吳建彪
(中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院, 鄭州 450000)
東勝氣田是中石化華北油氣分公司“十四五”規(guī)劃增儲(chǔ)上產(chǎn)的主要目標(biāo)區(qū),該氣田具有低滲、致密、高含水飽和度、非均質(zhì)性強(qiáng)、氣水關(guān)系復(fù)雜等地質(zhì)特征,這類氣藏面臨著儲(chǔ)量動(dòng)用程度很低的問題,亟需開展致密含水條件下的儲(chǔ)層滲流機(jī)理研究,為產(chǎn)能建設(shè)提供基礎(chǔ)理論與技術(shù)支撐[1]。
已有研究表明,致密儲(chǔ)層孔滲低、滲流規(guī)律復(fù)雜,影響因素多,主要包括有效應(yīng)力、含水飽和度和驅(qū)替壓差[1-8]。葉禮友等[1]以川中須家河組低滲致密砂巖為對(duì)象,分析了低滲致密砂巖含水飽和度高及對(duì)氣體滲流影響大的的原因;馬立輝等[2]管流實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算研究了氣水兩相流動(dòng)規(guī)律;謝曉軍等[3]、魏真真等[4]通過地質(zhì)分析研究了不同區(qū)塊致密儲(chǔ)層特征;劉正中等[5]實(shí)驗(yàn)研究確定致密巖心滲流存在啟動(dòng)壓力梯度;雷霄等[6]、李奇等[7]研究確定低滲致密砂巖存在較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性;袁洋等[8]實(shí)驗(yàn)研究確定致密儲(chǔ)層存在壓差滲吸水鎖傷害問題。基于此認(rèn)識(shí),以東勝氣田致密砂巖氣藏儲(chǔ)層為研究對(duì)象,系統(tǒng)地開展致密砂巖儲(chǔ)層標(biāo)準(zhǔn)、覆壓孔滲;不同含水飽和度下氣相滲流規(guī)律和不同壓差下氣、水兩相滲流規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究,明確了東勝氣田致密儲(chǔ)層孔滲特征和滲流規(guī)律,揭示了儲(chǔ)層滲流機(jī)理,并提出合理的開發(fā)建議。研究結(jié)果對(duì)于正確認(rèn)識(shí)東勝氣田密砂巖儲(chǔ)層特征、預(yù)測氣井產(chǎn)氣、產(chǎn)水動(dòng)態(tài),制定合理有效的開發(fā)方案具有重要指導(dǎo)意義。同樣,研究成果對(duì)國內(nèi)其他區(qū)塊致密含水氣藏開發(fā)也具有借鑒意義。
致密巖樣測試滲透率常用方法就是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試方法(見GB/T 29172—2012),還有脈沖測試方法[9-10]、覆壓測試方法[11]等,滲透率計(jì)算處理方法包括克氏和平均兩種,其中克氏滲透率更接近于儲(chǔ)層流體的真實(shí)滲透率,因此,一般以克氏滲透率來描述儲(chǔ)層流體的滲流能力。不同方法測試的巖石樣品滲透率結(jié)果差距很大,一般來講標(biāo)準(zhǔn)測試方法得到的滲透率值最大、脈沖法次之、覆壓法最小,三者之間的最大差距可能會(huì)達(dá)到二個(gè)數(shù)量級(jí),具體大小決定于儲(chǔ)層巖性和微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)氣藏實(shí)際開發(fā)情況,一般以覆壓克氏滲透率為儲(chǔ)層實(shí)際值,事實(shí)上致密砂巖氣藏的定義就是“儲(chǔ)層覆壓克氏滲透率小于0.1 mD的氣藏”[12-14]。
