高樹生 熊偉 劉先貴 胡志明 薛惠

1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院 2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院

低滲透砂巖氣藏氣體滲流機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀及新認(rèn)識(shí)

高樹生1,2熊偉2劉先貴2胡志明2薛惠2

1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院 2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院

研究低滲透氣藏的滲流機(jī)理,有利于制訂合理、有效的開發(fā)方案。低滲透砂巖氣藏氣體的滲流機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究主要集中在氣體的滑脫效應(yīng)、啟動(dòng)壓力梯度、高速非達(dá)西流效應(yīng)和含水飽和度影響等4個(gè)方面。為此,分析總結(jié)了國內(nèi)外有關(guān)低滲透砂巖氣藏滲流機(jī)理的研究成果,并有針對(duì)性地進(jìn)行了大量低滲透砂巖氣體滲流機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究,獲得了一些新認(rèn)識(shí):①實(shí)際生產(chǎn)過程中,由于低滲透氣藏的廢棄壓力很高,故沒有必要考慮滑脫效應(yīng)的影響;②低滲透氣藏氣體滲流過程中存在啟動(dòng)壓力梯度,與滲透率呈反比;③低滲透氣藏開發(fā)過程中發(fā)生高速非達(dá)西流效應(yīng)具有臨界滲透率值;④含水飽和度對(duì)低滲透氣藏氣體滲流特征影響很大。上述認(rèn)識(shí)對(duì)于低滲透致密砂巖氣藏開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

低滲透氣藏 滑脫效應(yīng) 啟動(dòng)壓力 非達(dá)西流 含水飽和度 實(shí)驗(yàn) 現(xiàn)狀 認(rèn)識(shí)

0 引言

近年來低滲透氣藏儲(chǔ)量在我國天然氣探明儲(chǔ)量中的比重幾乎占到50%,分布也極為廣泛,在鄂爾多斯盆地、川西地區(qū)、大慶深層、塔里木深層、渤海灣地區(qū)深層、柴達(dá)木盆地等都有低滲透氣藏的發(fā)現(xiàn),這些低滲透致密氣藏已成為我國今后重要的天然氣供應(yīng)氣源地。由于低滲透氣藏儲(chǔ)層物性差,儲(chǔ)量豐度低,儲(chǔ)層容易受到傷害,開發(fā)難度大、效益差,因此針對(duì)低滲透氣藏自身特征,研究低滲透氣藏的滲流機(jī)理對(duì)于低滲透氣藏合理、有效的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

自從20世紀(jì)40年代初,Klinkenberg[1]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了氣體在微細(xì)毛管孔道中流動(dòng)時(shí)存在滑脫效應(yīng),并且給出了考慮滑脫效應(yīng)的氣測(cè)滲透率數(shù)學(xué)表達(dá)式以后,很多學(xué)者對(duì)低滲透氣藏氣體的滲流機(jī)理進(jìn)行了大量的研究,并且提出了許多新的認(rèn)識(shí)和研究成果。這些觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)大部分是一致的,但是也有不少觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)存在著很大的分歧,這就導(dǎo)致多年來低滲透氣藏的滲流機(jī)理一直存在不確定性[2-3]。筆者總結(jié)了低滲透砂巖氣藏氣體滲流機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀,并提出一些新的認(rèn)識(shí)。

1 氣體滑脫效應(yīng)

考慮滑脫效應(yīng)的氣測(cè)滲透率數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:Kg為氣測(cè)視滲透率,10-3μm2;Ke為克氏滲透率,10-3μm2;?p為巖心進(jìn)出口平均壓力,M Pa;b為滑脫因子。

滑脫因子(b)是一個(gè)與巖石孔隙結(jié)構(gòu)和氣體性質(zhì)及平均孔隙壓力有關(guān)的參數(shù),其數(shù)學(xué)表達(dá)式:

式中:C為近似于1的比例常數(shù);λ為平均壓力下的氣體平均自由程;r為多孔介質(zhì)平均毛細(xì)管(孔隙)半徑; d為氣體分子直徑;n為分子密度。

也可以通過滲透率值來求出滑脫系數(shù)b,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

由于喉道半徑和分子自由程都難以準(zhǔn)確界定,而不同孔隙壓力下的視滲透率和絕對(duì)滲透率在實(shí)驗(yàn)中很容易獲得,因此式(3)是實(shí)驗(yàn)過程中求解氣體滑脫系數(shù)的常用方法。

從上面的表達(dá)式可以看出,同一巖石的氣測(cè)滲透率值大于液測(cè)滲透率;平均壓力越小,氣測(cè)滲透率 Kg越大;同一巖石不同氣體所測(cè)的滲透率也不同;巖石越致密,孔道半徑越小,滑脫因子(b)越大,滑脫現(xiàn)象越嚴(yán)重。

氣體在巖石中滲流時(shí)發(fā)生滑脫效應(yīng)的主要原因是氣體分子在多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,氣體分子在多孔介質(zhì)中存在兩種運(yùn)動(dòng)形式:一種是分子之間相互碰撞的運(yùn)動(dòng)形式,另一種是分子與孔隙固壁之間相互碰撞的運(yùn)動(dòng)形式。這兩種碰撞作用的物理機(jī)制是不同的,一種是能量在氣體分子內(nèi)部的傳遞,另一種則是氣體分子受外部力量作用能量增加,體現(xiàn)在宏觀的氣體滲流規(guī)律上就是在一定條件下氣體滑脫效應(yīng)的產(chǎn)生,即視滲透率大于絕對(duì)滲透率。

目前,氣體滑脫效應(yīng)的研究成果及認(rèn)識(shí)都是基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上,與真實(shí)氣藏氣體的滲流過程相比,存在很大的局限性。在這一點(diǎn)上筆者比較贊同郭平教授的觀點(diǎn):“氣體在多孔介質(zhì)中的滑脫效應(yīng)是在低壓下產(chǎn)生的現(xiàn)象,而實(shí)際低滲透致密氣藏的廢棄壓力很高,在這一壓力范圍內(nèi)氣體在儲(chǔ)層中不會(huì)發(fā)生滑脫現(xiàn)象,因此在低滲透氣藏的實(shí)際生產(chǎn)過程中沒有必要考慮滑脫效應(yīng)的影響”[4]。實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。

圖1是須家河低滲透致密砂巖儲(chǔ)層一組巖心的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,表明不同巖心的視滲透率變化主要發(fā)生在孔隙平均壓力很低的區(qū)域,可以看到當(dāng)孔隙壓力大于1 M Pa后,巖心的氣測(cè)滲透率變化明顯減小而且逐漸趨于穩(wěn)定。由此可見,氣體在多孔介質(zhì)中的滑脫效應(yīng)確實(shí)只存在于低壓狀態(tài)下,在實(shí)際的低滲透氣藏開發(fā)過程中可以完全不予考慮其對(duì)氣體滲流能力及開發(fā)效果的影響。

圖1 低滲透巖心視滲透率與孔隙平均壓力曲線圖

2 啟動(dòng)壓力梯度

在低滲透油藏開發(fā)過程中,啟動(dòng)壓力梯度存在并且會(huì)對(duì)低滲透油藏的開發(fā)效果產(chǎn)生影響這一觀點(diǎn)已經(jīng)被油氣藏工程師們廣泛接受,而且近年來滲流所在低滲透油藏領(lǐng)域成功地開發(fā)出了低滲透油藏的非線性滲流模型[5],很好地解決了由于啟動(dòng)壓力的存在對(duì)油藏開發(fā)效果模擬計(jì)算的影響,使得目前的數(shù)值計(jì)算結(jié)果更加符合低滲透油藏開發(fā)的實(shí)際情況。

但是就低滲透氣藏氣體滲流的過程中是否存在啟動(dòng)壓力梯度這一問題,國內(nèi)外的油氣田開發(fā)工作者們還存在很大爭議。為此,對(duì)低滲透氣藏氣體滲流是否存在啟動(dòng)壓力梯度進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)試,其測(cè)試結(jié)果見圖2。

