致密砂巖氣藏氣水驅(qū)替微觀滲流特征研究
——以蘇南上古生界盒8、山1儲層為例

付曉燕，羅靜蘭，楊 勇，夏勇輝，馮 淵

(1．中國石油長慶油田公司勘探開發(fā)研究院，陜西西安 710021；2．低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室；3.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系;4.中國石油長慶油田公司氣田開發(fā)處)

致密砂巖氣藏氣水驅(qū)替微觀滲流特征研究
——以蘇南上古生界盒8、山1儲層為例

付曉燕1,2，羅靜蘭3，楊 勇1,2，夏勇輝4，馮 淵1,2

(1．中國石油長慶油田公司勘探開發(fā)研究院，陜西西安 710021；2．低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室；3.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系;4.中國石油長慶油田公司氣田開發(fā)處)

為了研究致密砂巖氣藏氣水兩相驅(qū)替微觀滲流特征，以蘇南地區(qū)上古生界盒8、山1低滲透致密砂巖儲層為例，利用真實砂巖薄片模型和微觀可視化技術(shù)，實驗?zāi)M了氣水兩相驅(qū)替過程中流體的滲流特征及殘余水、氣的分布規(guī)律。根據(jù)樣品微觀孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)程度及實驗結(jié)果將驅(qū)替類型分為3類，Ⅰ類為網(wǎng)狀-均勻活塞式驅(qū)替，非均質(zhì)性弱，啟動壓力低，驅(qū)替效率高，為優(yōu)勢儲層；Ⅲ類指狀非活塞式驅(qū)替，為差儲層，孔喉半徑大小差異在5～10 μm內(nèi)，容易形成指狀驅(qū)替；Ⅱ類為指狀-網(wǎng)狀非活塞式驅(qū)替，介于Ⅰ類和Ⅲ類之間。蘇南地區(qū)儲層以Ⅲ類和Ⅱ類為主，對于此類非均質(zhì)致密砂巖氣藏的開發(fā)，合理控制采氣速度有利于提高采收率。

致密砂巖氣藏；驅(qū)替實驗；非均質(zhì)性；滲流特征

近年來國內(nèi)在油氣藏開發(fā)方面開展了大量的兩相滲流模擬實驗，這些實驗主要以水驅(qū)油實驗、氣水兩相驅(qū)替實驗為主[1-4]。在眾多的模型中，真實砂巖模型保持了原巖心孔隙結(jié)構(gòu)、巖石表面物理性質(zhì)及部分填隙物[5]，把儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和動態(tài)滲流特征直觀地展現(xiàn)出來[6]。實驗人員可以對流體的滲流特征和殘余油氣的形成過程及分布形態(tài)進(jìn)行直接觀察，了解剩余油氣分布的影響因素。本文以蘇南(蘇格氣田南部)地區(qū)上古生界盒8、山1致密砂巖儲層為研究對象，進(jìn)行了真實砂巖微觀模型氣驅(qū)水和水驅(qū)氣兩相可視化實驗。

1 真實砂巖微觀驅(qū)替實驗設(shè)計

1.1 實驗?zāi)Ｐ团c實驗流體

真實砂巖模型是由實際巖心經(jīng)抽提、烘干、切片、磨平等工序之后，黏貼在兩片玻璃之間制作而成的。實驗?zāi)Ｐ蜆悠烦叽鐬?.8 cm×2.5 cm×0.6 mm，承壓能力為0.2～0.3 MPa，耐溫能力為80 ℃左右。

實驗所注入的流體為配制的地層水加入甲基藍(lán)，黏度為1.051 mPa·s；實驗中使用的氣體為氮氣；在常溫下進(jìn)行實驗。

1.2 實驗設(shè)備及流程

微觀模型實驗系統(tǒng)包括抽真空系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、顯微鏡觀察系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)四個部分組成。實驗儀器及實驗流程見圖1。

