孔隙型砂巖儲(chǔ)集層主流通道指數(shù)及礦場(chǎng)應(yīng)用

李熙喆，羅瑞蘭，胡勇，徐軒，焦春艷，郭振華，萬玉金，劉曉華，李洋

（中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

0 引言

孔隙型砂巖氣藏在中國天然氣儲(chǔ)量和產(chǎn)量構(gòu)成中占有重要地位。截至 2018年底，中國探明儲(chǔ)量超過300×108m3的大氣田共 64個(gè)，累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量101 724×108m3，其中孔隙型砂巖大氣田32個(gè)，探明地質(zhì)儲(chǔ)量52 183×108m3，占全國大氣田探明地質(zhì)儲(chǔ)量的51.3%；2018年孔隙型砂巖大氣田年產(chǎn)量629×108m3，占全國大氣田當(dāng)年產(chǎn)量的39.8%。

受沉積環(huán)境和成巖作用的影響，孔隙型砂巖儲(chǔ)集層滲透率分布范圍十分廣泛，從小于0.1×10?3μm2到幾平方微米的砂巖均有分布[1-4]。

孔隙型砂巖儲(chǔ)集層的主要滲流通道是基質(zhì)孔喉，受含水飽和度和上覆巖層壓力等影響，其在地層條件下的有效滲透率與實(shí)驗(yàn)室常規(guī)氣測(cè)滲透率之間存在較大差異。國內(nèi)外相關(guān)研究表明[5-17]：在地層條件下，不同滲透率的砂巖儲(chǔ)集層，尤其是低滲透、致密儲(chǔ)集層，由于孔喉大小、上覆巖層壓力以及含水飽和度的不同，其地下滲流特征與常規(guī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果存在較大差異，這種差異會(huì)影響氣井產(chǎn)能、儲(chǔ)量動(dòng)用等指標(biāo)的評(píng)價(jià)，進(jìn)而影響氣藏開發(fā)技術(shù)政策的制定。

本文綜合利用試井[18]、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析和覆壓孔滲、氣水相滲、高壓壓汞等檢測(cè)技術(shù)評(píng)價(jià)孔隙型砂巖儲(chǔ)集層在地層條件下有效滲透率與常規(guī)基質(zhì)滲透率、含水飽和度的關(guān)系，確定了不同滲透率級(jí)別孔隙型砂巖儲(chǔ)集層的主流通道指數(shù)范圍，建立了孔隙型砂巖氣藏地層條件下有效滲透率的快速評(píng)價(jià)方法，可指導(dǎo)該類氣藏合理、高效開發(fā)技術(shù)政策的制定。

1 孔隙型砂巖儲(chǔ)集層主流通道指數(shù)

1.1 涵義

為判識(shí)油氣儲(chǔ)集層中復(fù)雜多孔介質(zhì)的主流通道類型，李熙喆等[19]定義“主流通道指數(shù)”為儲(chǔ)集層綜合有效滲透率與常規(guī)基質(zhì)滲透率比值：

其中Ke通過試井解釋或生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析獲取，代表地層條件下的有效滲透率，Km通過室內(nèi)巖心測(cè)試或測(cè)井解釋獲取，代表儲(chǔ)集層基質(zhì)滲透率。從定義可以看出，“主流通道指數(shù)”一定程度上表征了地層宏觀滲流能力與基質(zhì)滲流能力的差異。

1.2 特征

文獻(xiàn)[19]通過建立大通道流量與主流通道指數(shù)之間的定量關(guān)系，確定了主流通道類型的定量判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)“主流通道指數(shù)”小于 3時(shí)，基質(zhì)孔喉為主要流動(dòng)通道，儲(chǔ)集層為單孔單滲型；“主流通道指數(shù)”為3～20時(shí)，流動(dòng)通道以裂縫為主、基質(zhì)孔喉為輔，儲(chǔ)集層為雙孔雙滲型；“主流通道指數(shù)”大于 20時(shí)，可視裂縫為唯一滲流通道，儲(chǔ)集層為雙孔單滲型。

