李玉城

(長城鉆探工程有限公司 地質(zhì)研究院，遼寧 盤錦 124010)

0 引言

蘇里格氣藏是我國最大的致密砂巖氣藏，為我國天然氣的穩(wěn)定供應(yīng)做出了巨大貢獻(xiàn)[1]。經(jīng)多年開發(fā)投產(chǎn)，蘇53中部(山1段儲層)逐漸成為主要的產(chǎn)能接替區(qū)。然而受長期地質(zhì)沉積及眾多成巖壓實作用的影響，該區(qū)孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)，嚴(yán)重制約了氣井產(chǎn)能[2]。同時目標(biāo)區(qū)域高含水的特性又為天然氣高效開發(fā)增加了難度。因此近年來，眾多中外學(xué)者從儲層物性[3-4]、氣水滲流規(guī)律方面[5]開展了大量研究。胡勇[6]等人通過壓汞實驗建立了蘇里格氣田巖石氣相滲透率與孔喉尺寸及數(shù)量的關(guān)系圖版，并設(shè)計氣體在不同物理模型的滲流實驗，通過邊界壓力、產(chǎn)氣量等參數(shù)變化，揭示致密氣藏的滲流規(guī)律；王曉梅[7]與劉會會[8]等人通過相關(guān)地質(zhì)資料一致認(rèn)為蘇里格氣藏地層水存在3種賦存狀態(tài)(束縛水、毛細(xì)管束縛水和自由水)，并且儲層強(qiáng)非均質(zhì)性是影響氣水滲流的主要因素；劉登科[9]等人綜合利用核磁共振、壓汞實驗及氣水相滲實驗等方法，通過束縛水飽和度變化，揭示了黏土礦物對滲流的影響規(guī)律。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，前人研究多是借助相關(guān)實驗參數(shù)變化(壓力、產(chǎn)氣量、束縛水飽和度)揭示儲層物性對氣水滲流的影響，而氣水兩相在孔隙喉道中如何流動鮮有研究。該研究以蘇里格中部(山1段儲層)為研究對象，基于對目標(biāo)儲層孔喉特征的了解，開展相滲實驗及孔喉尺度下的氣水流動模擬，揭示孔喉尺度下的氣水滲流規(guī)律，對蘇里格氣藏高效開發(fā)及后續(xù)開發(fā)方案的調(diào)整提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)條件

鄂爾多斯盆地是一個多沉積類型、多回旋演化、構(gòu)造變形弱的大型盆地[10-12]，整體輪廓近似為矩形，本部面積約為25×104km2，總面積約為37×104km2。其西北部坐落著我國最大氣田——蘇里格氣田，目前探明儲量規(guī)模已經(jīng)接近3.5×1012m3，累計產(chǎn)氣量已突破1.0×1011m3。蘇里格中部位于伊陜斜坡東北部，是蘇里格氣田主要的產(chǎn)能接替區(qū)。區(qū)域構(gòu)造為向西傾斜的平緩單斜，形態(tài)以發(fā)育不規(guī)則形狀的鼻狀構(gòu)造為主且大都較為平緩，因而形成大面積的巖性氣藏，具有含氣層系多、含氣面積廣、儲量豐富的特點(diǎn)[13-15]。

儲層巖石常規(guī)物性測試是認(rèn)識儲層的基礎(chǔ)，主要包括滲透率和孔隙度參數(shù)的測量。采用孔隙度、滲透率測定儀對中區(qū)山1段儲層142塊巖心進(jìn)行測試，統(tǒng)計結(jié)果如圖1和圖2所示。結(jié)果表明：山1段儲層孔隙度多為3%～6%，滲透率多為0.3～0.5 μm2，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6832—2011《致密砂巖氣地質(zhì)評價方法》中致密氣藏的界定范圍，認(rèn)為山1段以致密儲層為主，部分含有常規(guī)儲層。