圖1 真實砂巖模型驅(qū)替實驗流程

2 砂巖微觀驅(qū)替實驗過程及結(jié)果

2.1 抽真空飽和水及測試液體滲透率

在進(jìn)行驅(qū)替實驗前，首先依據(jù)模型的實際尺寸和實測孔隙度計算出每一模型的孔隙體積。然后再將模型抽真空并飽和水，測試模型的液體滲透率。20個砂巖樣品中由于8塊樣品過于致密而使實驗無法進(jìn)行，完成該實驗的12個樣品均勻分布在氣田范圍內(nèi)，其基本物性參數(shù)見表1，平均孔隙度9.1%，平均滲透率0.387×10-3μm2，屬于典型的致密砂巖低滲透儲層。

表1 模型基本物性參數(shù)及氣驅(qū)水過程相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計

2.2 氣驅(qū)水至束縛水狀態(tài)

2.2.1 實驗過程

該實驗的目的是對氣藏形成過程進(jìn)行實驗室條件下的模擬。具體實驗過程為：對模型樣品進(jìn)行逐步加壓，直到加大至模型完全飽和氣時(只出氣不出水)的壓力點，即氣驅(qū)水至樣品中只剩下束縛水為止。同時記錄飽和氣過程中進(jìn)入模型中氣的體積(模型中氣的體積=入口端氣推進(jìn)的體積-出口端氣排走的體積)，得出含氣飽和度Sgi，并計算出最終的氣驅(qū)效率。同時，通過鏡下詳細(xì)觀察，分析氣驅(qū)水過程中殘余水的成因及其分布特征。模型經(jīng)過抽真空、飽和水后，其潤濕性是親水的，因此氣驅(qū)水過程可以認(rèn)為是非潤濕相驅(qū)替潤濕相的過程。

2.2.2 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果顯示，由于各模型物性及微觀孔隙結(jié)構(gòu)上的差異，在給定的注入壓力下，飽和氣過程是不均一的，在孔隙結(jié)構(gòu)差、滲透率低的模型孔隙中進(jìn)氣很少甚至不進(jìn)氣。12塊真實砂巖模型的飽和氣啟動壓力30～140 kPa，平均值為56.7 kPa，最終氣驅(qū)效率為35%～92%，平均值69%(表1)。

氣驅(qū)水過程中殘余水的成因及其分布主要表現(xiàn)為以下三種形式：

(1)氣體流經(jīng)連通較好的大孔隙和微裂縫時優(yōu)先沿較大孔隙-裂縫通道流過，繼而繞過小孔隙，使一部分水殘留在小孔隙中，形成較大面積的殘余水，但隨著驅(qū)替壓力的不斷增大，小孔隙中的殘余水會逐漸減少。

(2)氣體通過喉道進(jìn)入孔隙時常發(fā)生卡斷現(xiàn)象，壓力較高時被卡斷的氣體在孔隙中重新聚合，并在通過下一個喉道進(jìn)入孔隙時可能發(fā)生再次卡斷現(xiàn)象，最終形成殘余水。

(3)隨著驅(qū)替壓力逐漸增大，氣驅(qū)水的通道不斷增多，氣從大孔隙進(jìn)入小孔隙并使其中的水不斷被排出。但在部分孔隙盲端或角隅、顆粒邊緣夾縫和礦物破裂解理縫中的水，由于毛細(xì)管力和巖石表面物理性質(zhì)(潤濕性、界面張力)的作用，仍被殘留下來形成殘余水。

2.3 水驅(qū)氣至殘余氣狀態(tài)

