較小的孔喉對天然氣充注的貢獻逐漸增加。平均孔隙結構參數(shù)在充注壓力為0.10～0.15 MPa階段下降最明顯，表明該階段氣相充注通道的擴張程度最大，也說明較小的孔喉主導了充注中間階段氣相充注通道的擴張幅度?？梢酝茢?，在低滲（致密）砂巖氣充注過程中，粒間大孔喉主導了天然氣充注的起始階段，較小的粒間和連通粒內孔喉主導了充注中后期氣相充注通道的擴張過程，決定了氣相充注通道的極限規(guī)模（見圖7—圖9）。

3 討論

3.1 微納米孔喉結構對充注過程的影響

通過（3）式計算不同充注壓力節(jié)點下不同孔徑范圍孔喉中的含氣體積分數(shù)，可以得到充注過程中不同孔徑孔喉中的含氣性變化曲線，如圖10a、圖10b所示：

圖10 不同充注壓力下孔隙（a）和喉道（b）的含氣體積分數(shù)曲線及其對不同充注壓力下氣相充注通道擴張的貢獻率直方圖（c、d）

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在充注的起始階段（充注壓力0.10 MPa），半徑大于20 μm孔隙的含氣體積占孔隙總體含氣體積的90.35%，半徑大于20 μm的喉道含氣體積占總喉道含氣體積的76.90%；其中，半徑大于80 μm的孔隙含氣體積分數(shù)在起始階段就到達最大值，是充注初期的天然氣流動方式、氣水賦存和含氣飽和度增長特征的重要微觀影響因素。當充注壓力增至0.15 MPa，含氣體積分數(shù)的增長主要集中在半徑為20～70 μm的孔隙和喉道中，該部分孔隙和喉道的含氣體積分數(shù)增長分別占各自總含氣體積增量的80.21%和80.31%（見圖10c、圖10d）；充注壓力增至0.20 MPa，半徑大于50 μm孔喉中基本沒有含氣體積分數(shù)增長，半徑20～50 μm的孔喉主導了含氣體積的增長，該部分孔隙和喉道含氣體積分數(shù)增長分別占該階段各自總含氣體積分數(shù)增加量的85.42%和93.29%（見圖10c、圖10d），說明隨充注動力增加，半徑較小的孔隙逐漸成為氣水分布變化和含氣飽和度增長的主控因素；充注壓力增至0.50 MPa，含氣體積分數(shù)的增加主要來源于半徑為3～50 μm的孔喉，其中孔隙增量占該階段孔隙含氣體積總增量的 84.43%，喉道增量占其含氣體積總增量的85.86%（見圖10c、圖10d）。充注壓力由0.15 MPa增至0.50 MPa，半徑小于20 μm的孔隙和喉道的含氣量持續(xù)增加，孔隙的含氣體積分數(shù)增量從0.224%增加至0.428%，喉道的含氣體積分數(shù)增量從 0.54%增加至0.65%；可見，半徑小于20 μm的孔喉控制了充注后期的氣水分布與含氣飽和度變化（見圖10）。

不同充注壓力節(jié)點氣相充注通道孔喉結構參數(shù)與氣相視滲透率的相關關系分析表明，視滲透率變化與平均孔隙半徑、喉道半徑、喉道長度和配位數(shù)呈明顯的負相關（見圖11），表明充注過程氣體流動狀態(tài)變化受連通孔喉網(wǎng)絡的整體孔喉結構特征的影響。隨著充注程度提高，半徑較小的連通孔喉不斷參與氣體流動，成為氣相滲透率增長的重要影響因素。

圖11 低滲（致密）砂巖氣充注過程中視滲透率與氣相充注通道孔喉結構參數(shù)變化的相關關系

總體而言，在低滲（致密）砂巖氣充注過程中，半徑大于20 μm的孔喉中，特別是半徑大于80 μm的孔喉，先形成天然氣充注的基礎格架，是氣體充注臨界條件存在的重要因素，對充注初期的天然氣流動方式、氣水分布和含氣飽和度增長特征具有重要影響；隨充注動力的增加，半徑為20～50 μm和小于20 μm的孔喉依次主導了氣相充注通道的擴張過程，是主要充注期氣水流動方式、氣水分布變化、含氣飽和度增長特征的主控因素之一；半徑小于20 μm的孔喉是充注后期階段穩(wěn)定氣水分布狀態(tài)形成和最大含氣飽和度的重要影響因素（見圖10、圖11）。