東勝氣田11口井102塊樣品的標(biāo)準(zhǔn)孔、滲與30塊樣品的覆壓孔滲參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖1)表明,標(biāo)準(zhǔn)克氏滲透率主要分布在0.1~2 mD,平均值0.4 mD[圖1(a)],中值為0.18 mD[圖1(b)],說明儲(chǔ)層滲透率分布非均質(zhì)性嚴(yán)重;孔隙度主要集中分布在5%~15%,平均值為8.6%[圖1(a)],中值為8.5%[圖1(b)],說明孔隙度均勻分布。而其中30塊樣品的覆壓克氏滲透率(30 MPa)集中分布在0.004~0.3 mD,平均值為0.06 mD[圖1(a)],只有標(biāo)準(zhǔn)克氏滲透率平均值的15%;孔隙度主要集中分布在5%~15%,平均值為10.1%,二者基本一致。
圖1 不同測試方法的致密巖樣孔滲結(jié)果統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of porosity and permeability results of tight rock samples by different testing methods
由此可見,滲透率測試方法不同會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層樣品滲透率結(jié)果的巨大差異,而孔隙度卻基本一致。因此,滲透率統(tǒng)一的測試方法是對(duì)比分析評(píng)價(jià)儲(chǔ)層滲流能力的前提?;跉獠毓こ痰膶?shí)際需要,一般以地層覆壓下的克氏滲透率值作為儲(chǔ)層的基礎(chǔ)滲透率。
儲(chǔ)層流體的壓差與流量關(guān)系曲線可以很好反映流體在儲(chǔ)層中的滲流特征[15],儲(chǔ)層物性越好,特別是滲透率越大,對(duì)應(yīng)的流動(dòng)壓差越小,流量越大。根據(jù)流體的壓縮性,油水屬于微可壓縮流體,氣體屬于可壓縮流體,因此,液體在儲(chǔ)層中的滲流特征曲線用壓差梯度與流量的關(guān)系來描述即可,氣體在儲(chǔ)層中的滲流特征曲線用壓力平方差梯度與流量的關(guān)系來描述則更加準(zhǔn)確[16]。根據(jù)東勝氣田儲(chǔ)層樣品覆壓克氏滲透率分布,可以將其分為滲透率小于0.1 mD的致密儲(chǔ)層與滲透率大于0.1 mD的低滲儲(chǔ)層來對(duì)比分析。
低滲致密干巖樣的氣體滲流特征可以兩種形式來表示。一種形式是壓力平方差梯度與流量的關(guān)系曲線,由于致密儲(chǔ)層滲透率低、滲流阻力大,氣體很難產(chǎn)生高速非線性滲流現(xiàn)象,整體呈很好的線性關(guān)系,只是在接近0點(diǎn)的極低流速下會(huì)表現(xiàn)出氣體滑脫效應(yīng)導(dǎo)致的非線性趨勢(shì)(圖2);而低滲巖樣滲透率較高、滲流阻力較小,氣體在較高流量下會(huì)產(chǎn)生明顯的高速非達(dá)西效應(yīng),滲流曲線隨流量增加而向右上方偏移,呈現(xiàn)出高速非線性特征,且滲透率越高,非線性特征越明顯[圖3(a)]。另一種形式是氣測滲透率與孔隙平均壓力倒數(shù)的關(guān)系曲線,對(duì)于致密巖樣二者的關(guān)系也基本呈線性關(guān)系,只是在孔隙平均壓力倒數(shù)較高時(shí),即孔隙壓力較低時(shí),直線會(huì)出現(xiàn)向右上方偏離的特征(圖4),這是低孔隙壓力下氣體強(qiáng)滑脫效應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)果。其滲流特征可以用克氏滲透率表達(dá)式很好地表征[式(1)];而低滲巖樣在平均孔隙壓力倒數(shù)較低,即孔隙壓力較高時(shí),滲流特征曲線會(huì)出現(xiàn)向下彎曲的現(xiàn)象[圖3(b)],這是高速非達(dá)西效應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)果。其滲流特征可以用低滲儲(chǔ)層高速非達(dá)西效應(yīng)下的氣體表觀滲透率計(jì)算公式來表征[式(2)]。表達(dá)式為
(1)
(2)
