致密砂巖氣藏有效滲流評(píng)價(jià)
——以蘇里格東區(qū)為例

王 靜，金大權(quán)，馬羽龍，王嘉新，張春陽(yáng)，蔣麗麗

(1.中石油長(zhǎng)慶油田分公司 第四采氣廠，陜西 西安 710018；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249)

引 言

同常規(guī)砂巖相比，致密砂巖孔喉具有非均質(zhì)性強(qiáng)、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、喉道細(xì)小和物性差等特點(diǎn)[1-2]。流體可動(dòng)用性是制約致密砂巖儲(chǔ)層可采程度的重要因素之一，針對(duì)其研究多利用核磁共振實(shí)驗(yàn)，核磁共振T2譜可獲取可動(dòng)流體參數(shù)，對(duì)表征可動(dòng)流體與孔喉結(jié)構(gòu)的關(guān)系具有重要作用[3]。Cai等[4]通過(guò)核磁共振T2截止值研究了孔喉分布特征；明紅霞等[5]認(rèn)為致密氣藏可動(dòng)流體飽和度只與孔隙和喉道半徑有關(guān)；孫軍昌等[6]研究發(fā)現(xiàn)致密氣藏普遍含大量束縛水，油氣多被束縛于被小喉道控制的大孔隙與微孔隙中。前人對(duì)于致密砂巖氣藏流體可動(dòng)用性的研究多集中于孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)流體賦存特征的影響，而對(duì)于有效滲流評(píng)價(jià)的研究較少。本文以蘇里格氣田東區(qū)為例，提出有效滲流的概念，將表征儲(chǔ)層特征和滲流難易程度的主流喉道半徑、表征儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)潛力的可動(dòng)流體飽和度和表征滲流能力的啟動(dòng)壓力梯度和應(yīng)力敏感系數(shù)作為有效和無(wú)效滲流的評(píng)價(jià)分級(jí)參數(shù)，最終通過(guò)計(jì)算滲流速度，建立了基于啟動(dòng)壓力梯度和應(yīng)力敏感影響下的滲流區(qū)域圖版，為致密氣藏采收率評(píng)價(jià)工作提供參考。

1 有效滲流評(píng)價(jià)參數(shù)

1.1 主流喉道半徑

對(duì)滲透率累積貢獻(xiàn)達(dá)到80%時(shí)所對(duì)應(yīng)的喉道半徑稱(chēng)為主流喉道半徑，它是表征致密儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一，影響儲(chǔ)層中流體的滲流能力[7-8]。

研究區(qū)儲(chǔ)層滲透率與主流喉道半徑具有較好的冪函數(shù)關(guān)系(圖1)。由圖1可知，蘇里格東區(qū)儲(chǔ)層主流孔喉半徑平均值主要分布在0.4 μm以下，滲透率也主要分布在0.4×10-3μm2以下。對(duì)于致密砂巖氣藏，儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)潛力的大小取決于對(duì)儲(chǔ)層滲透率起主要貢獻(xiàn)的較大喉道分布的多少。大吼道分布越多，流體滲流時(shí)的通道就大，滲流阻力就越小；反之，流體的滲流阻力就大，儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)難度也會(huì)變大。蘇里格東區(qū)有50%的巖心主流喉道半徑小于0.4 μm，即主要是亞微米級(jí)喉道對(duì)滲流起到控制作用。

1.2 可動(dòng)流體飽和度

由于致密儲(chǔ)層孔隙內(nèi)表面積大、喉道細(xì)小，大量束縛流體吸附在孔隙壁面，因此可動(dòng)流體飽和度可用于表征致密儲(chǔ)層孔隙流體賦存特征和評(píng)價(jià)儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)潛力[9]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外油氣田開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，若僅以可動(dòng)流體飽和度為標(biāo)準(zhǔn)，則可將儲(chǔ)層劃分為5類(lèi)[5]，具體分類(lèi)見(jiàn)表1。

