超深海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層氣水相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)

顧少華，岑 芳，張 巖，劉生國(guó)，張廣東

（1.中國(guó)石化海相油氣藏開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；3.中國(guó)石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川成都 610041；4.中國(guó)石化西南石油工程公司井下作業(yè)分公司，四川德陽(yáng) 618000；5.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都 610500）

隨著近年來深層海相碳酸鹽巖氣藏陸續(xù)投入開發(fā)，該類氣藏在中國(guó)天然氣產(chǎn)業(yè)中占據(jù)日趨重要的地位。深層海相碳酸鹽巖氣藏的開發(fā)普遍受水侵影響，目前已開發(fā)的該類氣藏中95%以上存在邊、底水，水侵強(qiáng)度為較強(qiáng)-極強(qiáng)的比例超過75%［1-2］。深層海相碳酸鹽巖氣藏具有強(qiáng)非均質(zhì)性，表現(xiàn)在兩方面：第一，由于地層年代久遠(yuǎn)、埋藏深，儲(chǔ)層經(jīng)過固結(jié)成巖及多期礦物充填作用［3］，基質(zhì)孔隙度普遍較低，多小于6%；第二，部分儲(chǔ)層受構(gòu)造作用影響，發(fā)育多期多次裂縫，且受溶蝕作用影響，還有部分儲(chǔ)層發(fā)育溶洞［4］。因此可形成包括孔隙型、裂縫-孔隙型、裂縫-孔洞型以及裂縫型等多種類型儲(chǔ)層，且在深部地層存在應(yīng)力敏感性，開發(fā)過程中壓力變化造成滲透性發(fā)生改變，導(dǎo)致氣藏水侵特征更為復(fù)雜。在上述多重因素影響下，氣井見水及產(chǎn)水規(guī)律難以預(yù)測(cè)，常出現(xiàn)水體非均勻突進(jìn)以及氣井暴性水淹等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響氣藏的高效穩(wěn)定開發(fā)。開展相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)該類氣藏的氣-水兩相流動(dòng)特征，是實(shí)現(xiàn)氣田高效開發(fā)的前提。

現(xiàn)有的氣水相對(duì)滲透率成果主要來自于研究低滲透致密砂巖氣［5-11］、煤層氣［12-14］、頁(yè)巖氣［15］水力壓裂以及油藏水氣交注［16-18］開發(fā)過程中的氣水同流現(xiàn)象。但是低滲透致密砂巖氣田、煤層氣以及頁(yè)巖氣的水侵類型多以地層局限水體為主，不具備強(qiáng)邊底水侵入特征，因此與碳酸鹽巖氣田存在較大差異。而水氣交注的油藏為保壓開采，地層壓力變化不顯著，難以體現(xiàn)出強(qiáng)應(yīng)力敏感特征，因此對(duì)于海相碳酸鹽巖氣藏水侵特征研究參考性有限。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了高溫高壓氣水相對(duì)滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，根據(jù)儲(chǔ)層發(fā)育類型選取具有代表性的基質(zhì)巖心、含溶蝕孔巖心、天然裂縫巖心等實(shí)驗(yàn)樣品，改變圍壓以模擬深部地層應(yīng)力敏感特征，測(cè)得不同圍壓下的氣水兩相滲流曲線，分析得到深層海相碳酸鹽巖氣藏氣水兩相滲流規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

常用的相對(duì)滲透率測(cè)試方法包括穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法2 種，雖然一般認(rèn)為穩(wěn)態(tài)法測(cè)試過程與實(shí)際驅(qū)替過程更為接近，但是其對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求極為苛刻，包括測(cè)試溫度和壓力不宜過高、兩相流體性質(zhì)應(yīng)差異較小，巖心物性也應(yīng)為中高滲透且較為均質(zhì)，否則測(cè)試壓力難以達(dá)到穩(wěn)定，無(wú)法準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)，且測(cè)試過程耗時(shí)費(fèi)力?？紤]超深海相碳酸鹽巖地層具有高溫、高壓和應(yīng)力敏感性的特點(diǎn)，優(yōu)選非穩(wěn)態(tài)法作為測(cè)試方法，并設(shè)計(jì)了高溫高壓氣水相對(duì)滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，耐溫、耐壓界限分別為150 ℃，50 MPa（圖1）。裝置主要組成部分包括：高壓泵、中間容器、壓力計(jì)、巖心夾持器、加濕器、回壓閥、濕式流量計(jì)、恒溫箱以及閥門等，其中核心部分是巖心夾持器，主要由巖心外筒、膠皮筒和軸向連接器組成。為模擬超深地層的高溫環(huán)境，需要在恒溫箱中進(jìn)行驅(qū)替。為保證高溫條件下的封閉性，選用耐熱橡膠制成的膠皮筒，從而避免橡膠受熱變形無(wú)法密封。為避免出現(xiàn)氣體持續(xù)驅(qū)替而引起束縛水蒸發(fā)，導(dǎo)致測(cè)得的束縛水飽和度端點(diǎn)偏離實(shí)際值，在裝氮?dú)獾闹虚g容器出口處連接加濕器對(duì)泵入氣體進(jìn)行加濕。

