火山巖氣藏不同儲滲模式下的非線性滲流機理

董家辛，童敏，冉博，李寧

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院；2.中國石油大學(xué)（北京）；3.塔爾薩大學(xué)）

0 引言

火山巖氣藏儲集空間復(fù)雜多樣，包括氣孔、溶蝕孔、粒間孔等多種孔隙和構(gòu)造縫、炸裂縫、冷凝收縮縫等多種裂縫[1-3]，火山巖氣藏儲集層孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致其滲流機理不同于沉積型砂巖儲集層。目前國內(nèi)部分學(xué)者[4-11]對火山巖氣藏的滑脫效應(yīng)、啟動壓力梯度和應(yīng)力敏感性等滲流特征進行了初步研究，探索了火山巖氣藏的滲流機理。國外只有日本對火山巖氣藏進行了開發(fā)，但未見滲流機理研究的相關(guān)報道。本文將火山巖氣藏的儲滲模式與滑脫效應(yīng)、應(yīng)力敏感性等非線性滲流特征結(jié)合，總結(jié)火山巖氣藏不同儲滲模式下的非線性滲流機理，并應(yīng)用現(xiàn)場生產(chǎn)資料研究火山巖氣藏不同尺度多重介質(zhì)間的接力排供氣機理。

1 火山巖氣藏儲滲模式

火山巖氣藏儲滲模式指儲集空間與喉道的組合模式，孔隙和喉道的形態(tài)、大小、分布及其連通關(guān)系決定火山巖儲集層的儲集能力和滲流能力，直接影響產(chǎn)能的高低和穩(wěn)產(chǎn)能力。通過巖心觀察、薄片鑒定等方法[1]分析了火山巖儲集空間的形態(tài)與大小，結(jié)果表明，火山巖氣藏的儲集空間復(fù)雜多樣?；鹕綆r儲集層發(fā)育多種類型孔隙，按成因可分為氣孔、粒間孔、溶蝕孔及微孔等，按孔隙大小可分為大孔隙、小孔隙和微孔隙；裂縫主要有收縮縫、炸裂縫、構(gòu)造縫等。采用薄片鑒定、常規(guī)壓汞和恒速壓汞分析等方法，將喉道分為孔隙收縮型、溶蝕孔型和裂縫型。按照不同類型儲集空間和喉道的組合方式，結(jié)合生產(chǎn)動態(tài)特征，歸納出氣孔型、粒間孔型、微孔型和裂縫-溶蝕孔型4種典型的儲滲模式（見表1）。

表1 火山巖氣藏4種典型的儲滲模式

2 火山巖氣藏非線性滲流機理

2.1 滑脫效應(yīng)

氣體滑脫效應(yīng)影響火山巖氣藏開發(fā)效果。利用穩(wěn)態(tài)實驗方法，對徐深氣田 52塊火山巖巖心（孔隙度2.45%～17.14%，滲透率 0.001×10?3～1.783×10?3μm2）進行滑脫效應(yīng)實驗，分析喉道半徑、儲滲模式、滲透率等因素對滑脫效應(yīng)的影響。

2.1.1 喉道半徑對滑脫效應(yīng)的影響

早在1950年，Heid[12]就發(fā)現(xiàn)喉道分布影響滑脫效應(yīng)，2002 年陳代 珣[13]也注意到滑脫效應(yīng)與孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，但沒有給出相關(guān)數(shù)據(jù)?；鹕綆r氣藏微觀孔隙結(jié)構(gòu)較常規(guī)氣藏更加復(fù)雜，孔喉的大小及分布模式對滑脫效應(yīng)的影響也更大。對滲透率相近但喉道分布不同的巖心（巖心 C264，滲透率 0.28×10?3μm2；巖心 201A，滲透率0.26×10?3μm2）進行物理模擬實驗，兩塊巖心喉道半徑分布見圖1a，實驗結(jié)果表明，相近滲透率下，小喉道所占比重大的巖心 201A滑脫效應(yīng)更強（見圖1b），其滑脫因子為0.43 MPa，大于巖心C264的0.20 MPa，說明喉道直徑越小，滑脫效應(yīng)越明顯。

圖1 C264號巖心和201A號巖心喉道半徑分布及對滑脫效應(yīng)的影響

2.1.2 不同儲滲模式下的滑脫效應(yīng)