圖1 山1段孔隙度分布直方圖Fig.1 Porosity distribution histogram of the Shan1 Member

圖2 山1段滲透率分布直方圖Fig.2 Histogram of permeability distribution of the Shan1 Member

2 儲層巖石學(xué)及孔喉特征

2.1 巖石學(xué)特征

蘇里格中部山1段巖石多呈現(xiàn)淺灰綠色，灰白色，這表明目標(biāo)儲層處于弱還原環(huán)境，如圖3所示。圖4所示為蘇里格中部儲層砂巖分布情況。三端元圖及巖心鑄體薄片表明，巖石類型以中-粗粒巖屑石英砂巖為主，其骨架顆粒多為石英，其次為巖屑，長石顆粒最少。顆粒分選中等偏好，平均粒徑為0.12～1.25 mm。顆粒磨圓度中等，主要為次棱-次圓狀，且結(jié)構(gòu)成熟度中等偏低。填隙物以黏土礦物為主，鈣質(zhì)次之。統(tǒng)計結(jié)果顯示，巖心石英含量平均為76.1%，黏土礦物含量為5.1%～38.7%，平均含量為19.56%。其中伊蒙混層占黏土礦物含量的55.9%，伊利石占11.9%，高嶺石占11.5%，綠泥石占20.8%。

圖3 山1組天然巖心實物圖Fig.3 Physical map of the natural core of the Shan1 group

圖4 蘇里格中部儲層砂巖分布圖Fig.4 Reservoir sandstone distribution map in central Sulige

2.2 孔喉結(jié)構(gòu)及配置關(guān)系

常規(guī)壓汞法與鑄體薄片法是研究孔喉結(jié)構(gòu)特征與連通性的重要方法[16-19]。對研究區(qū)同一巖心分別制樣，開展常規(guī)壓汞與鑄體薄片實驗。

三口取芯井52塊鑄體薄片測試結(jié)果表明，研究靶區(qū)儲集空間主要包括殘余原生粒間孔、粒間溶孔、巖屑溶孔和高嶺石晶間孔。所選巖心埋深為3 180～3 380 m，較大的埋深使目的層受到了較強(qiáng)的壓實作用，顆粒之間由點(diǎn)、線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)閴呵督佑|，使大部分原生孔隙遭受破壞，從而形成殘余粒間孔、可溶蝕礦物的次生溶孔以及自生黏土礦物的高嶺石晶間孔，構(gòu)成了盒8段、山1段致密砂巖儲層的儲集體系。

毛細(xì)管曲線一般具有兩頭陡、中間緩的特征。因此巖心毛細(xì)管曲線一般可分為初始段、中間平緩段和末端上翹段3段。在初始段，毛管壓力增長快，汞飽和度增長慢，這主要由于巖心表面的不光滑性或其表面具有切開的大孔隙所引起。此階段，真正進(jìn)入巖心中的汞量極少，大部分汞在充填巖心表面的凹面空間。汞開始進(jìn)入巖心時所對應(yīng)的毛管壓力為排驅(qū)壓力pT，其值越高，巖心物性越好。在中間平緩段，毛管壓力增長較慢，相應(yīng)的汞飽和度增長較快，表明該階段為主要的進(jìn)液段。其長度越長，孔喉分選越好，位置越低，巖心喉道半徑越大。在末端陡峭段，毛管壓力急劇增長，而進(jìn)入巖心的汞量極少。當(dāng)汞飽和度不再增長時，其值為最大進(jìn)汞飽和度SHg，其值越大，巖心物性越好。

儲層中孔隙、喉道并不以單一類型存在，而是以優(yōu)勢類型相互組合，控制儲層的儲集空間與滲流能力。研究區(qū)主要的孔隙組合類型為粒間孔-粒間溶孔、巖屑溶孔-粒間溶孔、巖屑溶孔-晶間孔。將毛細(xì)管曲線形態(tài)、特征參數(shù)與孔隙類型相結(jié)合，將研究區(qū)山1段儲層劃分為3類，如圖5～圖7所示，圖8所示為3類儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征。蘇里格中部不同孔隙類型物性參數(shù)見表1。

