丹鳳場氣田致密砂巖氣水滲流特征及影響因素

楊玉斌，肖文聯(lián)，韓建，茍玲，李閩，周克明，歐陽沐鯤，陳黎

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都 610500；2.中國石油西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 400021；3.中國石油西南油氣田勘探開發(fā)研究院，四川成都 610213）

丹鳳場氣田須家河組氣藏是典型的致密氣藏，經(jīng)過40 多年的開發(fā)已累計產(chǎn)氣9 億多立方米，且剩余儲量達(dá)23 億多立方米，具有較大地開發(fā)潛力[1]。目前面臨的采氣速度偏低、產(chǎn)量遞減快、剩余儲量開采困難等問題，原因在于對儲層巖石的氣水兩相流動機(jī)理認(rèn)識不清，有待進(jìn)一步開展相關(guān)研究工作，為氣藏采收率的提高提供依據(jù)。

在氣藏開發(fā)過程中，儲層在不同開發(fā)時間與深度存在不同的壓降（或驅(qū)替壓差）[2]，因此，會呈現(xiàn)出明顯差異的氣水滲流特征。另一方面，致密儲層巖石發(fā)育微納米孔，具有較強(qiáng)的毛管力作用，這也使得其中的氣水兩相滲流變得更為復(fù)雜。通常的方法是依照國家標(biāo)準(zhǔn)《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法：GB/T 28912—2012》[3]中的設(shè)計準(zhǔn)則，忽略毛管力影響，用非穩(wěn)態(tài)法主要在恒定驅(qū)替壓差下測試和計算（即JBN 方法）獲取致密儲層巖石的氣水兩相流動特征。在此基礎(chǔ)上，不少學(xué)者研究了不同驅(qū)替壓差對儲層巖石氣水兩相流動的影響[4?14]。董鑫旭等[15]與王文舉[16]通過非穩(wěn)態(tài)實驗測定了不同驅(qū)替壓差下的低滲透儲層巖石氣水相對滲透率曲線，分析發(fā)現(xiàn)隨著驅(qū)替壓差的增加，含水飽和度逐漸降低，氣相有效滲透率逐漸增加，等滲點飽和度向左偏移。諸如此類的驅(qū)替實驗將巖石視為“黑盒子”模型，獲取的是宏觀參數(shù)對氣水兩相流動特征的影響，無法刻畫孔隙空間中流體的流動特征。近年來，核磁共振技術(shù)作為一種高效、無損、快速測量流體及其分布的手段，在石油勘探開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用，其突出的特點就是可以獲取不同大小孔隙中的流體分布及流動特征[17?18]。倪堅強(qiáng)[19]利用核磁共振技術(shù)完成了不同物性（孔隙度和滲透率等）巖樣在不同驅(qū)替壓差下的氣水流動實驗，發(fā)現(xiàn)殘余水主要賦存于小孔隙中，可動水主要存在于大孔隙中，且隨著驅(qū)替壓差的增加，殘余水飽和度逐漸降低，氣相滲透率逐漸增加。因此，這種忽略毛管壓力影響的方法難以適用于致密砂巖儲層。

以四川盆地丹鳳場須家河組須四段主力層（Ⅱ類和Ⅲ類儲層）致密砂巖為研究對象，通過實驗和理論研究獲取了考慮毛管壓力影響下的氣水相對滲透率曲線，分析了驅(qū)替壓差對儲層氣相流動能力的影響，明確了不同類型儲層合理的生產(chǎn)壓力，為提高須家河組致密氣藏采收率提供了依據(jù)。

1 實驗條件

1.1 實驗巖樣

從丹鳳場須四段Ⅱ類和Ⅲ類儲層中各選取物性相近的3 塊巖樣（巖樣基本物性參數(shù)見表1），開展不同驅(qū)替壓差下巖樣核磁共振氣水流動實驗。在完全飽和水狀態(tài)下，巖石的核磁共振橫向馳豫時間與孔喉半徑存在一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系[17?18]，如式（1）：