圖2 致密儲(chǔ)層樣品流量與壓力平方差梯度關(guān)系曲線Fig.2 Curve of relation between sample flow rate and pressure squared variance gradient in tight reservoir
圖3 低滲儲(chǔ)層樣品平均孔隙壓力與滲透率關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between average pore pressure and permeability of low permeability reservoir samples
圖4 致密儲(chǔ)層樣品平均孔隙壓力與滲透率關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between average pore pressure and permeability of tight reservoir samples
低滲致密砂巖氣測儲(chǔ)層含水飽和度Sw普遍偏高,氣藏衰竭開發(fā)過程中,儲(chǔ)層束縛水狀態(tài)下的單相氣體滲流或氣水兩相滲流是主要的滲流模式。因此,模擬氣藏在不同含水飽和度下氣體的滲流特征有助于正確認(rèn)識(shí)含水氣藏的氣水滲流規(guī)律。圖5是典型致密、低滲巖樣在不同含水飽和度下滲透率與平均孔隙壓力倒數(shù)關(guān)系曲線。可以看出與干氣藏滲流特征不同,含水飽和度對(duì)于氣體滲流特征影響顯著,與干氣藏滲流特征相比:當(dāng)致密巖樣含水飽和度等于25%時(shí),氣體滲流特征曲線與干氣藏基本一致,只是斜率略有降低,同一平均孔隙壓力下滲透率略有下降;當(dāng)含水飽和度增加到45%時(shí),氣體滲流特征曲線斜率下降明顯,滲透率降低幅度更大,低孔隙壓力下強(qiáng)滑脫效應(yīng)減弱;當(dāng)含水飽和度增加到55%時(shí),氣體滲流特征曲線變成了一條滲透率基本不變,斜率近似于0的平行線,滑脫效應(yīng)完全消失;當(dāng)含水飽和度增至65%時(shí),滲流特征曲線斜率變成負(fù)值,變化趨勢(shì)與干氣藏完全相反,體現(xiàn)出了水相滲流特征,致密巖樣的滲透率隨驅(qū)替壓力的增加而增加[1,17][圖5(a)]。同樣,當(dāng)?shù)蜐B巖樣含水飽和度等于25%時(shí),氣體滲流特征曲線也與干氣藏一致,斜率略有降低;當(dāng)含水飽和度增加到45%時(shí),氣體滲流特征曲線斜率下降更大,高孔隙壓力下高速非達(dá)西效應(yīng)減弱;當(dāng)含水飽和度增加到55%時(shí),氣體滲流特征曲線變成了一條斜率近似于0的平行線,高速非達(dá)西效應(yīng)完全消失;當(dāng)含水飽和度增至65%時(shí),滲流特征曲線斜率變成負(fù)值,體現(xiàn)出明顯的水相滲流特征,低滲巖樣的滲透率隨驅(qū)替壓力增加而增加[圖5(b)]。其實(shí)二者的氣體滲流特征變化趨勢(shì)基本一致,主要的不同之處在于,對(duì)于致密砂巖氣藏,含水飽和度的增加,降低了氣體滲流的滑脫效應(yīng);而對(duì)于低滲砂巖氣藏,含水飽和度的增加則降低了氣體的高速非達(dá)西效應(yīng)。
低滲致密砂巖巖樣氣體滲流特征曲線隨含水飽和度增加而變化的主要原因是,束縛水飽和度的存在導(dǎo)致砂巖多孔介質(zhì)固體表面形成了一層水膜,氣體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)由壁面處的氣固作用變成了氣液作用,壁面阻力明顯增加,從而導(dǎo)致低孔隙壓力下的滑脫效應(yīng)和高孔隙壓力下的高速非達(dá)西效應(yīng)都明顯減弱,氣體滲透率降低[17-18]。而且含水飽和度越大,影響越大。當(dāng)含水飽和度小于25%時(shí),氣體的滲流特征更接近于干氣藏單相氣體滲流特征,當(dāng)含水飽和度大于60%時(shí),氣體的滲流特征更接近于單相水的滲流特征,介于中間的含水飽和度對(duì)應(yīng)的氣體滲流特征隨含水飽和度增加是一個(gè)由氣相滲流特征向液相滲流特征過渡的過程,當(dāng)含水飽和度大于60%時(shí),低滲或致密巖樣中都會(huì)出現(xiàn)氣水兩相滲流,滲流阻力會(huì)顯著增加,導(dǎo)致氣相滲流特征明顯減弱,液相滲流特征顯著增加,圖5中含水飽和度65%對(duì)應(yīng)的二個(gè)巖樣的氣體滲流特征曲線很好地說明了這一現(xiàn)象。
