含CO2天然氣藏氣-水相滲特征及其影響因素分析

章 星　張 璐　章 玲　陳薇薇　鄭宗能

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)， 新疆 克拉瑪依 834000；2. 西部鉆探測(cè)井公司， 新疆 克拉瑪依 834000；3. 中國(guó)石油新疆油田公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)， 新疆 克拉瑪依 834000)

?

含CO2天然氣藏氣-水相滲特征及其影響因素分析

章 星1張 璐2章 玲3陳薇薇1鄭宗能1

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)， 新疆 克拉瑪依 834000；2. 西部鉆探測(cè)井公司， 新疆 克拉瑪依 834000；3. 中國(guó)石油新疆油田公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)， 新疆 克拉瑪依 834000)

摘要：吉林油區(qū)天然氣藏富含CO2，且存在底水和裂縫。氣-水相滲流特征室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，氣-水相滲曲線形狀及特征點(diǎn)數(shù)值與實(shí)驗(yàn)條件密切相關(guān)。在相同的巖心條件下，溫度、壓力或CO2體積分?jǐn)?shù)越高，則水相相對(duì)滲透曲線偏離坐標(biāo)原點(diǎn)越遠(yuǎn)，而兩相滲流區(qū)域也越寬；同時(shí)等滲點(diǎn)向右上方移動(dòng)，且束縛水飽和度越低，則氣相相對(duì)滲透率上升越快，束縛水飽和度下的氣相相對(duì)滲透率值也越大，從而更有利于氣-水兩相滲流。

關(guān)鍵詞：含CO2天然氣藏； 氣-水相滲； 溫度； 壓力； CO2體積分?jǐn)?shù)

吉林油區(qū)含CO2天然氣藏的發(fā)現(xiàn)，大大提高了吉林油區(qū)石油天然氣的儲(chǔ)量，增強(qiáng)了該區(qū)油田的開發(fā)潛力[1-4]。該類天然氣藏中存在部分底水，儲(chǔ)層微裂縫也有所發(fā)育，為了預(yù)防底水過(guò)早錐進(jìn)，需深入進(jìn)行氣-水相滲流特征研究[5-7]。天然氣富含CO2，經(jīng)分離處理后的CO2可用于油田注氣，有利于動(dòng)用低滲透未動(dòng)用儲(chǔ)量，提高已動(dòng)用石油地質(zhì)儲(chǔ)量的采收率，實(shí)現(xiàn)溫室氣體的埋存及資源化利用[8-9]。

1氣-水相實(shí)驗(yàn)裝置與步驟

氣-水兩相相對(duì)滲透率曲線描述的是多孔介質(zhì)中微觀多相滲流動(dòng)態(tài)，是氣田開發(fā)中用于計(jì)算和預(yù)測(cè)分析的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)資料[10-11]。氣水兩相滲流描述比較復(fù)雜，其對(duì)于開發(fā)中后期氣藏描述具有重要意義[12-13]。本次研究主要通過(guò)觀察溫度、壓力、CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)氣-水兩相相對(duì)滲透率曲線的影響，分析含CO2氣藏的滲流特征和機(jī)理。

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)主體設(shè)備為美國(guó)Core Lab公司生產(chǎn)的CFS-200多功能驅(qū)替綜合系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集等功能，可用于完成地層條件下的多種驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)的最高實(shí)驗(yàn)壓力為70 MPa，最高實(shí)驗(yàn)溫度為150 ℃，驅(qū)替流量范圍為0.001～40 mLmin。附屬的氣體流量計(jì)為美國(guó)生產(chǎn)的雙活塞體積式流量計(jì)，型號(hào)為RUSKA 2331-801，兩個(gè)活塞的體積分別為2 000、1 000 mL，精度為0.2%。

表1　實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)

1.2實(shí)驗(yàn)步驟

氣 - 水相滲實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)準(zhǔn)備巖心，清洗，烘干，稱干重，再將巖心抽真空后用地層水飽和并稱濕重；(2)將巖心裝入夾持器，加載圍壓2 MPa，在恒壓下進(jìn)行氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)，記錄其產(chǎn)水量、產(chǎn)氣量、見氣時(shí)間及見氣時(shí)的產(chǎn)水量；(3)實(shí)施氣驅(qū)，至不再產(chǎn)水時(shí)測(cè)定氣相滲透率，停止驅(qū)替，取出巖心稱重；(4)裝入巖心，實(shí)施水驅(qū)氣，直至氣體不再產(chǎn)出時(shí)測(cè)定水相滲透率，取出巖心稱重，測(cè)定殘余氣飽和度；(5)計(jì)算巖樣的氣-水兩相相對(duì)滲透率及其對(duì)應(yīng)的含水飽和度。

