鄂爾多斯盆地致密砂巖氣藏啟動(dòng)壓力梯度實(shí)驗(yàn)研究

白慧芳，施里宇，張 磊，辛翠平，王永科，王少征.

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710065；2.承德石油高等?？茖W(xué)校，河北承德 067000)

延長(zhǎng)氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部，B井區(qū)構(gòu)造上為一西傾單斜，斷裂、背斜等構(gòu)造不發(fā)育，僅在局部發(fā)育低幅度的鼻狀隆起。氣藏圈閉類型主要為海陸過渡相和河流—三角洲相沉積形成的巖性圈閉群[1-2]。氣藏橫向連續(xù)性差，呈準(zhǔn)連續(xù)分布，天然氣的分布主要受儲(chǔ)層非均質(zhì)性控制。儲(chǔ)層致密，非均質(zhì)性強(qiáng)，礦物成分復(fù)雜，填隙物含量高，其孔隙度、滲透率、含氣飽和度均較小[3-4]。

與常規(guī)天然氣藏相比較，本區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層巖石孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、儲(chǔ)層致密、流體呈現(xiàn)非線性(非達(dá)西)滲流特征[5-7]，存在啟動(dòng)壓力梯度。只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力大于某個(gè)附加壓力時(shí)，流體才能夠發(fā)生流動(dòng)[8-10]，該附加壓力梯就是啟動(dòng)壓力梯度。從具體的物理模擬實(shí)驗(yàn)著手，對(duì)啟動(dòng)壓力梯度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，揭示致密氣藏的非線性滲流規(guī)律及其影響因素，這對(duì)于氣田開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義[11-13]。

1 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)儲(chǔ)層不存在啟動(dòng)壓力梯度時(shí)，氣體滲流滿足如下關(guān)系[14-15]：

(1)

(2)

令v=0，則巖樣的啟動(dòng)壓力為：

(3)

根據(jù)公式(3)，巖樣的啟動(dòng)壓力梯度為：

(4)

式中v——?dú)怏w通過巖心的流速，cm/s；

q——?dú)怏w通過巖心的流量，cm3/s；

A——巖心的橫截面積，cm2；

K——巖心的滲透率，μm2；

p1——巖心進(jìn)口端的壓力，MPa；

p0——實(shí)驗(yàn)條件下的大氣壓力，MPa；

pλ——啟動(dòng)壓力，MPa；

μ——?dú)怏w的黏度，mPa·s；

L——巖心的長(zhǎng)度，cm；

a、b——直線系數(shù)的常數(shù)項(xiàng)；

λ——啟動(dòng)壓力梯度，MPa/cm。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選取了延安氣田B井區(qū)上古生界盒8段、山1段、山2段、本溪組4個(gè)層位共20塊巖心，其物性情況見表1。

表1 樣品物性參數(shù)表Table 1 Physical property parameters table of experimental core samples

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)采用KS-VI型孔滲聯(lián)測(cè)儀，儀器由高壓巖心夾持器、巖心進(jìn)樣、氣體調(diào)壓、溫度壓力測(cè)量、定容器、數(shù)據(jù)采集處理、支架面板等系統(tǒng)組成。整體設(shè)計(jì)科學(xué)合理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與采集，便于操作，準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性高。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，流程如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)采用與氣體滲透率測(cè)定類似的穩(wěn)態(tài)法[18-19]，實(shí)驗(yàn)溫度為20 ℃左右，實(shí)驗(yàn)所用的驅(qū)替氣體為氮?dú)?。測(cè)量不同驅(qū)替壓差下的流量，每塊巖心測(cè)量10～16組數(shù)據(jù)，逐漸緩慢升高巖心入口端壓力，每個(gè)壓力點(diǎn)待流動(dòng)穩(wěn)定后，測(cè)定各壓力下氣體的流量[20]。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental device diagram

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.2 Experimental flow diagram

為保證含水致密巖樣中氣體的單相流動(dòng)，需考慮巖樣含殘余水的情況，根據(jù)巖樣滲透率的不同，采用盡可能小的實(shí)驗(yàn)壓差，控制其含水飽和度變化不超過3%。飽和流體為根據(jù)實(shí)際地層水分析資料所配的地層水樣。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 啟動(dòng)壓力梯度計(jì)算