表1 儲層巖樣的基本物性參數(shù)及實驗驅(qū)替壓差Table 1 Basic physical parameters and displacement pressure of reservoir rock samples

式中：T2為橫向弛豫時間，ms；V為孔隙體積，μm3；ρ2為表面弛豫率，μm/ms；S為孔隙的表面積，μm2；Fr為孔隙形狀因子；r為孔隙半徑，μm。

分析實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)馳豫時間越長，對應(yīng)的孔喉半徑越大，因此，完全飽和水下的核磁共振T2譜曲線（圖1）可用于刻畫儲層巖樣的孔喉結(jié)構(gòu)。從圖1可以看出每類儲層的3 塊巖樣在完全飽和水下的核磁共振T2譜曲線表現(xiàn)出相似的分布特征，即核磁共振橫向馳豫時間分布范圍接近，且信號量幅度相近，這表明所選每類儲層的3塊實驗巖樣不僅物性相近，而且孔隙結(jié)構(gòu)也相似。此外，Ⅱ類儲層巖樣的孔喉分布呈現(xiàn)左高右低的雙峰特征（圖1a 中實線），其門檻壓力（0.772 5 MPa）較低，孔喉半徑較大（平均孔喉半徑為0.915 5μm，中值半徑為0.259 4μm），且相對較大孔喉占據(jù)的比例較高（歪度為0.185），孔喉分選性較好，孔喉非均質(zhì)性較弱（圖2a）；Ⅲ類儲層巖樣孔喉分布也呈現(xiàn)出左高右低的雙峰特征，但其中右峰相對更低（圖1b中實線），門檻壓力（1.703 9 MPa）更高，孔喉半徑更小（平均孔喉半徑為0.431 4μm，中值半徑為0.036 5μm），且相對較小孔喉占據(jù)的比例更高（歪度為?0.063 5），孔喉分選性更差，孔喉非均質(zhì)性更強(qiáng)（圖2b）。

圖1 兩類儲層巖石氣驅(qū)實驗中核磁共振T2曲線Fig.1 NMR T2 curves for rock in gas-flooding experiments of two types of reservoirs

圖2 兩類儲層巖樣的毛管壓力曲線Fig.2 Capillary pressure curves of rock samples two types of reservoirs

1.2 實驗流體

為了抑制黏土礦物的膨脹，實驗水為25 000 mg/L的KCl 水溶液；驅(qū)替用氣為氮氣，常溫下氣水界面張力為72 mN/m。

1.3 實驗裝置與實驗步驟

搭建的巖樣氣驅(qū)水核磁測試系統(tǒng)主要包括巖樣夾持器、核磁共振儀、高精度驅(qū)替泵、排水采氣儀、液體計量管（最小分度值為0.05 mL）、天平（精度0.001 g）和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等儀器。

依據(jù)氣藏生產(chǎn)過程中壓降漏斗曲線的變化特征，并參考國家標(biāo)準(zhǔn)《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法：GB/T 28912—2012》中的π值（該值實際上是毛管壓力與驅(qū)替壓差間的相對大?。?，開展巖樣核磁共振氣驅(qū)水實驗（表1）。選取的3 種驅(qū)替壓差分別為：①驅(qū)替壓差，大于國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的參考壓力，即驅(qū)替壓差大于儲層毛管壓力（Δp＞pc）；②驅(qū)替壓差，等于國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的參考壓力，即驅(qū)替壓差與儲層毛管壓力相近（Δp→pc）；③驅(qū)替壓差，低于國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的參考壓力，即驅(qū)替壓差小于儲層毛管壓力（Δp＜pc）。