根據(jù)（1）式統(tǒng)計(jì)分析中國主要孔隙型砂巖氣藏（區(qū)塊）的儲(chǔ)集層主流通道指數(shù)（見表1），結(jié)果表明：孔隙型砂巖儲(chǔ)集層的主流通道指數(shù)與常規(guī)基質(zhì)滲透率、含水飽和度密切相關(guān)，常規(guī)基質(zhì)滲透率越低、含水飽和度越高，主流通道指數(shù)越低。常規(guī)基質(zhì)滲透率大于5.0×10-3μm2時(shí)，主流通道指數(shù)一般大于 0.5；常規(guī)基質(zhì)滲透率為 1.0×10-3～5.0×10-3μm2時(shí)，主流通道指數(shù)為0.2～0.5；常規(guī)基質(zhì)滲透率小于1.0×10-3μm2時(shí)，主流通道指數(shù)通常小于0.2。

表1 孔隙型砂巖氣藏（區(qū)塊）的儲(chǔ)集層主流通道指數(shù)

2 主流通道指數(shù)的物理模擬

評(píng)價(jià)主流通道指數(shù)的關(guān)鍵是要獲取可靠的儲(chǔ)集層綜合有效滲透率與常規(guī)基質(zhì)滲透率，常規(guī)基質(zhì)滲透率可以通過室內(nèi)鉆取柱狀巖心，在烘干狀態(tài)下開展巖心測(cè)試獲得，也可以通過測(cè)井解釋獲得；儲(chǔ)集層綜合有效滲透率常采用試井解釋或生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析獲取，但一般需要較長(zhǎng)時(shí)間對(duì)資料進(jìn)行錄取和處理才能獲得較為可靠的結(jié)果，氣田開發(fā)評(píng)價(jià)時(shí)存在一定局限性。根據(jù)這類儲(chǔ)集層裂縫不發(fā)育、有效滲透率主要受上覆巖層壓力和含水飽和度影響的特點(diǎn)，可以通過室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)方法模擬真實(shí)地層條件，實(shí)現(xiàn)地層條件下儲(chǔ)集層有效滲透率的準(zhǔn)確測(cè)試。

2.1 凈上覆巖層壓力對(duì)儲(chǔ)集層有效滲透率的影響

采用鈦合金材料，自主研發(fā)了地層條件下巖心滲透率測(cè)試裝置，最高耐壓100 MPa，測(cè)試氣體為氮?dú)狻＠迷搶?shí)驗(yàn)裝置，采用巖心測(cè)試方法，對(duì)蘇里格氣田天然巖心分別開展了覆壓條件下儲(chǔ)集層有效滲透率和常規(guī)基質(zhì)滲透率測(cè)試，研究了凈上覆巖層壓力對(duì)儲(chǔ)集層有效滲透率的影響。以蘇里格氣田為例，其儲(chǔ)集層埋深3 000 m，巖石密度2.36 g/cm3，地層孔隙壓力30 MPa，計(jì)算地層初始凈上覆巖層壓力為40.8 MPa。結(jié)果表明：在初始凈上覆巖層壓力條件下，當(dāng)常規(guī)基質(zhì)滲透率大于 5.0×10?3μm2時(shí)，覆壓滲透率與常規(guī)基質(zhì)滲透率比值大于 0.8；當(dāng)常規(guī)基質(zhì)滲透率為 1.0×10?3～5.0×10?3μm2時(shí)，覆壓滲透率與常規(guī)基質(zhì)滲透率比值為0.4～0.8；當(dāng)常規(guī)基質(zhì)滲透率小于 1.0×10?3μm2時(shí)，覆壓滲透率與常規(guī)基質(zhì)滲透率比值小于0.4（見圖1）。

圖1 凈上覆巖層壓力對(duì)砂巖氣測(cè)滲透率的影響

2.2 含水飽和度對(duì)儲(chǔ)集層氣水兩相滲透率的影響

采用氣水兩相滲流實(shí)驗(yàn)方法[20]測(cè)試了含水飽和度對(duì)孔隙型砂巖儲(chǔ)集層氣水兩相滲透率的影響（見圖2）。結(jié)果表明：隨含水飽和度增加，氣相相對(duì)滲透率逐漸降低而水相相對(duì)滲透率逐漸升高。根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果，氣藏儲(chǔ)集層含水飽和度一般為 30%～50%，在此含水飽和度范圍內(nèi)，對(duì)于常規(guī)基質(zhì)滲透率為14.22×10?3μm2的巖心，其氣相相對(duì)滲透率為0.15～0.50，水相相對(duì)滲透率為0.007～0.050；對(duì)于常規(guī)基質(zhì)滲透率為1.23×10?3μm2的巖心，其氣相相對(duì)滲透率為0.11～0.36，水相相對(duì)滲透率為0.000 5～0.011 0；對(duì)于常規(guī)基質(zhì)滲透率為0.45×10?3μm2的巖心，其氣相相對(duì)滲透率為 0.05～0.20，水相相對(duì)滲透率為0.000 43～0.007 00。

