普光氣田地層水啟動(dòng)壓力梯度實(shí)驗(yàn)研究

曾大乾，李繼強(qiáng)，張俊法，孫 兵，鄧 鵬，楊棽垚

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331；3.中國石油塔里木油田分公司，庫爾勒 841000)

全球已開發(fā)的氣藏中大部分為水驅(qū)氣藏，準(zhǔn)確認(rèn)識氣藏水侵規(guī)律是高效開發(fā)水驅(qū)氣藏的重要前提[1-6]。地層水啟動(dòng)壓力梯度會增大地層水在儲層中的滲流阻力[7-11]，延緩水體侵入氣藏，從而影響氣藏水侵規(guī)律。因此，準(zhǔn)確確定地層水啟動(dòng)壓力梯度是正確認(rèn)識氣藏水侵規(guī)律，進(jìn)而改善氣藏開發(fā)效果的重要前提。

目前，中外學(xué)者針對地層水啟動(dòng)壓力梯度開展了一些研究，建立了一些地層水啟動(dòng)壓力梯度計(jì)算模型[12-16]，但現(xiàn)有計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果差異大，不能有效指導(dǎo)以地層水啟動(dòng)壓力梯度為基礎(chǔ)的其他相關(guān)研究。

現(xiàn)選取普光氣田超深層碳酸鹽巖儲層巖心，開展地層水啟動(dòng)壓力梯度實(shí)驗(yàn)測試，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，建立地層水啟動(dòng)壓力梯度計(jì)算模型，對比分析不同地層水啟動(dòng)壓力梯度計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果，分析影響地層水啟動(dòng)壓力梯度的主要因素，為準(zhǔn)確確定地層水啟動(dòng)壓力梯度提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

采用壓差-流量法，在儲層溫度條件下，測定地層水不同流量對應(yīng)的穩(wěn)定壓差，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，通過回歸分析，確定巖樣的地層水啟動(dòng)壓力梯度。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，實(shí)驗(yàn)步驟如下。

1.1 巖心樣品準(zhǔn)備

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《巖心分析方法》(SY/T 5336—2006)制備、清洗、烘干巖心并抽真空飽和地層水。

圖1 地層水啟動(dòng)壓力梯度實(shí)驗(yàn)流程

1.2 壓差流量測定

(1)建立圍壓：將飽和鹽水的巖心樣品裝入巖心夾持器；設(shè)置自動(dòng)圍壓泵為自動(dòng)追蹤模式，設(shè)置恒定凈圍壓為3.0 MPa并啟動(dòng)(避免應(yīng)力敏感帶來的實(shí)驗(yàn)誤差)。

(2)設(shè)置實(shí)驗(yàn)溫度：將恒溫箱溫度穩(wěn)定到儲層溫度(120 ℃)。

(3)設(shè)置出口回壓：打開回壓閥，設(shè)置回壓泵，將出口端回壓穩(wěn)定在1.0 MPa。

(4)設(shè)置實(shí)驗(yàn)流量：設(shè)置高精度恒速恒壓泵為恒速模式，設(shè)置實(shí)驗(yàn)測試流量并啟動(dòng)。

(5)記錄驅(qū)動(dòng)壓力：每間隔1 h記錄1次巖樣進(jìn)出口的高精度壓力表的壓力數(shù)據(jù)，直至前后兩次壓力波動(dòng)不超過0.04%，且此時(shí)注入水體積為孔隙體積的10倍以上，則認(rèn)為壓力穩(wěn)定，記錄穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)壓差。

(6)下一組流量測試：重復(fù)(4)～(5)，進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)流量的測試。