表1 蘇里格中部不同孔隙類型物性參數(shù)Table 1 Physical properties of different pore types in central Sulige

圖5 Ⅰ類儲層Fig.5 Type I reservoir

圖7 Ⅲ類儲層Fig.7 Type III reservoir

圖8 3類儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征Fig.8 Pore structure characteristics of thress types of reservoirs

Ⅰ 類巖心壓汞曲線具有長平緩段及高進(jìn)汞飽和度(大于60%)?？缀戆霃蕉酁?.006 3～0.250 0 μm，峰值區(qū)間為0.063～0.250 μm，分選好。結(jié)合鑄體薄片可以發(fā)現(xiàn)，其孔隙組合類型主要由粒間孔-粒間溶孔組成，巖屑溶孔及晶間孔占比少。巖心孔隙度大于10%，滲透率大于1×10-3μm3。

Ⅱ 類巖心壓汞曲線具有較短的平緩段，其進(jìn)汞飽和度為30%～60%?？缀戆霃蕉酁?.002 5～0.400 0 μm，峰值區(qū)間為0.04～0.40 μm，分選一般。結(jié)合鑄體薄片可以發(fā)現(xiàn)，其孔隙組合類型主要由巖屑溶孔-粒間溶孔組成。巖心孔隙度為5%～10%，滲透率在(0.35～1.00)×10-3μm3。

Ⅲ類巖心壓汞曲線陡峭段長，平緩段短，進(jìn)汞飽和度小于30%。孔喉半徑多為0.002 5～0.160 0 μm，峰值區(qū)間為0.063～0.160 μm，分選差。其孔隙組合類型主要由巖屑溶孔-晶間溶孔組成。巖心孔隙度小于5%，滲透率小于0.35×10-3μm3。

3 滲流特征

3.1 多相滲流特征

基于孔喉結(jié)構(gòu)的表征，選取代表3種孔隙類型的巖心開展相滲實驗。由相滲實驗得到的相滲曲線存在3種特征參數(shù)，分別為束縛水飽和度、束縛氣飽和度、兩相共滲區(qū)長度。綜合分析各類型巖心特征參數(shù)變化，結(jié)果表明，Ⅰ類巖心束縛水飽和度最低，兩相共滲區(qū)范圍最長，等滲點(diǎn)處相對滲透率最大，表明Ⅰ類巖心儲集與滲流能力最強(qiáng)。蘇里格中部不同孔隙類型物性參數(shù)見表2，蘇里格中部山1段不同孔隙類型氣水相滲曲線如圖9所示。

圖9 蘇里格中部山1段不同孔隙類型氣水相滲曲線Fig.9 Gas-water permeability curves of different pore types in the Shan1 Member of the central Sulige

表2 蘇里格中部不同孔隙類型物性參數(shù)Table 2 Physical properties of different pore types in central Sulige

由Ⅰ類至Ⅲ類，束縛水飽和度逐漸增加(43.5%～48.6%)，兩相共滲區(qū)變短(48.46%～29.46%)，等滲點(diǎn)處相對滲透率逐漸降低(0.12～0.05)。巖心物性變差使得儲層儲集天然氣的能力變?nèi)?，此外由于滲流通道變窄，加劇了氣水兩相間的干擾，導(dǎo)致氣體滲流能力減弱，不利于氣體的產(chǎn)出。尤其在氣藏開發(fā)后期，含水率的上升更會對氣體滲流能力造成不利影響。