參照《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法：GB/T 28912—2012》進(jìn)行核磁共振氣驅(qū)水實驗，主要步驟如下：①調(diào)試與設(shè)定核磁共振裝置系統(tǒng)參數(shù)，實驗選擇核磁共振CPMG 序列，采樣參數(shù)有回波間隔（TE為0.5 ms）、等待時間（TW為5 000 ms）、回波個數(shù)（NECH為18 000）、掃描次數(shù)（N為32）、實驗溫度（室溫）；②將巖樣抽真空至133 Pa，然后在20 MPa 下飽和實驗鹽水48 h 以上，測量飽和巖樣的質(zhì)量（m1）和完全飽和水狀態(tài)下巖樣的核磁共振T2譜曲線，計算巖樣的有效孔隙度（要求與氦孔隙度的相對偏差小于2%）；③將巖樣放入巖樣夾持器中，調(diào)節(jié)氣瓶出口壓力，調(diào)整好出口水計量裝置和氣計量系統(tǒng)，然后進(jìn)行氣驅(qū)水，并分別記錄產(chǎn)氣量的時間、驅(qū)替壓差、產(chǎn)水量，驅(qū)替巖樣至殘余水狀態(tài)；④在殘余水狀態(tài)下，依據(jù)達(dá)西定律測定巖樣的氣體有效滲透率；⑤取出巖樣，測量驅(qū)替后的巖樣質(zhì)量（m2）和T2譜曲線。

實驗過程中，為了確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在每次測量核磁共振T2譜曲線之前，需對核磁共振裝置進(jìn)行定標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

基于氣驅(qū)前后巖樣質(zhì)量的變化和核磁共振測試數(shù)據(jù)，可以分別計算得到巖樣中含水飽和度的變化值ΔSwm和ΔSwNMR。

式（2）—（3）中：A(T2)Sw=100%為完全飽和水狀態(tài)下核磁共振信號幅度；A(T2)Swi為氣驅(qū)后的核磁共振信號幅度。

從Ⅱ類和Ⅲ類儲層巖樣基于不同實驗數(shù)據(jù)獲取的含水飽和度變化值可以看出（圖3）：2 種方法計算的含水飽和度的變化基本一致，其平均誤差在3%以內(nèi)，此次實驗中的核磁共振測試系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置合理，且采集的實驗數(shù)據(jù)可靠。

圖3 基于核磁共振和稱重法計算的含水飽和度變化Fig.3 Variation of water saturation based on NMR and gravimetric analysis

2.1 不同驅(qū)替壓力下的氣水相對滲透率曲線

由兩類儲層巖樣氣驅(qū)水過程中的累計產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)水量隨驅(qū)替時間的變化曲線（圖4）可以看出：隨時間的增長，累計產(chǎn)氣量增長初期較為緩慢，而后期則快速增長，呈現(xiàn)出冪函數(shù)特征（擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.80～0.95）；累計產(chǎn)水量增長初期較快而后期逐漸放緩，呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)特征（R2=0.86～0.99）。Ⅱ類儲層巖石的最終產(chǎn)氣量和最終產(chǎn)水量隨著驅(qū)替壓差的增加而逐漸增加，驅(qū)替壓差越大巖樣的產(chǎn)氣速度越快（圖4a），最終產(chǎn)水量越多（圖4b）；Ⅲ類儲層巖樣并沒有表現(xiàn)出類似的特征，反而在驅(qū)替壓差與毛管壓力接近時，巖樣的最終產(chǎn)氣量（圖4c）和最終產(chǎn)水量最大（圖4d），產(chǎn)氣速度最快（圖4c）。因此，物性較好的Ⅱ類儲層巖石的最終產(chǎn)水量較Ⅲ類儲層巖樣高。

圖4 兩類儲層巖石氣驅(qū)實驗中累計產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)水量隨驅(qū)替時間變化曲線Fig.4 Variation of accumulated gas production and water production with displacement time in two types of reservoir rock

基于實驗獲取的累計產(chǎn)水量和累計產(chǎn)氣量隨時間的變化曲線，結(jié)合CIVAN 等[20]的理論建立考慮毛管壓力下的氣水相對滲透率模型及求解方法，計算獲取了在Ⅱ類儲層和Ⅲ類儲層巖樣考慮毛管壓力時的氣水相對滲透率曲線（圖5）。

圖5 兩類儲層巖石不同驅(qū)替壓差下的氣水相對滲透率曲線Fig.5 Gas-water relative permeability curves of two types of reservoir rocks under different displacement pressures

