王 靜，金大權(quán)，馬羽龍，王嘉新，張春陽，蔣麗麗

(1.中石油長慶油田分公司 第四采氣廠，陜西 西安 710018；2.中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室，北京 102249；3.中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249)

引 言

同常規(guī)砂巖相比，致密砂巖孔喉具有非均質(zhì)性強、孔隙結(jié)構(gòu)復雜、喉道細小和物性差等特點[1-2]。流體可動用性是制約致密砂巖儲層可采程度的重要因素之一，針對其研究多利用核磁共振實驗，核磁共振T2譜可獲取可動流體參數(shù)，對表征可動流體與孔喉結(jié)構(gòu)的關(guān)系具有重要作用[3]。Cai等[4]通過核磁共振T2截止值研究了孔喉分布特征；明紅霞等[5]認為致密氣藏可動流體飽和度只與孔隙和喉道半徑有關(guān)；孫軍昌等[6]研究發(fā)現(xiàn)致密氣藏普遍含大量束縛水，油氣多被束縛于被小喉道控制的大孔隙與微孔隙中。前人對于致密砂巖氣藏流體可動用性的研究多集中于孔隙結(jié)構(gòu)對流體賦存特征的影響，而對于有效滲流評價的研究較少。本文以蘇里格氣田東區(qū)為例，提出有效滲流的概念，將表征儲層特征和滲流難易程度的主流喉道半徑、表征儲層開發(fā)潛力的可動流體飽和度和表征滲流能力的啟動壓力梯度和應力敏感系數(shù)作為有效和無效滲流的評價分級參數(shù)，最終通過計算滲流速度，建立了基于啟動壓力梯度和應力敏感影響下的滲流區(qū)域圖版，為致密氣藏采收率評價工作提供參考。

1 有效滲流評價參數(shù)

1.1 主流喉道半徑

對滲透率累積貢獻達到80%時所對應的喉道半徑稱為主流喉道半徑，它是表征致密儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一，影響儲層中流體的滲流能力[7-8]。

研究區(qū)儲層滲透率與主流喉道半徑具有較好的冪函數(shù)關(guān)系(圖1)。由圖1可知，蘇里格東區(qū)儲層主流孔喉半徑平均值主要分布在0.4 μm以下，滲透率也主要分布在0.4×10-3μm2以下。對于致密砂巖氣藏，儲層開發(fā)潛力的大小取決于對儲層滲透率起主要貢獻的較大喉道分布的多少。大吼道分布越多，流體滲流時的通道就大，滲流阻力就越小；反之，流體的滲流阻力就大，儲層開發(fā)難度也會變大。蘇里格東區(qū)有50%的巖心主流喉道半徑小于0.4 μm，即主要是亞微米級喉道對滲流起到控制作用。

1.2 可動流體飽和度

由于致密儲層孔隙內(nèi)表面積大、喉道細小，大量束縛流體吸附在孔隙壁面，因此可動流體飽和度可用于表征致密儲層孔隙流體賦存特征和評價儲層開發(fā)潛力[9]。根據(jù)國內(nèi)外油氣田開發(fā)的經(jīng)驗，若僅以可動流體飽和度為標準，則可將儲層劃分為5類[5]，具體分類見表1。

相關(guān)文獻[10～13]對核磁共振檢測流體可動用性原理已經(jīng)介紹得非常詳細，本文不再展開詳述。核磁共振實驗結(jié)果顯示蘇里格東區(qū)氣田盒8段儲層T2譜形態(tài)比較復雜，具體來看，東區(qū)7塊樣品的T2譜分布有單峰型、左高右低型、中間高峰兩邊低峰型3種類型(圖2)，可動流體飽和度值為8.29%～52.96%，平均值為33.78%，變化較大且整體偏低(表2)。

表2 蘇東地區(qū)巖樣核磁共振實驗數(shù)據(jù)

圖2 蘇東地區(qū)巖樣核磁共振T2譜分布

1.3 啟動壓力梯度

蘇里格高含水致密氣藏為氣水兩相滲流，其儲層中氣水的流動通道細小，極易形成水化膜。由于毛管力的作用，地層孔隙中的氣體必須克服水化膜的束縛，即作用于水化膜兩側(cè)的壓力梯度必須高于臨界值時氣體才能流動，該值即為氣體滲流時的啟動壓力梯度[14-15]。本文選取蘇里格東區(qū)10塊巖心(表3)，通過流量壓差法進行致密氣藏氣水兩相啟動壓力梯度測試實驗。