3.2 孔隙尺度下氣水兩相流動模擬

巖心類型由Ⅰ類轉(zhuǎn)至Ⅲ類，孔隙喉道逐漸變窄。為進(jìn)一步探索孔隙尺度下兩相流動規(guī)律，采用數(shù)值模擬法建立2種氣水流動模型，如圖10和圖11所示，揭示氣水滲流特征。2種模型長度皆為42 μm，其中一種孔隙半徑為14 μm，喉道半徑為5 μm，另一種孔隙半徑為10 μm，喉道半徑為3 μm。已知巖石潤濕性為強(qiáng)親水，則氣相占據(jù)孔隙中央空間，而水相占據(jù)孔隙表面。

圖10 孔隙尺度下氣水兩相流動物理模型Fig.10 Physical model of gas-water two-phase flow at pore scale

圖11 孔隙尺度下氣水兩相流動物理模型Fig.11 Physical model of gas-water two-phase flow at pore scale

在初始含水飽和度(55.12%)不變的前提下，建立機(jī)理模型如圖12所示，估算機(jī)理模型的臨界壓力梯度(dp/dl|C)，其表達(dá)式如式(1)所示：

圖12 初始含水飽和度為55.12%的機(jī)理模型Fig.12 Mechanism model with initial water saturation is 55.12%

(1)

式中：pcgmax為最大毛管壓差(估算見式(2))，Pa；l為毛管長度，m。

(2)

式中：r1為位于喉道處的氣泡曲率半徑(估算見式(3))，m；r2為位于孔隙處的氣泡曲率半徑(估算見式(4))，m；θ為潤濕角，(°)；n為氣泡個數(shù)，無因次。

(3)

(4)

經(jīng)式(1)～式(4)計算，模型的壓力梯度估算值為1.589×109Pa/m。同理估算另一模型，其壓力梯度估算值為2.135×109Pa/m。

設(shè)置驅(qū)替壓力梯度為1.8×109Pa/m，模擬氣體在孔喉結(jié)構(gòu)中的運(yùn)移規(guī)律。利用COMSOL MultiphysicsTM軟件對模型進(jìn)行數(shù)值求解，進(jìn)而獲得相關(guān)流動參數(shù)(流速、流體體積分?jǐn)?shù)和壓力等)，分析氣水兩相的流動特征。模型流動時間為0.005 s，時間間隔為0.000 001 s。氣水兩相在模型Ⅰ的流動如圖13所示(初始含水飽和度為 55.12%，驅(qū)替壓力梯度為 2×103Pa/m)。不同時間點(diǎn)下的氣體體積分?jǐn)?shù)場如圖14所示。在初始階段(如圖14a所示)，受巖心潤濕性影響，氣泡居于孔隙中央，而水相占據(jù)其他孔隙空間。在以一定注入壓力注水時，氣泡開始壓縮(如圖14b所示)，并逐漸向出口端移動(如圖14c所示)。當(dāng)靠近喉道時，由于氣泡兩端的驅(qū)替壓差小于喉道的毛細(xì)管力，導(dǎo)致氣泡滯留在孔隙中，低效共滲區(qū)由此產(chǎn)生(如圖14c所示)。此時，氣泡的滯留不僅使氣相的滲流能力急劇下降，還使水相的流動通道受到阻擋，影響了水相的滲流。隨著驅(qū)替的進(jìn)行，滯留在孔隙內(nèi)的氣泡被進(jìn)一步壓縮，氣泡體積不斷減小，水相流動通道逐漸通暢，滲流能力得到恢復(fù)(如圖14d所示)。對比圖14c和圖14d兩階段速度場可以發(fā)現(xiàn)，氣水兩相并非完全停止流動，而是以極低的速度繼續(xù)運(yùn)移，兩相不在具備有效流動能力。在水相的攜帶作用下，滯留在孔隙中的氣泡逐漸被帶出喉道(如圖14e所示)。盡管氣相的滲流能力得以恢復(fù)，但在孔隙的角落依然有少量的氣體滯留(如圖14f所示)。

