元壩氣田不同類型儲(chǔ)層氣水兩相滲流特征

黃仕林，楊博文，張 娟，汪周華，張明迪，易 楓

（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都 610500；2.油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610500；3.中國(guó)石化西南油氣分公司采氣二廠，四川閬中 637400；4.中國(guó)石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院，四川成都 610000；5.中國(guó)石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川成都 610041）

對(duì)于產(chǎn)水氣藏而言，氣水兩相相對(duì)滲透率曲線是氣田開發(fā)研究中重要的基礎(chǔ)研究之一。弄清氣水兩相相對(duì)滲透率隨流體飽和度的變化規(guī)律，對(duì)于產(chǎn)水氣藏產(chǎn)能評(píng)價(jià)、水侵過(guò)程中產(chǎn)水能力預(yù)測(cè)及氣藏開發(fā)方案設(shè)計(jì)作用顯著。氣驅(qū)水相對(duì)滲透率曲線的測(cè)試主要受到測(cè)試方法、溫度、壓力、儲(chǔ)層巖心物性、潤(rùn)濕性、流體飽和歷程等因素的影響［1-2］。其中，測(cè)試方法包括氣驅(qū)水和水驅(qū)氣2 種方法。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試通常使用穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行不同溫度、不同壓力、不同驅(qū)替順序（氣驅(qū)水/水驅(qū)氣）等條件下的氣水兩相相對(duì)滲透率曲線測(cè)試［3-6］。

裂縫型巖心的氣水兩相相對(duì)滲透率曲線不同于孔隙型巖心，水驅(qū)氣相對(duì)滲透率測(cè)試的裂縫型巖心相對(duì)滲透率曲線斜率較大且兩相區(qū)較窄，而基巖的相對(duì)滲透率曲線相對(duì)平緩。氣驅(qū)水相對(duì)滲透率測(cè)試發(fā)現(xiàn)孔隙型巖心的氣水共滲區(qū)間和氣驅(qū)水效率均高于裂縫型巖心。通過(guò)氣水互驅(qū)測(cè)定裂縫型巖心常溫、常壓及高溫、高壓下的氣水兩相滲流特征，發(fā)現(xiàn)不同溫壓條件下的裂縫型巖心的相對(duì)滲透率曲線均呈現(xiàn)出X 形，且高溫高壓下具有更大的兩相共滲區(qū)、較低的束縛水飽和度［7-11］。

通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，不同的相對(duì)滲透率曲線測(cè)試方法反映的氣水滲流特征存在一定差異，在實(shí)際工作中如何選擇合理的測(cè)試方法是描述氣水兩相滲流規(guī)律首先要解決的問(wèn)題。對(duì)于裂縫型儲(chǔ)層而言，經(jīng)典滲流理論認(rèn)為裂縫型巖心氣水兩相滲流曲線為X形，部分學(xué)者已發(fā)現(xiàn)裂縫型儲(chǔ)層氣水兩相相對(duì)滲透率曲線表現(xiàn)為凹型特征。筆者針對(duì)元壩氣田實(shí)際儲(chǔ)層巖心，分別開展不同測(cè)試方法及儲(chǔ)層類型氣驅(qū)水相對(duì)滲透率測(cè)試，推薦產(chǎn)水氣藏不同開發(fā)階段應(yīng)選擇不同的氣驅(qū)水相對(duì)滲透率測(cè)試方法，同時(shí)明確元壩氣田孔隙型、裂縫型儲(chǔ)層氣水兩相滲流規(guī)律。

1 元壩氣田儲(chǔ)層巖心孔滲測(cè)試

元壩氣田儲(chǔ)層巖性主要以白云巖、生物礁巖為主。儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，物性較差，氣水關(guān)系復(fù)雜，平均孔隙度為4.53%，平均滲透率為0.34 mD，儲(chǔ)層空間類型主要包括溶蝕次生孔和原生孔，微裂縫發(fā)育。氣井投產(chǎn)初期主要產(chǎn)出返排液，水氣比高，Ca2+及Cl-含量較高。目前多數(shù)氣井產(chǎn)出凝析水，液氣比為0.15×10-4～0.20×10-4m3/m3，離子含量較低，總礦化度小于6 000 mg/L。試井曲線和水驅(qū)特征曲線判斷水侵情況發(fā)現(xiàn)，部分氣井出現(xiàn)底水錐進(jìn)導(dǎo)致水鎖、產(chǎn)水量高和動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量減小等問(wèn)題［12-17］。因此，研究流體在裂縫-孔隙中的滲流規(guī)律對(duì)深入認(rèn)識(shí)元壩氣田產(chǎn)水動(dòng)態(tài)研究具有重要意義。

