致密氣藏束縛水分布規(guī)律及含氣飽和度研究

孫軍昌，楊正明，唐立根，晏 軍

1)中國科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所，河北廊坊065007;2)中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007;3)中國科學(xué)院研究生院，北京100049

含氣飽和度是氣藏儲量計(jì)算、儲層評價(jià)所需的關(guān)鍵參數(shù)之一［1-3］.但由于致密砂巖氣藏孔隙度、滲透率較低、孔喉細(xì)微及毛管力較大等特點(diǎn)［1-3］，使用常壓干餾法、蒸餾抽提法和色譜法等常規(guī)方法操作較為復(fù)雜和影響因素較多，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大［3］.而離心法和壓汞法近年來也被廣泛用來求取儲層原始含氣飽和度，但由于壓汞實(shí)驗(yàn)中進(jìn)汞壓力難以準(zhǔn)確控制及對巖樣具有破壞性等缺點(diǎn)，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果也存在一定的誤差和局限性［4］.

在離心實(shí)驗(yàn)中，非潤濕相流體在離心力驅(qū)動下克服毛管阻力，將潤濕相流體驅(qū)替出來，不同大小的離心力會得到大小不同的束縛水飽和度，最終計(jì)算的儲層含氣飽和度也會出現(xiàn)明顯差異.因此，優(yōu)選合適的離心力是應(yīng)用該技術(shù)的關(guān)鍵［4-9］.低滲砂巖油藏選取的離心力一般為0.69 MPa［4-5］，但李海波［6］認(rèn)為1.38 MPa才是適合低滲油藏的最佳離心力;Rauhul Dastidar等［7］對一低滲濁積巖油藏研究認(rèn)為，0.69 MPa是適合該油藏的最佳離心力;An Mai等［8］在研究孔洞型碳酸鹽儲層束縛水變化規(guī)律時(shí)，發(fā)現(xiàn)只有在較高離心力8 000 r/min作用下，巖樣中較大孔隙和溶洞中的地層水才能被離心出來.筆者［9］對低滲火山巖氣藏進(jìn)行的研究表明，2.76 MPa是該類儲層束縛水飽和度的合適離心力.由于目前對于致密砂巖氣藏合適離心力研究較少，直接影響到離心法確定儲層原始含氣飽和度的準(zhǔn)確程度.

本研究首先對致密氣藏巖樣進(jìn)行不同離心力氣水離心實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出適合該類氣藏的合適離心力，結(jié)合核磁共振 (nuclear magnetic resonance，NMR)技術(shù)給出了儲層束縛水分布規(guī)律.最后與密閉取芯巖樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，證明了優(yōu)選離心力的合理性及原始含氣飽和度的準(zhǔn)確性.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

選取中國某致密砂巖氣藏16塊巖樣進(jìn)行研究，其中4塊巖樣取自密閉取芯的全直徑巖芯，表1為密閉取芯的4塊巖樣常規(guī)物性資料.16塊巖樣孔隙度平均值為5.77%，滲透率分布在0.002×10-3～0.139 ×10-3μm2，平均值為 0.057 ×10-3μm2，屬于典型的致密砂巖氣藏儲層.

氣水離心實(shí)驗(yàn)在PC-1型離心機(jī)上進(jìn)行.為避免高速離心過程中巖樣液體蒸發(fā)，該離心機(jī)離心杯上配有密封蓋，且離心腔內(nèi)設(shè)強(qiáng)冷卻和溫控系統(tǒng)，離心過程中可調(diào)控恒溫，具有較高實(shí)驗(yàn)精度.NMR實(shí)驗(yàn)在自制的RecCore04型低磁場核磁共振巖樣分析儀上進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的儀器參數(shù)為:等待時(shí)間tW=3 000 ms，回波間隔tE=0.6 ms，回波個(gè)數(shù)nE=1 024，掃描次數(shù)＞64次.

表1 4塊致密氣藏巖樣常規(guī)物性資料Table 1 Physical parameters of four tight gas reservoir samples

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

①先從密閉取芯的4塊全直徑巖芯上快速鉆取直徑約2.5 cm、長約3 cm的規(guī)則柱塞巖樣，將兩端切平、切齊，用濾紙擦干巖樣表面的外來水，用保鮮膜多層包裹.

②對代表儲層原始狀態(tài)的4塊巖樣進(jìn)行NMR測量，數(shù)學(xué)反演得到核磁共振T2譜.

