深層高壓碳酸鹽巖氣藏孔隙結(jié)構(gòu)特征及衰竭開(kāi)發(fā)規(guī)律

陳建勛

(1.中國(guó)石化勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257015；2.中國(guó)石化勝利油田博士后科研工作站，山東 東營(yíng) 257002)

0 引 言

四川盆地深層碳酸鹽巖氣藏儲(chǔ)量豐富，但儲(chǔ)層內(nèi)孔隙、孔洞、裂縫并存，非均質(zhì)性強(qiáng)，層間產(chǎn)能差異大，高效開(kāi)發(fā)和長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)面臨技術(shù)難題[1]。近年來(lái)，中國(guó)很多學(xué)者針對(duì)該氣藏孔隙結(jié)構(gòu)特征和衰竭開(kāi)發(fā)規(guī)律開(kāi)展了大量研究[2-20]，王蓓等[4]、高樹(shù)生等[5]對(duì)四川盆地龍王廟組碳酸鹽巖氣藏孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了刻畫(huà)和分類(lèi)；胡勇等[8]認(rèn)為氣藏氣相流動(dòng)能力主要受地層水和孔喉半徑控制；王璐[9]、陳彥昭[10]通過(guò)巖心衰竭實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)碳酸鹽巖氣藏衰竭開(kāi)發(fā)初期的供氣能力主要受儲(chǔ)層滲透率影響；孫麗婷[11]、梅青燕等[12]發(fā)現(xiàn)碳酸鹽巖氣藏的產(chǎn)氣速度、產(chǎn)氣量和階段采出程度受孔隙結(jié)構(gòu)影響明顯。然而，深層高壓碳酸鹽巖氣藏衰竭開(kāi)發(fā)規(guī)律以及孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)能差異的作用機(jī)理方面鮮有報(bào)道。因此，以四川盆地深層高壓碳酸鹽巖氣藏為研究目標(biāo)，通過(guò)二級(jí)CT掃描技術(shù)刻畫(huà)不同孔隙類(lèi)型儲(chǔ)層的三維孔隙結(jié)構(gòu)，開(kāi)展地層條件下氣藏衰竭開(kāi)發(fā)規(guī)律巖心實(shí)驗(yàn)，定量表征孔隙和喉道的數(shù)量和體積等特征參數(shù)，總結(jié)孔隙結(jié)構(gòu)和地層水對(duì)開(kāi)發(fā)的影響規(guī)律，為優(yōu)化氣藏開(kāi)發(fā)方案提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 CT掃描分析

(1) 實(shí)驗(yàn)方案。CT掃描技術(shù)在重構(gòu)三維孔隙結(jié)構(gòu)、表征孔喉特征參數(shù)等方面具有優(yōu)勢(shì)，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度主要受分辨率影響。深層碳酸鹽巖氣藏儲(chǔ)層孔隙、孔洞和裂縫發(fā)育程度差異大，單一分辨率的CT掃描誤差較大[9]。因此，實(shí)驗(yàn)采用低分辨率(7.65 μm)和高分辨率(0.58 μm)2種尺度的CT掃描重構(gòu)巖心三維孔隙結(jié)構(gòu)，基于“最大球”法提取建立孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)比分析孔隙和喉道的大小、數(shù)量和體積等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)儀器為MicroXCT-200型微米CT掃描儀。

(2) 巖心參數(shù)。根據(jù)地質(zhì)資料、孔滲參數(shù)和巖心表面特征，將儲(chǔ)層和巖心的孔隙結(jié)構(gòu)分為低孔低滲孔隙型、高孔低滲孔洞型、低孔高滲裂縫-孔隙型和高孔高滲裂縫-孔洞型4種。根據(jù)四川盆地深層高壓碳酸鹽巖氣藏儲(chǔ)層巖心的實(shí)際情況，再將孔洞型巖心分為孔洞型1巖心和孔洞型2巖心。其中，孔洞型2巖心表面無(wú)明顯孔洞和裂縫，但發(fā)育大孔隙，且孔隙度明顯高于孔隙型巖心，巖心的孔滲參數(shù)與孔洞型巖心較接近，初步判定為特殊的孔洞型結(jié)構(gòu)。因此，選取四川盆地深層碳酸鹽巖氣藏孔隙型、孔洞型1、孔洞型2、裂縫-孔隙型和裂縫-孔洞型5組天然巖心進(jìn)行測(cè)試分析，這5組巖心的孔隙度分別為2.33%、6.64%、5.46%、2.50%、6.22%，其滲透率分別為0.070、0.100、0.392、2.410、1.591 mD。

