海相砂巖水驅(qū)氣藏氣水微觀滲流特征研究

白美麗，秦 峰，洪舒娜，楊 鵬，陳斯宇

（中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518064）

水驅(qū)氣藏在南海東部氣田占很重比例，因此，如何高效開(kāi)發(fā)此類氣田對(duì)南海東部氣田增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有重要意義。本文以番禺氣田為例，開(kāi)展水驅(qū)氣藏氣水兩相微觀滲流機(jī)理研究，了解氣藏生產(chǎn)過(guò)程中氣水的滲流特征，同時(shí)定量得到束縛水飽和度及殘余氣飽和度等，為水驅(qū)氣藏的采收率標(biāo)定提供依據(jù)。通過(guò)微觀可視化實(shí)驗(yàn)可直接觀察到流體在孔喉介質(zhì)中發(fā)生的復(fù)雜運(yùn)移過(guò)程，還可為定量分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料，從中發(fā)現(xiàn)有利于提高氣藏驅(qū)替效率的因素和條件，為類似氣藏的高效開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

番禺氣田位于珠江口盆地番禺低隆起，構(gòu)造位于白云凹陷北坡第二排反向斷裂帶之上，受四條北傾反向大斷層控制，主體構(gòu)造為翹傾半背斜。根據(jù)鉆探成果，研究區(qū)主要含油氣層系為韓江組和珠江組下段，可進(jìn)一步細(xì)分為多個(gè)小層。根據(jù)巖心觀察結(jié)合前人研究可知，研究區(qū)沉積類型為辮狀河三角洲前緣，沉積微相以水下分流河道沉積及河口壩沉積為主，夾天然堤沉積及支流間灣沉積。根據(jù)氣田薄片分析結(jié)果，儲(chǔ)集層巖石成分以石英砂巖為主，其次為長(zhǎng)石及巖屑，含少量云母。儲(chǔ)層中黏土基質(zhì)含量占1.0%～33.0%，膠結(jié)物含量占1.0%～27.3%，膠結(jié)物以方解石、白云石膠結(jié)為主，主要膠結(jié)類型為孔隙式[1]，儲(chǔ)集空間以原生粒間孔及粒間溶孔為主。其中韓江組砂巖粒度比較粗，為中-粗砂巖，膠結(jié)物很少，孔隙連通性好，整體表現(xiàn)為中-高孔、高-特高滲儲(chǔ)層。珠江組砂巖成巖作用比較強(qiáng)，壓實(shí)與膠結(jié)作用都相當(dāng)強(qiáng)，由于泥質(zhì)含量高及鈣質(zhì)膠結(jié)相對(duì)較嚴(yán)重，導(dǎo)致孔隙連通性較差，儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，整體屬于低-中孔、中-高滲儲(chǔ)層。

2 氣水兩相滲流實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

選取番禺氣田韓江組及珠江組標(biāo)準(zhǔn)巖心9 塊，巖心絕對(duì)滲透率為13.9～636.0 mD，孔隙度為12.1%～18.4%。實(shí)驗(yàn)用氣體為N2（純度為99%），水樣采用PY 氣田實(shí)際測(cè)試地層水成分配制，總礦化度為36 584 mg/L，水型為CaCl2型。參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《巖石中兩相流體相對(duì)滲透率測(cè)定方法》，在常溫常壓條件下，利用美國(guó)巖心公司的氣液相對(duì)滲透率測(cè)定儀，對(duì)9 塊巖心采用穩(wěn)態(tài)法開(kāi)展了氣水互驅(qū)條件下相對(duì)滲透率曲線的測(cè)定。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，番禺氣田巖心束縛水飽和度在31.00%～45.25%，殘余氣飽和度在11.6%～26.1%，按孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和曲線形態(tài)特征對(duì)氣水相滲分類，同時(shí)根據(jù)陳元千的相對(duì)滲透率曲線歸一化方法，對(duì)水驅(qū)氣相對(duì)滲透率曲線進(jìn)行歸一化，得到可以表征儲(chǔ)層特征的3 類氣水相對(duì)滲透率曲線（表1、圖1）。