2 實(shí)驗(yàn)樣品及條件

實(shí)驗(yàn)采用高精度恒速恒壓泵、高精度數(shù)顯壓力表和高精度回壓閥。高精度恒速恒壓泵壓力精度為0.02%，流量精度0.001 mL·min-1，高精度數(shù)顯壓力表和高精度回壓閥壓力精度均為0.02%。實(shí)驗(yàn)選取四川盆地普光氣田飛仙關(guān)組超深層碳酸鹽巖標(biāo)準(zhǔn)巖心15塊(表1)，巖樣孔隙度介于2.53%～7.19%，巖樣滲透率介于0.018 8×10-3～5.730 4×10-3μm2。實(shí)驗(yàn)用水根據(jù)地層水礦化度8.5×104mg·L-1配制，實(shí)驗(yàn)溫度為120 ℃。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)回歸分析得到15塊巖心的地層水啟動(dòng)壓力梯度，繪制其與巖心滲透率的關(guān)系曲線(圖2)。從圖2來看，地層水啟動(dòng)壓力梯度隨滲透率的降低而增大；在滲透率相對較高時(shí)，隨著滲透率的降低，地層水啟動(dòng)壓力梯度緩慢增大，在滲透率相對較低時(shí)，隨著滲透率的降低，地層水啟動(dòng)壓力梯度急劇增大。地層水啟動(dòng)壓力梯度與滲透率呈現(xiàn)較好的冪函數(shù)關(guān)系，采用冪函數(shù)回歸分析，建立地層水啟動(dòng)壓力梯度與滲透率關(guān)系方程為

λ=0.003 20K-0.662

(1)

式(1)中：λ為地層水啟動(dòng)壓力梯度，MPa·m-1；K為滲透率，10-3μm2。

根據(jù)儲層的滲透率，采用式(1)，可計(jì)算得到普光氣田超深層碳酸鹽巖儲層的地層水啟動(dòng)壓力梯度。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)巖樣的滲透率，采用郝斐模型[17]、朱維耀模型[18]和本文模型(表2)，計(jì)算實(shí)驗(yàn)巖樣的地層水啟動(dòng)壓力梯度(表3)，繪制三種模型計(jì)算的地層水啟動(dòng)壓力梯度與滲透率的關(guān)系曲線(圖3)。

圖2 地層水啟動(dòng)壓力梯度與滲透率的關(guān)系

表2 地層水啟動(dòng)壓力梯度計(jì)算模型

表3 實(shí)驗(yàn)巖樣地層水啟動(dòng)壓力梯度計(jì)算結(jié)果

從圖3來看，不同模型計(jì)算的地層水啟動(dòng)壓力梯度隨滲透率的變化趨勢基本一致，但數(shù)值差異很大，不同模型計(jì)算得到的同一塊巖心的地層水啟動(dòng)壓力梯度數(shù)值最大可相差10倍以上。

研究表明[19-22]，流體在細(xì)小孔道中流動(dòng)具有一定的非牛頓特征，流體的黏度越高，其非牛頓特征就越明顯，宏觀表現(xiàn)為啟動(dòng)壓力梯度越大。影響地層水黏度的因素有壓力、溫度和礦化度，其中壓力和礦化度對地層水黏度的影響較小，而溫度對地層水黏度影響較大(圖4)，溫度越高，地層水黏度越小。因此，在地層水啟動(dòng)壓力梯度實(shí)驗(yàn)測試中，實(shí)驗(yàn)溫度會對測試結(jié)果造成較大影響。

圖3 不同模型計(jì)算結(jié)果對比

圖4 地層水黏度隨溫度變化曲線

從表2和圖3來看：郝斐模型是基于實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果建立的，地層水黏度最大，計(jì)算的地層水啟動(dòng)壓力梯度最大；朱維耀模型是基于實(shí)驗(yàn)溫度為60 ℃的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果建立的，地層水黏度相對較小，計(jì)算的地層水啟動(dòng)壓力梯度相對也較??；本文模型是基于實(shí)驗(yàn)溫度為120 ℃的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果建立的，地層水黏度最小，計(jì)算的地層水啟動(dòng)壓力梯度最小。

從以上分析來看，地層溫度影響地層水黏度，從而改變地層水在細(xì)小孔道中流動(dòng)時(shí)的非牛頓特征，進(jìn)而影響地層水啟動(dòng)壓力梯度的大小，基于特定溫度實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果建立的啟動(dòng)壓力梯度計(jì)算模型僅適用于該溫度條件下地層水啟動(dòng)壓力梯度的預(yù)測。不同氣藏的地層溫度不同，則地層水黏度不同，相應(yīng)地地層水啟動(dòng)壓力梯度也就不同，在不同地層水黏度啟動(dòng)壓力梯度實(shí)驗(yàn)測試基礎(chǔ)上建立的綜合考慮滲透率和黏度的啟動(dòng)壓力梯度計(jì)算模型才具有普適性。