2.3.1實驗過程

在樣品模型飽和氣狀態(tài)下，用配制好的地層水作為注入流體，在不同壓力下將該流體注入樣品中，記錄不同壓力下出口端水驅(qū)出的氣體積，計算不同壓力下殘余氣飽和度Sgr(Sgr=1-出口端水驅(qū)出的氣體積/飽和氣的體積),記錄不同壓力下注入水的面積波及系數(shù)(最終以水驅(qū)氣效率=出口端水驅(qū)出的氣體積/原始含氣飽和度Sgi表示出來)。通過顯微鏡直觀觀察，用圖像處理系統(tǒng)對各種特征現(xiàn)象進(jìn)行拍照和錄像，分析水驅(qū)前緣的推進(jìn)規(guī)律、兩相同流及殘余氣的形成與分布特征，總結(jié)氣水驅(qū)替方式及驅(qū)替類型。

2.3.2 驅(qū)替類型

研究區(qū)盒8、山1儲層模型樣品水驅(qū)氣特征和氣驅(qū)水特征相似，多數(shù)模型注入水滲流路徑為先前氣驅(qū)水過程中形成的通道，反映了油氣開始進(jìn)入油氣藏所走的路徑與油氣被注入水驅(qū)出時的滲流路徑基本相同。

從模型水驅(qū)氣實驗中可見，由于模型表面潤濕性和孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)的共同作用，水驅(qū)氣方式主要表現(xiàn)為活塞式和非活塞式兩種。活塞式體現(xiàn)為注入水在孔喉中能夠均勻地將氣驅(qū)走，驅(qū)氣效果總體較好；非活塞式體現(xiàn)為注入水首先沿著潤濕性沒發(fā)生變化的大孔喉前進(jìn)，驅(qū)替速度不均勻，極易形成殘余氣。根據(jù)樣品微觀孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)程度及模型水驅(qū)氣實驗結(jié)果，可將蘇南地區(qū)盒8、山1段砂巖儲層的驅(qū)替類型分為三類(表2)。

Ⅰ類：網(wǎng)狀-均勻活塞式驅(qū)替。該類儲層孔隙發(fā)育，儲集空間以原生粒間孔+溶孔+晶間微孔組合形式出現(xiàn)，孔隙面孔率大于6%，平均孔隙半徑大于100 μm，峰值喉道半徑大于2.5 μm，氣測孔隙度6.1%～13.1%，孔喉大小及分布較均勻且連通性好，氣測滲透率(0.08～0.22)×10-3μm2，滲透率級差小，微觀非均質(zhì)性較弱，形成活塞式網(wǎng)狀-均勻滲流路線。啟動壓力低，水在入口端先沿幾個低阻力通道網(wǎng)狀均勻突進(jìn)，很快在出口端突破，之后波及面積逐漸擴(kuò)大，最終波及到樣品的幾乎所有孔隙中，驅(qū)氣效率高，為優(yōu)勢儲層。從樣品數(shù)分類來看，研究區(qū)Ⅰ類儲層較少，僅有25%。

表2 盒8、山1段真實砂巖微觀模型驅(qū)替類型分類

注：數(shù)字結(jié)構(gòu)為：分布范圍/平均值

Ⅱ類：指狀-網(wǎng)狀非活塞式驅(qū)替。該類儲層孔隙較為發(fā)育，儲集空間以溶孔+晶間微孔+微裂隙組合形式出現(xiàn)，孔隙面孔率4%～6%，孔隙半徑50～100 μm，峰值喉道半徑1.5～2.5 μm，氣測孔隙度4.9%～13.6%，孔喉分布較均勻，氣測滲透率(0.12～1.41)×10-3μm2，級差較大，微觀非均質(zhì)性較強(qiáng)，一般形成非活塞式指狀-網(wǎng)狀滲流路線。啟動壓力較高，水驅(qū)前緣呈指狀與網(wǎng)狀交叉突進(jìn)，突破后在后緣形成網(wǎng)狀水驅(qū)通道，隨著驅(qū)替的進(jìn)行，網(wǎng)格逐漸變小、變密，最終驅(qū)氣效率較高，為較好儲層。研究區(qū)Ⅱ類儲層較為發(fā)育，比例占到33%。