表1 氣水相滲特征分類

結(jié)果顯示，Ⅰ類氣水相滲曲線對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)層物性最好，樣品平均孔隙度27.9%，平均滲透率535.0 mD，孔喉大小及分布較均勻且連通性好，束縛水飽和度與殘余氣飽和度均較低，氣水兩相滲流區(qū)比較寬，范圍62.3%。在兩相滲流區(qū)，隨著含水飽和度不斷升高，氣相相對(duì)滲透率曲線下降較緩慢[2]，在實(shí)際生產(chǎn)中，該類儲(chǔ)層氣井在生產(chǎn)動(dòng)態(tài)上表現(xiàn)為高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)型，且見(jiàn)水時(shí)間較晚，該類儲(chǔ)層主要發(fā)育在韓江組。

Ⅱ類氣水相滲曲線對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層物性相對(duì)較好，樣品平均孔隙度16.5%，平均滲透率114.0 mD，束縛水飽和度與殘余氣飽和度均相對(duì)Ⅰ類增大，兩相共滲區(qū)變窄，范圍53.0%，等滲點(diǎn)向右下方偏移，且在兩相滲流區(qū)域隨著含水飽和度的增加，氣相相對(duì)滲透率曲線的下降幅度較Ⅰ類儲(chǔ)層快，存在一定的氣水兩相干擾；在實(shí)際生產(chǎn)中，該類型的氣井初期產(chǎn)能較高，氣井見(jiàn)水比較慢，但見(jiàn)水后水氣比上升較快，產(chǎn)能相對(duì)逐漸降低[3]，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間較Ⅰ類儲(chǔ)層而言相對(duì)較短，也是研究區(qū)較常見(jiàn)的儲(chǔ)層，該類儲(chǔ)層在整個(gè)氣田均有發(fā)育。

Ⅲ類氣水相滲曲線對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層物性相對(duì)較差，樣品平均孔隙度14.3%，平均滲透率27.4 mD，束縛水飽和度與殘余氣飽和度相對(duì)比較高，兩相共滲區(qū)范圍相對(duì)較小，為46.9%，等滲點(diǎn)也處于相對(duì)偏右偏低的位置，存在較強(qiáng)的氣水兩相干擾，在整個(gè)滲流區(qū)間內(nèi)，隨著含水飽和度不斷增加，氣相相對(duì)滲透率曲線下降較快；在實(shí)際生產(chǎn)中，該類儲(chǔ)層氣井見(jiàn)水后產(chǎn)能降低，水氣比快速上升，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短，相對(duì)Ⅰ類、Ⅱ類而言，有Ⅲ類氣水相滲曲線特征的儲(chǔ)層滲流能力較弱，該類儲(chǔ)層主要發(fā)育在珠江組下段。

3 氣水微觀可視化實(shí)驗(yàn)

與氣水相滲實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)，通過(guò)對(duì)番禺氣田多口井巖心鑄體照片資料的對(duì)比與挑選，選取韓江組、珠江組上段及珠江組下段的3 塊具有代表性的薄片，制作為激光刻蝕模型進(jìn)行微觀可視化氣水互驅(qū)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬成藏過(guò)程中束縛水的大小及分布特征，通過(guò)水驅(qū)來(lái)模擬氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中氣水的流動(dòng)特征及殘余氣分布特征，以期為南海東部同類型氣藏高效開(kāi)發(fā)提供參考資料與理論依據(jù)。

3.1 氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)

氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)主要用來(lái)模擬氣藏束縛水的形成過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)樣品準(zhǔn)備完成后，首先對(duì)每個(gè)玻璃刻蝕模型進(jìn)行飽和水，待模型完全飽和水之后，分別用不同驅(qū)替速度進(jìn)行氣驅(qū)水，在顯微鏡下觀察驅(qū)替過(guò)程中的氣水運(yùn)動(dòng)規(guī)律及特征。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)可知，研究區(qū)儲(chǔ)層氣驅(qū)水過(guò)程中其主要特征如下：氣體優(yōu)先進(jìn)入大孔徑、孔隙中央，且氣驅(qū)前緣發(fā)生跳躍式的轉(zhuǎn)換，存在明顯的黏性指進(jìn)現(xiàn)象。