采用元壩氣田9 口井儲(chǔ)層的18 塊巖心，參照GB/T 29172—2012［18］，開展巖心基礎(chǔ)物性測(cè)試，得到巖心的孔隙度和滲透率?；谠獕螝馓锿瑑?chǔ)層類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，將18 塊巖心劃分為孔隙型和裂縫型2種儲(chǔ)層類型，其中，孔隙型又劃分為1 類（孔隙度＞10%）、2 類（孔隙度為5%～10%）、3 類（孔隙度＜2%），裂縫型劃分為小裂縫（滲透率為1～2 mD）、中裂縫（滲透率為5～10 mD）、大裂縫（滲透率＞20 mD）。從每種類型挑選出1 塊巖心，共計(jì)6 塊巖心（表1）用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

表1 氣水互驅(qū)相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)巖心基本參數(shù)Table1 Basic parameters of cores for gas-water mutual-drive relative permeability test

氣驅(qū)水、水驅(qū)氣相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)的水樣根據(jù)元壩氣田10-1H 井的水質(zhì)分析報(bào)告配制，總礦化度為42 639 mg/L，水型為NaHCO3型，陽(yáng)離子K+和Na+的質(zhì)量濃度為15 090.72 mg/L，Ca2+和Mg2+的質(zhì)量濃度分別為963.46 和48.70 mg/L。陰離子Cl-，SO42-和HCO32-的質(zhì)量濃度分別為23 070.15，201.92 和326.57 mg/L。氣樣采用工業(yè)用N2（純度為99%）。

參考GB/T 28912—2012 中的非穩(wěn)態(tài)氣驅(qū)水相對(duì)滲透率曲線測(cè)試方法［19］，在常溫常壓條件下，對(duì)6塊巖心采用美國(guó)巖心公司103 型氣水/油氣/油水相對(duì)滲透率測(cè)定儀進(jìn)行氣水互驅(qū)條件下相對(duì)滲透率曲線的測(cè)定。巖心束縛水飽和度為10%～20%，每塊巖心分別測(cè)試氣驅(qū)水、水驅(qū)氣2條相對(duì)滲透率曲線。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及對(duì)比分析

2.1 氣驅(qū)水相對(duì)滲透率曲線

由元壩氣田6塊巖心氣驅(qū)水相對(duì)滲透率曲線對(duì)比結(jié)果（圖1，表2）可以看出，元壩氣田在氣驅(qū)水相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，孔隙型、裂縫型儲(chǔ)層的殘余水飽和度分別為48.15%～49.51%，51.48%～69.59%，其對(duì)應(yīng)的氣相相對(duì)滲透率分別為0.26～0.46，0.24～0.61，水相相對(duì)滲透率分別為0.75～0.87，0.86～0.92；兩相區(qū)飽和度分別為50.49%～51.85%，30.44%～48.52%，驅(qū)替壓差分別為0.02～4.14，0.14～0.55 MPa。

圖1 氣驅(qū)水相對(duì)滲透率曲線對(duì)比結(jié)果Fig.1 Comparison between relative permeability curves by gas-drive-water method

表2 氣驅(qū)水相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)的主要指標(biāo)Table2 Main indicators of relative permeability test experiment by gas-drive-water method

對(duì)于裂縫型巖心，隨物性改善，驅(qū)替壓差越小，兩相滲流區(qū)間越小、殘余水飽和度越大；大裂縫儲(chǔ)層水相更易流動(dòng)?？紫缎蛢?chǔ)層中1 類、2 類及3 類巖心的殘余水飽和度、兩相區(qū)飽和度均接近，但不同物性儲(chǔ)層巖心的驅(qū)替壓差不同，物性越差驅(qū)替壓差越大。對(duì)于孔隙型巖心，相對(duì)滲透率曲線的飽和度端點(diǎn)差異不大。