對比兩類儲層巖樣的相對滲透率曲線的端點值（表2）變化情況可以發(fā)現(xiàn)，Ⅱ類儲層巖樣在殘余水條件下氣相相對滲透率隨驅(qū)替壓差的增加而增加，殘余水飽和度隨著驅(qū)替壓差的增加而逐漸降低，等滲點飽和度對應(yīng)的相對滲透率值幾乎不隨驅(qū)替壓差的變化而變化，這與莫邵元等[21]觀察到的結(jié)果一致。而對于Ⅲ類儲層，巖樣在驅(qū)替壓差與毛管壓力接近時（Δp→pc），殘余水下氣相相對滲透率最高，殘余水飽和度最低；當(dāng)驅(qū)替壓差低于毛管壓力時，殘余水下的氣相相對滲透率最低，殘余水飽和度最高；當(dāng)驅(qū)替壓差大于毛管壓力時，殘余水下的氣相相對滲透率和殘余水飽和度介于兩者之間。這與以往其他學(xué)者的測試結(jié)果不同，因為氣和水在孔喉空間中的流動，首先取決于驅(qū)替壓差與孔喉毛管壓力的相對大小。當(dāng)驅(qū)替壓差大于對應(yīng)孔喉的毛管壓力時，氣相可以克服毛管阻力順利進(jìn)入孔喉空間，另外，水相對氣相的干擾也將顯著影響氣相的流動能力。當(dāng)氣相克服巖樣中對應(yīng)孔喉的毛管阻力進(jìn)入孔喉空間后，由于氣相在喉道的滑脫效應(yīng)大于在孔隙中的滑脫效應(yīng)，氣相可以快速突破喉道并進(jìn)入下一個孔隙空間，且由于氣相在喉道出口端面發(fā)生變形[22]，會以氣泡的形式進(jìn)入下一個孔隙中，而喉道中的水相隔離了相鄰孔隙中的氣相，使得部分氣相被水相封鎖而滯留在孔隙中不能參與流動，進(jìn)而降低氣相流動能力。

表2 兩類儲層巖樣不同驅(qū)替壓差下的氣水相對滲透率端點值Table 2 Endpoint values of gas-water relative permeability of two types of reservoir rock samples under different displacement pressures

張瑞[22]通過大量的實驗研究發(fā)現(xiàn)，利用等滲點飽和度對應(yīng)的相對滲透率值可以定量地評價水相對氣相流動能力的干擾程度，一般等滲點飽和度下的相對滲透率值越低，水相對氣相流動能力的干擾程度越大。相對于Ⅲ類儲層巖樣，Ⅱ類儲層巖樣在等滲點飽和度下的相對滲透率值更大且變化較小，這說明在Ⅱ類儲層巖樣中，氣驅(qū)過程中水相對氣相流動能力的干擾程度相對較弱。在整個氣驅(qū)過程中，氣相的流動主要受制于驅(qū)替壓差與孔喉毛管壓力間的相對大小，隨著驅(qū)替壓差增加，氣相可以進(jìn)入更多細(xì)小的孔隙，增加了氣相流動通道，因此，提高了Ⅱ類儲層巖樣中氣體的流動能力。Ⅲ類儲層巖樣等滲點飽和度下的相對滲透率值較小且差異較大，在驅(qū)替壓差大于毛管壓力時，等滲點飽和度下的相對滲透率值最小，這說明在Ⅲ類儲層巖樣氣驅(qū)過程中氣相的流動能力受驅(qū)替壓差與巖樣孔喉的毛管壓力的相對大小影響，且水相對氣相流動能力的干擾程度更加明顯。當(dāng)驅(qū)替壓差較低時，一些毛管阻力較大的小孔隙很難被波及，降低了氣相滲流通道，增加了流動阻力，進(jìn)而使得殘余水飽和度較高，殘余水下的氣相相對滲透率較低；在高驅(qū)替壓差下，氣體雖可以克服更多小孔喉中的毛管阻力，進(jìn)入更多的孔隙空間中，增加氣相的流動路徑，然而，較高的驅(qū)替壓差同時也加劇了水相對氣相流動能力的干擾，使得大量氣相被封鎖滯留在孔隙空間無法流動，其殘余氣飽和度較高，氣相流動能力較差；當(dāng)驅(qū)替壓差滿足Δp趨向于pc時，既使得氣相有足夠高的壓力進(jìn)入更多細(xì)小的孔隙，也使水相對氣相流動能力的干擾相對較小，氣相流動能力最佳。

