鄭鑫平 郭 平 汪周華 汪 強(qiáng)

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500)

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碳酸鹽巖氣藏氣體單相滲流特征實(shí)驗(yàn)研究

鄭鑫平 郭 平 汪周華 汪 強(qiáng)

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500)

針對(duì)碳酸鹽巖氣藏含水條件下的滲流機(jī)理與常規(guī)氣藏相比表現(xiàn)出的不同的非線性滲流特征問(wèn)題，以X氣藏4塊全直徑巖心為研究對(duì)像，以滲流理論為基礎(chǔ)，在常溫常壓條件下開(kāi)展?jié)B流機(jī)理實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析，掌握碳酸鹽巖氣藏的非線性滲流特征及影響因素。研究結(jié)果表明：碳酸鹽巖含水氣藏氣體滲流普遍存在4種滲流特征：閾壓效應(yīng)、滑脫效應(yīng)、達(dá)西滲流和高速非達(dá)西滲流；隨巖心含水飽和度增加，氣體滲流表現(xiàn)出閾壓效應(yīng)增強(qiáng)、滑脫效應(yīng)減弱、高速非達(dá)西流效應(yīng)增強(qiáng)的特點(diǎn)。

碳酸鹽巖氣藏； 非線性滲流； 含水飽和度； 滲流曲線； 滲流實(shí)驗(yàn)

隨著全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，全世界對(duì)油氣資源的需求量不斷增加。由于碳酸鹽巖儲(chǔ)層蘊(yùn)藏的油氣資源儲(chǔ)量巨大，因而近年來(lái)對(duì)該類(lèi)氣藏的勘探開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到各國(guó)的重視[1-3]，然而碳酸鹽巖氣藏儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)，其滲流規(guī)律與常規(guī)氣藏相比有較大的區(qū)別。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)常規(guī)氣藏的滲流機(jī)理開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)研究，得到了描述該類(lèi)氣藏滲流機(jī)理的新認(rèn)識(shí)[4-15]。本次研究以X碳酸鹽巖氣藏全直徑巖心為研究對(duì)象，深入了解X氣藏中氣體非線性滲流特征。

1 碳酸鹽巖儲(chǔ)層特殊滲流機(jī)理實(shí)驗(yàn)

此次研究選取4塊X氣藏全直徑巖樣進(jìn)行常溫常壓滲流機(jī)理實(shí)驗(yàn)測(cè)試，巖心物性參數(shù)見(jiàn)表1。分別對(duì)4塊巖心進(jìn)行干燥，并開(kāi)展不同含水飽和度巖樣滲流機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究。本次實(shí)驗(yàn)裝置與氣測(cè)滲透率實(shí)驗(yàn)裝置類(lèi)似，實(shí)驗(yàn)用水為室內(nèi)復(fù)配地層水，實(shí)驗(yàn)用氣為高純氮?dú)狻Ｔ诓煌柡投葞r樣單相氣體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)壓差和含水飽和度的變化，實(shí)驗(yàn)前后對(duì)巖樣稱(chēng)重，控制其含水飽和度變化不超過(guò)5%，以保證測(cè)試過(guò)程中氣體處于單相流動(dòng)狀態(tài)。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心基本物性參數(shù)

2 不同實(shí)驗(yàn)條件下單相氣體滲流特征

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)巖心內(nèi)氣體滲流規(guī)律研究做過(guò)大量的相關(guān)性實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果建立了不同的氣體滲流特征數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式。2008年，馮曦等人[6]以大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)單相氣體不同滲流運(yùn)動(dòng)方程推導(dǎo)并建立了氣體非線性滲流特征診斷方法和相關(guān)非線性參數(shù)的確定方法，大大提高了不同滲流效應(yīng)特征診斷精度。本次研究以上述方法為依據(jù)，診斷分析4塊全直徑巖樣不同實(shí)驗(yàn)條件下的滲流特征。

2.1 干燥巖樣滲流特征

典型的干燥巖樣滲流特征診斷見(jiàn)圖1。從圖中可以看出，隨著巖心壓力梯度逐漸增加，巖樣中氣體滲流特征依次表現(xiàn)為滑脫效應(yīng)、達(dá)西滲流及高速非