圖1 高溫高壓氣水相對(duì)滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Gas-water relative permeability experiment device at high pressure and high temperature

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

基于非穩(wěn)態(tài)法相對(duì)滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)合巖石中兩相流體相對(duì)滲透率測(cè)定方法［19］，設(shè)計(jì)了變圍壓高溫高壓氣水相對(duì)滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)流程。具體步驟包括：①選擇恒壓法進(jìn)行測(cè)試，綜合考慮巖心長(zhǎng)度、孔隙度、滲透率以及測(cè)試流體性質(zhì)等因素確定驅(qū)替壓差，將π1和π2作為驅(qū)替壓差的選取范圍，驅(qū)替壓差應(yīng)大于π1且小于π2，其表達(dá)式分別為：

②取出飽和水的巖樣，用脫脂紗布將巖樣表面上的液體擦拭后，立即用電子天平稱量巖樣的質(zhì)量，并裝入巖心夾持器中，使巖樣的方向與氣測(cè)滲透率方向保持一致。③升高恒溫箱溫度至150 ℃，調(diào)節(jié)高壓泵的閥門，增加巖心夾持器的圍壓，使其達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)圍壓；然后調(diào)節(jié)高壓氮?dú)馄亢蛪毫Ρ对銎?，使巖心內(nèi)的流體壓力比圍壓低約8 MPa；最后調(diào)節(jié)回壓閥，使驅(qū)替壓差與步驟①確定的驅(qū)替壓差保持一致。④記錄濕式流量計(jì)和氣水分離器顯示的初始值，記錄選擇的入口壓力和圍壓值，將氣體流量計(jì)調(diào)零，電子計(jì)時(shí)器調(diào)零。⑤將氣體增壓泵接通至巖心夾持器入口處并泵入氮?dú)猓瑫r(shí)應(yīng)用電子計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。⑥準(zhǔn)確記錄見氣點(diǎn)和見水點(diǎn)的累積時(shí)間，以及見氣、見水后各個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的累積時(shí)間、累積產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)水量。⑦當(dāng)出水量明顯減少，且經(jīng)過15 min 后分離器中的累積產(chǎn)水量也不再繼續(xù)增加時(shí)，切斷上游的氮?dú)?，暫停電子?jì)時(shí)器，打開回壓閥放空巖心夾持器出口端的壓力。⑧卸掉圍壓，取出巖樣，用電子天平稱量，精確到小數(shù)點(diǎn)后4 位，并計(jì)算此時(shí)巖樣的累積產(chǎn)水量和含水飽和度，其表達(dá)式分別為：

⑨將巖心烘干，重新用水飽和巖樣并將其裝入夾持器，按步驟②—⑧重復(fù)開展實(shí)驗(yàn)，若2次相鄰實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差小于2%，則表明數(shù)據(jù)具備可重復(fù)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效。否則應(yīng)分析原因，并繼續(xù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)樣品及實(shí)驗(yàn)條件

2.1 樣品準(zhǔn)備

2.1.1 巖心樣品選取

選取川西雷口坡組氣藏雷四段巖心樣品開展氣水兩相流體實(shí)驗(yàn)。川西雷口坡組氣藏中部深度約為6 100 m，主力產(chǎn)層雷四段沉積環(huán)境總體為局限臺(tái)地-蒸發(fā)臺(tái)地，目的層雷四段上亞段主要發(fā)育潮坪沉積，儲(chǔ)層巖性以白云巖類為主，灰?guī)r類次之，白云巖類以微-細(xì)晶為主，灰?guī)r類以泥微晶為主［20-22］。該氣藏儲(chǔ)層類型多樣，主要有白云石晶間溶孔、藻紋層（或?qū)盈B石）格架溶孔、藻黏結(jié)（或藻屑）粒間（溶）孔、裂縫、溶洞、鑄?？椎龋?3-28］。通過5 口取心井711 塊樣品資料的統(tǒng)計(jì)，雷四段儲(chǔ)層孔隙度為0.07%～23.7%，平均為3.2%；滲透率為0.000 73～710 mD，平均為0.2 mD。氣藏埋藏較深且發(fā)育邊水，存在水侵風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要針對(duì)該類超深復(fù)雜巖性儲(chǔ)層開展氣水兩相滲流研究，以評(píng)價(jià)氣藏水侵特征。