2.2 不同驅(qū)替壓力下的核磁共振曲線

如圖1所示：兩類儲層巖樣氣驅(qū)后的核磁共振T2譜曲線均有所降低，且T2譜曲線信號量的降低幾乎全部都來自于右峰的中—大孔隙，左峰對應(yīng)的小孔隙中信號量降低幅度較小。此外，與產(chǎn)水特征曲線相似（圖4c、圖4d），對于Ⅱ類儲層巖樣，驅(qū)替壓差越高、核磁共振信號幅度下降越多；對于Ⅲ類儲層巖樣，驅(qū)替壓差與毛管壓力接近時核磁共振信號幅度下降最多。

為了進(jìn)一步分析不同驅(qū)替壓力下的核磁共振T2譜曲線，基于氣驅(qū)前后的核磁共振T2譜曲線確定了兩類儲層巖樣的T2截止值（該值常用于區(qū)分可動流體和束縛流體，小于T2截止值的流體為束縛流體，大于T2截止值的流體為可動流體），并計算了兩類儲層巖樣在不同驅(qū)替壓差下的可動流體飽和度。Ⅱ類儲層巖樣DQ001?1?12、DQ001?1?13、DQ001?1?14 的T2截止值分別為2.78、3.59、1.69 ms，對應(yīng)的可動流體飽和度分別為37.83%、48.10%和50.37%；Ⅲ類儲層塊巖樣DQ001?1?22、DQ001?1?26、DQ001?1?27 的T2截止值分別為2.78、1.68、1.66 ms，對應(yīng)的可動流體飽和度分別為57.19%、48.53%、49.18%。對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于T2截止值確定的Ⅲ類儲層可動流體飽和度大于Ⅱ類儲層，這與計量獲取的產(chǎn)水變化特征相反，主要原因是由于T2截止值確定的可動流體范圍過小，部分被動用的較小孔隙被忽略。

根據(jù)氣驅(qū)前后的核磁共振T2譜曲線可以看出，小于T2截止值后的核磁共振曲線圖譜變化仍較為明顯，說明這部分孔隙中的流體依然可以被動用，僅僅使用T2截止值區(qū)分可動流體和束縛流體存在一定的缺陷，因此，采用有效可動流體飽和度（即氣驅(qū)前后核磁共振T2譜曲線面積的變化，圖6中灰色區(qū)域）來表征整個氣驅(qū)過程中的可動流體，使用最小可動流體范圍[23]來代替T2截止值的作用。最小可動流體下限為驅(qū)替前后核磁共振T2譜的振幅差距首次超過0時所對應(yīng)的馳豫時間，該值反映了注入流體能夠進(jìn)入的最小孔喉空間；最小可動流體上限為驅(qū)替后核磁共振信號幅度首次為0時所對應(yīng)的馳豫時間，該值反映了一定壓力下注入流體不受巖樣孔喉結(jié)構(gòu)影響的最小臨界值。

圖6 最小可動流體范圍Fig.6 Minimum movable fluid range

結(jié)合兩類儲層巖樣氣驅(qū)前后核磁共振T2譜曲線的變化特征和部分學(xué)者的研究方法[16?17]，將實驗巖樣的孔隙大小劃分為3個區(qū)間：核磁共振橫向馳豫時間T2小于1 ms 的孔為小孔隙，介于1～10 ms 的孔為中等孔隙，大于10 ms的孔為大孔隙。

計算獲取了兩類儲層巖樣不同孔隙空間的有效可動流體飽和度（圖7）以及最小可動流體橫向豫弛時間范圍（表3）。

表3 兩類儲層巖樣的最小可動流體下限和上限Table 3 Lower and upper limits of minimum movable fluid for two types of reservoir samples

