陳顯學(xué)

(中國(guó)石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

儲(chǔ)氣庫作為天然氣供應(yīng)鏈的重要組成部分，是維持國(guó)家能源儲(chǔ)備、實(shí)現(xiàn)季節(jié)性供氣調(diào)峰的重要保障[1]。儲(chǔ)氣庫多由枯竭油氣藏改造而成，例如典型的底水氣藏型砂巖儲(chǔ)氣庫[2]，氣-水界面隨注采過程上下移動(dòng)，明晰多周期循環(huán)注采對(duì)氣-水互驅(qū)兩相滲流特征的影響規(guī)律，可為儲(chǔ)氣庫的建設(shè)和運(yùn)行提供設(shè)計(jì)依據(jù)，保障注采合理配置。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞儲(chǔ)氣庫的注采滲流特征開展了系列研究。石磊等[3]通過室內(nèi)物理模擬研究，認(rèn)為邊水運(yùn)移、巖石骨架應(yīng)力敏感性及儲(chǔ)層展布等是影響水驅(qū)砂巖氣藏儲(chǔ)氣庫滲流特征的主要因素；唐立根等[4]認(rèn)為水侵后儲(chǔ)氣庫中儲(chǔ)存空間減少，滲透率越低，該效應(yīng)越顯著；胥洪成等[5]認(rèn)為儲(chǔ)氣庫的注采配置，應(yīng)重點(diǎn)考慮氣水分布特征、地層傾角及地層虧空程度；Khamechi等[6]分析了滲透率對(duì)枯竭氣藏改建儲(chǔ)氣庫的影響，并結(jié)合氣田開發(fā)歷史數(shù)據(jù)為德黑蘭凝析氣藏儲(chǔ)氣庫參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)；高新平等[7]從儲(chǔ)層保護(hù)的角度入手，模擬了儲(chǔ)氣庫多周期循環(huán)注采對(duì)儲(chǔ)層損害的影響規(guī)律，以優(yōu)化工程現(xiàn)場(chǎng)的注采氣量與注采壓差。遼河油田S6儲(chǔ)氣庫區(qū)域構(gòu)造屬于雙臺(tái)子斷裂背斜帶中部，其多周期注采過程中滲流規(guī)律認(rèn)識(shí)尚不清楚。因此，以遼河油田S6儲(chǔ)氣庫為研究對(duì)象，開展應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)和相滲特征評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，探究多周期循環(huán)注采過程中滲流特征的變化規(guī)律，為后續(xù)合理優(yōu)化注采配置提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

底水氣藏型儲(chǔ)氣庫在建設(shè)及多周期注采運(yùn)行中，內(nèi)部孔隙空間在多次注采過程中會(huì)發(fā)生改變，微觀結(jié)構(gòu)的改變將對(duì)滲流特征及滲流能力造成影響[8]。為明晰研究區(qū)儲(chǔ)氣庫多周期注采過程中的滲流規(guī)律，選取天然巖心作為試樣樣品并開展模擬實(shí)驗(yàn)，針對(duì)其應(yīng)力敏感性、氣-水兩相滲流、注采及滲流能力展開評(píng)價(jià)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)前后SEM觀察結(jié)果，探究其影響機(jī)理。

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

高溫高壓滲透率應(yīng)力敏感性測(cè)試儀，采用美國(guó)巖心公司(溫度上限為200 ℃，壓力上限為70.00 MPa)測(cè)試不同升壓—卸壓周期下試樣的滲透率變化情況。高溫高壓油氣水相滲測(cè)試儀，江蘇華安科研儀器有限公司，測(cè)試不同氣-水互驅(qū)周期下試樣的含氣/水飽和度及其對(duì)應(yīng)的氣-水兩相滲透率。掃描電子顯微鏡，Quanta 450環(huán)境掃描電子顯微鏡，獲取實(shí)驗(yàn)前后試樣的微觀特征。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)巖樣取自遼河油田S6儲(chǔ)氣庫砂巖儲(chǔ)層，埋深為2 200～2 700 m，以長(zhǎng)石質(zhì)巖屑砂巖、長(zhǎng)石砂巖為主，地層溫度為86～94 ℃，原始地層壓力為23.23～26.86 MPa，上覆巖層壓力為59.60～72.40 MPa，屬于正常溫度壓力系統(tǒng)[9]。實(shí)驗(yàn)巖樣按照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，切割成規(guī)格為Φ25 mm×50 mm的柱塞試樣。為增強(qiáng)各實(shí)驗(yàn)組別的對(duì)照性，利用聲波測(cè)試裝置，根據(jù)體積模量、泊松比等物性參數(shù)，篩選出物性相近的樣品，測(cè)量其密度、孔隙度及滲透率等基本物性參數(shù)(表1)。根據(jù)研究區(qū)地層水特征做相應(yīng)配置，作為實(shí)驗(yàn)用水。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品的基本物性參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 滲透率應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)

