氣水相滲特征與高溫高壓實(shí)驗(yàn)研究

鐘曉 杜建芬

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500)

1 氣水相滲研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)氣水相滲特征的研究較早。Cloud和Gardescu等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，兩相流體在多孔介質(zhì)中同時(shí)流動(dòng)時(shí)，由于賈敏效應(yīng)的存在，每一相的滲透性都會(huì)大大降低。1937年，Muskat等人首次發(fā)現(xiàn)同一巖心的氣測(cè)滲透率值比水測(cè)滲透率值高，且?guī)r心的滲透率越低，這種差異越明顯。Klinkenberg提出了氣體在微管流動(dòng)中的滑脫效應(yīng)。Leverett等人的研究表明，水相和氣相的相對(duì)滲透率僅僅是它們各自的飽和度的函數(shù)。

國(guó)內(nèi)對(duì)氣水相滲特征的研究較晚［1-9］。近些年，很多學(xué)者開始關(guān)注這一領(lǐng)域并開展了一系列的研究，也取得了一些實(shí)質(zhì)性的成果。任曉娟和閻慶來(lái)通過(guò)巖心實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低滲巖心中存在殘余水時(shí)，巖心中氣體的滲流形態(tài)與巖心滲透率、含水飽和度以及壓力梯度大小有關(guān)。同年，江義容等人對(duì)氣水相對(duì)滲透率特征的研究表明，基準(zhǔn)滲透率不準(zhǔn)確或失真是導(dǎo)致氣相相對(duì)滲透率大于1的原因之一。周克明等人建立了孔隙結(jié)構(gòu)的分形模型，從而可以快速準(zhǔn)確地獲得氣水相對(duì)滲透率。張鳳東等人利用逾滲模型求取氣水相對(duì)滲透率，為致密氣藏開發(fā)中流體滲流的理論計(jì)算提供了一條新的途徑。朱光亞等人針對(duì)低滲砂巖氣藏建立了符合氣水耦合滲流特征的廣義達(dá)西滲流模型，推導(dǎo)了氣水兩相穩(wěn)態(tài)徑向滲流問(wèn)題的半解析解。王星等人根據(jù)Thomas模型，并考慮啟動(dòng)壓力梯度，建立了低滲裂縫性氣藏三維氣水兩相全隱式滲流數(shù)學(xué)模型。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣水相滲的研究基本上停留在常溫常壓條件下，針對(duì)高溫高壓條件下的氣水相滲特征的研究相對(duì)較少。Edmondson，Weinbrandt等人早期的研究表明，溫度對(duì)氣水相對(duì)滲透率有一定影響，尤其在界面張力較低時(shí)，作用更加明顯。辛諾克羅特研究了高溫對(duì)灰?guī)r和砂巖的氣水相滲曲線的影響，當(dāng)溫度增加時(shí)，水的相對(duì)滲透率降低，而氣的相對(duì)滲透率增加。Chowdiah使用Mesaverde地層的砂巖研究了在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定高壓條件下巖心氣水相滲的方法，通過(guò)該方法繪制出的驅(qū)替和滲析過(guò)程的氣水相對(duì)滲透率曲線結(jié)果理想。易敏等人設(shè)計(jì)了一套回壓裝置進(jìn)行高溫高壓非穩(wěn)態(tài)水驅(qū)氣相對(duì)滲透率的測(cè)定，突破了水驅(qū)氣相對(duì)滲透率曲線只能用穩(wěn)態(tài)法實(shí)現(xiàn)的局限，使氣水相對(duì)滲透率的測(cè)定具有快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。董平川等人研究了地層溫度和壓力條件下的多相滲流特征，得到了氣水兩相滲流的相滲曲線，結(jié)果表明:地層條件下低孔低滲巖石的氣水兩相共滲能力較弱，而含裂縫或孔洞的高孔高滲巖石的氣水兩相共滲區(qū)較寬，驅(qū)替效率較高。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣水相滲特征和相滲模型的研究基本上都只針對(duì)常溫常壓條件，也有涉及到高溫或高壓的情況，但沒有同時(shí)考慮高溫和高壓條件，且壓力最高也只有45 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到實(shí)際氣田的開發(fā)環(huán)境(如塔里木克深井區(qū)的溫度壓力分別為160℃、110 MPa)。