1.2 衰竭開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)

(1) 實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)?zāi)M地層條件：溫度為120 ℃，孔隙壓力為75 MPa，圍壓為126 MPa；實(shí)驗(yàn)設(shè)備溫度上限為180 ℃、壓力上限為200 MPa的高溫高壓多功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)改進(jìn)的逐級(jí)降壓非穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行巖心衰竭實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)流程與常規(guī)一維巖心衰竭實(shí)驗(yàn)流程類(lèi)似[10]。

(2) 實(shí)驗(yàn)材料。實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水，實(shí)驗(yàn)用氣為純度99.99%的高純氮?dú)?，巖心長(zhǎng)度為4.5 cm，巖心直徑為2.5 cm，其他參數(shù)見(jiàn)表1(真實(shí)孔隙度是孔隙度減去束縛水后的氣相孔隙度)。此外，補(bǔ)充4組干巖心的衰竭實(shí)驗(yàn)，干巖心P45、C45、FP46、FC46的孔隙度和滲透率分別與含水巖心P42、C43、FP43、FC43的孔滲參數(shù)相近，對(duì)比分析束縛水對(duì)氣相流動(dòng)的影響。

(3) 實(shí)驗(yàn)步驟。衰竭實(shí)驗(yàn)的具體步驟為：①測(cè)定巖心孔隙度、滲透率，抽真空、高壓飽和水；②連接實(shí)驗(yàn)流程，入口端注水，同步升高溫度、孔隙壓力和圍壓至地層條件；③以75 MPa恒定壓力改注氮?dú)猓档统隹诙藟毫M(jìn)行氣驅(qū)水，建立束縛水飽和度，無(wú)水產(chǎn)出后，升高出口端壓力至75 MPa；④關(guān)閉入口端注氣閥門(mén)，每5～10 min降低下游壓力(出口壓力)1 MPa，記錄各階段的上游壓力(入口壓力)、下游壓力和產(chǎn)氣量；⑤當(dāng)下游壓力降至45 MPa時(shí)停止實(shí)驗(yàn)；⑥考慮溫度、壓力、壓縮系數(shù)和死體積的影響，結(jié)合壓力、產(chǎn)氣量和儲(chǔ)氣量分別計(jì)算各階段采出程度。干巖心衰竭實(shí)驗(yàn)參照上述步驟進(jìn)行。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)Table 1 The test core parameters

2 孔隙結(jié)構(gòu)特征分析

2.1 孔隙度分析

圖1～4為二級(jí)CT掃描分析結(jié)果。統(tǒng)計(jì)圖1～4相關(guān)數(shù)據(jù)得到二級(jí)CT掃描孔隙度及孔隙連通比例(表2)。由表2可知：孔隙型巖心在低分辨率下的CT孔隙度和連通孔隙比例較低，而高分辨率下對(duì)應(yīng)數(shù)值明顯提高，表明低分辨率有效識(shí)別程度低。孔洞型1巖心在低分辨率下孔洞數(shù)量多、孔隙度略低、連通性差，而高分辨率下孔洞數(shù)量減少，CT孔隙度降低，小孔隙和喉道增加、孔隙連通性增強(qiáng)，表明高分辨率更適用于分析孔隙連通性?？锥葱?巖心的孔喉半徑相對(duì)均勻，分辨率對(duì)孔隙度和連通孔隙的影響小，整體的孔隙度和連通孔隙比例高。裂縫-孔隙型和裂縫-孔洞型巖心與孔洞型2巖心的連通孔隙比例接近，但裂縫-孔隙型和裂縫-孔洞型巖心內(nèi)的裂縫特征明顯，裂縫呈片狀分布貫穿巖心兩端，2種巖心滲透率明顯高于孔洞型2巖心。整體上，滲透率與連通孔隙比例正相關(guān)，連通孔隙比例對(duì)滲透率的影響程度低于裂縫特征。2種分辨率的CT掃描結(jié)果對(duì)比反映了孔喉半徑的差異，對(duì)于孔喉半徑小、孔洞不發(fā)育的孔隙型和裂縫-孔隙型孔隙結(jié)構(gòu)，高分辨率分析結(jié)果更為準(zhǔn)確；對(duì)于孔洞發(fā)育、非均質(zhì)性強(qiáng)的孔洞型和裂縫-孔洞型結(jié)構(gòu)，高分辨率適用于分析孔隙連通性和小孔隙分布，低分辨率則更側(cè)重于分析孔洞和裂縫的分布特征。