相關(guān)文獻(xiàn)[10～13]對(duì)核磁共振檢測(cè)流體可動(dòng)用性原理已經(jīng)介紹得非常詳細(xì)，本文不再展開(kāi)詳述。核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示蘇里格東區(qū)氣田盒8段儲(chǔ)層T2譜形態(tài)比較復(fù)雜，具體來(lái)看，東區(qū)7塊樣品的T2譜分布有單峰型、左高右低型、中間高峰兩邊低峰型3種類(lèi)型(圖2)，可動(dòng)流體飽和度值為8.29%～52.96%，平均值為33.78%，變化較大且整體偏低(表2)。

表2 蘇東地區(qū)巖樣核磁共振實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 蘇東地區(qū)巖樣核磁共振T2譜分布

1.3 啟動(dòng)壓力梯度

蘇里格高含水致密氣藏為氣水兩相滲流，其儲(chǔ)層中氣水的流動(dòng)通道細(xì)小，極易形成水化膜。由于毛管力的作用，地層孔隙中的氣體必須克服水化膜的束縛，即作用于水化膜兩側(cè)的壓力梯度必須高于臨界值時(shí)氣體才能流動(dòng)，該值即為氣體滲流時(shí)的啟動(dòng)壓力梯度[14-15]。本文選取蘇里格東區(qū)10塊巖心(表3)，通過(guò)流量壓差法進(jìn)行致密氣藏氣水兩相啟動(dòng)壓力梯度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

1.3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)為了更好地模擬儲(chǔ)層真實(shí)情況，啟動(dòng)壓力梯度測(cè)試所用巖心均為含束縛水巖心，所有巖心的含水飽和度為41%～45%，均接近儲(chǔ)層束縛水飽和度(表3)。

表3 蘇東地區(qū)巖樣啟動(dòng)壓力實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(2)實(shí)驗(yàn)流程和儀器如圖3。選取30 MPa作為實(shí)驗(yàn)圍壓來(lái)模擬蘇里格東區(qū)致密儲(chǔ)層的上覆地層壓力，測(cè)量10組巖心滲透率Kg，出口壓力設(shè)定為大氣壓力0.101 33 MPa，進(jìn)口壓力為0.02 MPa，0.03 MPa，0.04 MPa，0.05 MPa，0.075 MPa，0.1 MPa，0.15 MPa，0.20 MPa，0.25 MPa和0.3 MPa。

圖3 啟動(dòng)壓力梯度測(cè)定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)流程

(3)通過(guò)改變進(jìn)口壓力多次測(cè)定通過(guò)巖心的氣體流量Q，測(cè)定其進(jìn)口壓力p1和出口壓力p0，計(jì)算氣體流速V，并取平均值作為有效流動(dòng)速度。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

作4號(hào)和8號(hào)巖心的兩相啟動(dòng)壓力梯度曲線(xiàn)如圖4(a)、圖4(b)所示。由圖4(a)可知，4號(hào)巖心的啟動(dòng)壓力梯度dp/L值為1.5 MPa/m；由圖4(b)可以看出，8號(hào)巖心的啟動(dòng)壓力梯度dp/L值為0.19 MPa/m。

圖4 氣水兩相啟動(dòng)壓力梯度實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)滲透率大于0.1×10-3μm2時(shí)，不存在啟動(dòng)壓力梯度；而當(dāng)滲透率小于0.1×10-3μm2時(shí)，存在啟動(dòng)壓力梯度且較明顯。由圖5可知滲透率倒數(shù)與啟動(dòng)壓力梯度呈近似線(xiàn)性關(guān)系。

圖5 滲透率倒數(shù)與啟動(dòng)壓力梯度關(guān)系

1.4 應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)

應(yīng)力敏感是指儲(chǔ)層滲透率隨有效應(yīng)力的變化而變化的現(xiàn)象[16]。在氣藏生產(chǎn)過(guò)程中，凈上覆巖層壓力隨著流體產(chǎn)出不斷升高，儲(chǔ)層孔隙空間受到壓縮，最終造成裂縫通道和喉道閉合，這將引起儲(chǔ)層中流體滲流阻力的增加和滲流速度的降低，最終使氣井產(chǎn)能下降。

應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)對(duì)于致密儲(chǔ)層保護(hù)方案設(shè)計(jì)意義重大。國(guó)外關(guān)于應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)的研究始于20世紀(jì)70年代，Jones等[17-19]提出了天然裂縫性碳酸鹽巖中巖樣滲透率與有效應(yīng)力的關(guān)系式