達(dá)西滲流。在較低壓力梯度下，巖心視滲透率隨巖心中平均壓力的增加而減小(圖1b)，表現(xiàn)出氣體滑脫效應(yīng)的影響；同時(shí)由于低壓下滑脫效應(yīng)的影響，造成達(dá)西滲流段曲線為不過(guò)原點(diǎn)的直線(圖1c)；在較高壓力梯度下，巖樣氣體滲流表現(xiàn)為高速非達(dá)西滲流占主導(dǎo)地位的非線性滲流特征(圖1a)，由于慣性效應(yīng)的影響，巖心視滲透率隨壓力梯度的增加會(huì)逐漸降低。

圖1 10-3745號(hào)樣滲流特征

常溫常壓小壓力梯度條件下，不同含水飽和度巖樣單相氣體滲流特征表現(xiàn)出2種類(lèi)型：(1)低壓下閾壓效應(yīng)影響占主導(dǎo)地位的滲流特征；(2)閥壓效應(yīng)和滑脫效應(yīng)的影響依次占主導(dǎo)地位的滲流特征。典型常溫常壓下含水巖樣滲流特征見(jiàn)圖2 — 圖3。

含水巖樣由于儲(chǔ)層物性、孔喉、含水飽和度以及水膜厚度的影響，其氣體滲流特征與干燥巖樣相比存在較大差異，主要表現(xiàn)在小壓力梯度滲流段。氣體首先要克服巖石表面或孔喉處水膜引起的附加毛細(xì)管阻力才能流動(dòng)，即表現(xiàn)為閾壓效應(yīng)。隨著壓力梯度的增加，更多氣體參與流動(dòng)，巖心視滲透率逐漸增大。

對(duì)于圖2所示巖樣，含水飽和度相對(duì)較高，小壓

力梯度滲流段主要表現(xiàn)為閾壓效應(yīng)占絕對(duì)主導(dǎo)地位的滲流特征；圖3所示巖樣，含水飽和度相對(duì)較小，在小壓力梯度條件下，氣體必須首先克服由于水相的存在而引起的附加阻力后才能流動(dòng)(圖3(c))，即存在閾壓效應(yīng)。隨著壓力梯度增加，含水巖樣依次表現(xiàn)出不同滲流段特征，其規(guī)律與干燥巖樣類(lèi)似。

圖2 2-1052號(hào)巖樣滲流特征(Swi=38.12%)

圖3 2-3452號(hào)巖樣滲流特征(Swi=27.27%)

3 含水飽和度對(duì)滲流特征的影響

3.1 啟動(dòng)壓力梯度

本次室內(nèi)滲流機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究表明：當(dāng)含水飽和度達(dá)到一定程度時(shí)，碳酸鹽巖儲(chǔ)層普遍存在閾壓效應(yīng)。閾壓效應(yīng)表現(xiàn)為在較小壓力梯度時(shí)，氣體不發(fā)生流動(dòng)，滲流速度為零，當(dāng)壓力梯度達(dá)到某一值時(shí)，氣相才能保持連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)，這一壓力梯度被稱(chēng)為啟動(dòng)壓力梯度。從圖4可以看出：當(dāng)巖心含水飽和度較小時(shí)，其滲流特征與不含水時(shí)單相氣體的滲流特征非常相似，滲流曲線表現(xiàn)為上凸型，滑脫效應(yīng)作用明顯，閾壓效應(yīng)減弱；當(dāng)巖心含水飽和度較大時(shí)，滲流曲線表現(xiàn)為上凹型，且隨著巖心含水飽和度的增加，氣體滲流特征曲線逐漸向壓力平方梯度軸靠近，氣體滲流速度逐漸減小，啟動(dòng)壓力梯度增加，即表現(xiàn)為閾壓效應(yīng)占主導(dǎo)地位的滲流特點(diǎn)。

圖4 2-1052號(hào)巖樣滲流曲線

根據(jù)克氏理論可知，隨孔喉直徑減小，巖心中低壓氣體的滑脫效應(yīng)增強(qiáng)。巖心含水條件下，孔喉直徑會(huì)減小，氣體滑脫效應(yīng)應(yīng)隨巖心含水飽和度的增加而增加。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻不符合克氏理論。從圖5可以看出，隨著巖心含水飽和度的增加，克氏曲線的斜率不斷減小，氣體視滲透率下降幅度減緩；在較高含水飽和度下，克氏回歸曲線趨于接近一條直線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氣體在含水巖樣中滑脫效應(yīng)的影響隨含水飽和度的增加而明顯減弱。分析認(rèn)為滑脫效應(yīng)是氣體分子與巖心孔隙內(nèi)壁碰撞產(chǎn)生的結(jié)果。在低壓條件下，氣固分子間引力小，更多氣體分子由于熱運(yùn)動(dòng)參與到多孔介質(zhì)的流動(dòng)中，使得巖心中氣體的視滲透率增加，結(jié)果表現(xiàn)為氣體滑脫現(xiàn)象。對(duì)于含水巖心，由于多孔介質(zhì)的孔喉壁面附著水膜，在巖心滲流過(guò)程中氣體分子主要和附著水膜的孔喉壁面發(fā)生碰撞，氣水分子間的作用力比氣固之間的大得多，最終導(dǎo)致巖心在較高含水飽和度下，氣體在巖心中滲流時(shí)滑脫效應(yīng)減弱甚至消失。當(dāng)巖心含水飽和度降低時(shí)，氣固分子間的碰撞又逐漸增多，氣體滑脫效應(yīng)又明顯增強(qiáng)。

