火山巖氣藏氣水動(dòng)態(tài)滲吸效率研究新方法

蔣衛(wèi)東，晏 軍，楊正明

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，北京 102249;2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007)

火山巖氣藏氣水動(dòng)態(tài)滲吸效率研究新方法

蔣衛(wèi)東1，晏 軍2，楊正明2

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，北京 102249;2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007)

火山巖氣藏孔、縫發(fā)育且多為含水氣藏，為研究火山巖氣藏開發(fā)過程中的氣水動(dòng)態(tài)滲吸作用及其影響因素，綜合運(yùn)用巖石物理模擬試驗(yàn)、核磁共振及離心試驗(yàn)技術(shù)建立一套定量研究火山巖動(dòng)態(tài)滲吸效率的新方法，并應(yīng)用大慶火山巖氣田的實(shí)際巖心試驗(yàn)驗(yàn)證方法的可行性。結(jié)果表明:動(dòng)態(tài)滲吸效率隨驅(qū)替速度的增加先增大后減小，在流速為0.04 mL/min時(shí)達(dá)到滲吸作用和驅(qū)替作用的動(dòng)態(tài)平衡，并實(shí)現(xiàn)滲吸效率的最大化;滲吸效率隨初始含水飽和度的增加而降低;同一巖心在不同狀態(tài)下的滲吸效率不同，干巖心的靜態(tài)滲吸效率最大，其動(dòng)態(tài)滲吸效率次之，束縛水條件下巖心的滲吸效率最低。

火山巖;氣藏;核磁共振;動(dòng)態(tài)滲吸;滲吸效率

中國火山巖氣藏資源豐富，自1957年首次在準(zhǔn)噶爾盆地西北緣發(fā)現(xiàn)以來，此類油氣藏勘探開發(fā)已歷經(jīng)50余年。目前已在渤海灣、松遼、準(zhǔn)噶爾、二連、三塘湖等11個(gè)含油氣盆地發(fā)現(xiàn)了超過3萬億m3的資源量，其儲(chǔ)量超過9 000億m3［1-3］?；鹕綆r氣藏孔、縫發(fā)育，且多為含水氣藏，生產(chǎn)過程中，水首先進(jìn)入裂縫，再從裂縫滲吸進(jìn)入基質(zhì)，將小孔隙中的氣驅(qū)出，這就是含水氣藏中的動(dòng)態(tài)滲吸過程［4-6］，動(dòng)態(tài)滲吸在火山巖氣藏開發(fā)中起著重要的作用。早在20世紀(jì)50年代，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了潤濕相流體在多孔介質(zhì)中依靠毛管力作用置換非潤濕相流體的滲吸驅(qū)油機(jī)制及規(guī)律，Aronofsky J.S等［7］首先導(dǎo)出了滲吸驅(qū)油指數(shù)關(guān)系式;Rapoport L.A等［8］提出滲吸驅(qū)油準(zhǔn)則;Mttax C.C等［9］進(jìn)行了底水上升滲吸試驗(yàn)，獲得了采收率與無因次時(shí)間的關(guān)系曲線;Iffly R等［10］用稱重法和毛管法完成了淹沒滲吸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)淹沒滲吸驅(qū)油試驗(yàn)結(jié)果與底水上升試驗(yàn)結(jié)果具有一致性;華北油田和成都地學(xué)院較早利用小巖心研究了自發(fā)滲吸驅(qū)油機(jī)制［11-12］;朱維耀等［13］研究得到介質(zhì)的潤濕性對(duì)滲吸程度的影響較大;王家祿等［14］研究了低滲油藏裂縫中的動(dòng)態(tài)滲吸模型。上述研究主要集中在裂縫性油藏領(lǐng)域，對(duì)于具體滲吸效率定量研究的方法也沒有明確說明，針對(duì)火山巖氣藏氣水動(dòng)態(tài)滲吸的研究更是幾乎沒有相關(guān)報(bào)道。筆者從火山巖儲(chǔ)層的特點(diǎn)出發(fā)，在研究火山巖氣藏中裂縫與基質(zhì)交滲流動(dòng)的物理模型基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用巖石物理模擬試驗(yàn)、核磁共振及離心試驗(yàn)技術(shù)得到一套定量研究火山巖氣藏滲吸效率的新方法，并深入研究驅(qū)替速度、初始含水飽和度以及巖心的不同狀態(tài)對(duì)滲吸效率的影響。