通過物理模擬實驗測定了火山巖氣藏粒間孔型、氣孔型和微孔型 3種不同儲滲模式下的滑脫因子（對于裂縫-溶蝕孔型，其儲層滲透率較大，滑脫效應(yīng)很弱，故沒有對其進行分析），結(jié)果表明，儲滲模式不同，其滑脫效應(yīng)亦不同（見表 2）。粒間孔型、氣孔型和微孔型 3種儲滲模式下，粒間孔型孔徑、喉道相對較大，滑脫效應(yīng)相對較弱；氣孔型氣孔孔徑中等，喉道較小，滑脫效應(yīng)中等；對于微孔型，其孔徑較小，喉道半徑最小，滑脫效應(yīng)最明顯。因此，火山巖氣藏開發(fā)過程中應(yīng)重點考慮微孔型儲滲模式儲集層的滑脫效應(yīng)影響（見表2）。

表2 不同儲滲模式下的滑脫效應(yīng)

2.1.3 滲透率與滑脫因子的關(guān)系

根據(jù)Klinkenberg的理論，滑脫因子與滲透率直接相關(guān)[14]。筆者對52個火山巖巖心樣品進行巖石物性實驗和滑脫效應(yīng)實驗，結(jié)果表明，巖心滲透率越低，滑脫效應(yīng)越強（見圖2）。因此，對于物性好的火山巖氣藏，滑脫效應(yīng)對產(chǎn)能影響較小，可忽略不計。對于物性差、滲透率低（多小于 0.1×10?3μm2）的火山巖氣藏，滑脫效應(yīng)將使產(chǎn)能增加 3%～7%（見表 3），在氣藏開發(fā)中后期需考慮滑脫效應(yīng)對氣藏開發(fā)效果的影響。

圖2 滲透率與滑脫因子的關(guān)系

表3 不同開發(fā)階段滑脫效應(yīng)對滲透率的貢獻

2.2 應(yīng)力敏感

為了模擬火山巖氣藏氣井開發(fā)過程，采用定圍壓降內(nèi)壓（增大凈上覆巖層壓力）的實驗方法研究應(yīng)力敏感作用機理。首先，將圍壓（相當(dāng)于上覆巖層壓力）、內(nèi)壓（相當(dāng)于地層壓力或流體壓力）和回壓（巖心出口壓力）升至設(shè)計值，然后降低回壓使內(nèi)壓與巖心出口形成一定的壓差，記錄壓差和對應(yīng)的流量，計算滲透率。逐漸降低內(nèi)壓和巖心出口壓力就可測定降內(nèi)壓（即增加上覆巖層壓力）時的應(yīng)力敏感性；逐漸升內(nèi)壓和巖心出口壓力就可測定升內(nèi)壓（即降低上覆巖層壓力）時的應(yīng)力敏感性。如此反復(fù)，可以計算多次升、降壓過程中的巖心滲透率變化，從而評價巖心的應(yīng)力敏感性。由于微孔型儲滲模式裂縫發(fā)育程度較低，滲透率小，應(yīng)力敏感性較弱，故未進行分析，只對氣孔型、粒間孔型及裂縫-溶蝕孔型儲滲模式下的巖樣進行分析。

對氣孔型及粒間孔型儲滲模式的巖心進行應(yīng)力敏感實驗，結(jié)果表明，其表現(xiàn)出相似的應(yīng)力敏感特性，只是變化程度稍有不同。第 1次降內(nèi)壓過程中，隨著凈上覆壓力逐漸增加，氣孔型及粒間孔型儲滲模式巖心骨架顆粒不斷被壓實，基質(zhì)喉道變小，滲透率逐漸降低，但不同儲滲模式巖心滲透率降低程度不同（見圖 3），由于粒間孔型巖石的抗壓實作用較氣孔型巖石強，變形相對較小，氣孔型巖石的滲透率降幅比粒間孔型大10%左右（見表4）。第1次壓力恢復(fù)后，氣孔型巖石的滲透率恢復(fù)程度較粒間孔型巖石高8%左右。第 2次降內(nèi)壓過程中巖心進一步變形，但變形程度降低（見圖3），這是因為降壓過程中孔隙及喉道繼續(xù)縮小，但縮小程度降低，而第 2次壓力恢復(fù)滲透率恢復(fù)程度更低。