③對16塊巖樣抽真空、加壓飽和模擬地層水，測量重量后進(jìn)行NMR實(shí)驗(yàn).

④對4塊巖樣分別進(jìn)行 0.35、0.69、1.03、1.38、1.73、2.07 和2.42 MPa離心力的離心實(shí)驗(yàn)，每次離心后均記錄巖芯質(zhì)量并進(jìn)行NMR實(shí)驗(yàn).

⑤對其余12塊巖樣進(jìn)行優(yōu)選離心力實(shí)驗(yàn)，記錄離心后巖樣質(zhì)量并進(jìn)行NMR實(shí)驗(yàn).

⑥巖樣烘干后測量干質(zhì)量，計(jì)算水測孔隙度，測試巖樣氣測滲透率.

2 結(jié)果與討論

2.2 優(yōu)選離心實(shí)驗(yàn)中離心力

圖1為4塊巖樣在不同離心力離心后含水飽和度變化規(guī)律;圖2為不同離心力離心后4塊巖樣含水飽和度減小幅度與離心力的關(guān)系.

圖1 不同離心力離心后巖樣含水飽和度Fig.1 Water saturation corresponding to different centrifugal forces

圖2 不同離心力離心后巖樣含水飽和度減小幅度Fig.2 The decrease extent of water saturation reduction corresponding to different centrifugal forces

從圖1和圖2可見，隨離心力增大，4塊巖樣含水飽和度不斷減小，減小幅度呈明顯下降趨勢.離心力從0增至0.69 MPa時(shí)，4塊巖樣含水飽和度平均減小18.25%;當(dāng)離心力從0.69 MPa增至1.38 MPa時(shí)，4塊巖樣含水飽和度平均減小14.63%.表明0.69 MPa離心力并不適合致密砂巖氣藏儲層巖樣，因?yàn)樵撾x心力離心后4塊巖樣中至少還有14.63%的可動水未被離心出來.而當(dāng)離心力從1.38 MPa增至2.07 MPa后，4塊巖樣含水飽和度平均減小了4.32%.表明適合于低滲砂巖油藏的1.38 MPa離心力也不適用于致密砂巖氣藏.但當(dāng)離心力從2.07 MPa增至2.42 MPa后，4塊巖樣含水飽和度平均僅減少0.77%.因此，對于實(shí)驗(yàn)研究的低滲致密砂巖氣藏儲層巖樣，室內(nèi)離心實(shí)驗(yàn)確定儲層束縛水飽和度的合適離心力應(yīng)為2.07 MPa.

從圖3不同離心力離心后巖樣核磁共振T2譜變化特征可以看出，在離心力增大的初期，首先是較大孔隙中的水被離心出來，而較小孔隙中的水基本保持不變.當(dāng)離心力增大到一定程度后 (如1.38 MPa)，較小孔隙中的水才被離心出來.但T2馳豫時(shí)間最小的黏土束縛水 (T2＜1 ms)基本保持不變［11-12］.對應(yīng)的核磁共振T2譜左側(cè)曲線完全重合，表明不同氣驅(qū)壓力下 (離心力)仍然是較大孔隙中的水被驅(qū)替出來.巖樣不同離心狀態(tài)核磁共振T2譜變化特征從微觀上進(jìn)一步證明了較小離心力(0.69 MPa和1.38 MPa)離心后致密氣藏巖樣中仍含有大量的可動水未被離心出來.

圖3 1#巖樣不同離心力離心后核磁共振T2譜Fig.3 NMR T2spectrum corresponding to different centrifugal forces of sample 1#

2.3 致密氣藏有效滲流喉道半徑下限

其中，P為毛管力;σ為表面張力;θ為潤濕角;rt為喉道半徑.對于氣水離心σ =72.8 mN/m，θ=0°，將以上參數(shù)代入式 (1)即得氣水離心實(shí)驗(yàn)中離心力與巖樣喉道半徑的對應(yīng)關(guān)系.

對于致密砂巖氣藏儲層，根據(jù)式 (1)計(jì)算可知，2.07 MPa離心力對應(yīng)的喉道半徑約為 0.07 μm.根據(jù)離心實(shí)驗(yàn)原理可知，實(shí)驗(yàn)研究的致密砂巖氣藏儲層有效滲流喉道半徑下限約為0.07 μm.半徑小于0.07 μm的孔隙，以及由半徑小于0.07 μm喉道所控制的孔隙空間中主要為束縛水，而由半徑大于0.07 μm喉道所控制的孔隙空間中的流體在氣體運(yùn)移過程中被驅(qū)走，成為致密氣藏主要的有效儲集空間.