4 實(shí)例計(jì)算

根據(jù)普光氣田完鉆井測井解釋結(jié)果，采用文獻(xiàn)[17-18]和本文建立的地層水啟動(dòng)壓力梯度計(jì)算模型，計(jì)算普光氣田氣藏分類儲層的地層水啟動(dòng)壓力梯度(圖5)。

圖5 普光氣田分類儲層地層水啟動(dòng)壓力梯度

從圖5來看，采用不同模型計(jì)算的地層水啟動(dòng)壓力梯度差異很大，郝斐模型計(jì)算結(jié)果最大可達(dá)14.0 MPa·m-1，朱維耀模型計(jì)算結(jié)果最大可達(dá)7.0 MPa·m-1，而本文模型計(jì)算結(jié)果最大為0.2 MPa·m-1。計(jì)算結(jié)果差異大的主要原因是三種模型是基于不同實(shí)驗(yàn)溫度的測試數(shù)據(jù)建立的，不同實(shí)驗(yàn)溫度對應(yīng)的地層水黏度不同，導(dǎo)致地層水在細(xì)小孔道中的非牛頓特征不同，最終在宏觀上表現(xiàn)為地層水啟動(dòng)壓力梯度不同。若采用基于其他實(shí)驗(yàn)溫度下的地層水啟動(dòng)壓力梯度測試數(shù)據(jù)建立的模型計(jì)算普光氣田儲層的地層水啟動(dòng)壓力梯度會帶來極大誤差。采用本文模型計(jì)算的普光氣田各分類儲層的地層水啟動(dòng)壓力梯度計(jì)算結(jié)果差異較大。Ⅰ類儲層地層水啟動(dòng)壓力梯度較小，其數(shù)量級在10-4MPa·m-1級別，Ⅱ類儲層較Ⅰ類儲層明顯增大，最大可達(dá)0.02 MPa·m-1，Ⅲ類儲層地層水啟動(dòng)壓力梯度較大，最大可達(dá)0.2 MPa·m-1。普光氣田開發(fā)井鉆遇氣層中Ⅰ類儲層占9.6%，Ⅱ類儲層占32.9%，Ⅲ類儲層占57.5%，物性較差的Ⅱ類、Ⅲ類儲層占比較大。普光氣田Ⅱ、Ⅲ類儲層地層水啟動(dòng)壓力梯度較大，會對氣藏的水侵規(guī)律造成較大的影響。因此，要準(zhǔn)確描述氣藏水侵規(guī)律，進(jìn)而準(zhǔn)確預(yù)測氣藏開發(fā)指標(biāo)，需考慮儲層的地層水啟動(dòng)壓力梯度。

5 結(jié)論

(1)地層水啟動(dòng)壓力梯度隨滲透率的降低而增大；在滲透率相對較高時(shí)，隨著滲透率的降低，地層水啟動(dòng)壓力梯度緩慢增大，在滲透率相對較低時(shí)，隨著滲透率的降低，地層水啟動(dòng)壓力梯度急劇增大。

(2)地層溫度影響地層水黏度，從而改變地層水在細(xì)小孔道中流動(dòng)時(shí)的非牛頓特征，進(jìn)而影響地層水啟動(dòng)壓力梯度的大小。地層溫度越高，地層水黏度就越小，相應(yīng)地地層水啟動(dòng)壓力梯度就越小。

(3)儲層滲透率和地層水黏度是影響地層水啟動(dòng)壓力梯度的主要因素，而地層水黏度受地層溫度影響很大，基于特定溫度實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果建立的啟動(dòng)壓力梯度計(jì)算模型僅適用于該溫度條件下地層水啟動(dòng)壓力梯度的預(yù)測。

(4)普光氣田Ⅱ、Ⅲ類儲層地層水啟動(dòng)壓力梯度較大，要準(zhǔn)確描述氣藏水侵規(guī)律，進(jìn)而準(zhǔn)確預(yù)測氣藏開發(fā)指標(biāo)，需考慮儲層的地層水啟動(dòng)壓力梯度。