生產(chǎn)過程中若無地層水產(chǎn)出，則氣藏含水飽和度不變，認(rèn)為氣藏的有效滲透率只受束縛水飽和度的影響。統(tǒng)計(jì)分析了不同常規(guī)基質(zhì)滲透率砂巖束縛水飽和度及對(duì)應(yīng)氣相相對(duì)滲透率（見圖 3）。結(jié)果表明：當(dāng)常規(guī)基質(zhì)滲透率大于 5.0×10?3μm2時(shí)，束縛水飽和度一般小于 30%，氣相相對(duì)滲透率大于 0.40，束縛水對(duì)該類儲(chǔ)集層氣相滲流能力影響較小；當(dāng)常規(guī)基質(zhì)滲透率為1.0×10?3～5.0×10?3μm2時(shí)，束縛水飽和度一般為30%～40%，氣相相對(duì)滲透率一般為0.25～0.40，束縛水飽和度對(duì)該類儲(chǔ)集層氣相滲流能力有明顯影響；當(dāng)常規(guī)基質(zhì)滲透率小于1.0×10?3μm2時(shí)，束縛水飽和度一般大于 40%，氣相相對(duì)滲透率小于 0.25，束縛水對(duì)該類儲(chǔ)集層氣相滲流能力影響十分顯著。

圖2 孔隙型砂巖儲(chǔ)集層氣水兩相滲流特征曲線

圖3 不同滲透率砂巖束縛水飽和度及氣相相對(duì)滲透率

2.3 機(jī)理分析

圖4 不同常規(guī)基質(zhì)滲透率砂巖鑄體薄片

采用高壓壓汞和鑄體薄片實(shí)驗(yàn)[21-22]，測(cè)試了蘇里格氣田不同滲透率孔隙型砂巖儲(chǔ)集層的孔喉大小、排驅(qū)壓力、孔隙類型和連通性（見圖 4—圖 6）。結(jié)果表明：常規(guī)基質(zhì)滲透率大于5.0×10?3μm2時(shí)，巖石成分主要為石英及流紋巖屑，孔隙以原生孔為主且粒間溶孔發(fā)育，連通性好，排驅(qū)壓力小于0.1 MPa，中值孔喉半徑一般大于 2.0 μm。常規(guī)基質(zhì)滲透率為 1.0×10?3～5.0×10?3μm2時(shí)，石英以單晶為主，表面潔凈，無解理，含少量斜長(zhǎng)石；巖屑主要為硅質(zhì)巖、砂巖和千枚巖；填隙物中膠結(jié)物主要為雜基，孔隙以原生粒間孔為主，連通性中等，排驅(qū)壓力為0.1～0.5 MPa，中值孔喉半徑為 0.5～2.0 μm。常規(guī)透率小于 1.0×10?3μm2時(shí)，主要為砂巖與板巖巖屑，填隙物中膠結(jié)物主要為鈣質(zhì)，孔隙主要為原生粒間孔和粒內(nèi)溶孔，連通性較差；排驅(qū)壓力大于0.5 MPa，中值孔喉半徑小于0.5 μm。

圖5 不同常規(guī)基質(zhì)滲透率砂巖排驅(qū)壓力

圖6 不同常規(guī)基質(zhì)滲透率砂巖孔喉半徑分布

上述結(jié)果分析表明不同滲透率砂巖的巖石成分、孔隙類型、連通性均存在明顯差異。當(dāng)?shù)貙訔l件下儲(chǔ)集層巖石孔隙中賦存水時(shí)，由于水對(duì)不同巖石礦物的敏感性以及不同尺寸孔喉對(duì)水相作用力的差異，導(dǎo)致地層條件下儲(chǔ)集層有效滲透率產(chǎn)生差異，這是不同滲透率孔隙型砂巖主流通道指數(shù)存在差異的根本原因。