經(jīng)典油層物理中一般將半徑小于0.1 μm的孔隙定義為微毛細(xì)管孔隙［3］，認(rèn)為在該類孔隙中液體分子之間及液固分子之間的引力很大，油層條件下的壓力梯度一般無法使原油在此類孔隙中移動［3］.因此，通常將半徑0.1 μm作為流體能否在孔隙中流動的分界線［13］.但由于氣體分子直徑和黏度均遠(yuǎn)小于原油，使氣體的流動力遠(yuǎn)大于原油［1］，這是致密氣藏儲層有效滲流喉道半徑下限降低的根本原因;而離心實(shí)驗(yàn)確定的致密氣藏儲層有效滲流喉道半徑下限的減小，則是該類儲層物性下限降低的直接原因［1］.

2.4 束縛水微觀分布規(guī)律

圖4為表1中1#和4#巖樣飽和水狀態(tài)、2.07 MPa離心后及密閉取芯巖樣初始狀態(tài)核磁共振T2譜對比圖.

圖4 2塊巖樣飽和度、原始狀態(tài)及離心后核磁共振T2譜對比Fig.4 NMR T2spectrum corresponding to different state of two samples

從圖4可見，離心后巖樣T2譜對應(yīng)較大孔隙空間的右峰并未完全消失，且不同滲透率巖樣T2譜右峰減小幅度具有一定差異，表明致密氣藏束縛水并不完全分布在微孔隙中，離心與氣藏原始狀態(tài)T2譜的高度吻合也證明了這個(gè)觀點(diǎn).實(shí)際上，為進(jìn)一步確認(rèn)研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，在將離心與密閉取芯的原始狀態(tài)巖樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比之前，對從密閉取芯的全直徑巖芯表面及內(nèi)部分別鉆取的巖石顆粒也進(jìn)行了核磁共振實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明，4塊巖芯表面巖石碎顆粒獲取的原始含氣飽和度與內(nèi)部巖石碎顆粒獲取的原始含氣飽和度非常接近，對應(yīng)的含氣飽和度平均值分別為62.87%和62.50%，兩者對應(yīng)的核磁共振T2譜也基本一致.由于全直徑巖芯內(nèi)部顆粒在鉆進(jìn)和取芯等過程中受到的影響和擾動相對較小，因此研究的密閉取芯的全直徑巖芯較好地保存了原始地層流體信息，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信度很高.

圖5為16塊巖樣微孔隙空間束縛水所占比例與滲透率的關(guān)系，其中微孔隙以Schlumberger公司推薦的T2馳豫時(shí)間小于10 ms為界限計(jì)算所得.從圖5可見，致密氣藏儲層中絕大多數(shù)束縛水分布在T2弛豫時(shí)間小于10 ms的黏土孔隙 (T2＜1ms)和微孔隙 (1 ms＜T2＜10 ms)中［14-15］.統(tǒng)計(jì)表明，16塊巖樣微孔隙束縛水所占比例為83.61%.隨著巖樣滲透率的增大，微孔隙束縛水所占比例呈遞減趨勢.圖5中滲透率小于0.01×10-3μm2的5塊巖樣中87.41%的束縛水分布在黏土孔隙和微孔隙中;而滲透率大于0.1×10-3μm2的3塊巖樣中約有80.30%的束縛水分布在微孔隙中.本研究的低滲砂巖屬于膠結(jié)致密的細(xì)粒砂巖，掃描電鏡結(jié)果顯示，該類儲層巖石孔隙連通性較差，黏土含量較高.巖樣滲透率越小，則孔隙連通性越差，尤其是粒間膠結(jié)物發(fā)育較多，導(dǎo)致巖石比表面較大，大量的束縛水分布在微孔隙中［5］.而滲透率相對較大的儲層黏土含量較少，微孔隙所占比例和巖石比表面相對減小，而被細(xì)微喉道控制的較大孔隙中的束縛水比例增加.

從圖6可見，致密氣藏儲層束縛水飽和度隨滲透率增加呈明顯遞減趨勢，兩者呈較好的對數(shù)關(guān)系.當(dāng)滲透率小于0.03×10-3μm2時(shí)束縛水飽和度隨滲透率的增加急劇減小，但當(dāng)滲透率大于0.03×10-3μm2時(shí)束縛水飽和度隨滲透率的增加變化不明顯.統(tǒng)計(jì)表明，16塊巖樣束縛水飽和度平均值為73.24%，高于低滲砂巖氣藏束縛水飽和度［10］.