圖1 三維孔隙結(jié)構(gòu)(分辨率為7.65 μm)Fig.1 The 3D pore structure (resolution: 7.65 μm)

圖2 三維孔隙網(wǎng)絡(luò)球棍模型喉道分布(分辨率為7.65 μm)Fig.2 The throat distribution of ball and stick model of 3D pore network (resolution: 7.65 μm)

圖3 三維孔隙結(jié)構(gòu)(分辨率為0.58 μm)Fig.3 The 3D pore structure (resolution: 0.58 μm)

圖4 三維連通孔隙網(wǎng)絡(luò)球棍模型(分辨率為0.58 μm)Fig.4 The ball and stick model of 3D connected pore network (resolution: 0.58 μm)

表2 二級(jí)CT掃描孔隙度對(duì)比Table 2 The porosity comparison by secondary CT scanning

2.2 孔喉數(shù)量與體積分布

圖5為低分辨率下5組巖心的孔喉數(shù)量與體積分布特征(高分辨率和低分辨率的孔喉數(shù)量和體積分布相似)。由圖5a、b可知，低分辨率下，5組巖心孔隙數(shù)量累積比達(dá)到90%所對(duì)應(yīng)的孔隙體積累積比分別為58.83%、38.80%、41.22%、43.11%、35.07%。而高分辨率下，所對(duì)應(yīng)的孔隙體積累積比分別為71.39%、49.34%、58.44%、68.83%、53.24%。由此可見(jiàn)，大孔隙、孔洞數(shù)量雖然少，但為深層碳酸鹽巖氣藏的主要儲(chǔ)集空間，裂縫和一般孔隙是次要的儲(chǔ)集空間。同時(shí)，孔隙型和裂縫-孔隙型巖心的孔隙半徑遠(yuǎn)小于其他3組巖心，裂縫-孔洞型巖心的孔隙數(shù)量和體積分布介于兩孔洞型巖心之間，表明孔隙半徑與滲透率的相關(guān)性不明顯。由圖5c、d可知：孔洞型1巖心的喉道半徑最大，滲透率最低，說(shuō)明孔洞發(fā)育的巖心滲透率與喉道半徑相關(guān)性弱；孔隙型巖心的喉道半徑相對(duì)較小，裂縫-孔隙型巖心的喉道半徑和體積明顯更大，在孔洞不發(fā)育的孔隙結(jié)構(gòu)中滲透率與喉道半徑有一定的相關(guān)性。

2.3 三維孔隙分布特征

根據(jù)上述分析，結(jié)合圖1～4可知：孔隙型巖心的孔隙半徑小，分選性好，分布較分散，連通孔隙比例低，表現(xiàn)為低孔低滲特征；孔洞型1巖心的孔隙半徑差異大，孔隙連通性差，孔喉半徑小，局部與孔洞連接的孔喉半徑較大，受小孔隙和喉道的制約性強(qiáng)，表現(xiàn)為高孔低滲特征；孔洞型2巖心沒(méi)有明顯的孔洞和裂縫，孔隙數(shù)量多，連通性強(qiáng)，孔喉半徑相對(duì)均勻，部分孔隙半徑大，滲透率高于孔洞型1巖心；裂縫-孔隙型巖心以小孔隙為主，喉道半徑相對(duì)均勻，孔喉比低，裂縫呈片狀分布，滲透率較高；裂縫-孔洞型巖心的孔隙分布較分散，片狀裂縫連通性強(qiáng)，喉道的分布和半徑差異較大，滲透率較高。總結(jié)發(fā)現(xiàn)，巖心滲透率與裂縫和孔隙連通性密切相關(guān)，而孔洞發(fā)育的巖心孔隙度相對(duì)較高。

研究結(jié)果表明，裂縫特征、孔隙連通性、喉道半徑和孔隙半徑對(duì)滲透率的影響依次降低。深層碳酸鹽巖氣藏非均質(zhì)性強(qiáng)主要有2個(gè)因素：一是孔隙發(fā)育差異大，孔隙、孔洞和裂縫共存；二是孔喉半徑、分布差異大，孔洞和裂縫分布不均勻。

