高溫高壓氣藏衰竭開發(fā)氣水相滲變化規(guī)律探討*

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057）

氣水相對(duì)滲透率曲線是氣藏開發(fā)過程中非常重要的參數(shù)之一，是氣藏開發(fā)方案設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)分析、指標(biāo)預(yù)測(cè)及氣井見水規(guī)律研究的基礎(chǔ)[1-4]。近年來，隨著勘探開發(fā)力度的不斷加大，在南海西部鶯瓊盆地發(fā)現(xiàn)了大量高溫高壓、低滲天然氣藏，壓力系數(shù)1.7～2.3，溫度150～220℃，滲透率0.3～33.7 mD，高溫高壓低滲氣藏的發(fā)現(xiàn)與開發(fā)給南海西部增儲(chǔ)上產(chǎn)帶來了重大機(jī)遇[5-8]。高溫高壓、低滲氣藏孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開發(fā)過程中易見水，且易發(fā)生應(yīng)力敏感[9-10]，受見水、應(yīng)力敏感影響，滲流規(guī)律復(fù)雜[11-13]，需要對(duì)該類氣藏地層條件下氣水相滲曲線進(jìn)行測(cè)試，研究其在衰竭開發(fā)過程中氣水相滲曲線的變化規(guī)律。

常規(guī)氣水相滲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（SY/T 5345-2007“巖石中兩相流體相對(duì)滲透率測(cè)定方法”[14]）是采用氮?dú)庠诔爻旱臈l件下進(jìn)行測(cè)試的，常溫常壓測(cè)試的相滲曲線與地層條件下測(cè)試結(jié)果相差較大[15-16]，難以直接應(yīng)用到氣藏開發(fā)實(shí)踐中。國內(nèi)外對(duì)高溫高壓氣水相滲研究較少，或多局限于高溫、高壓?jiǎn)我粭l件，即使是在高溫高壓條件下的研究，也多以70 MPa、100℃以下為主，很少同時(shí)達(dá)到南海西部?jī)?chǔ)層極限溫壓條件（95 MPa、220℃）[17-18]，且缺少對(duì)不同溫壓條件、不同驅(qū)替順序及氣藏衰竭開發(fā)過程中氣水相滲變化規(guī)律的研究。

本文在常規(guī)氣水相滲實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)常溫常壓、高溫高壓相滲對(duì)比實(shí)驗(yàn)，氣驅(qū)水、水驅(qū)氣對(duì)比實(shí)驗(yàn)，不同有效應(yīng)力下相滲對(duì)比實(shí)驗(yàn)，綜合考慮應(yīng)力敏感對(duì)氣水滲流規(guī)律的影響，評(píng)價(jià)高溫高壓氣藏氣水相滲特征，表征開發(fā)過程中氣水相滲變化規(guī)律。

1 不同溫壓條件氣水相滲曲線特征

按照氣水相滲測(cè)試行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)展開測(cè)試，依據(jù)靶區(qū)儲(chǔ)層溫壓（埋深約3 500 m，上覆壓力約80 MPa，初始地層壓力約64 MPa，壓力系數(shù)1.85）設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)比分析常溫常壓和地層條件下氣水相滲實(shí)驗(yàn)的差異。由于常溫常壓下水驅(qū)氣實(shí)驗(yàn)中氣量較少，難以準(zhǔn)確計(jì)量，因此不同溫壓相滲實(shí)驗(yàn)對(duì)比采用氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)方式。

1.1 常溫常壓及地層條件相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)4塊巖心氣驅(qū)水相滲實(shí)驗(yàn)，測(cè)試之后進(jìn)行地層條件相滲曲線測(cè)試（圍壓80 MPa、回壓64 MPa），實(shí)驗(yàn)流體及巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1，對(duì)比2種不同條件測(cè)試得到的氣水相滲曲線差異，并分析原因，測(cè)試結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，不同溫壓條件下相滲曲線均表現(xiàn)出“左高右低”的現(xiàn)象，且地層條件下相滲曲線兩相共滲區(qū)有所增加，曲線整體下移。