圖3 不同儲滲模式下滲透率與凈上覆壓力的關(guān)系

表4 不同儲滲模式的應(yīng)力敏感程度對比

裂縫-溶蝕孔型巖心與氣孔型、粒間孔型巖心應(yīng)力敏感特性相似（見圖3），但其應(yīng)力敏感性更強（見表4）。衰竭式生產(chǎn)過程中，隨著流體壓力降低、生產(chǎn)壓差增大，裂縫在應(yīng)力作用下容易閉合，因而裂縫-溶蝕孔型巖心表現(xiàn)出較強的應(yīng)力敏感性。

根據(jù)實驗結(jié)果建立滲透率與有效應(yīng)力間的冪函數(shù)關(guān)系式[15]：

式中K——地層滲透率，10?3μm2；K0——原始地層條件下的滲透率，10?3μm2；K/K0——無因次滲透率；p——有效應(yīng)力，MPa；a，b——系數(shù)，無因次。

綜上，氣孔型、粒間孔型和裂縫-溶蝕孔型3種儲滲模式下應(yīng)力敏感造成的滲透率降低等變化不可逆，將對氣井產(chǎn)能造成嚴重影響。

2.3 滲流主控因素

火山巖儲集層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其流體滲流具有非線性特征，且滑脫效應(yīng)和應(yīng)力敏感具有相反的作用效果?；鹕綆r氣藏衰竭式開采過程中，不同開發(fā)階段非線性滲流機理對產(chǎn)能的影響程度不同（見圖 4）。開發(fā)初期，壓降主要集中在近井地帶，應(yīng)力敏感只發(fā)生在近井地帶；隨著生產(chǎn)的進行，壓降漏斗逐漸擴大到整個儲集層，應(yīng)力敏感將擴展到整個儲集層范圍，且應(yīng)力敏感性從井底向外逐漸減弱。由前述分析可知，滑脫效應(yīng)在低滲、低壓條件下對產(chǎn)能的影響比較明顯，開發(fā)后期需考慮滑脫效應(yīng)的影響。

圖4 不同開發(fā)階段非線性滲流機理對產(chǎn)能的影響

為了深入研究滲流的主控因素，建立了同時考慮滑脫效應(yīng)和應(yīng)力敏感對火山巖氣藏氣井產(chǎn)能影響的模型，理論研究結(jié)果表明：當(dāng)壓差大于6.9 MPa時應(yīng)力敏感起主導(dǎo)作用；近井地帶（至井筒距離約300 m范圍內(nèi)）以應(yīng)力敏感為主導(dǎo)因素（見圖 5）；正常開采條件下，滑脫效應(yīng)影響較小，滲透率小于0.1×10?3μm2、孔隙壓力小于10 MPa時，滑脫效應(yīng)影響較大（3%～7%)。

圖5 應(yīng)力敏感及滑脫效應(yīng)對產(chǎn)能的影響

3 火山巖氣藏多重介質(zhì)的“接力”排供氣機理

火山巖氣藏發(fā)育氣孔型、粒間孔型、微孔型和裂縫-溶蝕孔型4種典型的儲滲模式，每種儲滲模式的孔隙結(jié)構(gòu)不同，孔徑、喉道大小不一，因此儲集層中存在大孔大縫、中孔小縫和小孔微縫等不同規(guī)模尺度的孔縫組合方式。筆者認為，火山巖儲集層不同尺度孔縫介質(zhì)接力排供氣滲流機理為：大尺度物性好的孔縫介質(zhì)優(yōu)先采出天然氣，次級尺度物性較差的孔縫介質(zhì)逐漸補充供給天然氣，如此形成多尺度多重介質(zhì)接力排供氣機理?，F(xiàn)場資料證實火山巖儲集層具有雙重介質(zhì)特征（見圖6）。試井雙對數(shù)曲線續(xù)流段主要反映井筒的儲集效應(yīng)，然后是高滲透裂縫的徑向流。裂縫自身供給不足時，基質(zhì)孔隙開始向裂縫供氣（基質(zhì)流向裂縫的竄流系數(shù)為 1.2×10?7），基質(zhì)向高滲透裂縫的竄流量小于井底產(chǎn)量時，與井底溝通的裂縫系統(tǒng)中能量消耗快，并出現(xiàn)過渡流段；當(dāng)竄流量與井底產(chǎn)量相當(dāng)時，竄流量趨于穩(wěn)定，且基質(zhì)供給與裂縫產(chǎn)出達到動態(tài)平衡，進入系統(tǒng)徑向流段。過渡流段持續(xù)時間和過渡流段內(nèi)井底壓降與竄流系數(shù)密切相關(guān)，相同條件下竄流系數(shù)越大，過渡流段持續(xù)時間越短，過渡流段內(nèi)的井底壓降越小?；诜蔷€性滲流機理和生產(chǎn)動態(tài)規(guī)律，建立了不同尺度孔縫介質(zhì)“接力”排氣和供氣的概念模型（見圖 7），包括高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、產(chǎn)量遞減、低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)3個生產(chǎn)階段?！敖恿Α迸殴獾闹饕饔脵C制是壓差、壓實、滲吸和擴散4種作用。