圖2 低滲透巖心壓力差梯度與氣體流量關(guān)系曲線圖

從圖2中可以看出,曲線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)不為0,這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與低滲透油藏一樣,低滲透氣藏氣體滲流過程中確實(shí)存在啟動(dòng)壓力梯度。

需要注意的是,在直角坐標(biāo)系中一般難以觀察到啟動(dòng)壓力梯度存在,過去很多學(xué)者都是在直角坐標(biāo)系中得到了氣體滲流不存在啟動(dòng)壓力梯度的結(jié)論[4],而在半對(duì)數(shù)直角坐標(biāo)中可以非常清楚地看到氣體滲流存在啟動(dòng)壓力梯度。存在這啟動(dòng)壓力梯度是造成低滲透致密氣藏開發(fā)過程中產(chǎn)量小,最終采出程度較低的原因之一。

3 高速非達(dá)西流效應(yīng)

礦場(chǎng)試驗(yàn)研究結(jié)果表明,低滲透氣藏開發(fā)過程中由于近井地帶生產(chǎn)壓差大,氣體流速過高,導(dǎo)致氣體發(fā)生紊流,產(chǎn)生高速非達(dá)西流效應(yīng),從而造成近井儲(chǔ)層的附加阻力,不利于低滲透氣田的開發(fā)。

由于高速非達(dá)西流效應(yīng)的影響,近井地帶儲(chǔ)層視滲透率可表示為:

式中:Ka為高速非達(dá)西流下的氣測(cè)滲透率,10-3μm2; β為非達(dá)西紊流因子;v為氣體滲流速度,cm/s;ρ為氣體密度,g/cm3;μ為氣體黏度,m Pa·s。

由此可知,氣體滲流速度越高,非達(dá)西紊流(β)因子越大,儲(chǔ)層的視滲透率就越低,附加阻力也就越大。

室內(nèi)低滲透巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:低滲透氣藏發(fā)生高速非達(dá)西效應(yīng)時(shí)存在臨界條件,當(dāng)?shù)蜐B透氣藏儲(chǔ)層滲透率太低(小于0.1×10-3μm2)時(shí),由于氣體的滲流速度受到限制,一般很難達(dá)到發(fā)生紊流需要的速度(圖3),因此氣體滲流一般不會(huì)產(chǎn)生高速非達(dá)西流效應(yīng)。但是當(dāng)儲(chǔ)層滲透率大于0.1×10-3μm2或者更大,那么氣體在儲(chǔ)層的滲流過程中,在較大的生產(chǎn)壓差下容易發(fā)生紊流,產(chǎn)生高速非達(dá)西流效應(yīng)(圖4)。因此,對(duì)于滲透率大于0.1×10-3μm2的低滲透氣藏,在氣藏開發(fā)的模擬計(jì)算過程中,必須考慮高速非達(dá)西效應(yīng)對(duì)氣體滲流能力及開發(fā)效果的影響。

圖3 小于0.1×10-3μm2的低滲透巖心的克氏曲線圖

圖4 大于0.1×10-3μm2的低滲透巖心的克氏曲線圖

4 含水飽和度影響

根據(jù)克氏理論,低滲透巖心含束縛水時(shí)氣體滑脫效應(yīng)隨含水飽和度的增加而增加。而Rose和Fulton等人卻給出了與克氏理論相矛盾的研究結(jié)論[6-7]。Rose是第一個(gè)對(duì)含水飽和度影響滑脫效應(yīng)進(jìn)行研究的人,他分別對(duì)人造巖心和天然巖心進(jìn)行了氣體相對(duì)滲透率的實(shí)驗(yàn)研究,其研究得到的結(jié)果與克氏理論是相矛盾的。Rose發(fā)現(xiàn)砂巖巖心氣體滑脫因子隨含水飽和度的增加而降低。Fulton的實(shí)驗(yàn)研究得到了和Rose同樣的結(jié)論,不過這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都是在含水飽和度低于30%的條件下進(jìn)行的。后來許多學(xué)者都得到了與Rose一樣的研究結(jié)論[8],但是對(duì)形成這一現(xiàn)象的原因一直沒有明確的解釋。