2實(shí)驗(yàn)影響因素分析

2.1溫度的影響

采用同一塊巖心，在壓力為40 MPa，溫度分別為20、80、120 ℃的條件下實(shí)施氣-水兩相相滲實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)氣相相對(duì)滲透率影響較小，而對(duì)水相相對(duì)滲透率的影響較大。實(shí)驗(yàn)溫度越高，水相相對(duì)滲透曲線偏離坐標(biāo)原點(diǎn)越遠(yuǎn)，束縛水飽和度也越小。當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為20、80、120 ℃時(shí)，其對(duì)應(yīng)的束縛水飽和度分別為50.63%、45.96%、42.03%。

隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，氣-水兩相滲流區(qū)域逐漸變寬，并且其等滲點(diǎn)向右上方移動(dòng)。同時(shí)氣相相對(duì)滲透率隨著含水飽和度的降低而快速提高，束縛水飽和度所對(duì)應(yīng)的氣相相對(duì)滲透率隨著溫度的升高而加大。圖1所示為不同溫度條件下的氣-水兩相相對(duì)滲透率曲線。當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為20、80、120 ℃時(shí)，其對(duì)應(yīng)的束縛水氣相相對(duì)滲透率分別為0.34、0.41、0.45。由此可知，在40 MPa條件下， 溫度越高對(duì)CO2驅(qū)水越有利。

圖1　不同溫度條件下的氣-水兩相相對(duì)滲透率曲線

2.2壓力的影響

同在140 ℃條件下，分別測(cè)試20、30、40 MPa下的氣-水相滲曲線。圖2所示為不同壓力條件下的氣-水兩相相對(duì)滲透率曲線?？梢钥闯觯瑢?shí)驗(yàn)壓力對(duì)氣相相對(duì)滲透率影響較小，而對(duì)水相相對(duì)滲透率影響較大。實(shí)驗(yàn)壓力越高，水相相對(duì)滲透率曲線變化越平緩，束縛水飽和度越小。實(shí)驗(yàn)氣體壓力為20、30、40 MPa時(shí)，其對(duì)應(yīng)的束縛水飽和度分別為45.09%、42.15%、40.04%，氣相相對(duì)滲透率分別為0.42、0.47、0.50。因此，在140 ℃條件下，壓力越大越有利于CO2驅(qū)水。

在巖心氣驅(qū)水過(guò)程中，隨著含氣飽和度的增加，水相滲透率急劇下降，而氣相滲透率逐漸升高。當(dāng)含氣飽和度增加時(shí)，水相相對(duì)滲透率急劇下降。這是由于初始巖心中飽和了地層水，氣體進(jìn)入巖心以后，由于氣相為非潤(rùn)濕相而首先進(jìn)入大孔道。在進(jìn)氣初期，雖然氣相沒(méi)有形成連續(xù)相，但是也會(huì)影響水相滲流通道，使得水相相對(duì)滲透率降低；當(dāng)氣相形成連續(xù)相以后，逐漸占據(jù)巖心中的大孔道，使得水相相對(duì)滲透率下降，直至呈殘余水狀態(tài)。

圖2　不同壓力條件下的氣-水兩相相對(duì)滲透率曲線

2.3CO2體積分?jǐn)?shù)的影響

在溫度為140 ℃、壓力為40 MPa的條件下，觀察天然氣在不同CO2體積分?jǐn)?shù)時(shí)的氣-水相滲實(shí)驗(yàn)情況，CO2體積分?jǐn)?shù)分別取30%、50%、70%和90%。

圖3所示為不同CO2體積分?jǐn)?shù)下的天然氣氣-水兩相相對(duì)滲透率曲線。可以看出，CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)水相相對(duì)滲透率曲線影響較大。當(dāng)天然氣CO2體積分?jǐn)?shù)為30%、50%、70%、90%時(shí)，其對(duì)應(yīng)的束縛水飽和度分別為54.02%、51.96%、49.81%、47.27%。CO2體積分?jǐn)?shù)每升高20%，其束縛水飽和度就減小2%。CO2體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)水相相對(duì)滲透率曲線離原點(diǎn)較遠(yuǎn)，并且其兩相滲流區(qū)域也較寬，等滲點(diǎn)的含水飽和度也較小。等滲點(diǎn)的相對(duì)滲透率值較大，束縛水所對(duì)應(yīng)的氣相相對(duì)滲透率值也較高。

當(dāng)天然氣中CO2體積分?jǐn)?shù)為30%、50%、70%、90%時(shí)，其束縛水飽和時(shí)的氣相相對(duì)滲透率分別為0.31、0.32、0.36、0.39。這主要是由于CO2體積分?jǐn)?shù)增大，使得天然氣中的非烴類成分比例上升，有助于降低氣-水界面張力。由此可知，在140 ℃、40 MPa條件下，天然氣中CO2體積分?jǐn)?shù)越大越有利于氣驅(qū)水的實(shí)施。