基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》和《覆壓下巖石孔隙度和滲透率測(cè)定方法》[10-11]，利用高溫高壓滲透率應(yīng)力敏感性測(cè)試儀，通過3個(gè)周期升降內(nèi)壓的方式進(jìn)行滲透率應(yīng)力敏感性測(cè)試。設(shè)置模擬儲(chǔ)層溫度為90 ℃、上覆壓力恒定為60.00 MPa，在每個(gè)內(nèi)壓點(diǎn)保持試樣穩(wěn)定一段時(shí)間(升壓過程保持30 min以上，卸壓過程保持60 min以上)，隨后開展氣相滲透率測(cè)試，保持入口壓力為2.00 MPa，出口壓力為1.00 MPa。

1.2.2 氣-水相滲特征與注采能力評(píng)價(jià)

基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《巖石中兩相流體相對(duì)滲透率測(cè)定方法》[12]，利用高溫高壓油氣水相滲測(cè)試儀，設(shè)置模擬儲(chǔ)層溫度為90℃、上覆壓力恒定為60.00 MPa，開展5組氣-液相對(duì)滲透率測(cè)試，以減少誤差。巖心飽和水后，設(shè)置6個(gè)周期的氣-水互驅(qū)，通過記錄氣-水互驅(qū)過程中產(chǎn)水量、產(chǎn)氣量以及兩端壓差，計(jì)算試樣的含水飽和度及其對(duì)應(yīng)的氣-水兩相滲透率。

1.2.3 掃描電子顯微鏡觀察

對(duì)多周期注采模擬實(shí)驗(yàn)前后的實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行烘干(60 ℃電爐)后，利用Quanta 450環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，獲取實(shí)驗(yàn)前后樣品的微觀結(jié)構(gòu)特征，探究多周期注采后氣-水相滲特征變化的微觀機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力敏感性特征

對(duì)多周期注采滲透率應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(絕對(duì)滲透率)進(jìn)行歸一化處理(圖1，圖中K0為初始滲透率，K為實(shí)驗(yàn)后測(cè)試滲透率)。由圖1可知，試樣滲透率隨凈上覆壓力的增大而降低，隨升壓—卸壓周期的增加而下降。凈上覆壓力增大導(dǎo)致孔隙空間受到壓縮，故而滲透率降低。滲透率隨升壓—卸壓周期的變化規(guī)律，與李繼強(qiáng)[13]、Zhang J[14]的研究結(jié)論一致，前者認(rèn)為試樣在壓力反復(fù)變化的拉伸、壓縮中發(fā)生塑性變形，稱這種現(xiàn)象為“周期應(yīng)力敏感”；后者從應(yīng)力敏感性的角度出發(fā)，認(rèn)為隨著升壓—卸壓周期的增加，試樣的滲透率應(yīng)力敏感性會(huì)逐漸降低，即在初始注采時(shí)，滲透率隨應(yīng)力的上下波動(dòng)變化更劇烈，多周期后，這種波動(dòng)響應(yīng)相對(duì)平緩。

圖1 模擬注采條件下試樣滲透率隨凈上覆壓力變化曲線

滲透率敏感因子[14]的計(jì)算公式為：

(1)

式中：ΔK為滲透率敏感因子；K30為凈上覆壓力30 MPa下的測(cè)試滲透率，D；K50為凈上覆壓力50.00 MPa下的測(cè)試滲透率，D。

計(jì)算得到各周期下注采過程中的滲透率敏感因子(表2)。由表2可知：加壓過程中，1～3周期滲透率敏感因子的變化率分別為5.94%、3.77%、1.54%，且隨升壓—卸壓周期增加逐漸降低；卸壓過程中，滲透率敏感因子的變化率分別為3.68%、2.02%、0.50%。說明經(jīng)過多周期的升壓—卸壓，壓力變化引起的孔隙空間的變化逐漸變小，儲(chǔ)氣庫的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)趨于新的平衡。