Ⅲ類：指狀非活塞式驅(qū)替。該類儲層巖性總體較為致密，儲集空間一般以少量溶孔+晶間微孔組合形式出現(xiàn)，孔隙面孔率小于4%，孔隙半徑小于50 μm，峰值喉道半徑小于1.5 μm，氣測孔隙度4.5%～13.4%，孔喉大小及分布極不均勻，氣測滲透率(0.02～0.71)×10-3μm2，滲透率級差大，微觀非均質(zhì)性強(qiáng)。但局部孔隙發(fā)育且連通性好，易形成非活塞式指狀滲流路線。水驅(qū)初期啟動壓力高，入口前緣成不規(guī)則指狀分布，隨著水驅(qū)的進(jìn)行，指狀突進(jìn)帶逐漸變寬并連成一片，沒有連片的地方形成了繞流殘余氣，最終驅(qū)氣效率低，為差儲層。根據(jù)驅(qū)替過程鏡下詳細(xì)觀察與統(tǒng)計，結(jié)合相關(guān)恒速壓汞實驗結(jié)果，樣品孔道半徑大小差異在5～10 μm范圍內(nèi)容易形成指狀驅(qū)替。研究區(qū)Ⅲ類儲層最為常見，比例占到42%。

2.3.3 水驅(qū)前緣的推進(jìn)規(guī)律

水驅(qū)氣實驗可模擬研究含水氣藏在開發(fā)過程中的氣-水滲流機(jī)理與水驅(qū)前緣的推進(jìn)規(guī)律。這里引入毛管數(shù)的概念，毛管數(shù)是由20世紀(jì)中期Taber等提出的[7]，表示在一定潤濕相和一定滲透率的孔隙介質(zhì)中兩相流動時，驅(qū)替動力(黏滯力)與阻力(毛管力)之比。毛管數(shù)越大，殘余氣飽和度越低，驅(qū)替效率越高，這是毋庸置疑的。但并非所有氣藏都可以通過無限制地提高驅(qū)替速度增大毛管數(shù)，進(jìn)而提高驅(qū)替效率，因為這一理論公式是以單一均勻毛管孔道模型為基礎(chǔ)建立的。對于實際低滲透致密儲層油氣水滲流規(guī)律，前人曾做過大量系統(tǒng)深入的研究[8-10]，結(jié)果表明，低滲透儲層存在水驅(qū)的最佳滲流速度，即水驅(qū)親水巖心過程中是潤濕相驅(qū)替非潤濕相，當(dāng)滲流速度較低時，易于發(fā)揮毛管力的吸水排氣作用；當(dāng)滲流速度較高時，則主要發(fā)揮驅(qū)動力即黏滯力的作用；當(dāng)二者的作用都充分發(fā)揮時，即為最佳驅(qū)替速度。

本次水驅(qū)氣實驗過程顯示，低流速時(0.003和0.006 mL/min)，黏滯力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于毛管力，水的潤濕作用及毛細(xì)管力的自發(fā)滲吸作用使水前緣發(fā)生毛細(xì)管指狀推進(jìn)，水能深入前緣很遠(yuǎn)；隨著流速的增大，黏滯力大小接近于毛管力時，毛細(xì)管指進(jìn)現(xiàn)象逐漸減弱；當(dāng)流速增大到一定程度(0.8～1 mL/min)時，黏滯力與毛管力達(dá)到了較好的匹配，基本看不到毛細(xì)管指進(jìn)現(xiàn)象，水同時進(jìn)入大孔道與小孔道，水前緣呈現(xiàn)比較均勻的推進(jìn)。對于非均質(zhì)致密砂巖氣藏來說，只有采氣速度增大到一定程度，即黏滯力與毛管力達(dá)到較好的匹配時，采收率才能最大化。

