非均質(zhì)深層碳酸鹽巖氣藏衰竭開發(fā)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

陳建勛,楊勝來,呂 琦,徐耀東,程紫燕,宋 陽

(1.中國(guó)石化勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院,山東 東營(yíng) 257015; 2.中國(guó)石化勝利油田分公司 博士后科研工作站,山東 東營(yíng) 257002;3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249)

引 言

深層碳酸鹽巖氣藏儲(chǔ)層內(nèi)孔隙、孔洞、裂縫發(fā)育,非均質(zhì)性強(qiáng),井間產(chǎn)能差異大[1-4]?？v向上,層間孔隙結(jié)構(gòu)差異影響不同儲(chǔ)層的產(chǎn)氣速度和地層壓力;橫向上,遠(yuǎn)井地帶和近井地帶之間孔隙度和滲透率的相互關(guān)系影響供氣能力和儲(chǔ)量動(dòng)用程度。針對(duì)不同孔隙結(jié)構(gòu)氣藏衰竭開發(fā)特征,Yue等[5]發(fā)現(xiàn)裂縫提高了流體的流動(dòng)能力,產(chǎn)氣量與孔隙度正相關(guān)。Meng等[6]發(fā)現(xiàn)高滲透率能夠在短時(shí)間內(nèi)提高產(chǎn)能,但會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)能急劇下降。關(guān)于非均質(zhì)性對(duì)氣藏開發(fā)的影響,王璐等[7]等通過巖心實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)是影響碳酸鹽巖氣藏多層合采初期產(chǎn)能的關(guān)鍵。萬玉金等[8]、馬元琨等[9]通過并聯(lián)巖心實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)滲透率級(jí)差過高是澀北氣田低滲層儲(chǔ)量動(dòng)用低的主要原因。梅青燕等[10]通過兩組巖心串聯(lián)控壓衰竭實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)層內(nèi)非均質(zhì)與含水飽和度對(duì)供氣能力、產(chǎn)氣量、采收率具有重要影響。陳彥昭[11]通過多組巖心串聯(lián)衰竭實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)井地帶的滲透率是無水儲(chǔ)層初始階段供氣能力的主控因素之一?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn),前人研究側(cè)重于層間非均質(zhì)性的干擾,層內(nèi)非均質(zhì)性對(duì)碳酸鹽巖氣藏衰竭開發(fā)影響需開展深入研究,微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)供氣能力的作用機(jī)理認(rèn)識(shí)不清楚[12-15]。

以四川盆地典型深層碳酸鹽巖氣藏為研究目標(biāo),通過地層條件下衰竭實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究不同孔隙結(jié)構(gòu)類型儲(chǔ)層的衰竭開發(fā)規(guī)律,定量評(píng)價(jià)層內(nèi)非均質(zhì)性對(duì)采收率和供氣能力的影響。為深入研究非均質(zhì)的影響規(guī)律,開展孔隙尺度微觀可視化流動(dòng)模擬揭示不同孔隙結(jié)構(gòu)的孔隙壓力分布和供氣能力差異。綜合利用巖心實(shí)驗(yàn)和微觀流動(dòng)模擬等方法,明確非均質(zhì)性對(duì)深層碳酸鹽巖氣藏衰竭開發(fā)的影響,為該類氣藏合理開發(fā)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 單巖心衰竭實(shí)驗(yàn)

(1)實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)條件為地層條件,實(shí)驗(yàn)溫度、巖心孔隙壓力和圍壓分別為120 ℃、75 MPa、126 MPa。通過控壓衰竭巖心實(shí)驗(yàn)?zāi)M含束縛水深層碳酸鹽巖氣藏衰竭開發(fā)過程,利用巖心孔隙壓力下降速度表征氣藏壓力衰竭速度,研究不同孔隙結(jié)構(gòu)儲(chǔ)層在衰竭開發(fā)不同階段的地層壓力、采收率和產(chǎn)氣量等變化規(guī)律。

(2)實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)巖心為四川盆地深層碳酸鹽巖氣藏天然柱塞巖心,以巖心表面孔洞和裂縫的發(fā)育程度以及孔隙度、滲透率為劃分依據(jù),將孔隙結(jié)構(gòu)劃分為無明顯孔洞、裂縫的孔隙型,孔洞發(fā)育的孔洞型,裂縫發(fā)育的裂縫-孔隙型,孔洞、裂縫發(fā)育的裂縫-孔洞型4種類型。表1為單巖心衰竭實(shí)驗(yàn)的巖心參數(shù),巖心長(zhǎng)度和直徑分別為4.5 cm、2.5 cm。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)狻?/p>