1.2 常溫常壓及地層條件相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異分析

影響氣水相滲的因素有很多，已有研究表明[19-20]，高溫高壓下儲(chǔ)集層孔隙結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)與常溫常壓下不同。

表1 實(shí)驗(yàn)流體及巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table1 Basic data of fluid and cores

圖1 4塊巖心不同溫壓條件相滲曲線對(duì)比Fig.1 Comparison of relative permeability curves of four cores under different temperature and pressure

1）流體性質(zhì)不同導(dǎo)致地層條件下相滲曲線兩相共滲區(qū)增大，束縛水飽和度減小。

高溫高壓下大量氣體溶解在水中，降低了氣水之間的界面張力，同時(shí)高溫能夠加劇分子的運(yùn)動(dòng)，降低了可動(dòng)水的條件，減少了水相在巖石表面的富集，從而導(dǎo)致高溫高壓相滲束縛水飽和度較常溫常壓要低，實(shí)驗(yàn)表明束縛水飽和度較常溫常壓降低8%～13%，兩相共滲區(qū)增加8%～15%（表2）。

表2 不同溫壓條件下相滲曲線特征值Table2 Characteristic values of relative permeability curves under different temperature and pressure

不同的溫壓條件，水氣黏度比差異較大，常溫常壓下水氣黏度比達(dá)58（流體數(shù)據(jù)見表1），界面張力較大，不利于氣驅(qū)水，高的黏度比導(dǎo)致氣驅(qū)水波及效率低，束縛水飽和度高。在高溫高壓條件下水氣黏度比為6，黏度較為接近，界面張力低，氣驅(qū)水波及效率高，所以束縛水飽和度低。因此，較低的水氣黏度比及界面張力是高溫高壓條件下氣水相滲具有更低束縛水飽和度、更寬兩相共滲區(qū)的根本原因。

2）應(yīng)力敏感導(dǎo)致滲透率降低，造成地層條件氣水相滲曲線整體下移。

常溫常壓氣水相滲曲線一般巖心所受的有效應(yīng)力約為3～5 MPa，本次常溫常壓實(shí)驗(yàn)圍壓為約3 MPa，出口壓力為大氣壓，巖心所受有效應(yīng)力為3 MPa，地層條件下巖心所受有效應(yīng)力約16 MPa。巖石應(yīng)力敏感強(qiáng)度通式可用式1表示，有效應(yīng)力越大，巖石所受的應(yīng)力敏感程度越強(qiáng)，滲透率降低越明顯（已有研究[21-22]表明：高溫高壓低滲氣藏，應(yīng)力敏感更為顯著），表現(xiàn)在相滲曲線上為地層條件下相滲曲線下移。

式（1）中：Kn為有效應(yīng)力增加過程中不同有效應(yīng)力下巖心滲透率，mD；Ki為初始滲透率，mD；k為系數(shù)；γ為應(yīng)力敏感系數(shù)；Δσ為有效應(yīng)力變化量，MPa。

利用表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)計(jì)算束縛水下氣相滲透率損失率約為7%～30%，應(yīng)力敏感程度與巖心物性相關(guān)，物性越差應(yīng)力敏感越強(qiáng)，與靶區(qū)已有應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致。因此，認(rèn)為應(yīng)力敏感是地層條件相滲曲線下移的根本原因。

綜合分析認(rèn)為地層條件下氣水滲流能力增強(qiáng)，與常溫常壓實(shí)驗(yàn)相比表現(xiàn)為束縛水飽和度降低，兩相共滲區(qū)增加，驅(qū)替效果變好，且物性越好，差異性越小。同時(shí)又受應(yīng)力敏感影響，導(dǎo)致相對(duì)滲透率曲線有一定程度下移。