3.2 微納米孔喉系統(tǒng)非均質性對充注及含氣性的影響

對不同充注壓力節(jié)點下巖心縱向切片的面含氣飽和度的分析發(fā)現(xiàn)（見圖12a），在充注起始階段（充注壓力為0.10 MPa），由于粒間大孔隙優(yōu)先形成氣相充注通道，縱向含氣飽和度整體較為均勻，面含氣飽和度以 40%為軸線上下浮動。在充注的中間過程中，縱向面含氣飽和度產(chǎn)生明顯差異；充注壓力增至0.15 MPa，切片的面含氣飽和度整體均增加，但不同切片區(qū)域增幅差異明顯，表現(xiàn)為切片序號為175—400的區(qū)域含氣飽和度增加明顯高于其他部分，這與該區(qū)域連通的較大孔隙發(fā)育程度高密切相關（見圖12b）；至充注壓力0.20 MPa，整體面含氣飽和度增加幅度較小，說明該階段天然氣主要充注進入連通小孔隙中聚集；至充注壓力0.50 MPa，切片面含氣飽和度產(chǎn)生一定增幅，可動水基本被驅替完全，達到最大含氣飽和度，縱向上含氣飽和度差異較充注過程中間階段降低，面含氣飽和度整體均勻，但切片序號為 50—150的區(qū)域面含氣飽和度較低（見圖12a、圖12b）。連通大孔喉發(fā)育區(qū)域，面含氣飽和度先快速增長后穩(wěn)定，而連通小孔喉區(qū)域面含氣飽和度增長規(guī)律十分復雜（見圖12a、圖12b）?？紫督Y構分布的非均質性顯著影響了天然氣充注過程的氣水賦存和含氣飽和度的動態(tài)變化過程，對低滲（致密）儲集層的含氣非均一性也具有重要影響。

圖12 低滲（致密）砂巖氣充注過程中巖心縱向面含氣飽和度變化曲線（a）與原始巖心孔隙縱向分布特征（b）

4 結論

低滲（致密）砂巖氣充注過程存在氣相充注通道擴張和穩(wěn)定兩個階段。擴張階段具有粒間大孔隙先于粒間小孔隙，孔隙中央先于邊緣的氣驅水流動模式；隨充注壓力增加，孔隙邊緣和小孔隙中央的水被驅替，氣相形成集中的網(wǎng)簇狀分布，水相形成分離的薄膜狀分布，氣相充注通道規(guī)模擴張，通道的孔喉半徑、喉道長度和配位數(shù)均降低，是含氣飽和度增長的主要階段；在穩(wěn)定階段，氣相充注通道擴張至極限，通道的孔喉半徑、喉道長度和配位數(shù)保持穩(wěn)定，氣體沿已形成的穩(wěn)定通道運移，形成穩(wěn)定的氣水賦存狀態(tài)，含氣飽和度達到最大值。

充注起始階段，半徑大于20 μm的孔喉構成了氣體充注通道的基礎格架，是充注初期氣體流動方式的重要影響因素；半徑為30～50 μm的孔喉是氣體的主要賦存空間，決定了該階段氣水分布和賦存特征及含氣飽和度增長特征；隨充注壓力提高，半徑為20～50 μm和半徑小于20 μm的孔喉相繼主導了氣相充注通道擴張，控制了主要充注期的氣水分布變化和含氣飽和度增長模式，其中，半徑小于20 μm的連通孔喉決定了氣相充注通道擴張的極限，控制了穩(wěn)定氣水分布狀態(tài)的形成和最大含氣飽和度。

微納米孔喉網(wǎng)絡的非均質性對充注過程中的氣水分布的動態(tài)變化過程具有重要影響，充注過程中，連通較大孔喉發(fā)育的部位含氣性增加最明顯。連通孔喉的非均質性對低滲（致密）儲集層含氣性不均一性具有重要影響。

符號注釋：

A——巖心橫截面積，cm2；Ka——氣相視滲透率，10-3μm2；L——巖心長度，cm；p0——標準大氣壓，MPa；Δp——充注壓力，MPa；Q——氣體流量，mL/s；Sgi——第i個充注壓力節(jié)點的含氣飽和度，%；μ——氣體黏度，mPa·s；φ——總孔隙度，%；φg——不同孔徑孔喉的含氣體積分數(shù)，%；φgi——i個充注壓力節(jié)點的氣體總空間體積分數(shù)，%；φp——不同孔徑孔喉的體積分數(shù)，%；φwo——飽和水節(jié)點的孔隙水總空間體積分數(shù)，%。