2 氣水相對(duì)滲透率特征及影響因素

低滲氣藏的核磁共振和增壓氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，巖心孔隙中存在可動(dòng)水和殘余水，隨著氣驅(qū)壓力增加，小孔隙中的部分殘余水會(huì)被驅(qū)出。當(dāng)巖心中含水時(shí)，氣體由單相滲流變成氣、水兩相滲流，水對(duì)氣體滲流產(chǎn)生了影響，增加了氣體滲流的阻力，氣體滲流時(shí)存在啟動(dòng)壓力［10-12］。

雙重介質(zhì)中的氣水流動(dòng)有2個(gè)過(guò)程:一是氣體的吸附過(guò)程，二是氣體通過(guò)原生孔隙的運(yùn)移過(guò)程。裂縫性地層中的氣水流動(dòng)分為3種:水竄、繞流和卡斷;4個(gè)流動(dòng)階段:靜止、運(yùn)動(dòng)、卡住和卡斷。

研究表明［13］，影響氣水相對(duì)滲透率的因素主要有流體飽和度、初始潤(rùn)濕相飽和度、巖石物性、流體潤(rùn)濕性、飽和歷史(滯后效應(yīng))、黏度、表面張力及毛細(xì)管出口現(xiàn)象。

2.1 潤(rùn)濕性

潤(rùn)濕性是控制儲(chǔ)層巖石中流體的位置、流動(dòng)和空間分布的主要因素。它決定了儲(chǔ)層中氣水兩相的相對(duì)位置，由于它影響了氣水相的分布，也就影響了氣水兩相的相對(duì)滲透率。

2.2 滯后效應(yīng)(飽和歷史)

滯后效應(yīng)是指孔隙介質(zhì)對(duì)一種流體在一定飽和度下的相對(duì)滲透率依賴于該飽和度是從高值達(dá)到的還是從低值達(dá)到的。滯后現(xiàn)象與巖石的孔隙大小分布和膠結(jié)性有關(guān)。

2.3 溫度

隨著溫度的升高，氣水兩相滲流區(qū)變寬，同時(shí)隨著含水飽和度的減小，氣相相對(duì)滲透率增大的越來(lái)越快，束縛水飽和度所對(duì)應(yīng)的氣相相對(duì)滲透率值隨溫度增大而增大;水相相對(duì)滲透率隨含水飽和度的降低而減小的趨勢(shì)較為緩慢。由此可知，高溫對(duì)氣驅(qū)水是有利的。但溫度過(guò)高對(duì)滲流是不利的，較理想的溫度應(yīng)該是低于且接近140℃。

2.4 壓力

在巖心溫度為140℃時(shí)，排驅(qū)壓力越高，對(duì)氣水兩相滲流越有利。高壓下氣相和水相的相對(duì)滲透率比低壓情況下的大，兩相滲流區(qū)也比低壓情況下的寬;同時(shí)壓力越高，氣相相對(duì)滲透率隨含水飽和度的降低而增大的幅度也較大，水相相對(duì)滲透率隨含水飽和度的降低而減小的幅度也變得較緩慢，束縛水飽和度所對(duì)應(yīng)的氣相相對(duì)滲透率值也越高。因此可知，高壓對(duì)氣驅(qū)水有利，較理想的排驅(qū)壓力在40 MPa左右。

3 高溫高壓氣水相滲實(shí)驗(yàn)研究

測(cè)定氣水相對(duì)滲透率的方法一般分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件非常耗時(shí)。非穩(wěn)態(tài)法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試速度相對(duì)較快;缺點(diǎn)是末端效應(yīng)明顯，驅(qū)替壓力較高，產(chǎn)出液計(jì)量難度大。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)氣水相滲實(shí)驗(yàn)的研究絕大多數(shù)在常溫常壓條件下實(shí)現(xiàn)，本文重點(diǎn)介紹4種在高溫高壓條件下的氣水相滲實(shí)驗(yàn)流程。