3 礦場(chǎng)應(yīng)用

利用主流通道指數(shù)可以便捷地實(shí)現(xiàn)氣藏有效滲透率和儲(chǔ)量動(dòng)用程度的評(píng)價(jià)，對(duì)制定氣藏合理開發(fā)技術(shù)政策具有重要的指導(dǎo)意義。

3.1 氣藏有效滲透率評(píng)價(jià)

根據(jù)主流通道指數(shù)定義，建立了孔隙型砂巖儲(chǔ)集層地層條件下有效滲透率評(píng)價(jià)方法，可以對(duì)新發(fā)現(xiàn)氣藏或未開展試井測(cè)試的氣藏實(shí)現(xiàn)快速評(píng)價(jià)，計(jì)算方法如下：

主流通道指數(shù)可以通過以下方法獲得：①對(duì)已開展試井和測(cè)井測(cè)試的氣藏，可根據(jù)“主流通道指數(shù)”定義進(jìn)行計(jì)算；②對(duì)新區(qū)塊或未進(jìn)行試井測(cè)試的氣藏，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法確定，采用表 1中典型孔隙型砂巖氣藏（不含疏松砂巖）基礎(chǔ)參數(shù)，建立主流通道指數(shù)與基質(zhì)滲透率、含氣飽和度的關(guān)系圖版（見圖7），擬合出“主流通道指數(shù)”經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式（3）式；③除上述兩種方法外，還可以通過前述物理模擬方法確定。

圖7 主流通道指數(shù)與基質(zhì)滲透率、含氣飽和度關(guān)系圖版

3.2 致密砂巖氣判識(shí)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 2679—2011天然氣藏分類標(biāo)準(zhǔn)[23]），儲(chǔ)集層有效滲透率低于 0.1×10?3μm2時(shí)為致密氣，在礦場(chǎng)生產(chǎn)中，一般通過試井測(cè)試或生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析得到氣藏的儲(chǔ)集層有效滲透率，然而對(duì)于低滲透氣藏、致密氣，要達(dá)到穩(wěn)定/擬穩(wěn)定滲流需要較長(zhǎng)時(shí)間，因此，在開發(fā)早期難以對(duì)致密氣進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和判識(shí)。

利用典型孔隙型砂巖氣藏的主流通道指數(shù)關(guān)系式可以實(shí)現(xiàn)致密砂巖氣的快速判識(shí)。聯(lián)立（2）式、（3）式和致密氣判識(shí)條件，可知致密砂巖氣儲(chǔ)集層參數(shù)滿足以下條件：

根據(jù)（4）式可求得致密砂巖氣判識(shí)臨界曲線（見圖8），當(dāng)新開發(fā)氣藏/區(qū)塊的常規(guī)基質(zhì)滲透率和含氣飽和度參數(shù)位于臨界曲線下方時(shí)，判識(shí)為致密砂巖氣，此時(shí)擬合得到常規(guī)基質(zhì)滲透率和含氣飽和度滿足以下關(guān)系：

3.3 氣藏可動(dòng)用儲(chǔ)量評(píng)價(jià)

由于地層條件下不同孔隙型砂巖儲(chǔ)集層主流通道指數(shù)存在明顯差異，因此，不同滲透率儲(chǔ)集層在不同含水飽和度條件下的動(dòng)用程度也存在差異，如何在氣藏開發(fā)早期準(zhǔn)確落實(shí)可動(dòng)用儲(chǔ)量是氣藏開發(fā)評(píng)價(jià)的核心工作，也是開發(fā)方案科學(xué)編制的基礎(chǔ)。

圖8 致密砂巖氣判識(shí)圖版

采用文獻(xiàn)[24]中的長(zhǎng)巖心多點(diǎn)測(cè)壓物理模擬實(shí)驗(yàn)方法及流程，以常規(guī)基質(zhì)滲透率為 0.063×10?3μm2的孔隙型砂巖長(zhǎng)巖心為例，開展 3組不同含水飽和度條件下的模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)試產(chǎn)氣量降為初期配產(chǎn)的10%時(shí)對(duì)應(yīng)的孔隙壓力與動(dòng)用距離間的關(guān)系（見圖9）。