從圖4和表2可以看出，當(dāng)延安氣田上古生界巖心滲透率大于0.1 mD時(shí)，不存在啟動(dòng)壓力梯度；當(dāng)滲透率小于0.1 mD時(shí)，巖心存在啟動(dòng)壓力梯度，其變化范圍在0.000 21～0.001 04 MPa/cm之間。對(duì)比4個(gè)層位啟動(dòng)壓力梯度的平均值可知，山1段啟動(dòng)壓力梯度最大，本溪組啟動(dòng)壓力梯度最小。

3.2 敏感性因素分析

根據(jù)延安氣田B井區(qū)14塊巖樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果(表2)，分析啟動(dòng)壓力梯度與滲透率、含水飽和度之間的關(guān)系(圖5、圖6)。

圖3 巖心克氏回歸曲線Fig.3 Core Klinkenberg regression curves

表2 啟動(dòng)壓力梯度計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of actuating pressure gradient

圖4 不同層位的平均啟動(dòng)壓力梯度Fig.4 Average actuating pressure gradient of different formations

圖5 啟動(dòng)壓力梯度隨滲透率的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between actuating pressure gradient and core permeability

滲透率增大，巖心的啟動(dòng)壓力梯度隨之減小，這是由于致密儲(chǔ)層孔隙和喉道較為狹窄，流體在流動(dòng)過程的滲流阻力要比常規(guī)儲(chǔ)層高得多，啟動(dòng)壓力梯度也較大。擬合啟動(dòng)壓力梯度與巖心滲透率關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)二者呈現(xiàn)較好的冪指數(shù)關(guān)系，曲線擬合形式為Y=abx。從圖5的曲線上可以看出，當(dāng)滲透率在0～0.04 mD范圍內(nèi)時(shí)，隨著滲透率的增加，啟動(dòng)壓力梯度急劇下降；在0.04～0.10 mD范圍時(shí)，隨滲透率增加，啟動(dòng)壓力梯度下降較小。當(dāng)滲透率大于0.10 mD以后，不存在啟動(dòng)壓力梯度。

圖6 啟動(dòng)壓力梯度隨含水飽和度的變化關(guān)系Fig.6 Relationship between actuating pressure gradient and water saturation

含水飽和度增大，巖心的啟動(dòng)壓力梯度也隨之增大，這主要是由于液體的黏滯阻力大于氣體，阻礙了氣體的流動(dòng)。同時(shí)在孔隙喉道中束縛水飽和度越大，氣水兩相毛管力越大，氣相的滲流阻力越大，導(dǎo)致啟動(dòng)壓力梯度也增大。擬合啟動(dòng)壓力梯度與巖心含水飽和度關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)二者呈現(xiàn)很好的指數(shù)關(guān)系，曲線擬合形式為Y=abx。從圖6的曲線上可以看出，當(dāng)含水飽和度小于45%時(shí)，隨飽和度的增加，啟動(dòng)壓力梯度上升緩慢；當(dāng)含水飽和度大于45%時(shí)，啟動(dòng)壓力梯度迅速上升。

4 結(jié)論

(1)基于鄂爾多斯盆地延安氣田致密氣藏的特征，選取20塊延安氣田B井區(qū)上古生界巖心，采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不同驅(qū)動(dòng)壓差下的氣體流量，研究啟動(dòng)壓力梯度與滲透率、含水飽和度的關(guān)系。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示14塊巖樣滲透率小于0.1 mD，此時(shí)存在啟動(dòng)壓力梯度，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，山1段啟動(dòng)壓力梯度最大，本溪組啟動(dòng)壓力梯度最小。

(3)啟動(dòng)壓力梯度隨滲透率的增大而減小，兩者呈冪指數(shù)關(guān)系，當(dāng)滲透率小于0.04 mD時(shí)，啟動(dòng)壓力梯度急劇下降。啟動(dòng)壓力梯度隨含水飽和度的增大而增大，兩者呈指數(shù)關(guān)系，當(dāng)含水飽和度大于45%時(shí)，啟動(dòng)壓力梯度迅速上升。