底水氣藏型儲氣庫注采滲流規(guī)律實驗

陳顯學

(中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

儲氣庫作為天然氣供應鏈的重要組成部分，是維持國家能源儲備、實現季節(jié)性供氣調峰的重要保障[1]。儲氣庫多由枯竭油氣藏改造而成，例如典型的底水氣藏型砂巖儲氣庫[2]，氣-水界面隨注采過程上下移動，明晰多周期循環(huán)注采對氣-水互驅兩相滲流特征的影響規(guī)律，可為儲氣庫的建設和運行提供設計依據，保障注采合理配置。近年來，國內外學者圍繞儲氣庫的注采滲流特征開展了系列研究。石磊等[3]通過室內物理模擬研究，認為邊水運移、巖石骨架應力敏感性及儲層展布等是影響水驅砂巖氣藏儲氣庫滲流特征的主要因素；唐立根等[4]認為水侵后儲氣庫中儲存空間減少，滲透率越低，該效應越顯著；胥洪成等[5]認為儲氣庫的注采配置，應重點考慮氣水分布特征、地層傾角及地層虧空程度；Khamechi等[6]分析了滲透率對枯竭氣藏改建儲氣庫的影響，并結合氣田開發(fā)歷史數據為德黑蘭凝析氣藏儲氣庫參數設計提供依據；高新平等[7]從儲層保護的角度入手，模擬了儲氣庫多周期循環(huán)注采對儲層損害的影響規(guī)律，以優(yōu)化工程現場的注采氣量與注采壓差。遼河油田S6儲氣庫區(qū)域構造屬于雙臺子斷裂背斜帶中部，其多周期注采過程中滲流規(guī)律認識尚不清楚。因此，以遼河油田S6儲氣庫為研究對象，開展應力敏感性評價和相滲特征評價實驗，探究多周期循環(huán)注采過程中滲流特征的變化規(guī)律，為后續(xù)合理優(yōu)化注采配置提供技術支持。

1 實驗內容

底水氣藏型儲氣庫在建設及多周期注采運行中，內部孔隙空間在多次注采過程中會發(fā)生改變，微觀結構的改變將對滲流特征及滲流能力造成影響[8]。為明晰研究區(qū)儲氣庫多周期注采過程中的滲流規(guī)律，選取天然巖心作為試樣樣品并開展模擬實驗，針對其應力敏感性、氣-水兩相滲流、注采及滲流能力展開評價，并結合實驗前后SEM觀察結果，探究其影響機理。

1.1 實驗設備

高溫高壓滲透率應力敏感性測試儀，采用美國巖心公司(溫度上限為200 ℃，壓力上限為70.00 MPa)測試不同升壓—卸壓周期下試樣的滲透率變化情況。高溫高壓油氣水相滲測試儀，江蘇華安科研儀器有限公司，測試不同氣-水互驅周期下試樣的含氣/水飽和度及其對應的氣-水兩相滲透率。掃描電子顯微鏡，Quanta 450環(huán)境掃描電子顯微鏡，獲取實驗前后試樣的微觀特征。

1.2 實驗樣品

實驗巖樣取自遼河油田S6儲氣庫砂巖儲層，埋深為2 200～2 700 m，以長石質巖屑砂巖、長石砂巖為主，地層溫度為86～94 ℃，原始地層壓力為23.23～26.86 MPa，上覆巖層壓力為59.60～72.40 MPa，屬于正常溫度壓力系統(tǒng)[9]。實驗巖樣按照測試標準，切割成規(guī)格為Φ25 mm×50 mm的柱塞試樣。為增強各實驗組別的對照性，利用聲波測試裝置，根據體積模量、泊松比等物性參數，篩選出物性相近的樣品，測量其密度、孔隙度及滲透率等基本物性參數(表1)。根據研究區(qū)地層水特征做相應配置，作為實驗用水。

表1 實驗樣品的基本物性參數

1.2 實驗方法

1.2.1 滲透率應力敏感性評價

基于行業(yè)標準《儲層敏感性流動實驗評價方法》和《覆壓下巖石孔隙度和滲透率測定方法》[10-11]，利用高溫高壓滲透率應力敏感性測試儀，通過3個周期升降內壓的方式進行滲透率應力敏感性測試。設置模擬儲層溫度為90 ℃、上覆壓力恒定為60.00 MPa，在每個內壓點保持試樣穩(wěn)定一段時間(升壓過程保持30 min以上，卸壓過程保持60 min以上)，隨后開展氣相滲透率測試，保持入口壓力為2.00 MPa，出口壓力為1.00 MPa。

1.2.2 氣-水相滲特征與注采能力評價

基于行業(yè)標準《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法》[12]，利用高溫高壓油氣水相滲測試儀，設置模擬儲層溫度為90℃、上覆壓力恒定為60.00 MPa，開展5組氣-液相對滲透率測試，以減少誤差。巖心飽和水后，設置6個周期的氣-水互驅，通過記錄氣-水互驅過程中產水量、產氣量以及兩端壓差，計算試樣的含水飽和度及其對應的氣-水兩相滲透率。