該超深海相碳酸鹽巖氣藏高溫高壓（地層溫度為150 ℃，平均地層壓力為62.4 MPa），儲(chǔ)層整體低滲透，具有強(qiáng)應(yīng)力敏感性。局部發(fā)育裂縫和溶蝕孔隙，呈現(xiàn)出多重介質(zhì)特征。應(yīng)綜合考慮氣藏地質(zhì)特點(diǎn)，選取可代表不同類型儲(chǔ)層的巖心樣品。因此從實(shí)鉆巖心中選擇基質(zhì)巖心（l-151813）、含溶蝕孔巖心（1-154068）和天然裂縫巖心（1-152960）各1 塊（圖2）。

圖2 實(shí)驗(yàn)巖心樣品Fig.2 Experimental core samples

2.1.2 巖心樣品制備

根據(jù)地層水分析結(jié)果復(fù)配實(shí)驗(yàn)用水，復(fù)配后需將實(shí)驗(yàn)用水過濾雜質(zhì)，裝入容器中備用。由于甲烷為易燃易爆危險(xiǎn)氣體，在選取實(shí)驗(yàn)氣體時(shí)采用氮?dú)獯?。通過抽真空將選取的巖心充分飽和地層水，從而完成實(shí)驗(yàn)巖心的制備。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

將巖心置于夾持器中，氮?dú)?水表面張力取值為7.2 mN/m，各巖心參數(shù)及計(jì)算結(jié)果如表1 所示。由于雷口坡組氣藏開發(fā)過程中地層壓力可從60 MPa 降低至10 MPa，為了使實(shí)驗(yàn)具有代表性，同時(shí)考慮到儀器的技術(shù)安全規(guī)格限制，分別選取10，30和50 MPa 的圍壓來模擬不同地應(yīng)力。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果具備對(duì)比性，各巖心在不同圍壓時(shí)需在同一驅(qū)替壓差下開展實(shí)驗(yàn)。若地層圍壓達(dá)到50 MPa，會(huì)造成滲透率下降，采用過低壓差難以進(jìn)行驅(qū)替；又由于巖心長(zhǎng)度有限，若采用高驅(qū)替壓差易出現(xiàn)氣竄，影響測(cè)試精度。最終，選取π1，π2的均值作為實(shí)驗(yàn)驅(qū)替壓差。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心物性參數(shù)Table1 Physical property parameters of experimental cores

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基質(zhì)巖心、含溶蝕孔巖心以及天然裂縫巖心在地層溫度（150 ℃）下，采用恒壓法測(cè)定不同圍壓（10，30，50 MPa）下的相對(duì)滲透率曲線（圖3—圖5）。不同圍壓下各巖心的相對(duì)滲透率曲線端點(diǎn)值及等滲點(diǎn)見表2。

表2 不同巖心相對(duì)滲透率曲線端點(diǎn)值及等滲點(diǎn)參數(shù)Table2 End point values and isotonic point parameters of relative permeability curves of different cores

圖3 基質(zhì)巖心（l-151813）不同圍壓下氣水相對(duì)滲透率曲線Fig.3 Gas-water relative permeability curves of matrix core（l-151813）at different confining pressures

圖4 含溶蝕孔巖心（l-154068）不同圍壓下氣水相對(duì)滲透率曲線Fig.4 Gas-water relative permeability curves of core with dissolved pores（l-154068）under different confining pressures

圖5 天然裂縫巖心（1-152960）不同圍壓下氣水相對(duì)滲透率曲線Fig.5 Gas-water relative permeability curves of natural fracture core（1-152960）under different confining pressures