圖13 模型Ⅰ孔喉內(nèi)的速度場Fig.13 The velocity field in the pore throat of modelⅠ

圖14 不同時間點(diǎn)下的氣體體積分?jǐn)?shù)場Fig.14 Gas volume fraction field at different time points

該模型對驅(qū)替壓力小于臨界壓力梯度時的情況進(jìn)行了模擬，而驅(qū)替壓力梯度大于臨界梯度時，氣水兩相滲流情況必然與低效共滲區(qū)不同。為了研究該情形下的流動特征，對初始條件下(含水飽和度為55.12%，驅(qū)替壓力梯度為2×109Pa/m)氣水滲流過程進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖15所示。在驅(qū)替壓力梯度大于臨界壓力梯度時，氣泡能夠克服毛細(xì)管力流過喉道，并形成連續(xù)相流出毛管。其驅(qū)替時間明顯減短，氣水兩相的滲流能力最強(qiáng)。

圖15 氣相體積分?jǐn)?shù)場圖Fig.15 Field diagram of gas phase volume fraction

由于氣相在不同含水飽和度下的流動阻力不同，因此還需考慮含水飽和度對滲流的影響。在該模型中，含水飽和度的數(shù)值可通過氣泡的大小進(jìn)行控制，其對應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 氣泡半徑及其對應(yīng)的含水飽和度統(tǒng)計表Table 3 The bubble radius and its corresponding water saturation statistics table

初始含水飽和度為35.37%，驅(qū)替壓力梯度為2×103Pa/m時，氣體壓縮過程如圖16所示。在孔隙半徑為10 μm，喉道半徑為5 μm模型中，當(dāng)含水飽和度為35.37%時，雖然未出現(xiàn)低效共滲區(qū)，但驅(qū)替時間較長(0.002 081 s)。這個現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是：當(dāng)含水飽和度為35.37%時，對應(yīng)的氣體體積分?jǐn)?shù)較大(64.63%)。當(dāng)入口端與出口端存在壓差時，氣體壓縮過程的時間增長，該時間約為含水飽和度55.12%時壓縮時間的3倍。因此，總的驅(qū)替時間也相應(yīng)增長。

圖16 氣體壓縮過程示意圖Fig.16 Schematic diagram of the gas compression process

3.3 泄壓開采滲流特征

對于氣藏開發(fā)模擬，國內(nèi)外學(xué)者多采用水驅(qū)氣方式開展相關(guān)研究[19]，在一定程度上能夠揭示氣水間相互干擾律，但與實際礦場中衰竭式的開發(fā)方式不符，不能真實模擬開采時的產(chǎn)水、產(chǎn)氣情況以及水相對氣體滲流的影響。

該文選取3塊代表儲層3種孔隙類型的天然巖心，開展衰竭式開發(fā)模擬實驗。在巖心飽和氣過程中，為模擬真實儲層原始地層壓力，始終保持注入氣壓力與原始地層壓力相同；飽和氣結(jié)束后，靜置一段時間，保證氣體充分進(jìn)入巖心孔隙；打開模型出口端閥門，使巖心壓力釋放，進(jìn)而模擬衰竭式開采過程中的能量虧損；由于產(chǎn)氣量較難統(tǒng)計，因此通過壓降程度推測氣體的采出程度，在實驗過程中，記錄巖心壓力以及產(chǎn)水量。

衰竭式實驗結(jié)果如圖17所示，可以看出，Ⅰ類孔隙類型的代表巖樣泄壓時間總共為537 s，壓力由初始的18 MPa下降至1.7 MPa，含水飽和度由45%下降至13%；Ⅱ類孔隙類型的代表巖樣泄壓時間總共為1 296 s，壓力由初始的18 MPa下降至3.5 MPa，含水飽和度由45%下降至24%；Ⅲ類孔隙類型的代表巖樣泄壓時間總共為2 592 s，壓力由初始的18 MPa下降至5.6 MPa，含水飽和度由45%下降至35%。這表明孔隙類型越差的儲層，對應(yīng)的泄壓時間越長，壓降程度越小。結(jié)合相滲實驗及流動模擬實驗分析可知，由于巖心由Ⅰ類至Ⅲ類，孔隙喉道逐漸狹窄，毛細(xì)管力逐漸增大，巖樣殘留水增多，導(dǎo)致封閉于細(xì)小喉道處的水包氣含量增大。因此實驗結(jié)束后，Ⅲ類孔隙類型巖樣的氣相相對滲透率最低，滲流能力最弱，壓力最高。