筆者的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與Rose得到的結(jié)論完全一致,就是氣體在低滲透巖心中的克氏效應(yīng)隨含水飽和度的增加而明顯減弱,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5、6。

圖5 低滲透巖心不同含水飽和度下克氏曲線圖

圖6 特低滲透巖心不同含水飽和度下克氏曲線圖

圖5是滲透率為0.3×10-3μm2的低滲透巖心在不同含水飽和度下(62%～23%)克氏曲線的分布規(guī)律?？梢钥吹疆?dāng)含水飽和度大于60%時(shí),氣體的克氏曲線特征表現(xiàn)為液相滲流的特征,即隨驅(qū)替壓力增加,巖心滲透率有減小的趨勢(shì),曲線的斷點(diǎn)是由于高含水飽和度下,含水飽和度難以控制、變化較大的結(jié)果;當(dāng)含水飽和度降到50%時(shí),克氏曲線變化幅度很小,整個(gè)滲流過程中滲透率幾乎不發(fā)生變化;當(dāng)含水飽和度降到40%左右,氣體滲流的克氏曲線開始表現(xiàn)出不含水的單相氣體滲流特征,滲透率隨平均壓力降低而增加,開始表現(xiàn)出滑脫效應(yīng);當(dāng)含水飽和度降低到30%左右時(shí),氣體滲流過程中的滑脫效應(yīng)更加明顯;當(dāng)含水飽和度降到20%左右時(shí),氣體滲流的克氏曲線接近于不含水的單相氣體滲流特征,而且在低壓下出現(xiàn)強(qiáng)滑脫現(xiàn)象,高壓下還表現(xiàn)出了高速非達(dá)西流效應(yīng),而且隨含水飽和度增加,啟動(dòng)壓力梯度增大,高速非達(dá)西流效應(yīng)減弱,但是其滲流特征與不含水單相氣體的滲流特征已經(jīng)非常相近。

圖6是滲透率為0.013×10-3μm2的特低滲透巖心在不同含水飽和度下(65.2%～27.8%)克氏曲線的分布規(guī)律。其克氏曲線分布特征與圖5基本一致,同樣是在高含水飽和度下氣體的滲流特征表現(xiàn)出液相滲流特征,隨含水飽和度的降低,出現(xiàn)單相氣體的克氏曲線滲流特征。氣體滲流的克氏效應(yīng)隨含水飽和度的降低而逐漸增強(qiáng)。

筆者認(rèn)為在不同含水飽和度下氣體的滲流特征其實(shí)與克氏理論并不矛盾,雖然克氏理論強(qiáng)調(diào),巖心的喉道半徑越小,就越容易發(fā)生滑脫效應(yīng),但那是就固定的多孔介質(zhì)而言的,對(duì)于越致密的儲(chǔ)層,喉道半徑越小,越容易發(fā)生滑脫效應(yīng),這種說法是完全正確的;但是對(duì)于由于含水飽和度的增加而造成的喉道半徑減小是否會(huì)增加其滑脫效應(yīng),克氏理論未作進(jìn)一步解釋。

氣體之所以能夠產(chǎn)生滑脫效應(yīng),最關(guān)鍵的原因是氣體分子與孔隙固壁碰撞的結(jié)果,由于低壓下氣固之間分子的引力很小,所以就產(chǎn)生了滑脫效應(yīng),但是對(duì)于喉道壁面附著水的多孔介質(zhì),氣體在滲流過程中氣體分子主要與附著水的喉道壁面碰撞,而氣水分子間的引力與氣固之間相比要大得多,因此在巖心含水飽和度很高時(shí),氣體在巖心中滲流不會(huì)發(fā)生滑脫效應(yīng),隨著含水飽和度降低,氣固之間的分子碰撞增多,滑脫效應(yīng)又逐漸表現(xiàn)出來。

5 結(jié)論

1)氣體在多孔介質(zhì)中的滑脫效應(yīng)是在低壓下產(chǎn)生的現(xiàn)象,而實(shí)際低滲透致密氣藏的廢棄壓力很高,在這一壓力范圍內(nèi)氣體在儲(chǔ)層中不會(huì)發(fā)生滑脫現(xiàn)象,因此在低滲透氣藏的實(shí)際生產(chǎn)過程中沒有必要考慮滑脫效應(yīng)的影響。