圖9 孔隙壓力與動(dòng)用距離間的關(guān)系

根據(jù)圖 9中地層壓力與動(dòng)用距離間的關(guān)系，為了排除末端效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，選擇離采氣端較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示二者具有冪函數(shù)關(guān)系：

式中a、b為與儲(chǔ)集層滲透率和含水飽和度相關(guān)的系數(shù)，可采用不同滲透率儲(chǔ)集層在不同含水飽和度條件下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行函數(shù)擬合確定。

根據(jù)氣藏儲(chǔ)集層物性條件和原始地層壓力，利用（6）式可計(jì)算動(dòng)用范圍，然后根據(jù)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SY/T 6170—2012 氣田開發(fā)主要生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)及計(jì)算方法[25]）中氣藏儲(chǔ)量動(dòng)用程度的定義實(shí)現(xiàn)量化評(píng)價(jià)。

采用上述方法，評(píng)價(jià)了400 m井距條件下孔隙型砂巖氣藏不同滲透率儲(chǔ)集層在不同含水飽和度條件下的儲(chǔ)量動(dòng)用程度，根據(jù)各滲透率儲(chǔ)集層不同含水飽和度對(duì)應(yīng)的主流通道指數(shù)，建立儲(chǔ)量動(dòng)用程度與主流通道指數(shù)關(guān)系圖版（見圖 10），可以看出當(dāng)主流通道指數(shù)大于0.2時(shí)，儲(chǔ)量動(dòng)用程度超過80%，儲(chǔ)量動(dòng)用較為充分，井網(wǎng)加密余地?。划?dāng)主流通道指數(shù)為0.1～0.2時(shí)，儲(chǔ)量動(dòng)用程度為40%～80%，井網(wǎng)加密空間較大；當(dāng)主流通道指數(shù)小于0.1時(shí)，儲(chǔ)量動(dòng)用程度小于40%，儲(chǔ)集層致密，儲(chǔ)量動(dòng)用困難，井網(wǎng)加密對(duì)提高儲(chǔ)量動(dòng)用程度效果有限。

圖10 儲(chǔ)量動(dòng)用程度與主流通道指數(shù)關(guān)系

4 結(jié)論

孔隙型砂巖儲(chǔ)集層主流通道指數(shù)與常規(guī)基質(zhì)滲透率、含水飽和度密切相關(guān)，常規(guī)基質(zhì)滲透率越低、含水飽和度越高，主流通道指數(shù)越低。

常規(guī)基質(zhì)滲透率大于 5.0×10?3μm2時(shí)，主流通道指數(shù)一般大于 0.5；常規(guī)基質(zhì)滲透率為 1.0×10?3～5.0×10?3μm2時(shí)，主流通道指數(shù)一般為0.2～0.5；常規(guī)基質(zhì)滲透率小于 1.0×10?3μm2時(shí)，主流通道指數(shù)通常小于 0.2。

孔隙型砂巖儲(chǔ)集層地層條件下有效滲透率評(píng)價(jià)方法可以對(duì)新發(fā)現(xiàn)氣藏或未開展試井測(cè)試的氣藏實(shí)現(xiàn)快速評(píng)價(jià)；孔隙型砂巖氣藏儲(chǔ)量動(dòng)用程度與主流通道指數(shù)關(guān)系圖版可為可動(dòng)用儲(chǔ)量評(píng)價(jià)及井網(wǎng)加密提供依據(jù)。

符號(hào)注釋：

a，b——與儲(chǔ)集層滲透率和含水飽和度相關(guān)的系數(shù)，無因次；Ke——儲(chǔ)集層綜合有效滲透率（通過試井解釋或生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析獲?。蘭2；Km——常規(guī)基質(zhì)滲透率（巖心測(cè)試或測(cè)井解釋獲?。蘭2；p——?jiǎng)佑梅秶鷥?nèi)某一位置的孔隙壓力，MPa；r——?jiǎng)佑镁嚯x，m；R——相關(guān)系數(shù)，無因次；Sg——含氣飽和度，%；Sw——含水飽和度，%；λ——主流通道指數(shù)，無因次。