圖17 蘇里格中部山1段不同孔隙類型巖心模型泄壓壓力-時間關(guān)系Fig.17 Pressure relief pressure-time relationship of core model with different pore types in the Shan1 Member of central Sulige

4 氣水滲流對致密氣藏開采的意義

致密儲層與常規(guī)氣藏儲層相比較，其孔喉相對狹小，連通性較差，并且該類儲層孔隙中盲端與縮頸狀的喉道較為普遍，使束縛水飽和度呈現(xiàn)高值。氣井開采中生產(chǎn)壓差會不斷增大，賦存于細(xì)小孔喉中的束縛水可轉(zhuǎn)化為可動水。已有研究成果表明，合理控制生產(chǎn)壓差可有效降低氣井產(chǎn)水幾率，從而保障氣井生產(chǎn)壽命。

對于如何厘定束縛水向可動水轉(zhuǎn)化的壓力閾值，降低可動水的轉(zhuǎn)化率，對整個氣藏采收率的提高很有意義?？蓜恿黧w飽和度與壓力和相對滲透率的關(guān)系可分別用壓汞實驗與相滲實驗來反映。壓汞實驗和相滲實驗中，氣體分別為潤濕相和非潤濕相，汞和水分別對應(yīng)非潤濕相和潤濕相。對兩者實驗結(jié)果均應(yīng)用平均化方法進(jìn)行處理，同時把壓汞曲線中的橫坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的潤濕相飽和度，以縱坐標(biāo)排驅(qū)壓力代表實際開發(fā)過程中的生產(chǎn)壓差，則在壓汞曲線上的平均束縛水飽和度投影即為儲層束縛水轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓜铀膲毫?jié)點(diǎn)。如圖18所示，目標(biāo)儲層束縛水轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓜铀纳a(chǎn)壓差為12 MPa。

圖18 蘇里格中部山1段不同孔隙類型巖心平均相滲曲線與平均壓汞曲線投影Fig.18 The projection of the average permeability curve and average mercury intrusion curve of cores with different pore types in the Shan1 Member of the central Sulige

5 結(jié)論

1)蘇53中部山1段儲層主要的孔隙組合類型為粒間孔-粒間溶孔、巖屑溶孔-粒間溶孔和巖屑溶孔-晶間孔3類。由Ⅰ類至Ⅲ類孔隙類型儲層，物性逐漸變差，對應(yīng)相滲曲線的兩相共滲區(qū)變窄(48.46%～41.46%)，等滲點(diǎn)處相對滲透率逐漸降低(0.12～0.05)，束縛水飽和度逐漸增大(43.4%～48.5%)。

2)當(dāng)驅(qū)替壓力的梯度為1.8×109Pa/m，毛管壓力的梯度為1.589×109Pa/m時，驅(qū)替的時間明顯減短，氣水滲流的速率增加；毛管壓力梯度為2.135×109Pa/m，驅(qū)替壓力梯度不變時，氣體以水包氣形式賦存于孔喉中，使驅(qū)替時間增長，氣水滲流速率減小。

3)Ⅲ類孔隙類型巖心過渡至Ⅰ類，泄壓時間由2 592 s減小至537 s，壓力降幅明顯增長，采出程度顯著提高。目標(biāo)儲層束縛水轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓜铀膲翰罱缦逓?2 MPa。