表1 單巖心衰竭實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)Tab.1 Parameters of cores for single core depletion experiments

(3)實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)流程與常規(guī)巖心衰竭實(shí)驗(yàn)一致,具體實(shí)驗(yàn)步驟為:①同步升高圍壓、孔隙壓力和溫度至地層條件,氣驅(qū)水至束縛水飽和度,建立原始地層條件;②關(guān)閉入口注氣閥門,每5～10 min(滲透率高的巖心衰竭速度快)逐級(jí)降低出口壓力1 MPa,記錄每個(gè)階段的上游壓力(入口)、下游壓力(出口)和產(chǎn)氣量;③當(dāng)出口壓力降至15 MPa時(shí)停止實(shí)驗(yàn),計(jì)算最終的采收率和產(chǎn)氣量。

1.2 串聯(lián)巖心衰竭實(shí)驗(yàn)

(1)實(shí)驗(yàn)方案

在地層條件下,通過兩巖心串聯(lián)衰竭實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究層內(nèi)非均質(zhì)性對(duì)深層碳酸鹽巖氣藏衰竭開發(fā)的影響。圖1為兩巖心串聯(lián)衰竭實(shí)驗(yàn)流程,下游巖心表示近井地帶,上游巖心表示遠(yuǎn)井地帶。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表2所示,考慮孔隙結(jié)構(gòu)、滲透率和孔隙度差異,共設(shè)計(jì)4組實(shí)驗(yàn)方案,研究層內(nèi)非均質(zhì)性對(duì)氣藏衰竭特征和供氣能力的影響。

表2 串聯(lián)衰竭實(shí)驗(yàn)方案Tab.2 Depletion experiment schemes of two core series

(2)實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟與單巖心衰竭實(shí)驗(yàn)相似,在建立高溫高壓地層條件后,關(guān)閉上游注氣閥門,每5～10 min逐級(jí)降低下游壓力1 MPa,記錄每個(gè)階段的上游壓力(入口)、中間壓力、下游壓力(出口)和產(chǎn)氣量,當(dāng)下游壓力降至15 MPa時(shí),停止實(shí)驗(yàn)。根據(jù)整體的產(chǎn)氣量、孔隙度、上游、中間和下游壓力等參數(shù)分別計(jì)算得到近似的上游和下游巖心的產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)率。

2 孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)衰竭開發(fā)的影響

圖2為單巖心衰竭實(shí)驗(yàn)的殘余壓差、產(chǎn)氣量和采收率等統(tǒng)計(jì)結(jié)果。如圖2(a)所示,對(duì)于裂縫不發(fā)育的巖心P51和巖心C51,下游壓力高于70 MPa時(shí),兩巖心上游壓力下降速度慢,殘余壓差迅速上升,壓力衰竭滯后現(xiàn)象明顯,這主要是由束縛水巖心中氣相流動(dòng)啟動(dòng)壓力大造成,孔隙型和孔洞型結(jié)構(gòu)中的儲(chǔ)量需要提高壓差才能有效動(dòng)用;隨著下游壓力的降低,氣相流動(dòng)能力增強(qiáng),殘余壓差增速放緩;當(dāng)下游壓力低于30 MPa后,氣相壓縮系數(shù)和孔隙壓縮程度提高,產(chǎn)氣速度降低,殘余壓差快速上升。巖心FP51和巖心FC51裂縫發(fā)育,滲透率高,氣相流動(dòng)能力強(qiáng),殘余壓差小且增速穩(wěn)定(圖2(a))。當(dāng)下游壓力降低至15 MPa時(shí),巖心P51、C51、FP51、FC51的采收率分別為51.50%、57.05%、64.10%、64.97%(圖2(c)和圖2(d))。巖心FP51的壓力衰竭速度和采收率高,但巖心P51孔隙度和儲(chǔ)氣量高,最終兩巖心的產(chǎn)氣量較為接近;孔洞發(fā)育的巖心FC51和巖心C51的產(chǎn)氣量大幅高于孔隙型巖心P51和裂縫-孔隙型巖心FP51(圖2(b))。

圖2 單巖心完全衰竭實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Complete depletion experiments results of single core