2 不同驅(qū)替順序氣水相滲曲線特征

選取巖心物性較為接近的7塊巖心，在地層條件下（圍壓80 MPa、溫度135℃）進(jìn)行氣驅(qū)水和水驅(qū)氣相滲實(shí)驗(yàn)，其中氣驅(qū)水相滲實(shí)驗(yàn)所用巖心編號(hào)為1-2、1-3的2號(hào)實(shí)驗(yàn)，水驅(qū)氣相滲實(shí)驗(yàn)所用巖心編號(hào)為2-1到2-5，流體及巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1，進(jìn)而對(duì)比分析不同驅(qū)替順序相滲曲線差異。

2.1 不同驅(qū)替順序氣水相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)實(shí)驗(yàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分別開展氣驅(qū)水、水驅(qū)氣相滲實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。從圖中可以看出氣驅(qū)水（虛線，巖心1-2、1-3）相滲曲線整體偏右，殘余氣下水相相對(duì)滲透率較低；水驅(qū)氣（實(shí)線，巖心2-1到2-5）相滲曲線整體偏左，殘余氣下水相相對(duì)滲透率較高。

圖2 不同驅(qū)替順序氣水相滲曲線對(duì)比Fig.2 Contrast of gas-water relative permeability curves for different displacement sequences

2.2 不同驅(qū)替順序相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異分析

驅(qū)替順序的不同是氣驅(qū)水、水驅(qū)氣相滲實(shí)驗(yàn)差異的根本原因。氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)為非潤(rùn)濕相驅(qū)替潤(rùn)濕相，所以相滲曲線整體偏右，有利于氣相的滲流，水相滲流能力較差，導(dǎo)致殘余氣下水相相對(duì)滲透率較低（0.11）。水驅(qū)氣實(shí)驗(yàn)相滲曲線整體偏左，等滲點(diǎn)處含水飽和度約為0.55，較氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)降低0.22，效果較為明顯，有利于水相的滲流，導(dǎo)致殘余氣下水相相對(duì)滲透率較高（0.503），約為氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)的5倍。

不同驅(qū)替順序代表著氣藏不同階段，氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是氣藏成藏過程，水驅(qū)氣實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是氣藏開發(fā)過程，水驅(qū)氣實(shí)驗(yàn)代表性更強(qiáng)，更能反映氣藏開發(fā)過程中氣水滲流規(guī)律。因此，推薦地層條件下采用水驅(qū)氣實(shí)驗(yàn)，模擬氣藏開發(fā)過程中氣水滲流規(guī)律。

3 不同有效應(yīng)力氣水相滲曲線特征

南海西部氣田均采用衰竭方式開發(fā)，開發(fā)過程中地層壓力逐漸下降，有效應(yīng)力增加，儲(chǔ)層會(huì)產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力敏感，導(dǎo)致滲流能力降低。因此，需要研究氣水相滲隨地層壓力下降過程中的變化規(guī)律。

3.1 不同有效應(yīng)力氣水相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)南海西部東方F氣田地質(zhì)油藏特征，選取物性代表性較強(qiáng)的3-1號(hào)巖心，開展不同有效應(yīng)力下水驅(qū)氣相滲實(shí)驗(yàn)規(guī)律研究，流體及巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1，實(shí)驗(yàn)溫度為地層溫度135℃，圍壓80 MPa，初始回壓為地層壓力64 MPa，巖心有效應(yīng)力16 MPa，之后降低回壓，分別模擬有效應(yīng)力20、30、40 MPa下氣水相滲規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。從圖中可以看出，有效應(yīng)力增大時(shí)（衰竭開發(fā)過程中），氣水相對(duì)滲透率曲線整體下移，滲透率降低，驅(qū)替效果變差。

圖3 不同有效應(yīng)力下氣水相滲曲線對(duì)比Fig.3 Contrast of gas-water relative rermeability curves under different effective stresses