圖6 DD1井試井曲線

圖7 火山巖氣藏“接力”排供氣機理

3.1 高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)階段的接力排供氣機理

火山巖氣藏開發(fā)初期，大孔大縫供氣，氣井單井產(chǎn)量高，該階段壓差作用在多重介質(zhì)接力供氣和排氣中起主導(dǎo)作用，大孔大縫滲流導(dǎo)致與井底溝通的裂縫系統(tǒng)能量消耗很快，井底壓力快速下降。裂縫輸運的氣體主要由基質(zhì)孔隙提供，因此，裂縫能否持續(xù)為氣井提供充足氣源取決于基質(zhì)孔隙向裂縫的供氣能力。

3.2 產(chǎn)量遞減階段的接力排供氣機理

基質(zhì)向裂縫竄流供氣量遠低于井底產(chǎn)量時，產(chǎn)量開始遞減，中孔小縫供氣，該階段壓實作用起主導(dǎo)作用。利用物理模擬實驗測量10塊巖樣在壓實作用下排出氣體總量，實驗結(jié)果表明：①壓實作用排出的氣體總量約占孔隙總含氣量的1.89%；②隨著凈有效應(yīng)力的增加，初期壓實作用強，巖石變形量大，壓實排氣量大，單位凈有效應(yīng)力的氣體排出量大；后期壓實作用較弱，巖石變形量小，壓實排氣量?。ㄒ妶D8）。

圖8 單位凈有效應(yīng)力氣體排出量與凈有效應(yīng)力關(guān)系圖

3.3 低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)階段的接力排供氣機理

隨著產(chǎn)量的降低，當(dāng)基質(zhì)向裂縫竄流供氣量達到穩(wěn)定，裂縫-基質(zhì)系統(tǒng)平衡時，氣井進入低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)階段，小孔微縫供氣，該階段主要是滲吸和擴散作用起主導(dǎo)作用。對于含水的多重介質(zhì)氣藏，此階段滲吸作用起主導(dǎo)作用；對于無水氣藏，擴散作用起主導(dǎo)作用。

根據(jù)滲吸作用原理，采用核磁共振技術(shù)測量滲吸前后小孔道中含水飽和度的變化，確定滲吸作用排出的氣體體積。實驗結(jié)果表明，火山巖儲集層巖心在驅(qū)替（大孔隙）和滲吸（小孔喉）等共同作用下的采收率為44.75%，其中驅(qū)替貢獻率為37.25%，滲吸等貢獻率為7.50%（見圖9）。

圖9 核磁共振法確定各種作用對采出天然氣的貢獻

4 結(jié)論

火山巖氣藏主要儲滲模式有：氣孔型、粒間孔型、微孔型和裂縫-溶蝕孔型，其中粒間孔型、氣孔型儲滲模式下的滑脫效應(yīng)相對較弱；微孔型儲滲模式下的滑脫效應(yīng)較強。不同儲滲模式下的火山巖均具有較強的應(yīng)力敏感性，其中裂縫-溶蝕孔型應(yīng)力敏感程度大于氣孔型、粒間孔型。當(dāng)壓差大于6.9 MPa時應(yīng)力敏感起主導(dǎo)作用；近井地帶（至井筒距離約300 m范圍內(nèi)）以應(yīng)力敏感為主導(dǎo)因素；正常開采條件下，滑脫效應(yīng)影響較小，滲透率小于 0.1×10?3μm2、孔隙壓力小于10 MPa時，滑脫效應(yīng)影響較大（3%～7%）。

火山巖氣藏儲集層具有多重介質(zhì)“接力”排供氣滲流規(guī)律：高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)階段，大孔大縫供氣，氣井單井產(chǎn)量高，該階段以壓差作用為主；產(chǎn)量遞減階段，中孔小縫供氣，該階段以壓實作用為主；低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)階段，小孔微縫供氣，該階段以滲吸和擴散作用為主。

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