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,巖心采收率與滲透率接近對(duì)數(shù)函數(shù),隨著滲透率的提高,采收率呈先增加后穩(wěn)定的趨勢(shì)(圖2(d));產(chǎn)氣量主要受孔隙度控制,滲透率是影響產(chǎn)氣量的次要因素(圖2(b))。深層碳酸鹽巖氣藏產(chǎn)氣速度和產(chǎn)氣量與裂縫和孔洞發(fā)育程度密切相關(guān)。

3 層內(nèi)非均質(zhì)性對(duì)衰竭開發(fā)的影響

3.1 初始階段的巖心衰竭特征

圖3為兩巖心串聯(lián)衰竭實(shí)驗(yàn)的初始階段前20 min衰竭過程中壓力和采收率詳細(xì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。如圖3(a)所示,方案1、方案4、方案2、方案3的下游巖心滲透率逐漸增大,中間壓力下降速度依次提高,殘余壓差減小。由于下游巖心壓力衰竭速度慢,方案1上游巖心壓力衰竭速度受到抑制,僅為0.01 MPa/min,動(dòng)用程度低;方案2上游巖心孔洞發(fā)育,孔隙度高,滲透率低,壓力衰竭速度略快于方案1;方案3上游巖心衰竭壓差大,壓力衰竭速度接近0.025 MPa/min;方案4上游巖心發(fā)育有微裂縫,滲透率約為其他方案上游巖心的兩倍,壓力衰竭速度最快接近0.05 MPa/min,動(dòng)用程度最高。

圖3 兩巖心串聯(lián)衰竭實(shí)驗(yàn)初始階段衰竭特征Fig.3 Depletion characteristics of depletion experiment with two core series in initial stage

與壓力衰竭速度相對(duì)應(yīng),方案1—方案4的階段采收率逐漸提高(圖3(b))。雖然方案3下游巖心壓力衰竭速度最快,但上游巖心供氣能力不足,衰竭后期采收率上升較慢,最終采收率低于方案4(圖3(b))。由此可見,衰竭開發(fā)過程中,近井地帶主要影響產(chǎn)氣速度、孔隙壓力衰竭速度和采收率,遠(yuǎn)井地帶影響供氣能力。

3.2 全周期衰竭開發(fā)特征

圖4為兩巖心串聯(lián)衰竭實(shí)驗(yàn)完全衰竭過程中壓力、產(chǎn)氣量和采收率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。4組方案的壓力衰竭速度、采收率變化與初始階段相似,最終采收率分別達(dá)到50.22%、54.56%、57.78%、61.18%(圖4(d))。如圖4(a)所示,方案1下游巖心最終中間壓力接近19.2 MPa,未完全衰竭,整體動(dòng)用程度和采收率低;方案2—方案4的最終中間壓力為17.14～16.65 MPa,下游巖心接近完全衰竭。方案2—方案4的采收率差異主要受上游巖心動(dòng)用程度的影響,上游壓力與中間壓力之差逐漸減小,上游巖心動(dòng)用程度逐漸提高(圖4(b))。根據(jù)圖4(c)對(duì)比分析產(chǎn)氣量變化,方案3的兩巖心孔洞不發(fā)育,雖然壓力衰竭速度快但產(chǎn)氣量低;方案2的上游巖心孔隙度高,供氣穩(wěn)定,產(chǎn)氣量明顯高于方案1和方案3;方案4兩巖心孔洞和微裂縫發(fā)育,儲(chǔ)氣量高,產(chǎn)氣速度快,產(chǎn)氣量相對(duì)最高。實(shí)驗(yàn)證明,孔洞和裂縫發(fā)育程度不同導(dǎo)致產(chǎn)氣量和孔隙壓力衰竭速度之間的相關(guān)性較差,孔洞和裂縫的非均勻分布是造成深層碳酸鹽巖氣藏產(chǎn)能差異大的主要原因[9]。

圖4 兩巖心串聯(lián)衰竭實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Depletion experiment results of two core series

3.3 產(chǎn)能貢獻(xiàn)率

儲(chǔ)氣量與孔隙度正相關(guān)。通過孔隙度計(jì)算儲(chǔ)氣量,4組方案下游巖心的儲(chǔ)氣量占總儲(chǔ)氣量的百分比分別為52.19%、34.38%、47.91%、46.41%。圖5為兩巖心串聯(lián)衰竭實(shí)驗(yàn)的下游巖心產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)率的變化。初始階段,上游巖心產(chǎn)氣速度慢,動(dòng)用程度低,產(chǎn)氣量主要由下游巖心貢獻(xiàn)(超過55%);隨著下游壓力和中間壓力的持續(xù)降低,上游巖心壓力衰竭速度慢,產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)率逐漸提高。4組方案下游巖心最終產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)率為58.51%、38.63%、51.67%、48.57%。方案1上游巖心壓力衰竭速度慢,產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)率低;方案2上游巖心的孔隙度和產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)率均高于下游巖心;方案3和方案4上游巖心壓力衰竭速度相對(duì)較快,產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)率與儲(chǔ)氣量占比較為接近。