1 滲吸研究新方法

由于低滲透裂縫性油氣藏中裂縫的導(dǎo)流能力高，流體在裂縫與基質(zhì)之間產(chǎn)生交滲流動(dòng)，其物理模型如圖1所示。在壓差作用下，水在裂縫內(nèi)流動(dòng)，同時(shí)由于基質(zhì)中毛細(xì)管力所產(chǎn)生的滲吸作用將裂縫中的水滲吸到基質(zhì)內(nèi)，將基質(zhì)中原有的流體替換到裂縫中，并被裂縫中的流體驅(qū)替到出口端，這個(gè)過程就是裂縫與基質(zhì)之間流體的交滲流動(dòng)過程［11-14］，即動(dòng)態(tài)滲吸。對(duì)于天然巖心中滲吸量的確定，常規(guī)試驗(yàn)技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)，核磁共振則是一種定量研究動(dòng)態(tài)滲吸量的有效手段。圖2中給出了應(yīng)用核磁共振技術(shù)研究動(dòng)態(tài)滲吸的原理:核磁共振T2弛豫時(shí)間譜客觀反映了多孔介質(zhì)中流體在不同尺度的孔隙空間中的分布狀況，孔道小T2弛豫時(shí)間短，孔道大T2弛豫時(shí)間長［15］。圖2中最外層曲線為巖心中飽和水狀態(tài)時(shí)的T2譜，最里層曲線為飽和水巖心離心之后的T2譜，此離心力是指當(dāng)離心力達(dá)到一定值后巖心的含水飽和度不再變化時(shí)的臨界離心力，通過對(duì)比兩條譜線的變化可以確定可動(dòng)流體的T2截止值(圖2中豎虛線位置)，小于此T2截止值的圖譜反映了驅(qū)替中不可動(dòng)用的流體所占據(jù)的孔隙信息，而大于此T2截止值的圖譜則反映了驅(qū)替中可動(dòng)用流體所占據(jù)的孔隙信息［16-17］。巖心離心之后再進(jìn)行水驅(qū)時(shí)，會(huì)得到新的T2譜，如圖2中中間曲線所示，與離心之后的T2圖譜相比，T2截止值前后的譜線幅度均有一定量的增長，這反映了驅(qū)替可動(dòng)孔隙和驅(qū)替不可動(dòng)孔隙中的流體量均有增加，驅(qū)替可動(dòng)用孔隙中流體含量的增加(圖2中淺灰色面積，驅(qū)替量)由壓差作用引起，而驅(qū)替不可動(dòng)用孔隙中流體含量的增加(圖2中深灰色面積，滲吸量)則主要由毛管力產(chǎn)生的滲吸作用引起。通過計(jì)算水驅(qū)前后T2譜線的幅度變化，便可計(jì)算滲吸效率和驅(qū)替效率，計(jì)算公式為

式中，η1為滲吸效率，%;η2為驅(qū)替效率，%;v1為飽和含水量;v2為滲吸量;v3為驅(qū)替量;v4為離心后剩余含水量。

圖1 裂縫與基質(zhì)交滲流動(dòng)物理模型示意圖Fig.1 Sketch map of physical model of fluid flow between fracture and matrix

圖2 滲吸過程核磁共振圖譜Fig.2 NMRspectrums in the course of imbibition

2 試驗(yàn)步驟

利用核磁共振研究火山巖動(dòng)態(tài)滲吸效率的具體試驗(yàn)步驟如下:

(1)巖心選取。本試驗(yàn)共選取大慶徐深氣田火山巖氣藏巖心17塊，氣測(cè)滲透率為(0.01～0.92)× 10－3μm2，孔隙度為4.47% ～10.20%。

(2)人工造縫。含天然裂縫的巖心難以獲得，為此采用人工壓裂方式造縫。使用C型CARVERLABORATORY PRESS儀器為巖心施壓至10.4～17.3 MPa以使巖心壓裂，將壓裂后的巖心沿縫對(duì)合并置于巖心夾持器內(nèi)，外加30 MPa圍壓放置10 h。