1.3.1 實驗步驟

(1)為了更好地模擬儲層真實情況，啟動壓力梯度測試所用巖心均為含束縛水巖心，所有巖心的含水飽和度為41%～45%，均接近儲層束縛水飽和度(表3)。

表3 蘇東地區(qū)巖樣啟動壓力實驗基礎數(shù)據(jù)

(2)實驗流程和儀器如圖3。選取30 MPa作為實驗圍壓來模擬蘇里格東區(qū)致密儲層的上覆地層壓力，測量10組巖心滲透率Kg，出口壓力設定為大氣壓力0.101 33 MPa，進口壓力為0.02 MPa，0.03 MPa，0.04 MPa，0.05 MPa，0.075 MPa，0.1 MPa，0.15 MPa，0.20 MPa，0.25 MPa和0.3 MPa。

圖3 啟動壓力梯度測定實驗基礎流程

(3)通過改變進口壓力多次測定通過巖心的氣體流量Q，測定其進口壓力p1和出口壓力p0，計算氣體流速V，并取平均值作為有效流動速度。

1.3.2 實驗結(jié)果

作4號和8號巖心的兩相啟動壓力梯度曲線如圖4(a)、圖4(b)所示。由圖4(a)可知，4號巖心的啟動壓力梯度dp/L值為1.5 MPa/m；由圖4(b)可以看出，8號巖心的啟動壓力梯度dp/L值為0.19 MPa/m。

圖4 氣水兩相啟動壓力梯度實驗曲線

通過實驗可知，當滲透率大于0.1×10-3μm2時，不存在啟動壓力梯度；而當滲透率小于0.1×10-3μm2時，存在啟動壓力梯度且較明顯。由圖5可知滲透率倒數(shù)與啟動壓力梯度呈近似線性關(guān)系。

圖5 滲透率倒數(shù)與啟動壓力梯度關(guān)系

1.4 應力敏感性評價

應力敏感是指儲層滲透率隨有效應力的變化而變化的現(xiàn)象[16]。在氣藏生產(chǎn)過程中，凈上覆巖層壓力隨著流體產(chǎn)出不斷升高，儲層孔隙空間受到壓縮，最終造成裂縫通道和喉道閉合，這將引起儲層中流體滲流阻力的增加和滲流速度的降低，最終使氣井產(chǎn)能下降。

應力敏感性評價對于致密儲層保護方案設計意義重大。國外關(guān)于應力敏感性評價的研究始于20世紀70年代，Jones等[17-19]提出了天然裂縫性碳酸鹽巖中巖樣滲透率與有效應力的關(guān)系式

(1)

同時發(fā)現(xiàn)該式也適用于低滲砂巖氣層。式中，S為應力敏感系數(shù)，小數(shù)；σ為有效應力，MPa；K為σ對應的滲透率，10-3μm2；K1000為第1 000個有效應力下的巖樣滲透率，10-3μm2。

國內(nèi)近年來應力敏感性研究較多，張琰等[20]用滲透率損害率來表征低滲透氣藏的應力敏感程度，即

(2)

式中，R為滲透率損害率；K1、K2為不同應力點對應的滲透率，10-3μm2。

蔣海軍等[21]通過實驗得到滲透率與有效應力的指數(shù)回歸關(guān)系式，應力敏感性程度用關(guān)系式中的常數(shù)表示。

中國石油天然氣行業(yè)標準SY/T5358-2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》中，提出了應力敏感損害率的定義，即

(3)

式中，Dk為滲透率損害率，%；K1為第一個應力點對應的巖樣滲透率，10-3μm2；Kmin為達到臨界應力后巖樣滲透率的最小值，10-3μm2。

蘭林等[22]分析了不同初始條件下滲透率損害率與應力敏感性系數(shù)的關(guān)系，即

(4)

式中，Ss為應力敏感系數(shù)；σ為有效應力，MPa；K為σ對應的滲透率，10-3μm2；σ0為初始測點的有效應力，MPa；K0為σ0對應的滲透率，10-3μm2。

考慮到應力敏感性系數(shù)與滲透率損害率相關(guān)性強，應力敏感性系數(shù)可對比不同區(qū)塊儲層應力敏感程度，因此使用蘭林等提出的應力敏感性系數(shù)來度量儲層的應力敏感程度。

采用應力敏感系數(shù)和滲透率損害率的應力敏感性評價標準如表4所示。

表4 應力敏感性評價標準

為了評價蘇里格東區(qū)的應力敏感性，依據(jù)式(3)和式(4)計算研究區(qū)巖樣的滲透率損害率與應力敏感系數(shù)(表5)，并根據(jù)表4標準評價其應力敏感程度。10塊巖心的平均應力敏感系數(shù)為0.107 16、平均滲透率損害率為48.12%，為中等應力敏感。儲層的應力敏感效應將極大程度影響儲層