圖5 下游巖心的產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)率Fig.5 Gas production contribution rate of downstream cores

表3為兩巖心串聯(lián)衰竭實(shí)驗(yàn)的不同階段(衰竭壓差)各巖心的采收率統(tǒng)計(jì)。方案1的下游巖心未完全衰竭,采收率約為56.34%,上游巖心采收率僅為43.56%。其余3組方案的下游巖心采收率較為接近,達(dá)到61.37%以上;方案2的上游巖心孔隙度高、壓力衰竭速度慢,單位時(shí)間內(nèi)采收率低,但穩(wěn)產(chǎn)周期長(zhǎng);方案3兩巖心的壓力衰竭速度和采收率差異大說明上游巖心供氣不足;方案4上游巖心壓力衰竭速度快,供氣能力強(qiáng),因此兩巖心的采收率接近。

表3 不同衰竭壓差下各巖心的采收率統(tǒng)計(jì)Tab.3 Recovery factor statistics of cores under different depletion pressure difference

實(shí)驗(yàn)證明,衰竭開發(fā)初期,產(chǎn)氣量主要由下游巖心貢獻(xiàn);衰竭開發(fā)中后期,上游巖心動(dòng)用程度和產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)率提高。近井地帶滲透率影響深層碳酸鹽巖氣藏壓力衰竭速度和采收率,遠(yuǎn)井地帶儲(chǔ)氣量和產(chǎn)氣速度主要影響供氣能力和穩(wěn)產(chǎn)周期。

4 不同孔隙結(jié)構(gòu)供氣能力分析

4.1 模擬方案設(shè)計(jì)

孔隙氣相流動(dòng)規(guī)律和供氣能力研究能夠深入解釋巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果,多尺度分析非均質(zhì)深層碳酸鹽巖氣藏衰竭開發(fā)規(guī)律。微觀流動(dòng)模擬受實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備限制小,靈活性強(qiáng),在孔隙尺度流動(dòng)機(jī)理研究方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[16-17]。

(1)建模依據(jù)

根據(jù)CT掃描結(jié)果,考慮孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙連通性、孔喉分布等影響,分別繪制孔隙型、裂縫-孔洞型兩種理想化二維孔隙結(jié)構(gòu)。圖6(a)為孔隙型結(jié)構(gòu),無明顯裂縫,孔喉半徑分別為7～17 μm、3～12 μm;圖6(b)為裂縫-孔洞型結(jié)構(gòu),含有貫穿裂縫,孔喉半徑分別為11～30 μm、4～16 μm。組合孔隙型和孔洞型結(jié)構(gòu)建立多層非均質(zhì)模型(圖6(c)),模型縱向共分4層,層間互不連通;每層內(nèi)兩個(gè)模型拼接分別表示近井地帶(下游)和遠(yuǎn)井地帶(上游),出口半徑相同保證流速與流量匹配。儲(chǔ)層1—儲(chǔ)層4的遠(yuǎn)井地帶與近井地帶的孔隙結(jié)構(gòu)組合方式分別為“裂縫-孔洞型+裂縫-孔洞型”、“孔隙型+裂縫-孔洞型”、“裂縫-孔洞型+孔隙型”、“孔隙型+孔隙型”。

圖6 深層碳酸鹽巖氣藏二維孔隙結(jié)構(gòu)Fig.6 Two-dimensional pore structure of deep carbonate gas reservoirs

(2)參數(shù)設(shè)置

假設(shè)流體為非穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng),氣相密度、黏度不變,忽略壓縮性、重力等影響。初始條件溫度為120 ℃,壓力水平為75 MPa,氣相密度為256.72 kg/m3,動(dòng)力黏度為0.033 3 mPa·s。采用單相層流瞬態(tài)模型模擬,初始狀態(tài)為完全飽和氣,上游為入口端,下游為出口端,入口持續(xù)恒壓供氣,出口端壓力降低20 Pa,模擬分析氣相流速和孔隙內(nèi)壓力分布特征。