3.1 圍壓對(duì)巖心氣水相對(duì)滲透率曲線的影響

由圖3—圖5 和表2 可知，圍壓的影響首先體現(xiàn)在相對(duì)滲透率曲線形態(tài)的變化上。隨著圍壓的增加，所有巖心的氣相相對(duì)滲透率及水相相對(duì)滲透率曲線均有所下降，但氣相相對(duì)滲透率曲線相對(duì)于水相相對(duì)滲透率曲線的下降幅度更為明顯，導(dǎo)致等滲點(diǎn)不斷向左移動(dòng)。分析原因認(rèn)為，各巖心相對(duì)滲透率曲線等滲點(diǎn)均大于50%，表明該地層巖石均為水濕，圍壓增大，導(dǎo)致孔喉半徑減小，兩相同流時(shí)滲流阻力加大，由此造成兩相相對(duì)滲透率曲線均有所下降。但孔喉半徑減小導(dǎo)致孔隙中水相毛管壓力不斷增加，而孔隙中氣相毛管壓力的大小與水相相比可忽略不計(jì)，受水相毛管壓力增加的影響，水相流動(dòng)性降低幅度更小，因而其相對(duì)滲透率曲線降幅相對(duì)較小。

此外，圍壓對(duì)相對(duì)滲透率曲線的端點(diǎn)也有影響。圍壓增大則兩相同流區(qū)寬度整體上呈逐漸收窄的趨勢(shì)。說明圍壓增大，導(dǎo)致氣水兩相同流更為困難。具體將產(chǎn)生兩方面影響：一方面，在氣井未水淹時(shí)，水侵前緣在實(shí)際氣藏中推進(jìn)較為緩慢；另一方面，一旦氣井見水，氣相相對(duì)滲透率迅速下降，水相相對(duì)滲透率迅速增加，導(dǎo)致氣井產(chǎn)水量劇增，氣井的氣水同產(chǎn)期更短，更易發(fā)生停噴。因此，該水侵特征可用于解釋超深碳酸鹽巖氣井的暴性水淹現(xiàn)象，即部分氣井一旦見水，短期內(nèi)產(chǎn)水量迅速上升，產(chǎn)氣量和井口壓力迅速下降，最終導(dǎo)致氣井在一個(gè)月乃至數(shù)天內(nèi)完全停產(chǎn)。

3.2 不同類型巖心氣水相對(duì)滲透率曲線特征

由圖3—圖5 以及表2 可知，3 種類型巖心的氣水相對(duì)滲透率曲線特征存在部分差異。一方面，不同類型巖心的相對(duì)滲透率存在差異，天然裂縫巖心的相對(duì)滲透率最高，在圍壓為10 MPa時(shí)氣相相對(duì)滲透率在束縛水端點(diǎn)處可達(dá)0.613，而含溶蝕孔巖心和基質(zhì)巖心在圍壓為10 MPa 時(shí)其值分別為0.372 和0.333。另一方面，不同類型巖心相對(duì)滲透率在圍壓變化過程中表現(xiàn)不同，天然裂縫巖心的相對(duì)滲透率下降最為明顯，在圍壓增大到50 MPa時(shí)束縛水端點(diǎn)處的氣相相對(duì)滲透率降至0.137，降幅達(dá)77.7%，而含溶蝕孔巖心和基質(zhì)巖心在圍壓增大到50 MPa 時(shí)分別為0.123 和0.157，降幅分別為66.9%和52.8%。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因?yàn)閲鷫簩?dǎo)致天然裂縫閉合，從而使得天然裂縫巖心的相對(duì)滲透率曲線形態(tài)更加趨近于基質(zhì)巖心，因而相對(duì)滲透率曲線下降明顯。含溶蝕孔巖心和基質(zhì)巖心也受應(yīng)力影響導(dǎo)致滲透率降低，但下降幅度均小于天然裂縫巖心，因而相對(duì)滲透率下降幅度相對(duì)較小。

此外，不同類型巖心的相對(duì)滲透率端點(diǎn)特征有所不同。一方面，不同類型巖心的相對(duì)滲透率端點(diǎn)及兩相同流區(qū)寬度在同一圍壓下存在差異。當(dāng)圍壓為10 MPa時(shí)，基質(zhì)巖心和天然裂縫巖心的兩相同流區(qū)寬度明顯較寬，分別為39.45%和37%，而含溶蝕孔巖心的兩相同流區(qū)寬度明顯較窄，僅為33.3%。另一方面，不同類型巖心的相對(duì)滲透率端點(diǎn)及兩相同流區(qū)寬度在不同圍壓下的變化也存在差異。其中，當(dāng)圍壓從10 MPa 升至50 MPa 時(shí)，天然裂縫巖心的兩相同流區(qū)寬度變化非常明顯，從39.45%縮減至32.66%；基質(zhì)巖心變化也較為明顯，從37%縮減至29.45%；而含溶蝕孔巖心的兩相同流區(qū)寬度變化幅度較小，從33.3%縮減至32.25%。分析上述現(xiàn)象的原因，主要是存留在溶蝕孔中的流體體積較大且占比較高。且溶蝕孔保存流體的能力較強(qiáng)，即使受圍壓作用后孔隙度變化有限，使得流體也不易被驅(qū)替出。因而造成含溶蝕孔巖心相對(duì)滲透率端點(diǎn)和兩相流動(dòng)范圍受圍壓影響不顯著。