表2 不同周期下注采過程中的滲透率敏感因子

2.2 氣-水兩相滲流特征

儲(chǔ)氣庫實(shí)際運(yùn)行時(shí)，氣-水兩相滲流區(qū)的滲流能力是衡量?jī)?chǔ)氣庫運(yùn)行質(zhì)量的關(guān)鍵[15]。根據(jù)5組氣-水兩相滲流測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提取出飽和度端點(diǎn)(即束縛水飽和度、殘余氣飽和度)隨注采循環(huán)周期的變化，求取平均值(表3)。由表3可知，隨著注采循環(huán)周期的增加，束縛水飽和度逐漸減少，殘余氣飽和度逐漸增加，并在第4個(gè)循環(huán)周期后逐漸趨于穩(wěn)定。這說明儲(chǔ)氣庫中的氣-水兩相滲流區(qū)在多周期注采過程中逐漸變小，會(huì)造成一定的氣量損失。

表3 不同注采周期下試樣束縛水與殘余氣飽和度均值化結(jié)果

從氣-水兩相微觀驅(qū)替的角度來看，氣驅(qū)水過程中，由于氣體的干燥作用，多周期注采后會(huì)將滯留于孔隙中的水相驅(qū)替出來，導(dǎo)致束縛水飽和度變??；水驅(qū)氣過程中，水會(huì)優(yōu)先通過儲(chǔ)層巖石中孔隙空間較大的孔道，再波及小孔道，可能會(huì)導(dǎo)致水相圈閉的形成，進(jìn)而使得殘余氣飽和度逐漸升高。

隨著注采循環(huán)周期的增加，氣-水兩相滲流區(qū)的兩相分布是一個(gè)被孔隙微觀結(jié)構(gòu)、巖石表面潤(rùn)濕性等多因素影響的復(fù)雜現(xiàn)象。為量化評(píng)價(jià)該區(qū)域儲(chǔ)層含氣空間的利用程度，對(duì)不同注采循環(huán)周期下的含氣空間可利用飽和度及含氣空間利用率進(jìn)行計(jì)算：

Sg=1-Swi-Sgr

(2)

(3)

式中：Sg為含氣空間可利用飽和度，%；ηg為含氣空間利用率，%；Swi為束縛水飽和度，%；Sgr為殘余氣飽和度，%。

圖2、3為含氣空間可利用飽和度和含氣空間利用率2個(gè)指標(biāo)在不同注采循環(huán)周期下的變化規(guī)律。由圖2、3可知：不同注采循環(huán)周期下，含氣空間可利用飽和度小幅波動(dòng)，在第5個(gè)注采周期后逐漸趨于穩(wěn)定；含氣空間利用率隨注采循環(huán)周期逐漸降低，變化幅度較大，在第4個(gè)注采周期后逐漸趨于穩(wěn)定。含氣空間利用率降低的主要原因是殘余氣飽和度的增加，造成了注入氣的損失。

圖2 試樣含氣空間可利用飽和度隨注采循環(huán)周期的變化

圖3 試樣含氣空間利用率隨注采循環(huán)周期的變化

2.3 注采及滲流能力評(píng)價(jià)

多次注采后，計(jì)算5組試樣的含氣/水飽和度及氣相滲透率的平均值，以評(píng)價(jià)儲(chǔ)氣庫多周期注采過程中的儲(chǔ)氣庫庫容量以及滲流能力的變化(圖4、5，圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)范圍為多組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差)。由圖4可知：隨著注采循環(huán)周期的增加，含水飽和度呈下降趨勢(shì)，含氣飽和度呈上升趨勢(shì)，隨著注采周期增加，下降或上升趨勢(shì)均逐漸變緩。主要是由于氣相在高速滲流的同時(shí)會(huì)將試樣內(nèi)的水分?jǐn)y帶出來，使得儲(chǔ)氣庫在多注采周期運(yùn)行后，庫容量有所增加；但擴(kuò)容情況不會(huì)一直持續(xù)，在一定的循環(huán)周期后會(huì)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。由圖5可知，氣相滲透率隨注采周期的增加逐漸升高，在第5～6個(gè)周期趨于平衡。主要是由于含氣飽和度的升高和微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化的影響，也有學(xué)者認(rèn)為在儲(chǔ)氣庫強(qiáng)注強(qiáng)采過程中，將產(chǎn)生疲勞剪切應(yīng)力，可能形成孔隙之間的連通或?qū)е铝ｉg微裂縫的產(chǎn)生[16]。