4.2 不同孔隙結(jié)構(gòu)供氣能力分析

圖7為出口降壓產(chǎn)氣2 μs后的速度場(chǎng)分布圖。儲(chǔ)層1—儲(chǔ)層4出口端氣相流速依次降低。儲(chǔ)層1中貫穿兩端的裂縫成為高滲通道,出口端氣相流速最快[9,11];儲(chǔ)層2和儲(chǔ)層3的氣相流速接近,儲(chǔ)層2的近井地帶為裂縫-孔洞型結(jié)構(gòu),氣相流速略高;儲(chǔ)層4為孔隙型結(jié)構(gòu),無明顯高滲通道,氣相流速相對(duì)最低。研究發(fā)現(xiàn),近井地帶和遠(yuǎn)井地帶的相互作用共同決定了氣藏產(chǎn)氣速度,近井地帶裂縫發(fā)育有利于提高產(chǎn)氣速度。因此,串聯(lián)衰竭巖心實(shí)驗(yàn)中,裂縫發(fā)育、滲透率高的巖心產(chǎn)氣速度和孔隙壓力下降快(方案4);裂縫不明顯的巖心產(chǎn)氣速度和孔隙壓力下降速度慢(方案1)。

圖7 氣相單相流動(dòng)的速度場(chǎng)Fig.7 Velocity field of single-phase gas flow

圖8為出口降壓產(chǎn)氣2 μs后的壓力場(chǎng)分布圖。儲(chǔ)層1、儲(chǔ)層4的近井地帶和遠(yuǎn)井地帶結(jié)構(gòu)一致,壓力梯度分布均勻,儲(chǔ)層1近井地帶產(chǎn)氣速度快,遠(yuǎn)井地帶供氣能力強(qiáng),儲(chǔ)層4近井地帶產(chǎn)氣速度慢,遠(yuǎn)井地帶供氣能力弱;但受裂縫影響,儲(chǔ)層1的氣相流速大幅高于儲(chǔ)層4。儲(chǔ)層2的近井地帶壓力下降快,遠(yuǎn)井地帶孔隙型結(jié)構(gòu)氣相流速慢、壓力梯度高、供氣能力弱。儲(chǔ)層3的近井地帶產(chǎn)氣速度慢,壓力梯度更高,即使遠(yuǎn)井地帶供氣能力強(qiáng),整體氣相流速低。研究表明,含有裂縫的孔隙結(jié)構(gòu)供氣能力強(qiáng),遠(yuǎn)井地帶裂縫發(fā)育有利于維持穩(wěn)定的壓力梯度,提高供氣能力。因此,串聯(lián)衰竭巖心實(shí)驗(yàn)中,方案3的上游巖心供氣能力不足導(dǎo)致上游和下游巖心的采收率差異大;方案4的上游巖心供氣能力強(qiáng),上游和下游巖心采收率差異小。

圖8 氣相單相流動(dòng)的壓力場(chǎng)Fig.8 Pressure field of single-phase gas flow

5 結(jié) 論

(1)階段生產(chǎn)壓差下,深層碳酸鹽巖氣藏的采收率與滲透率接近對(duì)數(shù)關(guān)系,孔隙型和孔洞型儲(chǔ)層的采收率受滲透率影響較大;產(chǎn)氣量主要受孔隙度控制,其次是滲透率的影響。在廢棄壓力為15 MPa時(shí),滲透率(0.036～0.877)×10-3μm2的深層碳酸鹽巖氣藏束縛水儲(chǔ)層的采收率為51.50%～64.97%。

(2)深層碳酸鹽巖氣藏儲(chǔ)層內(nèi),孔洞和裂縫的非均勻分布是造成深層碳酸巖氣藏產(chǎn)能差異大的主要原因。近井地帶滲透率是影響產(chǎn)氣速度的主要因素,孔隙型或孔洞型結(jié)構(gòu)會(huì)降低整體的產(chǎn)氣速度和采收率。遠(yuǎn)井地帶是影響供氣能力的關(guān)鍵,高滲透率、高孔隙度的孔隙結(jié)構(gòu)有利于維持穩(wěn)定的壓力梯度并提高供氣能力,滲透率或孔隙度過低容易導(dǎo)致供氣能力不足。

(3)衰竭開發(fā)初期,近井地帶是產(chǎn)氣量的主要來源,衰竭開發(fā)中后期主要由遠(yuǎn)井地帶供氣,適當(dāng)提高儲(chǔ)層滲透率、控制生產(chǎn)壓差有利于促進(jìn)氣藏同步開發(fā)并延長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)周期。