3.3 與實(shí)際氣井動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比

目前川西雷口坡組氣藏尚未正式投產(chǎn)，可結(jié)合氣井試氣數(shù)據(jù)研究不同類型儲(chǔ)層未來氣井水侵特征，現(xiàn)有2 口產(chǎn)水井的試氣資料可作為研究依據(jù)。PZ103 井對(duì)雷四段下亞段儲(chǔ)層（6 054.95～6 070.95，5 990～6 040 m）開展酸壓聯(lián)作測(cè)試，放噴排液后采用一個(gè)工作制度，折算日產(chǎn)氣量為12.65×104m3/d，折算日產(chǎn)水量為276 m3/d，結(jié)合地質(zhì)資料判斷該區(qū)域儲(chǔ)層為天然裂縫發(fā)育的含氣水層，測(cè)試段位于氣水界面以下的氣水過渡帶內(nèi)，含氣飽和度約為44.3%。PZ3-5D 井測(cè)試層段埋深為6 171～6 257 m，采用一個(gè)工作制度測(cè)試，放噴后求產(chǎn)，折算日產(chǎn)氣量為37.67×104m3/d，折算日產(chǎn)水量為108 m3/d，測(cè)試段位于氣水界面以下的氣水過渡帶內(nèi)，含氣飽和度為49.4%，結(jié)合地質(zhì)資料判斷該區(qū)域儲(chǔ)層為天然裂縫相對(duì)不發(fā)育的含氣水層。分析上述資料可知，當(dāng)含氣飽和度接近殘余氣飽和度時(shí)，天然裂縫儲(chǔ)層產(chǎn)水能力明顯強(qiáng)于基質(zhì)，該結(jié)論與文中的相對(duì)滲透率規(guī)律一致。如表2 所示，當(dāng)圍壓為50 MPa 時(shí)，天然裂縫巖心在殘余氣飽和度處水相相對(duì)滲透率可達(dá)0.151，遠(yuǎn)高于基質(zhì)巖心在殘余氣飽和度處的水相相對(duì)滲透率（0.113）。

4 結(jié)論

搭建了高溫高壓氣水相對(duì)滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)了不同圍壓下的實(shí)驗(yàn)流程，測(cè)試得到了深層海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層基質(zhì)巖心、含溶蝕孔巖心和天然裂縫巖心在不同圍壓下的相對(duì)滲透率曲線。

隨著圍壓增加，巖心氣水相對(duì)滲透率逐漸減小，等滲點(diǎn)不斷向含水飽和度較小的方向移動(dòng)，使巖心兩相滲流特征發(fā)生改變；兩相同流區(qū)寬度總體上逐漸收窄，導(dǎo)致氣水兩相同流更為困難，氣井更易出現(xiàn)暴性水淹。

3 種類型巖心的相對(duì)滲透率大小依次為天然裂縫巖心、含溶蝕孔巖心、基質(zhì)巖心。圍壓增加后天然裂縫巖心相對(duì)滲透率降幅最大，含溶蝕孔巖心次之，基質(zhì)巖心下降最少?；|(zhì)巖心與天然裂縫巖心的相對(duì)滲透率曲線兩相同流區(qū)寬度較大，且受圍壓作用后縮減幅度較大。而含溶蝕孔巖心相對(duì)滲透率曲線的兩相同流區(qū)較小，受圍壓作用后縮減幅度較小。

符號(hào)解釋

Kg——巖樣的氣測(cè)克氏滲透率，D；

Krg——?dú)庀嘞鄬?duì)滲透率；

Krw——水相相對(duì)滲透率；

L——巖樣的長(zhǎng)度，cm；

mn——時(shí)間為tn時(shí)巖樣的質(zhì)量，g；

mw，md——巖樣飽和模擬地層水前、后的質(zhì)量，g；

Sw——巖樣的含水飽和度，%；

Vp——巖樣孔隙體積，cm3；

Wn——時(shí)間tn內(nèi)的累積產(chǎn)水量，mL；

π1，π2——確定的初始驅(qū)替壓差界限值，MPa；

ρ——水的密度，g/cm3；

σ——?dú)?水表面張力，mN/m；

φ——巖樣的孔隙度，%。