氣驅(qū)水過(guò)程及非濕相驅(qū)替濕相，在這個(gè)過(guò)程中毛管力是阻力，當(dāng)以較低速度驅(qū)替時(shí)，氣體優(yōu)先進(jìn)入阻力較小的大孔徑，由于沿程摩阻導(dǎo)致壓力損失，氣體驅(qū)替前沿處的壓力就會(huì)下降，且當(dāng)其小于小喉道處的毛管阻力時(shí)就會(huì)停止前進(jìn)；間隔一段時(shí)間后，隨著壓力的升高，當(dāng)前緣驅(qū)替壓力大于某一孔徑大小的毛管力，則氣體從該個(gè)孔徑的孔喉突破后繼續(xù)向前運(yùn)移，甚至變換方向，如此重復(fù)以上過(guò)程[4]，氣驅(qū)水過(guò)程中的跳躍式運(yùn)移見(jiàn)圖2。

圖2 氣驅(qū)水過(guò)程中的跳躍式運(yùn)移

同時(shí)由于儲(chǔ)層孔喉分布的不均勻，導(dǎo)致氣驅(qū)水過(guò)程中毛管力的分布不均，氣驅(qū)水過(guò)程中能看到明顯的黏性指進(jìn)現(xiàn)象，氣驅(qū)水結(jié)束后氣水的分布特征見(jiàn)圖3，從圖中可以看出，殘余水主要分布在小喉道或者狹窄的喉道以及孔隙盲端。

圖3 氣驅(qū)水過(guò)程結(jié)束后剩余水的分布

3.2 水驅(qū)氣實(shí)驗(yàn)

氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)模型連續(xù)注水，利用水驅(qū)氣實(shí)驗(yàn)?zāi)M開(kāi)采過(guò)程中水侵動(dòng)態(tài)及末期殘余氣分布形式。對(duì)3 個(gè)模型分別選取不同驅(qū)替速度進(jìn)行水驅(qū)氣，對(duì)比末期氣水分布情況及驅(qū)替效率。本次實(shí)驗(yàn)的殘余氣飽和度為14.1%～31.5%，平均為22.1%，最終水驅(qū)氣效率為59.8%～80.8%，平均64.5%?？偟膩?lái)看，隨著水驅(qū)速度的提高，剩余氣逐漸減少，驅(qū)替效率不斷增大。1號(hào)模型在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣水分布情況見(jiàn)圖4，可以看到同一時(shí)刻在不同驅(qū)替速度下模型中的含氣飽和度變化比較顯著，當(dāng)水以1×10-3mL/min 的驅(qū)替速度進(jìn)行水驅(qū)氣時(shí)，模型中含氣飽和度明顯低于1×10-5mL/min 下的含氣飽和度。

圖4 1 號(hào)模型在不同驅(qū)替速度下氣水分布圖

同時(shí)在水驅(qū)氣實(shí)驗(yàn)過(guò)程觀察到，當(dāng)驅(qū)替速度較低時(shí)，氣水的分布方式主要為“水包氣”，水膜主要以連續(xù)相分布在孔道壁，氣體以不連續(xù)的氣泡形式在孔道中央流動(dòng)[5]。由于整個(gè)玻璃刻蝕模型是親水的，這時(shí)毛管力是滲流主要?jiǎng)恿?，?dāng)驅(qū)替速度較低時(shí)，水以較快的速度進(jìn)入小孔道，從而到達(dá)整個(gè)模型的各個(gè)壁面與小孔徑，而在較大的孔喉中滲流速度比較慢，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈指進(jìn)現(xiàn)象（圖5）。并且當(dāng)水一旦突破形成優(yōu)勢(shì)通道后，該通道能夠通過(guò)的流量大于驅(qū)替流量時(shí)，剩余氣基本不再被驅(qū)出。