(1)

同時(shí)發(fā)現(xiàn)該式也適用于低滲砂巖氣層。式中，S為應(yīng)力敏感系數(shù)，小數(shù)；σ為有效應(yīng)力，MPa；K為σ對(duì)應(yīng)的滲透率，10-3μm2；K1000為第1 000個(gè)有效應(yīng)力下的巖樣滲透率，10-3μm2。

國(guó)內(nèi)近年來(lái)應(yīng)力敏感性研究較多，張琰等[20]用滲透率損害率來(lái)表征低滲透氣藏的應(yīng)力敏感程度，即

(2)

式中，R為滲透率損害率；K1、K2為不同應(yīng)力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的滲透率，10-3μm2。

蔣海軍等[21]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到滲透率與有效應(yīng)力的指數(shù)回歸關(guān)系式，應(yīng)力敏感性程度用關(guān)系式中的常數(shù)表示。

中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5358-2010《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》中，提出了應(yīng)力敏感損害率的定義，即

(3)

式中，Dk為滲透率損害率，%；K1為第一個(gè)應(yīng)力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的巖樣滲透率，10-3μm2；Kmin為達(dá)到臨界應(yīng)力后巖樣滲透率的最小值，10-3μm2。

蘭林等[22]分析了不同初始條件下滲透率損害率與應(yīng)力敏感性系數(shù)的關(guān)系，即

(4)

式中，Ss為應(yīng)力敏感系數(shù)；σ為有效應(yīng)力，MPa；K為σ對(duì)應(yīng)的滲透率，10-3μm2；σ0為初始測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力，MPa；K0為σ0對(duì)應(yīng)的滲透率，10-3μm2。

考慮到應(yīng)力敏感性系數(shù)與滲透率損害率相關(guān)性強(qiáng)，應(yīng)力敏感性系數(shù)可對(duì)比不同區(qū)塊儲(chǔ)層應(yīng)力敏感程度，因此使用蘭林等提出的應(yīng)力敏感性系數(shù)來(lái)度量?jī)?chǔ)層的應(yīng)力敏感程度。

采用應(yīng)力敏感系數(shù)和滲透率損害率的應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為了評(píng)價(jià)蘇里格東區(qū)的應(yīng)力敏感性，依據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算研究區(qū)巖樣的滲透率損害率與應(yīng)力敏感系數(shù)(表5)，并根據(jù)表4標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)其應(yīng)力敏感程度。10塊巖心的平均應(yīng)力敏感系數(shù)為0.107 16、平均滲透率損害率為48.12%，為中等應(yīng)力敏感。儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感效應(yīng)將極大程度影響儲(chǔ)層

表5 蘇東地區(qū)巖樣應(yīng)力敏感程度評(píng)價(jià)結(jié)果

滲流能力，降低氣藏采收率。因此，對(duì)于致密氣藏需要考慮應(yīng)力敏感效應(yīng)的影響。

2 滲流區(qū)域分類(lèi)界限

將多孔介質(zhì)中的流體在地層條件下能夠有效運(yùn)移并聚集成流的狀態(tài)，定義為有效滲流，相反則稱(chēng)為無(wú)效滲流。本節(jié)將主流喉道半徑、可動(dòng)流體飽和度、啟動(dòng)壓力梯度和應(yīng)力敏感系數(shù)作為有效和無(wú)效滲流的評(píng)價(jià)分級(jí)參數(shù)，最終通過(guò)計(jì)算滲流速度，建立基于壓力敏感和啟動(dòng)壓力梯度影響下的滲流區(qū)域圖版。

2.1 滲流區(qū)域分類(lèi)依據(jù)