圖5 微孔隙束縛水比例與滲透率的關(guān)系Fig.5 Relationship between micro-pore irreducible water ratio and permeability

圖6 束縛水飽和度與滲透率的關(guān)系Fig.6 Relationship between irreducible water saturation and permeability

2.5 離心與原始狀態(tài)含氣飽和度對比

圖7為4塊密閉取心巖樣原始含氣飽和度與離心力為2.07 MPa時(shí)計(jì)算的含氣飽和度對比結(jié)果.從圖7可見，離心力2.07 MPa時(shí)計(jì)算的含氣飽和度與儲層原始含氣飽和度非常接近.4塊巖樣原始含氣飽和度分布在30.49% ～41.61%，平均值為37.50%.離心力2.07 MPa時(shí)計(jì)算的含氣飽和度分布在32.19% ～43.55%之間，平均值為 37.23%，兩者相差僅0.27%.而使用0.69 MPa和1.38 MPa離心力計(jì)算的儲層含氣飽和度分別為18.28%和32.91%，明顯小于氣藏原始實(shí)際含氣飽和度，誤差分別為19.22%和4.59%.表明離心實(shí)驗(yàn)優(yōu)選的2.07 MPa離心力對于致密砂巖氣藏儲層巖樣具有很好的適用性，室內(nèi)使用離心實(shí)驗(yàn)求取束縛水飽和度時(shí)應(yīng)當(dāng)以2.07 MPa進(jìn)行離心實(shí)驗(yàn).

圖8為使用2.07(本研究優(yōu)選)、0.69(經(jīng)典推薦)和1.38 MPa(適用于低滲油藏巖樣)3種離心力計(jì)算的低滲致密氣藏儲層含氣飽和度對比結(jié)果.由圖8可見，0.69 MPa與1.38 MPa離心力計(jì)算的儲層原始含氣飽和度分別為 18.28%和32.91%，比致密氣藏實(shí)際原始含氣飽和度分別減少19.22%和4.59%.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，通過較小離心力獲取的儲層含氣飽和度會明顯小于實(shí)際氣藏地質(zhì)儲量，這對氣藏儲量計(jì)算、開發(fā)方案的制定及經(jīng)濟(jì)效益分析均會造成較大誤差，而本研究優(yōu)選的2.07 MPa離心力對于準(zhǔn)確獲取低滲致密氣藏原始含氣飽和度客觀重要.

圖7 4塊巖樣離心與原始含氣飽和度對比圖Fig.7 Relationship between initial gas saturation and centrifugal gas saturation of four samples

圖8 不同離心力計(jì)算含氣飽和度實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.8 Gas saturations corresponding to different centrifugal forces

從圖4還可看出，2.07 MPa離心力離心后巖樣束縛水微觀分布規(guī)律與氣藏原始狀態(tài)一致，即較小的微孔隙中基本為束縛水，同時(shí)部分束縛水也分布在較大的孔隙空間中.圖4中1#和4#巖樣離心后T2譜右峰稍低于氣藏原始狀態(tài)T2譜右峰，但其左峰又稍高于原始狀態(tài)T2譜左峰.引起這種微小差別的原因可能是成藏過程中，氣體運(yùn)移時(shí)將部分孔隙壁面的薄膜束縛水排擠出來，以及由于儲層非均質(zhì)性導(dǎo)致的氣體運(yùn)移不充分，部分較大孔隙并未被氣體所占據(jù)而含有少量可動水的緣故［1-2，16-18］，相關(guān)結(jié)論尚需進(jìn)一步驗(yàn)證.

結(jié) 語

綜上研究可知:① 采用不同離心力實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出適合致密砂巖氣藏巖樣離心法，獲取儲層含氣飽和度的離心力為2.07 MPa，與密閉取心巖樣原始含氣飽和度對比表明，2.07 MPa離心力計(jì)算的含氣飽和度具有很高的準(zhǔn)確性;② 結(jié)合毛管壓力方程，確定致密氣藏儲層有效滲流喉道半徑下限為0.07 μm，解釋了致密氣藏儲層物性下限降低的儲層內(nèi)在原因，為進(jìn)一步儲層評價(jià)奠定了理論基礎(chǔ);③結(jié)合低磁場核磁共振技術(shù)，發(fā)現(xiàn)致密氣藏儲層束縛水分布在T2弛豫時(shí)間小于10 ms的黏土孔隙、微孔隙中及被小喉道所控制的較大孔隙空間中，微孔隙束縛水所占比例隨儲層滲透率增大而減小;④ 致密砂巖氣藏儲層束縛水飽和度普遍較高，初始含氣飽和度僅為26.76%，核磁共振T2譜表明，氣驅(qū)過程中提高驅(qū)替壓力仍是較大孔隙中的水被驅(qū)替出來，而較小孔隙中的地層水基本保持不變.