圖5 低流速下水驅(qū)氣第10 min 氣水分布圖

當(dāng)驅(qū)替速度增大時(shí)，毛管指進(jìn)現(xiàn)象逐漸減弱，此時(shí)氣體會(huì)沿小孔道快速的突破，而當(dāng)原來(lái)的優(yōu)勢(shì)通道不滿足流量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生新的分支，水會(huì)流向大孔徑[6]，當(dāng)流速增大到一定值時(shí)基本看不到指進(jìn)現(xiàn)象，這時(shí)驅(qū)替壓力占據(jù)主導(dǎo)，孔徑尺寸不再影響水的前進(jìn)方向，水能夠同時(shí)進(jìn)入各個(gè)大小的孔徑中，使得水驅(qū)前緣均勻推進(jìn)（圖6）。這表明對(duì)于物性較好的海相砂巖均質(zhì)的水驅(qū)氣藏，適當(dāng)加快開(kāi)采速度可以提高氣藏?zé)o水期采出程度。

圖6 高流速下水驅(qū)氣過(guò)程末氣水分布圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，卡段和繞流是封閉氣的形成方式。卡段形成的封閉氣主要原因是受賈敏效應(yīng)影響，當(dāng)水沿著孔道表面流動(dòng)時(shí)形成水膜，導(dǎo)致滲流阻力顯著增大，當(dāng)氣體經(jīng)過(guò)較窄的孔道時(shí)必須收縮變形后才可通過(guò)，而其他部分留在孔道中，這就使得原本連續(xù)流動(dòng)的氣體發(fā)生卡段。前人研究結(jié)果表明提高驅(qū)替壓差，在水動(dòng)力作用下，卡段形成的封閉氣可以進(jìn)一步采出[7]。

繞流形成的封閉氣是受到毛管力及水動(dòng)力共同作用影響，當(dāng)驅(qū)替壓力較小時(shí)，水最先沿著孔隙壁面到達(dá)各個(gè)小孔徑，在小孔道中的氣體會(huì)快速被驅(qū)替出，而大孔道中的毛管力較小，水的滲流速度較慢，因此，當(dāng)小孔道中的水發(fā)生突破后，大孔道中的氣就被封閉起來(lái)。而當(dāng)驅(qū)替壓力逐漸提高時(shí)，水動(dòng)力起主要作用時(shí)，水優(yōu)先在大孔道中突破，從而將小孔道中的氣封閉起來(lái)[8]，由此可見(jiàn)，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中繞流是氣水兩相滲流的主要特征。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及氣水相對(duì)滲透率曲線形態(tài)，番禺氣田儲(chǔ)層可以分為3 類，Ⅰ類氣井氣水兩相滲流呈較均勻，氣井產(chǎn)能高，Ⅱ類氣井產(chǎn)能初期較高，但見(jiàn)水后水氣比上升較快，產(chǎn)能下降幅度較大，Ⅲ類氣井見(jiàn)水后產(chǎn)能迅速降低，水氣比快速上升，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間較短。

（2）微觀可視化實(shí)驗(yàn)表明，在低速流時(shí)，氣驅(qū)水和水驅(qū)氣過(guò)程中都存在明顯的指進(jìn)現(xiàn)象，在氣驅(qū)水過(guò)程中殘余水主要分布在小喉道或者狹窄的喉道以及孔隙盲端，而在水驅(qū)氣過(guò)程中，卡段和繞流是形成封閉氣的主要原因。

（3）在水驅(qū)氣過(guò)程中，提高驅(qū)替速度，有利于增大氣體的驅(qū)替效率，當(dāng)驅(qū)替壓差提高到一定程度時(shí)，水能夠同時(shí)進(jìn)入各個(gè)大小的孔徑中，使得水驅(qū)前緣均勻推進(jìn)，這表明對(duì)于物性較好的海相砂巖均質(zhì)的水驅(qū)氣藏，適當(dāng)加快開(kāi)采速度可以提高氣藏?zé)o水期采出程度。