2)低滲透氣藏氣體滲流過程中存在啟動(dòng)壓力梯度,而且滲透率越低啟動(dòng)壓力梯度就越大,氣體的滲流能力就越小,開發(fā)效果也就越差。

3)低滲透氣藏開發(fā)過程中發(fā)生高速非達(dá)西流效應(yīng)具有臨界滲透率值。當(dāng)?shù)蜐B透氣藏儲(chǔ)層有效滲透率小于0.1×10-3μm2時(shí),開發(fā)過程中一般不會(huì)發(fā)生高速非達(dá)西流現(xiàn)象;但是當(dāng)儲(chǔ)層有效滲透率大于0.1× 10-3μm2后,開發(fā)過程中容易產(chǎn)生高速非達(dá)西流現(xiàn)象,而且滲透率越大,高速非達(dá)西流效應(yīng)越明顯,近井地帶儲(chǔ)層附加阻力也就越大。

4)低滲透氣藏含水飽和度對(duì)于氣體的滲流特征影響很大。隨含水飽和度增加,氣體滲流過程中的克氏效應(yīng)減弱,啟動(dòng)壓力梯度增加,高速非達(dá)西流效應(yīng)減弱。

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Experimental research status and several novel understandings on gas percolation mechan ism in low-permeability sandstone gas reservoirs

Gao Shusheng1,2,Xiong Wei2,Liu Xiangui2,Hu Zhiming2,Xue Hui2
(1.School of Energy Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;2.L angfang B ranch,PetroChina Petroleum Exp loration and Development Research Institute,Langfang,Hebei 065007, China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 1,pp.52-55,1/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The study on the percolationmechanism of low-permeability gas reservoirs is conducive to establish reasonable and effective development policies.Fo r the low-permeability sand gas reservoirs,experimental studies of gas percolation mechanism mostly focus on four areas,i.e.,gas slippage effect,starting p ressure gradient,high-speed non-Darcy flow effect,and the impact of water saturation.The domestic and fo reign research data about low-permeability sandstone gas reservoir flow mechanism are analyzed and summarized.After carrying out sufficient experimental studies targeting the gas percolation mechanism of low-permeability sandstone, we got several new understandings:First,in the actual p roduction p rocess,due to the high abandonment p ressure,there is no need to consider the effect of slippage fo r the low-permeability gas reservoirs.Second,the starting p ressure gradient,being inverse p roportion to the permeability,exists in the seepage of low-permeability gas reservoirs,Third,the occurrence of the high-speed non-Darcy flow effect is with the critical permeability value.Fourth,water saturation has a great impact on the flow characteristics of low-permeability gas reservoirs.These conclusions have directive significance fo r the development of low-permeability sandstone gas reservoirs.

low-permeability gas reservoir,slippage effect,starting p ressure,non-Darcy flow,water saturation,experiment,status,understanding

國家科技支撐計(jì)劃(編號(hào):2006BAB03B03)的部分成果。

高樹生,1970年生,高級(jí)工程師,博士研究生;主要從事油氣田開發(fā)方面的研究工作。地址:(065007)河北省廊坊市萬莊44號(hào)信箱。電話:(010)69213752,13013212812。E-mail:gaoshusheng69@petrochina.com.cn

高樹生等.低滲透砂巖氣藏氣體滲流機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀及新認(rèn)識(shí).天然氣工業(yè),2010,30(1):52-55.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.01.014

(修改回稿日期 2009-11-11 編輯 韓曉渝)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.001.014

Gao Shusheng,senio r engineer,was born in 1970.He is studying fo r a Ph.D degree,w ith his interest in research of oil and gas field development.

Add:Mail Box 44,Wanzhuang,Langfang,Hebei065007,P.R.China

Tel:+86-10-6921 3752Mobile:+86-13013212812E-mail:gaoshusheng69@petrochina.com.cn