圖5 孔喉數(shù)量與體積分布特征(分辨率為7.65 μm)Fig.5 The number and volume distribution of pore throats (resolution: 7.65 μm)

3 氣藏衰竭開(kāi)發(fā)特征分析

3.1 瞬時(shí)衰竭特征

圖6為氣藏衰竭開(kāi)發(fā)初始階段開(kāi)發(fā)特征。由圖6可知：無(wú)水條件下，裂縫-孔隙型巖心(FP46)、裂縫-孔洞型巖心(FC46)開(kāi)發(fā)初期上游壓力迅速下降并趨于穩(wěn)定，開(kāi)發(fā)300 s接近完全衰竭(上下游壓差小于0.05 MPa)，階段采出程度為0.93%左右；孔洞型巖心(C45)和孔隙型巖心(P45)開(kāi)發(fā)初期上游壓力下降相對(duì)滯后，開(kāi)發(fā)500 s后，上游壓力逐漸穩(wěn)定但仍未完全衰竭(上下游壓差大于0.10MPa)，階段采出程度約為0.83%。束縛水條件下，受毛細(xì)管阻力影響氣相流動(dòng)能力大幅下降，裂縫-孔隙型巖心(FP43)、裂縫-孔洞型巖心(FC43)在開(kāi)發(fā)360 s后接近完全衰竭，階段采出程度略低于無(wú)水條件；孔隙型巖心(P42)和孔洞型巖心(C43)在衰竭開(kāi)始80 s后上游壓力才開(kāi)始下降，表現(xiàn)出明顯的“衰竭滯后”，階段采出程度僅為0.55%左右。因毛細(xì)管阻力產(chǎn)生的臨界啟動(dòng)壓力而造成的難以開(kāi)采的儲(chǔ)量為不可采儲(chǔ)量，孔喉半徑小、連通性弱的儲(chǔ)層臨界啟動(dòng)壓力大、衰竭滯后明顯，不可采儲(chǔ)量相對(duì)更高。研究結(jié)果表明：碳酸鹽巖氣藏的衰竭開(kāi)發(fā)速度整體表現(xiàn)為先快速遞減，后逐漸趨于平穩(wěn)的規(guī)律；不同孔隙結(jié)構(gòu)和含水飽和度氣藏的衰竭開(kāi)發(fā)速度差異較大，裂縫儲(chǔ)層的衰竭開(kāi)發(fā)速度更快、采出程度更高，且裂縫可有效降低束縛水對(duì)開(kāi)發(fā)的影響。

圖6 衰竭開(kāi)發(fā)初始階段開(kāi)發(fā)特征Fig.6 The development characteristics in the initial stage of natural depletion

3.2 整體衰竭特征

3.2.1 衰竭速度

圖7為衰竭開(kāi)發(fā)過(guò)程中的殘余壓差(上下游壓差)與下游壓力關(guān)系曲線。由圖7可知：殘余壓差與儲(chǔ)層滲透率呈負(fù)相關(guān)，衰竭速度與儲(chǔ)層滲透率呈正相關(guān)；衰竭開(kāi)發(fā)初期，不含裂縫的巖心(P41、C41、C42、P44)內(nèi)氣相流動(dòng)啟動(dòng)壓力大，殘余壓差增速較快，“衰竭滯后”較為明顯；對(duì)于裂縫發(fā)育、滲透率較高的巖心，殘余壓差增幅小，短時(shí)間接近完全衰竭。

圖7 衰竭過(guò)程中殘余壓差變化規(guī)律Fig.7 The variation pattern of residual pressure difference during depletion

3.2.2 階段產(chǎn)氣量

圖8為不同衰竭壓差下巖心孔隙度與產(chǎn)氣量關(guān)系曲線。由圖8可知，相同衰竭壓差下，產(chǎn)氣量與孔隙度呈正相關(guān)，高孔隙度巖心的階段產(chǎn)氣量相對(duì)更高，孔洞發(fā)育的儲(chǔ)層是優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)集空間。圖9為下游壓力與階段產(chǎn)氣量的關(guān)系曲線。由圖9可知：衰竭開(kāi)發(fā)初始階段，滲透率高、孔隙度低的巖心(FP44、FC44)階段產(chǎn)氣量要高于孔隙度高、滲透率低的巖心(P41、C43)；衰竭開(kāi)發(fā)中后期，孔隙度高的巖心階段產(chǎn)氣量逐漸超過(guò)孔隙度低的巖心。研究結(jié)果表明：裂縫-孔隙型儲(chǔ)層產(chǎn)氣速度快、穩(wěn)產(chǎn)周期短、階段產(chǎn)氣量相對(duì)較低；高孔隙度儲(chǔ)層衰竭時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)；孔洞型儲(chǔ)層產(chǎn)氣速度低，但具有較高的開(kāi)發(fā)潛力。