表5 蘇東地區(qū)巖樣應力敏感程度評價結(jié)果

滲流能力，降低氣藏采收率。因此，對于致密氣藏需要考慮應力敏感效應的影響。

2 滲流區(qū)域分類界限

將多孔介質(zhì)中的流體在地層條件下能夠有效運移并聚集成流的狀態(tài)，定義為有效滲流，相反則稱為無效滲流。本節(jié)將主流喉道半徑、可動流體飽和度、啟動壓力梯度和應力敏感系數(shù)作為有效和無效滲流的評價分級參數(shù)，最終通過計算滲流速度，建立基于壓力敏感和啟動壓力梯度影響下的滲流區(qū)域圖版。

2.1 滲流區(qū)域分類依據(jù)

依據(jù)上節(jié)所選取的評價參數(shù)將研究區(qū)儲層劃分為有效滲流和無效滲流區(qū)域(表6)：滲透率小于0.1×10-3μm2的為Ⅰ類儲層，主流喉道半徑小于0.1 μm，為納米級別的孔喉空間，束縛水飽和度最高，啟動壓力梯度大于0.1 MPa/m，應力敏感大于0.09，在該類儲層內(nèi)難以形成有效滲流；滲透率大于0.1×10-3μm2的為Ⅱ類儲層，主流喉道半徑大于0.1 μm，可動流體飽和度大于35%，啟動壓力梯度小于0.1 MPa/m，應力敏感系數(shù)小于0.09，在該類儲層內(nèi)易形成有效滲流。

表6 蘇里格東區(qū)滲流區(qū)域分類

2.2 滲流區(qū)域圖版

致密氣藏孔喉細小、比表面積大、滲透率低，使儲層中流體存在一些明顯的滲流特征。由于存在啟動壓力梯度，則氣藏中的滲流速度為

(5)

式中：Δp為驅(qū)替壓力差，MPa；λ為啟動壓力梯度，MPa/m；μ為天然氣黏度，mPa·s；L為巖心長度，m。

由于存在應力敏感現(xiàn)象，則氣藏中的滲透率隨壓力發(fā)生變化。根據(jù)滲流影響因素的分析，對氣體滲流速度公式進行修正，得到氣體滲流速度

(6)

式中，Ki為原始滲透率，10-3μm2；α為應力敏感系數(shù)；λ為啟動壓力梯度，MPa/m。

根據(jù)測得的儲層基質(zhì)滲透率、啟動壓力梯度、應力敏感系數(shù)3個參數(shù)計算滲流速度，當滲流速度足夠小時，則可當作無效滲流。最終繪制出滲流區(qū)域圖版(圖6)，Ⅰ區(qū)為無效滲流，包括的區(qū)間為：滲透率小于0.1×10-3μm2，存在啟動壓力梯度但小于0.05 MPa/m且存在壓力敏感系數(shù)但小于0.09，或滲透率小于0.2×10-3μm2，啟動壓力梯度大于0.05 MPa/m且壓力敏感系數(shù)大于0.09。Ⅱ區(qū)為有效滲流，包括的區(qū)間為：滲透率大于0.2×10-3μm2的所有區(qū)域或滲透率為(0.1～0.2)×10-3μm2，啟動壓力梯度小于0.05 MPa/m且壓力敏感系數(shù)小于0.09的區(qū)域。因此對于基質(zhì)滲透率小于0.1×10-3μm2的致密氣藏需要進行水力壓裂才能取得較好的開發(fā)效果。

圖6 基于滲透率、啟動壓力梯度和應力敏感的滲流區(qū)域圖版

3 結(jié) 論

(1)以滲透率、主流喉道半徑、可動流體飽和度、啟動壓力梯度和應力敏感下滲透率損害率等參數(shù)為依據(jù)劃分了有效滲流與無效滲流區(qū)域。滲透率小于0.1×10-3μm2的儲層，其主流喉道半徑為納米級別，束縛水飽和度最高，啟動壓力梯度和應力敏感系數(shù)較大，因此難以形成有效滲流；滲透率大于0.1×10-3μm2的儲層，其主流喉道半徑為亞微米級別，可動流體飽和度較大，啟動壓力梯度和應力敏感系數(shù)較小，因此易形成有效滲流。

(2)根據(jù)測得相關(guān)參數(shù)計算滲流速度，建立了研究區(qū)基于滲透率、啟動壓力梯度和應力敏感的滲流區(qū)域圖版，確定基質(zhì)滲透率小于0.1×10-3μm2的致密砂巖氣藏需要進行水力壓裂才能取得較好的開發(fā)效果。