圖5 低滲致密巖樣不同含水飽和度下氣體滲流特征曲線Fig.5 Gas seepage characteristic curves under different water saturation of low permeability samples and tight samples
巖石多孔介質(zhì)氣體滲流產(chǎn)生滑脫效應(yīng)的主要原因是由于氣體分子與固壁分子之間的作用力遠(yuǎn)低于液固之間的分子作用力,在管壁處的氣體分子大部分仍處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài);另外,相鄰層的氣體分子由于動(dòng)量交換,連同管壁處的氣體分子一起沿管壁方向做定向運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致多孔介質(zhì)管壁處的流速不為零,從而形成了氣體滑脫效應(yīng)。1941年克林肯伯格發(fā)現(xiàn)了氣體在微細(xì)毛管孔道中流動(dòng)時(shí)的滑脫效應(yīng)(故滑脫效應(yīng)又稱“克氏效應(yīng)”),并給出了考慮氣體滑脫效應(yīng)的巖石樣品氣測滲透率的數(shù)學(xué)表達(dá)式[式(1)],又稱克氏滲透率表達(dá)式[19]。
根據(jù)式(1)可以導(dǎo)出滑脫因子b的數(shù)學(xué)表達(dá)式為
(3)
巖樣氣測滲透率實(shí)驗(yàn)可以獲得Kg,水測滲透率或氣測滲透率克氏值可以獲得Ke,結(jié)合氣測實(shí)驗(yàn)過程中巖樣進(jìn)出口壓力的平均值,可以通過式(3)計(jì)算不同進(jìn)出口壓力下的滑脫因子b(圖6)。
圖6 低滲致密儲(chǔ)層樣品滑脫因子與孔隙平均壓力倒數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Curves of relationship between slippage factor and pore average pressure in low permeability tight reservoir samples
多孔介質(zhì)中流體分子與孔喉壁面分子之間的作用結(jié)果是導(dǎo)致流體能否產(chǎn)生滑脫效應(yīng)的根本原因。液固分子間的作用力要遠(yuǎn)大于氣固分子,導(dǎo)致液體分子在固壁面滑脫效應(yīng)極低,液體在孔道中發(fā)生指進(jìn)流動(dòng)現(xiàn)象,中間速度最大,壁面速度為0;而氣體分子在固壁面滑脫效應(yīng)明顯,氣體在孔道中會(huì)發(fā)生勻速流動(dòng),結(jié)果就是同一巖樣的氣測滲透率值大于液測,滑脫因子的計(jì)算公式僅適用于干氣藏或低束縛水飽和度氣藏。
實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,滑脫因子的大小主要決定于巖樣的滲透率、平均孔隙壓力和含水飽和度。在相同壓力測試條件下,巖樣滲透率越低,滑脫效應(yīng)越明顯,滑脫因子也就越大(圖6),滲透率小于0.01 mD的巖樣對(duì)應(yīng)的滑脫因子為0.2左右,左端突降點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平均壓力倒數(shù)0.5左右(平均孔隙壓力約2 MPa),滲透率大于0.1 mD的巖樣對(duì)應(yīng)的滑脫因子在0.075左右,左端突降點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平均壓力倒數(shù)1.5左右(平均孔隙壓力約0.7 MPa);介于二者之間的巖樣滑脫因子是0.15左右,左端突降點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平均壓力倒數(shù)0.75左右(平均孔隙壓力約1.3 MPa)。