圖3　不同CO2體積分?jǐn)?shù)下的天然氣

3結(jié)語(yǔ)

本次研究中建立了高溫高壓氣-水相滲實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)定了含CO2天然氣藏的氣-水相滲曲線，明確了含CO2氣藏氣-水滲流特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，氣-水相滲曲線的形狀及特征點(diǎn)的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)溫度、壓力和CO2體積分?jǐn)?shù)密切相關(guān)。

實(shí)驗(yàn)研究表明：溫度、壓力或天然氣CO2體積分?jǐn)?shù)越高，氣-水滲流區(qū)域越寬；氣相相對(duì)滲透率隨著含水飽和度的減小而增速越快，則水相相對(duì)滲透率曲線變化越平緩；束縛水飽和度越小，則束縛水所對(duì)應(yīng)的氣相相對(duì)滲透率值越大，也越有利于巖心氣驅(qū)水的實(shí)施。

參考文獻(xiàn)

[1] 董景海.松遼盆地北部昌德地區(qū)含CO2氣藏特征及成藏模式[J].內(nèi)蒙古石油化工,2013(3):1-5.

[2] 王志國(guó).徐家圍子斷陷徐東地區(qū)含CO2天然氣藏特征研究[J].西部探礦工程,2013(10):69-71.

[3] 姚鋒盛,蔣佩,何平,等.火山巖儲(chǔ)層增產(chǎn)改造技術(shù)研究與應(yīng)用[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,15(1):55-59.

[4] 李元生,李相方,藤賽男,等.低滲氣藏產(chǎn)水氣井一點(diǎn)法產(chǎn)能試井研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(7):156-159.

[5] 陳亮.長(zhǎng)嶺斷陷火山巖成巖作用與孔隙演化特征[J].中國(guó)礦業(yè),2013,22(增刊1):172-176

[6] 邵銳.徐深氣田A區(qū)塊火山巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間特征與成巖作用的關(guān)系[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,32(10):6-9.

[7] 陳歡慶,蔣平,張丹鋒,等.火山巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)分類與分布評(píng)價(jià):以松遼盆地徐東地區(qū)營(yíng)城組一段火山巖儲(chǔ)層為例[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,44(4):1453-1463.

[8] 王希強(qiáng).CO2驅(qū)提高采收率機(jī)理及認(rèn)識(shí)[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2013(2):125.

[9] 李展峰,李樂(lè),劉哲,等.超臨界CO2混相驅(qū)油技術(shù)現(xiàn)狀研究[J].遼寧化工,2013,42(11):1331-1333.

[10] 鐘曉,杜建芬.氣水相滲特征與高溫高壓實(shí)驗(yàn)研究[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,15(3):70-73.

[11] 章星,楊勝來(lái),李芳芳,等.火山巖氣藏氣水兩相滲流特征分析[J].斷塊油氣田,2013,20(5):631-633.

[12] 焦春艷,朱華銀,胡勇,等.底水氣藏水侵物理模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)模型[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(10):191-194.

[13] 郭晨,秦勇,楊兆彪,等.黔西比德 — 三塘盆地煤儲(chǔ)層NMR T2譜及氣水相滲特征與控制因素[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,43(5):841-852.

Characteristics and Influencing Factors of Gas-Water Relative Permeability in Gas Reservoir with CO2

ZHANGXing1ZHANGLu2ZHANGLing3CHENWeiwei1ZHENGZongneng1

(1. Karamay Campus, China University of Petroleum (Beijing), Karamay Xinjiang 834000, China;2.Well Logging Company of XDEC, Karamay Xinjiang 834000, China;3. Fengcheng Oilfield Operation Zone of Xinjiang Oilfield Company, Karamay Xinjiang 834000, China)

Abstract:Gas reservoir has high content of CO2 in Jilin oilfield and is filled with cracks and bottom water. The percolation characteristics of gas and water should be studied; meanwhile, the gas production rate should also be controlled. The laboratory experiment results show that the shapes of gas-water relative permeability curves and the values of feature points are related to the experimental conditions. In the case of the same core, the higher the temperature, the pressure or the content of CO2 is, the lower the irreducible water saturation is; and the faster the gas relative permeability rises, the better the seepage of gas-water is.

Key words:gas reservoir with CO2; gas-water relative permeability; temperature; pressure; CO2 content

收稿日期：2015-10-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目“CO2減排、儲(chǔ)存和資源化利用基礎(chǔ)研究”(2011CB707300)；克拉瑪依理工學(xué)院科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：章星(1984 — )，男，江蘇沭陽(yáng)人，博士，研究方向?yàn)橛蜌馓镩_發(fā)。

中圖分類號(hào)：P618

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1980(2016)02-0010-04