碳酸鹽巖氣藏氣體單相滲流特征實驗研究

鄭鑫平 郭 平 汪周華 汪 強

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室， 成都 610500)

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碳酸鹽巖氣藏氣體單相滲流特征實驗研究

鄭鑫平 郭 平 汪周華 汪 強

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室， 成都 610500)

針對碳酸鹽巖氣藏含水條件下的滲流機理與常規(guī)氣藏相比表現(xiàn)出的不同的非線性滲流特征問題，以X氣藏4塊全直徑巖心為研究對像，以滲流理論為基礎(chǔ)，在常溫常壓條件下開展?jié)B流機理實驗測試及分析，掌握碳酸鹽巖氣藏的非線性滲流特征及影響因素。研究結(jié)果表明：碳酸鹽巖含水氣藏氣體滲流普遍存在4種滲流特征：閾壓效應(yīng)、滑脫效應(yīng)、達西滲流和高速非達西滲流；隨巖心含水飽和度增加，氣體滲流表現(xiàn)出閾壓效應(yīng)增強、滑脫效應(yīng)減弱、高速非達西流效應(yīng)增強的特點。

碳酸鹽巖氣藏； 非線性滲流； 含水飽和度； 滲流曲線； 滲流實驗

隨著全球經(jīng)濟快速發(fā)展，全世界對油氣資源的需求量不斷增加。由于碳酸鹽巖儲層蘊藏的油氣資源儲量巨大，因而近年來對該類氣藏的勘探開發(fā)越來越受到各國的重視[1-3]，然而碳酸鹽巖氣藏儲層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性強，其滲流規(guī)律與常規(guī)氣藏相比有較大的區(qū)別。目前國內(nèi)外學(xué)者針對常規(guī)氣藏的滲流機理開展了大量的實驗研究，得到了描述該類氣藏滲流機理的新認(rèn)識[4-15]。本次研究以X碳酸鹽巖氣藏全直徑巖心為研究對象，深入了解X氣藏中氣體非線性滲流特征。

1 碳酸鹽巖儲層特殊滲流機理實驗

此次研究選取4塊X氣藏全直徑巖樣進行常溫常壓滲流機理實驗測試，巖心物性參數(shù)見表1。分別對4塊巖心進行干燥，并開展不同含水飽和度巖樣滲流機理實驗研究。本次實驗裝置與氣測滲透率實驗裝置類似，實驗用水為室內(nèi)復(fù)配地層水，實驗用氣為高純氮氣。在不同含水飽和度巖樣單相氣體流動實驗過程中，嚴(yán)格控制實驗壓差和含水飽和度的變化，實驗前后對巖樣稱重，控制其含水飽和度變化不超過5%，以保證測試過程中氣體處于單相流動狀態(tài)。

表1 實驗巖心基本物性參數(shù)

2 不同實驗條件下單相氣體滲流特征

長期以來，國內(nèi)外學(xué)者針對巖心內(nèi)氣體滲流規(guī)律研究做過大量的相關(guān)性實驗，并根據(jù)實驗現(xiàn)象及結(jié)果建立了不同的氣體滲流特征數(shù)學(xué)關(guān)系表達式。2008年，馮曦等人[6]以大量實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)單相氣體不同滲流運動方程推導(dǎo)并建立了氣體非線性滲流特征診斷方法和相關(guān)非線性參數(shù)的確定方法，大大提高了不同滲流效應(yīng)特征診斷精度。本次研究以上述方法為依據(jù)，診斷分析4塊全直徑巖樣不同實驗條件下的滲流特征。

2.1 干燥巖樣滲流特征

典型的干燥巖樣滲流特征診斷見圖1。從圖中可以看出，隨著巖心壓力梯度逐漸增加，巖樣中氣體滲流特征依次表現(xiàn)為滑脫效應(yīng)、達西滲流及高速非

達西滲流。在較低壓力梯度下，巖心視滲透率隨巖心中平均壓力的增加而減小(圖1b)，表現(xiàn)出氣體滑脫效應(yīng)的影響；同時由于低壓下滑脫效應(yīng)的影響，造成達西滲流段曲線為不過原點的直線(圖1c)；在較高壓力梯度下，巖樣氣體滲流表現(xiàn)為高速非達西滲流占主導(dǎo)地位的非線性滲流特征(圖1a)，由于慣性效應(yīng)的影響，巖心視滲透率隨壓力梯度的增加會逐漸降低。