低滲透非均質(zhì)樣品穩(wěn)態(tài)氣水相對(duì)滲透率的試驗(yàn)流程見圖1。模擬地層溫度130℃，地層壓力45 MPa。與常規(guī)穩(wěn)態(tài)法測(cè)試流程相比，該流程增加了的高壓加濕器，保證進(jìn)入巖心的氣體是高壓氣體，壓力傳感器可以時(shí)刻監(jiān)測(cè)巖心入口端的壓力。

圖1 低滲透非均質(zhì)樣品穩(wěn)態(tài)氣水相對(duì)滲透率試驗(yàn)流程圖

用穩(wěn)態(tài)法對(duì)Berea砂巖進(jìn)行氣水相滲的實(shí)驗(yàn)裝置見圖2，實(shí)驗(yàn)測(cè)定的溫度分別是120.1℃，150.8℃和170.2℃。流程中的平衡室用來(lái)監(jiān)測(cè)巖樣中水的飽和度，巖樣進(jìn)出口處的氣體流速可以用水的注入或產(chǎn)出速度、氣體的溫度和實(shí)驗(yàn)測(cè)定的壓力來(lái)綜合計(jì)算。監(jiān)測(cè)進(jìn)出口處氣體的流速是否相同，要看巖心夾持器密封性的好壞。

圖2 用穩(wěn)態(tài)法對(duì)Berea砂巖進(jìn)行氣水相滲的實(shí)驗(yàn)裝置圖

在高圍壓儲(chǔ)層支撐劑充填層中用新穩(wěn)態(tài)技術(shù)測(cè)定氣水相滲實(shí)驗(yàn)流程見圖3。其中，時(shí)域反射儀(TDR)裝置［14］能夠及時(shí)高效地測(cè)出支撐劑充填層內(nèi)部的飽和度。在一定圍壓下，將脫氣水和氮?dú)馔瑫r(shí)注入到支撐劑充填層中，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定條件時(shí)，測(cè)定壓力降和飽和度。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的最高圍壓是28 MPa。

圖3 在高圍壓儲(chǔ)層支撐劑充填層中用新穩(wěn)態(tài)技術(shù)測(cè)定氣水相滲的實(shí)驗(yàn)流程圖

非穩(wěn)態(tài)氣水相滲實(shí)驗(yàn)流程圖見圖4，該體系用于實(shí)驗(yàn)的最高壓力為 34.5 MPa，最高溫度為93.3℃［15］。回壓控制器(BPR)和巖心夾持器放置在恒溫的空氣浴裝置中。體系有2個(gè)圓頂?shù)幕貕嚎刂破?一個(gè)在巖心的出口端控制巖心內(nèi)流體的流出壓力，另一個(gè)在巖心的進(jìn)口端維持在恒壓下注入流體的累積量。

圖4 非穩(wěn)態(tài)氣水相滲實(shí)驗(yàn)流程圖

上述4種氣水相滲的實(shí)驗(yàn)流程特點(diǎn)對(duì)比見表1。主要存在以下幾點(diǎn)不足:

(1)氣體比較單一，主要是用N2，基本上沒有用天然氣做氣水相滲實(shí)驗(yàn)的。

(2)實(shí)驗(yàn)多是采用穩(wěn)態(tài)法，采用非穩(wěn)態(tài)法的相對(duì)較少。

(3)實(shí)驗(yàn)壓力比較局限，最高也只有45 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際氣藏的開發(fā)環(huán)境。

表1 氣水相滲的實(shí)驗(yàn)流程特點(diǎn)對(duì)比

4 結(jié)論

(1)國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣水相滲性質(zhì)的研究不多，尤其是在高溫高壓條件下對(duì)其研究的更少。

(2)氣水兩相在不同的介質(zhì)中有不同的流動(dòng)狀態(tài)。

(3)影響氣水相對(duì)滲透率的因素主要有:流體飽和度，初始潤(rùn)濕相飽和度，巖石物性，流體潤(rùn)濕性，飽和歷史，黏度，表面張力及毛細(xì)管出口現(xiàn)象。

(4)氣水相滲實(shí)驗(yàn)的壓力最高只有45 MPa，針對(duì)高溫高壓的氣水相滲實(shí)驗(yàn)流程還有待改進(jìn)。

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