可見滲透率越低的巖樣,滑脫因子突降點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平均孔隙壓力越高;相反,滑脫因子突降點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平均孔隙壓力就越低,說明致密砂巖儲(chǔ)層相對(duì)更容易發(fā)生滑脫效應(yīng)。
巖樣的滑脫因子與覆壓滲透率呈冪函數(shù)關(guān)系,存在滑脫因子發(fā)生突變的臨界滲透率值0.05 mD[圖7(a)]。此外,致密砂巖樣品氣體滲流產(chǎn)生的滑脫效應(yīng)與束縛水飽和度相關(guān)[圖7(b)],巖樣束縛水飽和度越高,滑脫效應(yīng)越弱,對(duì)應(yīng)的滑脫因子也就越小;相反,滑脫效應(yīng)會(huì)增強(qiáng),對(duì)應(yīng)的滑脫因子也會(huì)增大;束縛水飽和度越低,氣體滑脫效應(yīng)越強(qiáng),滑脫因子越接近于干氣藏。
圖7 低滲致密儲(chǔ)層樣品滑脫因子與覆壓滲透率和含水飽和度關(guān)系曲線Fig.7 Curves of relationship between slippage factor and overburden permeability and water saturation of low permeability tight reservoir samples
致密砂巖氣藏可以分為只含束縛水的單相氣體滲流氣藏和含水飽和度較高的氣、水兩相滲流氣藏。對(duì)于只含束縛水的氣藏,由于束縛水不參與流動(dòng),含水飽和度占據(jù)了一定的孔喉空間,降低了氣藏儲(chǔ)量和滲流通道,增加了單相氣體流動(dòng)的滲流阻力,開發(fā)難度相對(duì)變大,開發(fā)效果相對(duì)變差,束縛水飽和度越高,影響越大。但是絕大部分低滲致密砂巖氣藏含水飽和度都比較高[20-23],生產(chǎn)過程中都存在氣、水兩相滲流,極大地增加了氣體的滲流阻力,導(dǎo)致氣藏的開發(fā)難度大增、開發(fā)效果變差。氣、水兩相滲流能力(兩相相對(duì)滲透率曲線)的研究是評(píng)價(jià)氣井產(chǎn)能,預(yù)測開發(fā)動(dòng)態(tài),制定和調(diào)整氣藏開發(fā)方案的基礎(chǔ)。
東勝氣田致密砂巖儲(chǔ)層4個(gè)樣品的基礎(chǔ)物性參數(shù)與氣、水相對(duì)滲流能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。巖樣標(biāo)準(zhǔn)克氏滲透率是覆壓克氏滲透率的10倍左右,而覆壓克氏滲透率是地層水滲透率的1~6倍。說明一些致密砂巖樣品對(duì)于地層水存在較強(qiáng)的敏感性,其中J72井樣品水敏感性最強(qiáng),滲透率降低了約1/6,J77井樣品敏感性最弱,地層水滲透率與覆壓克氏滲透率基本一致。這也證明了東勝氣田不同井區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層的水敏性存在較大差別,一般會(huì)導(dǎo)致覆壓滲透率降低1/3以上,氣體滲流阻力顯著增加,嚴(yán)重影響了氣藏的開發(fā)效果。
圖8與圖9為4塊樣品在不同驅(qū)替壓力下的氣、水兩相相對(duì)滲透率Kr曲線。同一樣品在不同驅(qū)替壓力下氣相與水相的相對(duì)滲透率有所不同,隨著驅(qū)替壓力增大,水相相對(duì)滲透率有所增大,水相更容易流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)殘余水飽和度隨驅(qū)替壓力增大都有所降低,表明驅(qū)替壓差增大會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層中更多的束縛水會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓜?dòng)水,儲(chǔ)層產(chǎn)水現(xiàn)象更加明顯(表1、圖8、圖9)。