(3)將巖心烘干，并抽真空飽和水。

(4)將飽和巖心放入離心機(jī)中加以不同的離心力，并測(cè)量不同離心力作用后的核磁圖譜。

(5)將離心后的巖心烘干，并抽真空飽和水。

(6)測(cè)量飽和巖心的核磁共振T2譜。

(7)將巖心置于夾持器內(nèi)并外加5 MPa圍壓，用加濕氮?dú)怛?qū)替巖心至束縛水狀態(tài)，驅(qū)替壓差為1 MPa。

(8)測(cè)量束縛水狀態(tài)下的核磁共振T2譜。

(9)用防水膠布封堵巖心兩端的基質(zhì)部分而只保留裂縫，將處理后的巖心置于夾持器內(nèi)，并用模擬地層水以一恒定的流速驅(qū)替巖心，模擬動(dòng)態(tài)滲吸過程。

(10)測(cè)量不同注入體積倍數(shù)下的核磁共振T2譜。

(11)對(duì)每種狀態(tài)下的T2譜進(jìn)行分析，計(jì)算滲吸效率。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 滲吸效率的定量分析

飽和水巖心的離心試驗(yàn)表明，隨著離心力的增大，巖心的含水飽和度會(huì)降低，但當(dāng)離心力達(dá)到一定值時(shí)，含水飽和度變化幅度會(huì)很小甚至不再變化，稱此離心力值為下限離心力。選取的12塊不同類型的火山巖巖心在不同離心力下的含水飽和度變化規(guī)律基本一致，如圖3所示。當(dāng)離心力大于2.76 MPa時(shí)，各不同巖心巖樣含水飽和度基本趨于恒定而不再隨離心力的增大而降低，由此確定飽和水火山巖巖心的下限離心力為2.76 MPa，通過測(cè)量此離心力下的核磁共振T2譜，可確定各自巖心的T2截止值。

圖3 含水飽和度與離心力關(guān)系Fig.3 Relationship between water saturation and centrifugal force

圖4為試驗(yàn)巖心在飽和水狀態(tài)、氣驅(qū)之后(滲吸前狀態(tài))和水驅(qū)之后(滲吸后狀態(tài))的核磁共振T2圖譜。由前述新方法的分析可知，動(dòng)態(tài)滲吸發(fā)生后含水量的增加由驅(qū)替和滲吸兩種機(jī)制產(chǎn)生，由T2截止值則可確定各自貢獻(xiàn)量。通過測(cè)量下限離心力下的核磁共振T2圖譜，可確定此巖心的T2截止值為19.07 ms，通過計(jì)算動(dòng)態(tài)滲吸結(jié)束后核磁共振T2圖譜的變化則可以分別計(jì)算得到試驗(yàn)巖心動(dòng)態(tài)滲吸過程中的滲吸效率為7.52%，驅(qū)替效率為37.25%。

圖4 試驗(yàn)巖心滲吸結(jié)果Fig.4 Imbibition results of experimental core

3.2 驅(qū)替速度的影響

圖5 驅(qū)替速度與巖石含水飽和度及滲吸效率的關(guān)系Fig.5 Relationship among core water saturation，imbibition efficiency and displacement rate

圖5是初始狀態(tài)為束縛水條件時(shí)，不同驅(qū)替速度下的巖心含水飽和度及滲吸效率。由圖5可以看出，最終含水飽和度和滲吸效率都隨驅(qū)替速度的增大先增大后減小，在0.04 mL/min時(shí)最終含水飽和度和滲吸效率都達(dá)到最大值，分別為 93%和11.93%。發(fā)生此現(xiàn)象的原因在于在低驅(qū)替速度下被擠出的氣體得不到充分的驅(qū)替，而在高流速下沒有足夠的液體被毛管力滲吸入小喉道，小孔道中氣體不能得到充分地滲吸替換，所以在過低或過高的流速下滲吸作用都得不到充分發(fā)揮，只有在某一最佳流速下滲吸作用和驅(qū)替作用達(dá)到平衡時(shí)才能實(shí)現(xiàn)驅(qū)替和滲吸的最大化。但從圖6還可以看出:在進(jìn)水初期(0～5倍注入體積)驅(qū)替速度越慢，巖心含水率上升越快，因?yàn)樵诔跗谶M(jìn)水過程中，液體首先填充的是大孔道，在低的驅(qū)替速度下液體能充分填充，此時(shí)主要發(fā)生的是驅(qū)替作用;隨著注入倍數(shù)的增加，流體在裂縫與基質(zhì)之間發(fā)生交滲流動(dòng)的時(shí)間增加，滲吸作用才慢慢增強(qiáng)。