1.2.3 掃描電子顯微鏡觀察

對多周期注采模擬實驗前后的實驗樣品進行烘干(60 ℃電爐)后，利用Quanta 450環(huán)境掃描電子顯微鏡進行觀察，獲取實驗前后樣品的微觀結構特征，探究多周期注采后氣-水相滲特征變化的微觀機理。

2 實驗結果與分析

2.1 應力敏感性特征

對多周期注采滲透率應力敏感性評價的實驗數據(絕對滲透率)進行歸一化處理(圖1，圖中K0為初始滲透率，K為實驗后測試滲透率)。由圖1可知，試樣滲透率隨凈上覆壓力的增大而降低，隨升壓—卸壓周期的增加而下降。凈上覆壓力增大導致孔隙空間受到壓縮，故而滲透率降低。滲透率隨升壓—卸壓周期的變化規(guī)律，與李繼強[13]、Zhang J[14]的研究結論一致，前者認為試樣在壓力反復變化的拉伸、壓縮中發(fā)生塑性變形，稱這種現象為“周期應力敏感”；后者從應力敏感性的角度出發(fā)，認為隨著升壓—卸壓周期的增加，試樣的滲透率應力敏感性會逐漸降低，即在初始注采時，滲透率隨應力的上下波動變化更劇烈，多周期后，這種波動響應相對平緩。

圖1 模擬注采條件下試樣滲透率隨凈上覆壓力變化曲線

滲透率敏感因子[14]的計算公式為：

(1)

式中：ΔK為滲透率敏感因子；K30為凈上覆壓力30 MPa下的測試滲透率，D；K50為凈上覆壓力50.00 MPa下的測試滲透率，D。

計算得到各周期下注采過程中的滲透率敏感因子(表2)。由表2可知：加壓過程中，1～3周期滲透率敏感因子的變化率分別為5.94%、3.77%、1.54%，且隨升壓—卸壓周期增加逐漸降低；卸壓過程中，滲透率敏感因子的變化率分別為3.68%、2.02%、0.50%。說明經過多周期的升壓—卸壓，壓力變化引起的孔隙空間的變化逐漸變小，儲氣庫的孔隙結構會趨于新的平衡。

表2 不同周期下注采過程中的滲透率敏感因子

2.2 氣-水兩相滲流特征

儲氣庫實際運行時，氣-水兩相滲流區(qū)的滲流能力是衡量儲氣庫運行質量的關鍵[15]。根據5組氣-水兩相滲流測試實驗結果，提取出飽和度端點(即束縛水飽和度、殘余氣飽和度)隨注采循環(huán)周期的變化，求取平均值(表3)。由表3可知，隨著注采循環(huán)周期的增加，束縛水飽和度逐漸減少，殘余氣飽和度逐漸增加，并在第4個循環(huán)周期后逐漸趨于穩(wěn)定。這說明儲氣庫中的氣-水兩相滲流區(qū)在多周期注采過程中逐漸變小，會造成一定的氣量損失。

表3 不同注采周期下試樣束縛水與殘余氣飽和度均值化結果

從氣-水兩相微觀驅替的角度來看，氣驅水過程中，由于氣體的干燥作用，多周期注采后會將滯留于孔隙中的水相驅替出來，導致束縛水飽和度變?。凰寶膺^程中，水會優(yōu)先通過儲層巖石中孔隙空間較大的孔道，再波及小孔道，可能會導致水相圈閉的形成，進而使得殘余氣飽和度逐漸升高。

隨著注采循環(huán)周期的增加，氣-水兩相滲流區(qū)的兩相分布是一個被孔隙微觀結構、巖石表面潤濕性等多因素影響的復雜現象。為量化評價該區(qū)域儲層含氣空間的利用程度，對不同注采循環(huán)周期下的含氣空間可利用飽和度及含氣空間利用率進行計算：

Sg=1-Swi-Sgr

(2)

(3)

式中：Sg為含氣空間可利用飽和度，%；ηg為含氣空間利用率，%；Swi為束縛水飽和度，%；Sgr為殘余氣飽和度，%。

圖2、3為含氣空間可利用飽和度和含氣空間利用率2個指標在不同注采循環(huán)周期下的變化規(guī)律。由圖2、3可知：不同注采循環(huán)周期下，含氣空間可利用飽和度小幅波動，在第5個注采周期后逐漸趨于穩(wěn)定；含氣空間利用率隨注采循環(huán)周期逐漸降低，變化幅度較大，在第4個注采周期后逐漸趨于穩(wěn)定。含氣空間利用率降低的主要原因是殘余氣飽和度的增加，造成了注入氣的損失。