根據(jù)陳元千的相對(duì)滲透率曲線歸一化方法［20］，分別對(duì)元壩氣田孔隙型、裂縫型儲(chǔ)層的氣驅(qū)水相對(duì)滲透率曲線進(jìn)行歸一化（圖2）。由圖2可知，與裂縫型巖心相比，孔隙型巖心相對(duì)滲透率曲線兩相區(qū)飽和度范圍更大，殘余水飽和度更小，等滲點(diǎn)靠右，氣驅(qū)水效率更高。裂縫型巖心由于存在裂縫，導(dǎo)致氣體沿優(yōu)勢(shì)通道發(fā)生竄流，無(wú)法驅(qū)替孔隙中的水相，因而兩相區(qū)范圍窄，殘余水飽和度偏大，氣驅(qū)水效率低于孔隙巖心。從測(cè)試結(jié)果可以看出，裂縫型巖心的兩相相對(duì)滲透率曲線并不是近似于X 形，而是表現(xiàn)出類似于孔隙型巖心的凹形曲線特征；殘余水條件下氣相的端點(diǎn)相對(duì)滲透率（0.34～0.35）遠(yuǎn)低于水相的端點(diǎn)相對(duì)滲透率（0.81～0.90）；對(duì)于實(shí)際氣藏而言，一般屬于親水儲(chǔ)層，受毛細(xì)管力的影響，水相以水膜或連續(xù)相形式占據(jù)小孔道、氣相占據(jù)孔道中央，氣相的滲流能力應(yīng)遠(yuǎn)大于水相；同時(shí)，元壩氣田束縛水飽和度小于20%，氣驅(qū)水相對(duì)滲透率確定的殘余水飽和度遠(yuǎn)高于氣藏實(shí)際。因此，采用氣驅(qū)水測(cè)定的氣驅(qū)水相對(duì)滲透率曲線與元壩氣田實(shí)際滲流特征不一致，代表性較差。

圖2 孔隙型、裂縫型儲(chǔ)層氣驅(qū)水相對(duì)滲透率歸一化曲線Fig.2 Normalization curves of relative permeability in porous and fractured reservoirs by gas-drive-water method

2.2 水驅(qū)氣相對(duì)滲透率曲線

由水驅(qū)氣相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)結(jié)果及關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比（圖3，表3）可以看出，元壩氣田在水驅(qū)氣相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，孔隙型、裂縫型儲(chǔ)層的束縛水飽和度分別為11.28%～21.43%，19.41%～20.61%；殘余氣飽和度分別為9.06%～31.91%，20.47%～28.24%；其對(duì)應(yīng)的水相相對(duì)滲透率分別為0.13～0.25，0.11～0.34；兩相區(qū)飽和度分別在56.81%～69.51%，52.35%～58.92%；驅(qū)替壓差分別為0.05～8.28，0.48～1.38 MPa。

表3 水驅(qū)氣相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)的主要指標(biāo)Table3 Main indicators of relative permeability test experiment by water-drive-gas method

2 種巖心測(cè)試結(jié)果均表現(xiàn)為隨滲透率的增加，驅(qū)替壓差越小，其宏觀規(guī)律與氣驅(qū)水相對(duì)滲透率測(cè)試結(jié)果一致。

由水驅(qū)氣相對(duì)滲透率曲線歸一化的結(jié)果（圖4）可以看出，水驅(qū)氣相對(duì)滲透率整體規(guī)律與氣驅(qū)水相對(duì)滲透率曲線一致；與裂縫型巖心比較，孔隙型巖心同樣表現(xiàn)出兩相區(qū)飽和度范圍更寬、束縛水飽和度、殘余氣飽和度更小和等滲點(diǎn)右移的特征。相同飽和度條件下，裂縫型巖心的水相相對(duì)滲透率偏大，氣相相對(duì)滲透率下降快；研究分析認(rèn)為，對(duì)于裂縫型巖心，由于裂縫優(yōu)勢(shì)滲流通道的存在，流體主要沿裂縫滲流，水相相對(duì)滲透率增加，氣相相對(duì)滲透率降低明顯。因此，對(duì)于元壩氣田而言，當(dāng)裂縫與生產(chǎn)井連通時(shí)，水侵速度快，氣產(chǎn)量降低迅速，水的影響顯著。水相的端點(diǎn)相對(duì)滲透率（0.2）低于氣相的端點(diǎn)相對(duì)滲透率（0.45），且束縛水飽和度與元壩氣田的束縛水飽和度（20%）基本吻合，水驅(qū)氣相對(duì)滲透率測(cè)試方法與水驅(qū)氣藏滲流物理過(guò)程一致。