依據(jù)上節(jié)所選取的評(píng)價(jià)參數(shù)將研究區(qū)儲(chǔ)層劃分為有效滲流和無(wú)效滲流區(qū)域(表6)：滲透率小于0.1×10-3μm2的為Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層，主流喉道半徑小于0.1 μm，為納米級(jí)別的孔喉空間，束縛水飽和度最高，啟動(dòng)壓力梯度大于0.1 MPa/m，應(yīng)力敏感大于0.09，在該類(lèi)儲(chǔ)層內(nèi)難以形成有效滲流；滲透率大于0.1×10-3μm2的為Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層，主流喉道半徑大于0.1 μm，可動(dòng)流體飽和度大于35%，啟動(dòng)壓力梯度小于0.1 MPa/m，應(yīng)力敏感系數(shù)小于0.09，在該類(lèi)儲(chǔ)層內(nèi)易形成有效滲流。

表6 蘇里格東區(qū)滲流區(qū)域分類(lèi)

2.2 滲流區(qū)域圖版

致密氣藏孔喉細(xì)小、比表面積大、滲透率低，使儲(chǔ)層中流體存在一些明顯的滲流特征。由于存在啟動(dòng)壓力梯度，則氣藏中的滲流速度為

(5)

式中：Δp為驅(qū)替壓力差，MPa；λ為啟動(dòng)壓力梯度，MPa/m；μ為天然氣黏度，mPa·s；L為巖心長(zhǎng)度，m。

由于存在應(yīng)力敏感現(xiàn)象，則氣藏中的滲透率隨壓力發(fā)生變化。根據(jù)滲流影響因素的分析，對(duì)氣體滲流速度公式進(jìn)行修正，得到氣體滲流速度

(6)

式中，Ki為原始滲透率，10-3μm2；α為應(yīng)力敏感系數(shù)；λ為啟動(dòng)壓力梯度，MPa/m。

根據(jù)測(cè)得的儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率、啟動(dòng)壓力梯度、應(yīng)力敏感系數(shù)3個(gè)參數(shù)計(jì)算滲流速度，當(dāng)滲流速度足夠小時(shí)，則可當(dāng)作無(wú)效滲流。最終繪制出滲流區(qū)域圖版(圖6)，Ⅰ區(qū)為無(wú)效滲流，包括的區(qū)間為：滲透率小于0.1×10-3μm2，存在啟動(dòng)壓力梯度但小于0.05 MPa/m且存在壓力敏感系數(shù)但小于0.09，或滲透率小于0.2×10-3μm2，啟動(dòng)壓力梯度大于0.05 MPa/m且壓力敏感系數(shù)大于0.09。Ⅱ區(qū)為有效滲流，包括的區(qū)間為：滲透率大于0.2×10-3μm2的所有區(qū)域或滲透率為(0.1～0.2)×10-3μm2，啟動(dòng)壓力梯度小于0.05 MPa/m且壓力敏感系數(shù)小于0.09的區(qū)域。因此對(duì)于基質(zhì)滲透率小于0.1×10-3μm2的致密氣藏需要進(jìn)行水力壓裂才能取得較好的開(kāi)發(fā)效果。

圖6 基于滲透率、啟動(dòng)壓力梯度和應(yīng)力敏感的滲流區(qū)域圖版

3 結(jié) 論

(1)以滲透率、主流喉道半徑、可動(dòng)流體飽和度、啟動(dòng)壓力梯度和應(yīng)力敏感下滲透率損害率等參數(shù)為依據(jù)劃分了有效滲流與無(wú)效滲流區(qū)域。滲透率小于0.1×10-3μm2的儲(chǔ)層，其主流喉道半徑為納米級(jí)別，束縛水飽和度最高，啟動(dòng)壓力梯度和應(yīng)力敏感系數(shù)較大，因此難以形成有效滲流；滲透率大于0.1×10-3μm2的儲(chǔ)層，其主流喉道半徑為亞微米級(jí)別，可動(dòng)流體飽和度較大，啟動(dòng)壓力梯度和應(yīng)力敏感系數(shù)較小，因此易形成有效滲流。

(2)根據(jù)測(cè)得相關(guān)參數(shù)計(jì)算滲流速度，建立了研究區(qū)基于滲透率、啟動(dòng)壓力梯度和應(yīng)力敏感的滲流區(qū)域圖版，確定基質(zhì)滲透率小于0.1×10-3μm2的致密砂巖氣藏需要進(jìn)行水力壓裂才能取得較好的開(kāi)發(fā)效果。