圖6 注入體積倍數(shù)與含水飽和度關(guān)系Fig.6 Relationship between water saturation and injected times pore volume

3.3 初始含水飽和度的影響

圖7為同一巖心不同驅(qū)替速度下初始含水飽和度與最終滲吸效率之間的關(guān)系。由圖7可以看出，隨著初始含水飽和度的增加滲吸效率逐漸降低，在低含水階段(含水飽和度為0～40%)，滲吸效率相對(duì)較高而且下降緩慢，當(dāng)含水飽和度達(dá)到80%后，滲吸效率較低而且呈急速下降的趨勢(shì)。因?yàn)槌跏紶顟B(tài)的含水飽和度越低，被束縛水占據(jù)的小孔道越少，留給后期進(jìn)水過程中發(fā)生滲吸作用的空間則越大，所以最終滲吸效率也越大;當(dāng)初始狀態(tài)的含水飽和度較高時(shí)小孔道已經(jīng)被束縛水占滿，留給后期進(jìn)水過程中發(fā)生氣液交換的空間變小，滲吸作用弱，所以初始狀態(tài)的含水飽和度越高時(shí)其最終滲吸效率則越低。

圖7 初始含水飽和度與最終滲吸效率的關(guān)系Fig.7 Relationship between final imbibition efficiency and initial water saturation

3.4 不同滲吸狀態(tài)的影響

圖8為4塊不同巖性的巖心在不同滲吸狀態(tài)下滲吸效率對(duì)比。從圖8中可以看出，同一巖心的不同滲吸狀態(tài)中干巖心的靜態(tài)滲吸效率最大，其動(dòng)態(tài)滲吸效率次之，束縛水條件下巖心的滲吸效率最低。在實(shí)際的氣藏開發(fā)過程中幾乎沒有靜態(tài)滲吸作用，因此干巖心的動(dòng)態(tài)滲吸可以看成實(shí)際條件下的滲吸作用上限值。

圖8 不同巖性巖心的滲吸效率Fig.8 Imbibition efficiency in different kinds of cores

4 結(jié)論

(1)動(dòng)態(tài)滲吸效率隨驅(qū)替速度的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，在最佳流速時(shí)達(dá)到滲吸作用和驅(qū)替作用的動(dòng)態(tài)平衡，并實(shí)現(xiàn)滲吸效率的最大化;滲吸效率隨含水飽和度的增加而降低，在低含水階段下降緩慢，在高含水階段下降較快。

(2)同一巖心中的不同滲吸狀態(tài)下，干巖心的靜態(tài)滲吸效率最大，其動(dòng)態(tài)滲吸效率次之，束縛水條件下巖心的滲吸效率最低。干巖心的動(dòng)態(tài)滲吸可以看成實(shí)際條件下的滲吸效率的上限值。

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A new method of researching gas-water dynamic imbibition efficiency in volcanic gas reservoir

JIANG Wei-dong1，YANJun2，YANG Zheng-ming2

(1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Beijing102249，China; 2.Research Institute of Petroleum Exploration＆Development，Langfang Branch，Langfang065007，China)

Most of volcanic gas reservoirs are water-bearing gas reservoirs with holes and fractures.In order to find out the degree and influencing factors of the gas-water dynamic imbibition in the development of volcanic gas reservoir，a new method was established to quantitatively study the dynamic imbibition efficiency using petrophysical simulations，NMRand centrifugal experiment technology.The feasibility of this method was proved by experiments using real cores from Daqing volcanic gas reservoir.The results show that the efficiency of dynamic imbibition rate increases at the beginning and then declines with the increase of the displacement rate.The imbibition and the displacement reach dynamic balance at a flow rate of 0.04 mL/ min，and the maximum imbibition efficiency is achieved at this rate.The imbibition efficiency decreases with the increase of initial water saturation.The imbibition efficiency of the same core is different in different imbibition states.The static imbibition efficiency of dry core is the highest，the dynamic imbibition of dry core takes the second place，and the imbibition efficiency of core with bound water is the lowest.

volcanic rocks;gas reservoir;nuclear magnetic resonance;dynamic imbibition;imbibition efficiency

TE 311

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.01.017

1673-5005(2012)01-0101-05

2011－12－05

國家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2007CB209500)

蔣衛(wèi)東(1969－)，男(漢族)，河北昌黎人，高級(jí)工程師，博士研究生，從事油氣田開發(fā)工程研究。

(編輯 李志芬)