圖8 巖心產(chǎn)氣量與孔隙度的關(guān)系Fig.8 The relationship between the gas production and porosity of the core

圖9 巖心產(chǎn)氣量與下游壓力的關(guān)系 Fig.9 The relationship between the gas production and downstream pressure of the core

3.2.3 階段采出程度

圖10為衰竭開(kāi)發(fā)過(guò)程中階段采出程度與滲透率、下游壓力的關(guān)系曲線。由圖10可知：隨著巖心滲透率的增大，階段采出程度逐漸增加并趨于穩(wěn)定，階段采出程度與滲透率呈近對(duì)數(shù)關(guān)系。隨著下游壓力的不斷降低，不同類(lèi)型巖心的階段采出程度差值逐漸增大，含有裂縫巖心的階段采出程度大幅高于不含裂縫巖心；當(dāng)下游壓力降至45 MPa時(shí)，巖心的平均階段采出程度分別為21.99%、22.61%、27.65%、28.57%，最大差值為6.58個(gè)百分點(diǎn)；當(dāng)下游壓力降至15 MPa時(shí)，巖心的預(yù)測(cè)階段采出程度平均值分別為47.43%、48.21%、59.90%、62.14%，最大差值增至14.71個(gè)百分點(diǎn)。

圖10 衰竭開(kāi)發(fā)過(guò)程中的階段采出程度特征Fig.10 The recovery characteristics in natural depletion

綜上所述，孔洞和裂縫的發(fā)育與分布不均勻以及含水飽和度差異是導(dǎo)致深層碳酸鹽巖氣藏產(chǎn)能差異大的關(guān)鍵原因；裂縫發(fā)育的儲(chǔ)層產(chǎn)氣速度快、階段采出程度高，低滲儲(chǔ)層衰竭滯后明顯，不可采儲(chǔ)量大；高孔隙度儲(chǔ)層產(chǎn)氣量高，穩(wěn)產(chǎn)周期更長(zhǎng)。

4 結(jié)論和建議

(1) 深層碳酸鹽巖氣藏儲(chǔ)層中，孔洞和裂縫的發(fā)育與分布不均是造成儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)的主要原因；孔洞是該類(lèi)型氣藏主要的儲(chǔ)集空間，裂縫和孔隙是次要的儲(chǔ)集空間；滲透率主要受裂縫特征和孔隙連通性的影響，其次是喉道半徑的影響；雖然局部孔喉半徑較大，但受整體孔隙連通性弱和孔喉半徑小的制約，部分孔洞發(fā)育的儲(chǔ)層表現(xiàn)出“高孔低滲”特征。

(2) 深層碳酸鹽巖氣藏產(chǎn)氣量主要受孔隙度控制，其次受滲透率影響。相同生產(chǎn)壓差下，氣藏階段采出程度與滲透率呈近對(duì)數(shù)關(guān)系；下游壓力不斷降低，不同類(lèi)型巖心的階段采出程度差值逐漸增大，當(dāng)下游壓力降至15 MPa時(shí)，孔隙型、孔洞型、裂縫-孔隙型和裂縫-孔洞型儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)最終階段采出程度平均為47.43%、48.21%、59.90%、62.14%。

(3) 裂縫-孔洞型儲(chǔ)層的儲(chǔ)量、產(chǎn)氣量、階段采出程度均相對(duì)較高，是深層碳酸鹽巖氣藏的優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層；孔洞型儲(chǔ)層的儲(chǔ)量高、產(chǎn)氣速度低，“高孔低產(chǎn)”特征明顯，是開(kāi)發(fā)潛力較高的有利儲(chǔ)層；裂縫-孔隙型儲(chǔ)層的儲(chǔ)量低、產(chǎn)氣速度快，穩(wěn)產(chǎn)周期較短，需合理控壓生產(chǎn)延長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)周期；孔隙型儲(chǔ)層的儲(chǔ)量和產(chǎn)氣速度均比較低，需通過(guò)酸化壓裂等儲(chǔ)層改造提高開(kāi)發(fā)效益。