總的來看,在低滲致密砂巖氣藏氣驅(qū)水過程中,氣相相對(duì)滲透率較低,共滲區(qū)間窄,殘余水飽和度高,增加驅(qū)替壓會(huì)導(dǎo)致殘余水飽和度降低,提高水相相對(duì)滲透率,擴(kuò)大氣水共滲區(qū)間,從而導(dǎo)致開發(fā)效果變差[22-23]。因此,根據(jù)東勝氣田地質(zhì)與儲(chǔ)層物性特征,制定合理的生產(chǎn)壓差是氣田高效開發(fā)的基礎(chǔ)。
表1 4個(gè)樣品基礎(chǔ)物性參數(shù)與氣水兩相滲流能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of basic physical parameters and gas-water two-phase seepage capacity of four samples
圖8 2塊低滲巖樣氣水兩相相對(duì)滲透率曲線Fig.8 Gas-water relative permeability curves of two low permeability samples
圖9 2塊致密砂巖巖樣氣水兩相相對(duì)滲透率曲線Fig.9 Gas-water relative permeability curves of two tight sandstone samples
(1)致密砂巖儲(chǔ)層滲透率大小與樣品測試和數(shù)據(jù)處理方法密切相關(guān),行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試的克氏滲透率要遠(yuǎn)大于覆壓克氏滲透率,二者的比值在10倍以上。根據(jù)氣田開發(fā)的實(shí)際需求,一般以覆壓克氏滲透率作為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)與計(jì)算的滲透率。
(2)東勝氣田致密砂巖儲(chǔ)層100余塊樣品標(biāo)準(zhǔn)克氏滲透率主要分布在0.1~2 mD,平均值為0.4 mD,中值為0.18 mD,說明儲(chǔ)層滲透率分布極不均勻;而孔隙度集中分布在5%~15%,平均值8.6%,中值為8.5%,說明儲(chǔ)層的孔隙度分布更加均勻,具有典型的非均質(zhì)致密氣藏特征。
(3)致密干巖樣壓力平方差梯度與氣體流量基本呈線性關(guān)系,在極低流量下會(huì)出現(xiàn)滑脫效應(yīng),表現(xiàn)出低速非線性;低滲干巖樣隨流量增加而產(chǎn)生高速非達(dá)西效應(yīng),壓力平方差梯度與氣體流量呈現(xiàn)非線性關(guān)系。巖樣含水飽和度對(duì)于氣體滲流特征有顯著影響:隨含水飽和度增加,致密巖樣降低了氣體滲流的滑脫效應(yīng),而低滲巖樣則降低了氣體滲流的高速非達(dá)西效應(yīng),二者的氣相滲流特征減弱,液相滲流特征增加。
(4)氣體滲流滑脫因子大小決定于巖樣的滲透率、平均孔隙壓力和含水飽和度。滲透率越低、孔隙壓力越小、含水飽和度越低,氣體滲流越容易產(chǎn)生滑脫效應(yīng),對(duì)應(yīng)的滑脫因子越大;相反,滑脫效應(yīng)減弱,對(duì)應(yīng)的滑脫因子降低。
(5)致密砂巖儲(chǔ)層氣、水兩相相對(duì)滲透率曲線測試結(jié)果表明,氣相相對(duì)滲透率較低,共滲區(qū)間窄,殘余水飽和度高;增加驅(qū)替壓差會(huì)導(dǎo)致殘余水飽和度降低,提高水相相對(duì)滲透率,擴(kuò)大氣水共滲區(qū)間,使得儲(chǔ)層更易產(chǎn)水,氣田開發(fā)過程中需要制定合理的生產(chǎn)壓差。