圖4 試樣含水/含氣飽和度隨注采循環(huán)周期的變化

圖5 試樣氣相滲透率隨注采循環(huán)周期的變化

2.4 實(shí)驗(yàn)前后微觀結(jié)構(gòu)變化

為進(jìn)一步探究?jī)?chǔ)氣庫多周期注采對(duì)滲流規(guī)律的影響機(jī)理，對(duì)6次模擬循環(huán)注采后的試樣進(jìn)行SEM觀察，并與實(shí)驗(yàn)前的試樣SEM結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖6)。由圖6可知：6次模擬循環(huán)注采后，原生微裂縫在注采引起的剪切應(yīng)力作用下擴(kuò)展，導(dǎo)致巖石壁面產(chǎn)生微裂縫。同時(shí)，由于氣體滲流產(chǎn)生的拖曳作用，巖石壁面的黏土礦物顆粒脫落，發(fā)生一定的微粒運(yùn)移現(xiàn)象，砂巖儲(chǔ)氣庫相較于碳酸鹽巖儲(chǔ)氣庫，微粒運(yùn)移的程度較輕，這主要取決于巖石內(nèi)部礦物顆粒的膠結(jié)程度。微裂縫的產(chǎn)生有助于提高滲流能力，脫落的微粒易在孔隙喉道中橋接造成堵塞，制約氣體的有效滲流，二者在控制巖石滲透率上產(chǎn)生博弈現(xiàn)象。根據(jù)圖4中氣相滲透率的測(cè)試結(jié)果可知，微裂縫對(duì)滲透率的控制作用始終占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，隨著模擬注采循環(huán)周期的增加，微粒脫落、運(yùn)移現(xiàn)象也更加顯著，制約了微裂縫對(duì)儲(chǔ)氣庫巖石滲透率的提升作用。

圖6 實(shí)驗(yàn)前后試樣SEM觀察結(jié)果

從工程本質(zhì)上看，儲(chǔ)氣庫的運(yùn)行面臨如何有效實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層保護(hù)的問題。游利軍等[17]在針對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)氣庫的研究中，發(fā)現(xiàn)了顯著的微粒運(yùn)移現(xiàn)象，并提出采用小規(guī)模酸化的方法加以預(yù)防，給出了酸液類型的優(yōu)選結(jié)果。然而，針對(duì)砂巖儲(chǔ)氣庫，酸化、壓裂可能導(dǎo)致沉淀物堵塞，引發(fā)注采井嚴(yán)重出砂等儲(chǔ)層損害問題，采用控壓注采[7]的方式防治微粒運(yùn)移堵塞孔隙更具適應(yīng)性，因此，在儲(chǔ)氣庫運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，有必要開展研究區(qū)儲(chǔ)氣庫多周期注采模擬實(shí)驗(yàn)，確定發(fā)生儲(chǔ)層損害的臨界注采壓差。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例

經(jīng)過多周期注采，試樣的含氣飽和度、氣相滲透率、含氣空間利用率等參數(shù)均發(fā)生變化。為探究其變化規(guī)律以及對(duì)工程的影響，儲(chǔ)氣庫注采壓差穩(wěn)定為1～3 MPa，文中統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)儲(chǔ)氣庫某層位庫存量變化(表4)。由表4可知：前3注采循環(huán)周期庫存量大幅上升，3周期后趨于平衡；庫存量由最初的47.8×108m3提升至75.3×108m3，達(dá)容率從59.6%提升至93.8%。庫存量的提升與單井注采能力緊密相關(guān)，庫存量隨注采循環(huán)周期的變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)中含氣飽和度、氣相滲透率相一致，進(jìn)一步佐證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

表4 研究區(qū)儲(chǔ)氣庫某層位庫存參數(shù)

4 結(jié)論及建議

(1) 在不考慮氣-水兩相滲流的情況下，研究區(qū)儲(chǔ)層巖石的應(yīng)力敏感性表現(xiàn)為隨著凈上覆壓力的增大而減小。隨注采循環(huán)周期的增加，滲透率也有一定程度的降低，滲透率應(yīng)力敏感因子也隨著注采循環(huán)周期的增加而降低。

(2) 隨著氣-水互驅(qū)次數(shù)的增加，束縛水飽和度下降，殘余氣飽和度上升，并逐漸趨于平衡。因此，氣-水兩相滲流區(qū)會(huì)逐漸變小并最終穩(wěn)定，會(huì)造成一定的氣量損失。

(3) 多周期模擬循環(huán)注采后，有微裂縫生成和微粒運(yùn)移的現(xiàn)象，二者在控制氣-水兩相滲流區(qū)的滲流能力上存在博弈現(xiàn)象，微裂縫強(qiáng)化滲流能力前期占優(yōu)勢(shì)地位，使含氣飽和度、氣相滲透率逐漸升高并在多周期后趨于平衡，在工程上體現(xiàn)為現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)氣庫前期擴(kuò)容明顯，后期逐漸平衡。