圖4 孔隙型、裂縫型儲(chǔ)層水驅(qū)氣相對(duì)滲透率歸一化曲線Fig.4 Normalization curves of relative permeability in porous and fractured reservoirs by water-drive-gas method

2.3 氣驅(qū)水與水驅(qū)氣相對(duì)滲透率曲線對(duì)比

由元壩氣田2種不同相對(duì)滲透率曲線測(cè)試方法得到的歸一化相對(duì)滲透率曲線對(duì)比（圖5，表4）可以看出，2 種不同類型的巖心，與水驅(qū)氣相對(duì)滲透率比較，氣驅(qū)水相對(duì)滲透率曲線整體偏右、殘余水飽和度偏大、兩相區(qū)飽和度范圍偏窄；且水相的端點(diǎn)相對(duì)滲透率遠(yuǎn)大于氣相、氣相的端點(diǎn)相對(duì)滲透率偏低，氣驅(qū)水過(guò)程殘余氣飽和度為0；氣驅(qū)水法確定的相對(duì)滲透率曲線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際滲流物理過(guò)程不一致，具體表現(xiàn)為：①相同物性巖心，擬單相相對(duì)滲透率流條件下，氣相相對(duì)滲透率流能力大于水相。②水驅(qū)氣藏，水竄后水淹區(qū)存在水封氣。③氣驅(qū)水確定的水相殘余水飽和度偏大，與元壩氣田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不一致。

圖5 氣驅(qū)水、水驅(qū)氣相對(duì)滲透率歸一化曲線Fig.5 Normalization curves of relative permeability by gas-drive-water and water-drive-gas methods

表4 氣驅(qū)水、水驅(qū)氣相對(duì)滲透率歸一化曲線的關(guān)鍵參數(shù)Table4 Key parameters of normalization curves of relative permeability by gas-drive-water and water-drive-gas methods

研究分析認(rèn)為，造成氣驅(qū)水相對(duì)滲透率曲線不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的主要原因是流體飽和歷程不同。對(duì)于實(shí)際有水氣藏而言，成藏階段，儲(chǔ)層充滿水，然后氣體充注至束縛水條件，形成氣藏；開發(fā)階段，水相侵入儲(chǔ)層，驅(qū)替儲(chǔ)層中的氣相，表現(xiàn)為水驅(qū)氣過(guò)程；而氣驅(qū)水相對(duì)滲透率曲線測(cè)試過(guò)程，實(shí)際上描述的是成藏階段氣驅(qū)水過(guò)程，偏離氣藏開發(fā)階段滲流過(guò)程。

3 結(jié)論

通過(guò)不同測(cè)試方法測(cè)定的氣水兩相相對(duì)滲透率曲線發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)氣驅(qū)水相對(duì)滲透率流體飽和歷程與產(chǎn)水氣藏開發(fā)滲流物理過(guò)程不一致，導(dǎo)致相對(duì)滲透率測(cè)試殘余水飽和度偏大、兩相滲流區(qū)窄、水相端點(diǎn)值偏大，推薦采用水驅(qū)氣相對(duì)滲透率描述產(chǎn)水氣藏早期氣水兩相滲流過(guò)程。但是對(duì)于水淹區(qū)氣水兩相相對(duì)滲透率曲線，建議采用氣驅(qū)水相對(duì)滲透率測(cè)試方法。與裂縫型巖心比較，孔隙型巖心氣驅(qū)水、水驅(qū)氣相對(duì)滲透率、兩相區(qū)飽和度范圍大、束縛水和殘余氣飽和度小、水驅(qū)氣效率高。裂縫型巖心氣驅(qū)水相對(duì)滲透率曲線仍表現(xiàn)為凹型的曲線特征，并不是X 形曲線；否則會(huì)高估水相的流動(dòng)能力。元壩氣田當(dāng)裂縫與生產(chǎn)井溝通時(shí)，水沿裂縫滲流，氣相相對(duì)滲透率降低迅速，應(yīng)重視裂縫水侵問(wèn)題。

符號(hào)解釋

Krg——?dú)庀嘞鄬?duì)滲透率，小數(shù)；

Krw——水相相對(duì)滲透率，小數(shù)。