［1］ 郭 平，張茂林，黃全華，等.低滲透致密砂巖氣藏開發(fā)機(jī)理研究 ［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2009:1-32.

［2］ 郭 平，黃偉崗，姜貽偉，等.致密氣藏束縛水與可動水研究 ［J］.天然氣工業(yè)，2006，26(10):99-101.

［3］ 楊勝來，魏俊之.油層物理學(xué)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2007:132-135.

［4］ 肖 亮，肖忠祥.核磁共振測井T2cutoff確定方法及適用性分析 ［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2008，23(1):167-172.

［5］ 王瑞飛，陳明強(qiáng).特低滲透砂巖儲層可動流體賦存特征及影響因素 ［J］.石油學(xué)報(bào)，2008，29(4):558-561.

［6］ 李海波.巖心核磁T2截止值實(shí)驗(yàn)研究 ［D］.北京:中國科學(xué)院研究生院，2007.

［7］ Rahul Dastidar，Chandar Rai，Carl Sondergeld.核磁共振與常規(guī)油層物理信息相結(jié)合的濁積巖儲層特征研究［C］//國際石油工程師協(xié)會技術(shù)年會及展覽會議論文集.休斯頓 (美國):國際石油工程師協(xié)會，2004:1-15.(英文版)

［8］ An Mai，Apostolos Kantzas.碳酸鹽巖儲層特征的低場核磁共振實(shí)驗(yàn)研究［C］ //國際石油工程師協(xié)會氣藏技術(shù)討論會論文集.卡爾加里 (加拿大):國際石油工程師協(xié)會，2002:1-11.(英文版)

［9］ 孫軍昌，郭和坤，劉 衛(wèi)，等.低滲火山巖氣藏可動流體T2截止值實(shí)驗(yàn)研究 ［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2010，32(4):109-114.

［10］ 楊正明，姜漢橋，朱光亞，等.低滲透含水氣藏儲層評價(jià)參數(shù)研究 ［J］.石油學(xué)報(bào)，2008，29(2):252-255.

［11］ 高樹生，葉禮友，熊 偉，等.利用核磁共振技術(shù)確定低滲砂巖氣藏原始含水飽和度及可動水飽和度［J］.中國物理快報(bào)，2010，27(12):1-2.(英文版)

［12］ 張 碩.低滲透油藏CO2氣驅(qū)滲流機(jī)理核磁共振研究［J］.深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2009，26(3):228-233.

［13］ 焦翠花，夏冬冬，王 軍，等.特低滲砂巖儲層物性下限確定方法 ［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2009，30(3):379-383.

［14］ ZHOU Na，Takuya Matsumoto，Takahiro Hosokawa，等.多孔介質(zhì)氣體滯留機(jī)理的孔隙尺度X-CT實(shí)驗(yàn)研究［J］.流動測量與儀器，2010，21:262-267.(英文版)

［15］ Ann Lisbeth，Lars Rennan，Hege C Wideroe，等.應(yīng)用X-CT成像、核磁共振及環(huán)境掃描電鏡研究孔洞型碳酸鹽巖儲層殘余氣分布規(guī)律 ［C］//國際巖芯分析家協(xié)會專題論文集，阿布扎比 (阿拉伯聯(lián)合酋長國):國際巖芯分析家協(xié)會，2008:1-6.(英文版)

［16］ 高樹生，熊 偉，劉先貴，等.低滲透砂巖氣體滲流機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀及新認(rèn)識 ［J］.天然氣工業(yè)，2010，30(1):52-55.

［17］ 趙仁保，岳湘安，吳亞紅.氮?dú)庠谒柡蛶r心中的滲流規(guī)律［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)工學(xué)版，2009，39(1):244-248.

［18］ 付大其，朱華銀，劉義成，等.低滲氣層巖石孔隙中可動水實(shí)驗(yàn) ［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，32(5):23-26.