Ⅱ類儲層巖樣由于物性較高、孔隙結(jié)構(gòu)較好，孔隙連通性較好、較大孔喉占據(jù)的比例較高、孔喉分選性較好、非均質(zhì)性較弱（圖7a），使得氣驅(qū)水時由孔喉截面發(fā)生變化引起的各種阻力效應(yīng)并不顯著。其氣驅(qū)過程主要由孔喉的毛管阻力控制，因此，Ⅱ類儲層開采壓力越大，越能克服更多較小孔喉的毛管阻力，增加小孔喉中流體的可動性。其最小可動流體上限大致相同，下限隨著驅(qū)替壓差的增加而逐漸減小，有效可動流體飽和度隨之增加，說明巖樣的有效可動流體飽和度主要受制于最小可動流體下限（即驅(qū)替壓差的影響），儲層孔喉結(jié)構(gòu)的影響相對較弱。Ⅲ類儲層物性較低、孔隙結(jié)構(gòu)較差，主要以小孔隙為主，較大孔隙占據(jù)的比例較低，這意味著增大驅(qū)替壓差梯度理論上會動用更多小孔喉中的流體。

Ⅲ類儲層巖樣由于孔隙較小，且孔喉分選性較差，非均質(zhì)性較強(qiáng)（圖7b）。這種孔隙結(jié)構(gòu)使得氣驅(qū)過程中的注入氣沿一些連通較好的中大孔喉快速突破，連通較差的小孔喉群則被繞過。同時，較差的孔喉結(jié)構(gòu)使得各種阻力效應(yīng)十分明顯，極易破壞氣相的連續(xù)性，并加劇了水相對氣相流動能力的干擾程度。此時氣相在儲層中的流動不僅取決于驅(qū)替壓差，而且儲層的孔喉結(jié)構(gòu)也將產(chǎn)生較大的影響，使最小可動流體下限值隨驅(qū)替壓差的增加而增加；在驅(qū)替壓差與毛管壓力接近時最小可動流體上限值最低，有效可動流體飽和度最大。這表明Ⅲ類儲層巖樣有效可動流體飽和度受巖樣的孔喉結(jié)構(gòu)和驅(qū)替壓差的共同影響。因此，在充分考慮儲層微觀孔喉結(jié)構(gòu)的情況下，結(jié)合不同驅(qū)替壓差下的氣水相對滲透率曲線和對應(yīng)的核磁共振T2譜曲線的變化特征，推薦Ⅲ類儲層巖樣采用與儲層巖樣毛管壓力接近的開采壓力。

綜合不同驅(qū)替壓差下的Ⅱ類和Ⅲ類致密砂巖儲層的氣水相對滲透率和核磁共振T2譜曲線變化特征可以看出：兩類儲層在不同驅(qū)替壓差下的氣相流動特征差異較大，且不同儲層的最佳開采壓力不同。建議在分層開采高丹鳳場氣田致密砂巖儲層時，應(yīng)采用最佳的開采壓力，使其氣相流動能力最強(qiáng)，進(jìn)而提高氣藏采收率。

3 結(jié)論

1）Ⅱ類儲層的物性較高、孔隙結(jié)構(gòu)較好，氣相流動能力主要受制于驅(qū)替壓差。驅(qū)替壓差越大，氣相流動能力越強(qiáng)，且主要改變小孔喉中氣相的流動能力。

2）Ⅲ類儲層的物性較低、孔隙結(jié)構(gòu)較差，氣相流動能力受驅(qū)替壓差和儲層孔喉結(jié)構(gòu)的共同約束。當(dāng)驅(qū)替壓差與儲層的毛管壓力接近時，氣相流動能力最強(qiáng)。

3）不同驅(qū)替壓差下的Ⅱ類和Ⅲ類致密砂巖儲層氣相流動特征差異較大，在分層開采時應(yīng)采用最佳的生產(chǎn)壓力使其氣相流動能力最強(qiáng)，進(jìn)而提高丹鳳場氣田致密砂巖氣藏采收率。