2.3.4 兩相同流時氣被卡斷現(xiàn)象及其運移特點

當(dāng)壓力與流量較低時，孔隙中的氣在水前緣以活塞式移動，當(dāng)水突破模型出口后，剩余氣體基本不再被驅(qū)出；當(dāng)壓力增加、水驅(qū)流速增大后，盡管水前緣已經(jīng)到達(dá)了模型出口，但孔隙中剩余的氣體仍以卡斷的小氣泡形式繼續(xù)被驅(qū)出；當(dāng)壓力更高、流量進(jìn)一步增大后，水在突破到出口前就發(fā)生兩相同流現(xiàn)象。由于隨著驅(qū)替的進(jìn)行壓力逐漸升高，原先部分孔隙中繞流的氣體將被繼續(xù)驅(qū)走，當(dāng)壓力高到足以克服堵塞喉道的氣體毛細(xì)管阻力時，則氣體以氣柱或被卡斷成氣泡的形狀在孔道中央流動，作為潤濕相的水則沿壁運移。這種現(xiàn)象在流動速度較高時更明顯，由于驅(qū)替速度高，水推進(jìn)快，驅(qū)替更不穩(wěn)定，在水突破到出口前就存在兩相同流現(xiàn)象。

2.3.5 殘余氣的形成與分布

水驅(qū)氣過程中由于水是潤濕相，它能沿壁運移到砂巖模型的各個小喉道，從而把氣圈閉在大孔隙或大孔隙群中，流速越低這種現(xiàn)象越明顯。隨著水驅(qū)流速的增大，大孔隙中的氣體以不規(guī)則的氣柱形式滯留時，周圍的水膜較厚，水繞過氣柱流動，使大孔隙中的氣體以不規(guī)則的氣泡形式殘留，或在前方阻力較大的小喉道前形成一些滯留的小氣珠?？偟膩碚f，滲吸實驗結(jié)束后的氣水分布特征是隨流速的增加，殘余氣體將減少。

3 結(jié)論

(1)蘇南地區(qū)上古生界盒8、山1儲層物性差，平均孔隙度9.1%，平均滲透率0.387×10-3μm2，是典型的低滲透致密砂巖儲層。

(2)氣驅(qū)水實驗飽和氣啟動壓力為30～140 kPa，平均56.7 kPa，最終氣驅(qū)效率為35%～92%，平均69%。繞流和被卡斷的水體是殘余水的主要分布形式，也有部分孔隙盲端或角隅、顆粒邊緣夾縫和礦物破裂解理縫中的殘余水等形式。

(3)在水驅(qū)氣過程中，當(dāng)驅(qū)動壓力較大、流動速度較高時，會發(fā)生氣-水兩相同流現(xiàn)象，殘余氣主要以不規(guī)則的氣泡或小氣珠形式存在。

(4)根據(jù)儲層孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)程度，將盒8、山1砂巖驅(qū)替類型分為三類，Ⅰ類為網(wǎng)狀-均勻活塞式驅(qū)替，為優(yōu)勢儲層，非均質(zhì)性弱，啟動壓力低，驅(qū)替效率高；Ⅲ類為指狀非活塞式驅(qū)替，為差儲層，孔喉半徑大小差異在5～10 μm內(nèi)，容易形成指狀驅(qū)替；Ⅱ類為指狀-網(wǎng)狀非活塞式驅(qū)替，介于Ⅰ類和Ⅲ類之間。研究區(qū)儲層以Ⅲ類和Ⅱ類為主。

(5)對于非均質(zhì)致密砂巖氣藏的開發(fā)，當(dāng)采氣速度或者毛管數(shù)增大到一定程度，即黏滯力與毛管力達(dá)到較好的匹配時，采收率最高。

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編輯：李金華

1673-8217(2015)06-0131-04

2015-05-07

付曉燕，工程師，碩士，1978年生，2006年畢業(yè)于西北大學(xué)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，現(xiàn)主要從事氣田開發(fā)研究工作。

中國石油重大專項“低/特低滲透油藏有效開發(fā)技術(shù)研究-長慶油田油氣當(dāng)量上產(chǎn)5000萬噸關(guān)鍵技術(shù)研究”(2011E-1306)。

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