圖5 2-3452號(hào)巖樣克氏回歸曲線

多孔介質(zhì)氣體滲流普遍存在高速非達(dá)西流效應(yīng)。當(dāng)生產(chǎn)壓差較大時(shí)儲(chǔ)層中容易發(fā)生紊流現(xiàn)象，導(dǎo)致在近井處產(chǎn)生高速非達(dá)西滲流，氣體滲流能力降低從而影響氣井產(chǎn)能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)滲流速度增大到某一值后，巖心滲流表現(xiàn)出高速非達(dá)西滲流特征(圖6)。

圖6 10-3745號(hào)巖樣高速非達(dá)西滲流診斷圖

從圖6可以看出：隨著巖心含水飽和度的增加，在氣體流量較高條件下，高速非達(dá)西滲流診斷圖中線性回歸直線表現(xiàn)為曲線斜率增加，說(shuō)明巖心孔喉壁面附著的水膜影響氣體高速非達(dá)西滲流程度。隨著巖心含水飽和度的增加，孔喉直徑進(jìn)一步減小，氣體高速非達(dá)西滲流特征越明顯。將圖6中線性回歸直線的截距和斜率代入非線性特征參數(shù)診斷公式，計(jì)算得到巖樣的紊流系數(shù)(表2)。

表2 10-3745號(hào)巖樣紊流系數(shù)求取參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

表2 10-3745號(hào)巖樣紊流系數(shù)求取參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

含水飽和度∕%直線斜率直線截距∕(MPa2·cm-4·s)紊流系數(shù)∕(m-1)18．3512．340．62841．25E+1724．8513．280．70221．34E+1738．5431．771．01743．22E+17

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)隨壓力梯度增加，碳酸鹽巖含水氣藏儲(chǔ)層普遍存在4種滲流特征：閾壓效應(yīng)、滑脫效應(yīng)、達(dá)西滲流及高速非達(dá)西滲流。

(2)隨含水飽和度增加，巖心啟動(dòng)壓力梯度增加，閾壓效應(yīng)越明顯；在較低含水飽和度條件下，隨壓力梯度的增加，氣體滲流表現(xiàn)為閾壓效應(yīng)和滑脫效應(yīng)依次占主導(dǎo)地位的滲流特征。

(3)隨含水飽和度增加，巖心中氣體滲流受滑脫效應(yīng)的影響而減弱，氣體高速非達(dá)西流效應(yīng)越明顯，紊流系數(shù)越大。

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An Experimental Study on the Percolation Characteristics of Single Phase Gas in Carbonate Gas Reservoirs

ZHENGXinpingGUOPingWANGZhouhuaWANGQiang

(State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Carbonate gas reservoirs with water saturation have different non-linear flow characteristics when compared with conventional gas reservoirs. With percolation theory diagnosis technique, four full-hole core examples of X gas reservoirs are used to test and analyze percolation characteristics through percolation theory experiments at normal pressures and temperatures. The results show that gas flow in carbonate gas reservoirs generally exists four flow effects as follows: threshold pressure effect, slippage effect, Darcy flow effect and high-speed non-Darcy flow effect; with increasing water saturation, gas flow has features of higher threshold pressure effect, lower slippage effect and higher high-speed non-Darcy flow effect.

carbonate gas reservoirs; non-Darcy flow; water saturation; seepage curve; percolation experiment

2015-01-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于密度泛函理論研究頁(yè)巖氣藏氣固吸附微觀機(jī)理”(51204141)

鄭鑫平(1989 — )，男，四川成都人，西南石油大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樽馓岣卟墒章?、低滲致密及非常規(guī)氣藏滲流機(jī)理等。

TE312

A

1673-1980(2015)05-0027-04