圖1 10-3745號樣滲流特征

常溫常壓小壓力梯度條件下，不同含水飽和度巖樣單相氣體滲流特征表現(xiàn)出2種類型：(1)低壓下閾壓效應(yīng)影響占主導(dǎo)地位的滲流特征；(2)閥壓效應(yīng)和滑脫效應(yīng)的影響依次占主導(dǎo)地位的滲流特征。典型常溫常壓下含水巖樣滲流特征見圖2 — 圖3。

含水巖樣由于儲層物性、孔喉、含水飽和度以及水膜厚度的影響，其氣體滲流特征與干燥巖樣相比存在較大差異，主要表現(xiàn)在小壓力梯度滲流段。氣體首先要克服巖石表面或孔喉處水膜引起的附加毛細(xì)管阻力才能流動，即表現(xiàn)為閾壓效應(yīng)。隨著壓力梯度的增加，更多氣體參與流動，巖心視滲透率逐漸增大。

對于圖2所示巖樣，含水飽和度相對較高，小壓

力梯度滲流段主要表現(xiàn)為閾壓效應(yīng)占絕對主導(dǎo)地位的滲流特征；圖3所示巖樣，含水飽和度相對較小，在小壓力梯度條件下，氣體必須首先克服由于水相的存在而引起的附加阻力后才能流動(圖3(c))，即存在閾壓效應(yīng)。隨著壓力梯度增加，含水巖樣依次表現(xiàn)出不同滲流段特征，其規(guī)律與干燥巖樣類似。

圖2 2-1052號巖樣滲流特征(Swi=38.12%)

圖3 2-3452號巖樣滲流特征(Swi=27.27%)

3 含水飽和度對滲流特征的影響

3.1 啟動壓力梯度

本次室內(nèi)滲流機理實驗研究表明：當(dāng)含水飽和度達到一定程度時，碳酸鹽巖儲層普遍存在閾壓效應(yīng)。閾壓效應(yīng)表現(xiàn)為在較小壓力梯度時，氣體不發(fā)生流動，滲流速度為零，當(dāng)壓力梯度達到某一值時，氣相才能保持連續(xù)流動狀態(tài)，這一壓力梯度被稱為啟動壓力梯度。從圖4可以看出：當(dāng)巖心含水飽和度較小時，其滲流特征與不含水時單相氣體的滲流特征非常相似，滲流曲線表現(xiàn)為上凸型，滑脫效應(yīng)作用明顯，閾壓效應(yīng)減弱；當(dāng)巖心含水飽和度較大時，滲流曲線表現(xiàn)為上凹型，且隨著巖心含水飽和度的增加，氣體滲流特征曲線逐漸向壓力平方梯度軸靠近，氣體滲流速度逐漸減小，啟動壓力梯度增加，即表現(xiàn)為閾壓效應(yīng)占主導(dǎo)地位的滲流特點。

圖4 2-1052號巖樣滲流曲線

根據(jù)克氏理論可知，隨孔喉直徑減小，巖心中低壓氣體的滑脫效應(yīng)增強。巖心含水條件下，孔喉直徑會減小，氣體滑脫效應(yīng)應(yīng)隨巖心含水飽和度的增加而增加。本次實驗結(jié)果卻不符合克氏理論。從圖5可以看出，隨著巖心含水飽和度的增加，克氏曲線的斜率不斷減小，氣體視滲透率下降幅度減緩；在較高含水飽和度下，克氏回歸曲線趨于接近一條直線。實驗結(jié)果表明氣體在含水巖樣中滑脫效應(yīng)的影響隨含水飽和度的增加而明顯減弱。分析認(rèn)為滑脫效應(yīng)是氣體分子與巖心孔隙內(nèi)壁碰撞產(chǎn)生的結(jié)果。在低壓條件下，氣固分子間引力小，更多氣體分子由于熱運動參與到多孔介質(zhì)的流動中，使得巖心中氣體的視滲透率增加，結(jié)果表現(xiàn)為氣體滑脫現(xiàn)象。對于含水巖心，由于多孔介質(zhì)的孔喉壁面附著水膜，在巖心滲流過程中氣體分子主要和附著水膜的孔喉壁面發(fā)生碰撞，氣水分子間的作用力比氣固之間的大得多，最終導(dǎo)致巖心在較高含水飽和度下，氣體在巖心中滲流時滑脫效應(yīng)減弱甚至消失。當(dāng)巖心含水飽和度降低時，氣固分子間的碰撞又逐漸增多，氣體滑脫效應(yīng)又明顯增強。