3.2 不同有效應(yīng)力相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異分析

應(yīng)力敏感是不同有效應(yīng)力條件下氣水相滲曲線差異的根本原因，隨著有效應(yīng)力的增加，應(yīng)力敏感效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致相滲曲線下移。有效應(yīng)力從16 MPa增加到40 MPa，束縛水下氣相滲透率從4.57 mD下降到2.7 mD，殘余氣下水相滲透率從2.54 mD下降到0.89 mD；等滲點(diǎn)處相對(duì)滲透率不斷降低，從0.109逐漸下降到0.019；殘余氣飽和度隨壓力下降不斷增加，從13.8%逐漸增大到15.74%，驅(qū)替效果變差，驅(qū)替效率降低約3.5%。

不同有效應(yīng)力條件氣水相滲實(shí)驗(yàn)隨著有效應(yīng)力的增加，代表氣藏衰竭開發(fā)過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以很好地模擬氣藏實(shí)際開發(fā)過程滲流規(guī)律。

4 衰竭開發(fā)過程氣水相滲變化規(guī)律

用不同有效應(yīng)力下氣水相滲實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)際氣藏衰竭開發(fā)過程，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，推導(dǎo)相滲曲線特征值、形態(tài)參數(shù)隨有效應(yīng)力變化規(guī)律，建立氣藏衰竭開發(fā)過程氣水相滲變化圖版，進(jìn)而應(yīng)用到數(shù)值模擬中，指導(dǎo)氣藏合理開發(fā)。

4.1 相滲曲線特征值變化規(guī)律

以已獲得的不同有效應(yīng)力下的4條相滲曲線及其特征值數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)（表3），分析相滲曲線特征值及表征曲線形態(tài)的水相系數(shù)、氣相系數(shù)變化規(guī)律，建立其與有效應(yīng)力關(guān)系式，用于表征預(yù)測(cè)不同有效應(yīng)力下相滲曲線，研究流程見圖4。

表3 不同有效應(yīng)力相滲曲線特征值Table3 Characteristic values of relative permeability curves with different effective stresses

圖4 不同有效應(yīng)力氣水相滲變化規(guī)律研究流程Fig.4 Study progress on time-varying law of gas-water relative permea-bility curves with different effective stresses

1）相滲曲線特征值變化規(guī)律。

以獲得的不同有效應(yīng)力下的4條相滲曲線及其特征值數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)（表3），統(tǒng)計(jì)不同壓力下束縛水飽和度、殘余氣飽和度以及殘余氣下水相相對(duì)滲透率數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)回歸的方法推導(dǎo)建立其與有效應(yīng)力關(guān)系（圖5），分別得到束縛水飽和度、殘余氣飽和度及殘余氣下水相相對(duì)滲透率和有效應(yīng)力對(duì)數(shù)關(guān)系式，即式（2）～（4），相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，可用于不同有效應(yīng)力下相滲曲線特征值預(yù)測(cè)。

圖5 Swi、Sgr、Krw（Sgr）隨有效應(yīng)力變化規(guī)律Fig.5 Variation of Swi，Sgr and Krw（Sgr）with effective stress

式（2～4）中：Swi為束縛水飽和度，%；Sgr為殘余氣飽和度，%；Krw（Sgr）為殘余氣下水相相對(duì)滲透率，f；p為有效應(yīng)力，MPa。

2）相滲曲線形態(tài)參數(shù)變化規(guī)律。

以獲得的不同有效應(yīng)力下的4條相滲曲線為基礎(chǔ)，采用氣水相對(duì)滲透率與飽和度指數(shù)式經(jīng)驗(yàn)公式（式（5）～（9））對(duì)相滲曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，獲取不同有效應(yīng)力下相滲曲線的水相系數(shù)和氣相系數(shù)（表3），利用數(shù)學(xué)回歸的方法推導(dǎo)建立其與有效應(yīng)力關(guān)系（圖6），得到水相系數(shù)a、氣相系數(shù)b與有效應(yīng)力線性關(guān)系式，即式（10）、（11），相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，可用于不同有效應(yīng)力下相滲曲線形態(tài)預(yù)測(cè)。