圖2 試樣含氣空間可利用飽和度隨注采循環(huán)周期的變化

圖3 試樣含氣空間利用率隨注采循環(huán)周期的變化

2.3 注采及滲流能力評價

多次注采后，計算5組試樣的含氣/水飽和度及氣相滲透率的平均值，以評價儲氣庫多周期注采過程中的儲氣庫庫容量以及滲流能力的變化(圖4、5，圖中數據點范圍為多組實驗結果的極差)。由圖4可知：隨著注采循環(huán)周期的增加，含水飽和度呈下降趨勢，含氣飽和度呈上升趨勢，隨著注采周期增加，下降或上升趨勢均逐漸變緩。主要是由于氣相在高速滲流的同時會將試樣內的水分攜帶出來，使得儲氣庫在多注采周期運行后，庫容量有所增加；但擴容情況不會一直持續(xù)，在一定的循環(huán)周期后會達到新的平衡狀態(tài)。由圖5可知，氣相滲透率隨注采周期的增加逐漸升高，在第5～6個周期趨于平衡。主要是由于含氣飽和度的升高和微觀孔隙結構變化的影響，也有學者認為在儲氣庫強注強采過程中，將產生疲勞剪切應力，可能形成孔隙之間的連通或導致粒間微裂縫的產生[16]。

圖4 試樣含水/含氣飽和度隨注采循環(huán)周期的變化

圖5 試樣氣相滲透率隨注采循環(huán)周期的變化

2.4 實驗前后微觀結構變化

為進一步探究儲氣庫多周期注采對滲流規(guī)律的影響機理，對6次模擬循環(huán)注采后的試樣進行SEM觀察，并與實驗前的試樣SEM結果進行對比(圖6)。由圖6可知：6次模擬循環(huán)注采后，原生微裂縫在注采引起的剪切應力作用下擴展，導致巖石壁面產生微裂縫。同時，由于氣體滲流產生的拖曳作用，巖石壁面的黏土礦物顆粒脫落，發(fā)生一定的微粒運移現象，砂巖儲氣庫相較于碳酸鹽巖儲氣庫，微粒運移的程度較輕，這主要取決于巖石內部礦物顆粒的膠結程度。微裂縫的產生有助于提高滲流能力，脫落的微粒易在孔隙喉道中橋接造成堵塞，制約氣體的有效滲流，二者在控制巖石滲透率上產生博弈現象。根據圖4中氣相滲透率的測試結果可知，微裂縫對滲透率的控制作用始終占據優(yōu)勢地位，隨著模擬注采循環(huán)周期的增加，微粒脫落、運移現象也更加顯著，制約了微裂縫對儲氣庫巖石滲透率的提升作用。

圖6 實驗前后試樣SEM觀察結果

從工程本質上看，儲氣庫的運行面臨如何有效實現儲層保護的問題。游利軍等[17]在針對碳酸鹽巖儲氣庫的研究中，發(fā)現了顯著的微粒運移現象，并提出采用小規(guī)模酸化的方法加以預防，給出了酸液類型的優(yōu)選結果。然而，針對砂巖儲氣庫，酸化、壓裂可能導致沉淀物堵塞，引發(fā)注采井嚴重出砂等儲層損害問題，采用控壓注采[7]的方式防治微粒運移堵塞孔隙更具適應性，因此，在儲氣庫運行參數優(yōu)化設計中，有必要開展研究區(qū)儲氣庫多周期注采模擬實驗，確定發(fā)生儲層損害的臨界注采壓差。

3 現場實例

經過多周期注采，試樣的含氣飽和度、氣相滲透率、含氣空間利用率等參數均發(fā)生變化。為探究其變化規(guī)律以及對工程的影響，儲氣庫注采壓差穩(wěn)定為1～3 MPa，文中統(tǒng)計了研究區(qū)儲氣庫某層位庫存量變化(表4)。由表4可知：前3注采循環(huán)周期庫存量大幅上升，3周期后趨于平衡；庫存量由最初的47.8×108m3提升至75.3×108m3，達容率從59.6%提升至93.8%。庫存量的提升與單井注采能力緊密相關，庫存量隨注采循環(huán)周期的變化規(guī)律與實驗中含氣飽和度、氣相滲透率相一致，進一步佐證了實驗的準確性。

表4 研究區(qū)儲氣庫某層位庫存參數

4 結論及建議

(1) 在不考慮氣-水兩相滲流的情況下，研究區(qū)儲層巖石的應力敏感性表現為隨著凈上覆壓力的增大而減小。隨注采循環(huán)周期的增加，滲透率也有一定程度的降低，滲透率應力敏感因子也隨著注采循環(huán)周期的增加而降低。

(2) 隨著氣-水互驅次數的增加，束縛水飽和度下降，殘余氣飽和度上升，并逐漸趨于平衡。因此，氣-水兩相滲流區(qū)會逐漸變小并最終穩(wěn)定，會造成一定的氣量損失。

(3) 多周期模擬循環(huán)注采后，有微裂縫生成和微粒運移的現象，二者在控制氣-水兩相滲流區(qū)的滲流能力上存在博弈現象，微裂縫強化滲流能力前期占優(yōu)勢地位，使含氣飽和度、氣相滲透率逐漸升高并在多周期后趨于平衡，在工程上體現為現場儲氣庫前期擴容明顯，后期逐漸平衡。