圖5 2-3452號巖樣克氏回歸曲線

多孔介質(zhì)氣體滲流普遍存在高速非達西流效應(yīng)。當(dāng)生產(chǎn)壓差較大時儲層中容易發(fā)生紊流現(xiàn)象，導(dǎo)致在近井處產(chǎn)生高速非達西滲流，氣體滲流能力降低從而影響氣井產(chǎn)能。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實驗滲流速度增大到某一值后，巖心滲流表現(xiàn)出高速非達西滲流特征(圖6)。

圖6 10-3745號巖樣高速非達西滲流診斷圖

從圖6可以看出：隨著巖心含水飽和度的增加，在氣體流量較高條件下，高速非達西滲流診斷圖中線性回歸直線表現(xiàn)為曲線斜率增加，說明巖心孔喉壁面附著的水膜影響氣體高速非達西滲流程度。隨著巖心含水飽和度的增加，孔喉直徑進一步減小，氣體高速非達西滲流特征越明顯。將圖6中線性回歸直線的截距和斜率代入非線性特征參數(shù)診斷公式，計算得到巖樣的紊流系數(shù)(表2)。

表2 10-3745號巖樣紊流系數(shù)求取參數(shù)及計算結(jié)果

表2 10-3745號巖樣紊流系數(shù)求取參數(shù)及計算結(jié)果

含水飽和度∕%直線斜率直線截距∕(MPa2·cm-4·s)紊流系數(shù)∕(m-1)18．3512．340．62841．25E+1724．8513．280．70221．34E+1738．5431．771．01743．22E+17

4 結(jié) 語

(1)隨壓力梯度增加，碳酸鹽巖含水氣藏儲層普遍存在4種滲流特征：閾壓效應(yīng)、滑脫效應(yīng)、達西滲流及高速非達西滲流。

(2)隨含水飽和度增加，巖心啟動壓力梯度增加，閾壓效應(yīng)越明顯；在較低含水飽和度條件下，隨壓力梯度的增加，氣體滲流表現(xiàn)為閾壓效應(yīng)和滑脫效應(yīng)依次占主導(dǎo)地位的滲流特征。

(3)隨含水飽和度增加，巖心中氣體滲流受滑脫效應(yīng)的影響而減弱，氣體高速非達西流效應(yīng)越明顯，紊流系數(shù)越大。

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An Experimental Study on the Percolation Characteristics of Single Phase Gas in Carbonate Gas Reservoirs

ZHENGXinpingGUOPingWANGZhouhuaWANGQiang

(State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Carbonate gas reservoirs with water saturation have different non-linear flow characteristics when compared with conventional gas reservoirs. With percolation theory diagnosis technique, four full-hole core examples of X gas reservoirs are used to test and analyze percolation characteristics through percolation theory experiments at normal pressures and temperatures. The results show that gas flow in carbonate gas reservoirs generally exists four flow effects as follows: threshold pressure effect, slippage effect, Darcy flow effect and high-speed non-Darcy flow effect; with increasing water saturation, gas flow has features of higher threshold pressure effect, lower slippage effect and higher high-speed non-Darcy flow effect.

carbonate gas reservoirs; non-Darcy flow; water saturation; seepage curve; percolation experiment

2015-01-16

國家自然科學(xué)基金項目“基于密度泛函理論研究頁巖氣藏氣固吸附微觀機理”(51204141)

鄭鑫平(1989 — )，男，四川成都人，西南石油大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向為注氣提高采收率、低滲致密及非常規(guī)氣藏滲流機理等。

TE312

A

1673-1980(2015)05-0027-04