其中

式（5）～（9）中：K*rw為標(biāo)準(zhǔn)化水相相對(duì)滲透率，f；S*w為標(biāo)準(zhǔn)化含水飽和度，f；K*rg為標(biāo)準(zhǔn)化氣相相對(duì)滲透率，f；Krw為水相相對(duì)滲透率，f；Krg為氣相相對(duì)滲透率，f；Krg（Swi）為束縛水下氣相相對(duì)滲透率，f；Sw為含水飽和度，f；Swi為束縛水飽和度，f；Sgr為殘余氣飽和度，f。

圖6 水相系數(shù)a、氣相系數(shù)b隨有效應(yīng)力變化規(guī)律Fig.6 Variation of coefficients a and b with effective stress

4.2 相滲曲線變化圖版

得到相滲曲線特征值及相滲曲線形態(tài)參數(shù)a、b隨有效應(yīng)力變化預(yù)測(cè)公式后，即可利用式（10）、（11）計(jì)算不同地層壓力下水相系數(shù)和氣相系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化相滲曲線式（5）、（6）；利用式（2）～（4）計(jì)算不同地層壓力下相滲曲線特征值，進(jìn)而對(duì)相滲曲線進(jìn)行端點(diǎn)標(biāo)定，得到真實(shí)氣水相滲曲線。

利用得到的預(yù)測(cè)公式，計(jì)算靶區(qū)有效應(yīng)力在16～40 MPa時(shí)相滲曲線變化規(guī)律見圖7。從圖中可以看出，在氣藏衰竭開發(fā)過程中氣相、水相相對(duì)滲透率均有不同程度降低，兩相共滲區(qū)降低約4%，驅(qū)替效率降低約3.5%。

圖7 衰竭開發(fā)過程中氣水相滲變化圖版Fig.7 Change chart of gas-water relative permeability in depletion development process

將得到的氣水相滲曲線變化規(guī)律應(yīng)用到東方F氣田歷史擬合及樂東K氣田前期方案研究中，使數(shù)值模擬考慮因素更為全面，模擬結(jié)果更能代表真實(shí)氣藏開發(fā)過程，指標(biāo)預(yù)測(cè)更加科學(xué)合理。

南海西部有水氣藏儲(chǔ)量規(guī)模大，部分高溫高壓低滲氣藏探井測(cè)試出水，生產(chǎn)過程氣水同出?？紤]氣水相滲時(shí)變的數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)氣藏后期氣井見水預(yù)測(cè)更加精準(zhǔn)，在此數(shù)?；A(chǔ)上提出防水措施，效果較好。高溫高壓氣藏衰竭開發(fā)過程氣水相滲曲線變化規(guī)律在南海西部氣田有較好的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

1）與地面條件相比，地層條件下氣驅(qū)水可使束縛水飽和度降低8%～13%，兩相共滲區(qū)增加8%～15%，地層條件水驅(qū)氣相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果更能代表氣藏實(shí)際開發(fā)過程。

2）利用不同有效應(yīng)力水驅(qū)氣相滲實(shí)驗(yàn)?zāi)M高溫高壓氣藏衰竭開發(fā)過程，開發(fā)過程中相滲曲線整體下移，驅(qū)替效率降低約3.5%。統(tǒng)計(jì)得到相滲曲線特征值、形態(tài)參數(shù)隨有效應(yīng)力變化規(guī)律，建立了靶區(qū)高溫高壓氣藏衰竭開發(fā)過程氣水相滲變化圖版。

3）考慮高溫高壓氣藏衰竭開發(fā)過程氣水相滲變化規(guī)律，可以提高數(shù)值模擬精度，更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)氣井見水時(shí)間及見水規(guī)律，提出防水措施。