致密砂巖氣藏動態(tài)水鎖定量評價新方法

王曄, 馮炎松, 常鵬旭, 王一妃, 田冷, 王澤川

(1.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院, 西安 710000; 2.中國石油股份有限公司長慶油田分公司第六采氣廠, 西安 710000; 3.中國石油大學(北京)石油工程學院, 北京 102249; 4.中國石油大學(北京)氣體能源開發(fā)與利用教育部工程研究中心, 北京 102249)

鄂爾多斯盆地是中國致密氣重要的生產(chǎn)基地,近年來已發(fā)現(xiàn)多個大型的致密氣田,是中國天然氣能源的重要保障[1]。致密砂巖氣藏滲透率低,孔喉小,流動阻力大,自然的生產(chǎn)能力低,且受毛管力的作用,在生產(chǎn)過程中,滯留在地層的液體難以流動,儲層含水使氣相滲透率大大降低,這種現(xiàn)象稱為水鎖。

Holditch[2]最早提出了水鎖的概念。通過分析現(xiàn)有的大量資料,建立模型研究發(fā)現(xiàn),水鎖傷害的重要因素是毛管力大小和儲層滲透率的大小,當生產(chǎn)壓差小于毛細管力時,儲層的流體流動性很弱,水鎖傷害會很嚴重,天然氣的產(chǎn)量會受到嚴重影響。Bennion等[3]研究發(fā)現(xiàn),滲透率非常低的氣藏,存在欠飽和水狀態(tài)。初始含水飽和度越小,與束縛水飽和度的差值越大,水鎖傷害就越嚴重,越難以解除。水鎖傷害有多種影響因素,其中最重要的是液相滯留效應,Mahadevan等[4]研究發(fā)現(xiàn),水鎖傷害與滲透率和生產(chǎn)壓差有關,滲透率越高,水鎖解除得越快,生產(chǎn)壓差越大,水鎖解除得越快。

賀成祖等[5]研究認為,水鎖的根本原因是毛管力,表面張力、接觸角和毛管半徑是毛管力的重要影響因素,當孔喉半徑大的時候,毛管力小,地層水能夠及時返排,水鎖傷害是臨時的,但是小孔喉的地層,地層壓力下不能克服毛管力返排,從而給儲層造成了嚴重的水鎖傷害。張琰等[6]對水鎖機理進行了探究,認為液體滯留效應是水鎖傷害最主要的因素。在油氣田的勘探開發(fā)過程中,外來流體被捕獲,由于毛管力的作用,無法返排,最后一直滯留在儲層中,滲透率越低的油氣藏,孔隙越小,液體滯留效應越大,水鎖現(xiàn)象也就越明顯,越難以解除水鎖。周小平等[7]用泊肅葉定律推導了水相侵入深度的公式,根據(jù)公式,小孔喉的油氣藏,液體的侵入深度更大,油氣水鎖傷害更嚴重。呂金龍等[8]應用微流控芯片,進行氣驅水及水驅氣下的微觀可視化實驗,對水鎖的機理有了進一步的認識。

水鎖傷害廣泛分布在中國的致密砂巖氣藏中,導致氣藏的產(chǎn)量降低,影響了致密砂巖氣藏的有效開發(fā),需要對儲層中的水鎖現(xiàn)象有一個系統(tǒng)性的評價方法?，F(xiàn)有的水鎖評價方法各有優(yōu)缺點,但大都聚焦于對水鎖機理的研究及認識[9-10],在實際區(qū)塊的應用評價方面也主要集中在近井地帶的水鎖傷害機理及解水鎖研究[11-12]。在致密含水氣藏的實際開發(fā)中,水鎖現(xiàn)象不僅存在于近井地帶,在整個儲層均廣泛分布,且隨著生產(chǎn)的進行,地層壓力、生產(chǎn)壓差的改變,水鎖的程度也會發(fā)生變化,因此針對水鎖效應在氣藏動態(tài)生產(chǎn)中的評價應用方面仍有很多值得完善之處,在傳統(tǒng)的滲流認知中,一般將氣水相滲曲線作為評判氣相與水相流動性的重要依據(jù),然而,結合核磁共振譜圖、驅替實驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),在致密砂巖氣藏中,巖石一般表現(xiàn)為水濕特征,受毛細管力自吸作用和液相滯留效應影響,當儲層中的受細小喉道控制的滲流通道被水相堵塞后,其孔隙中的天然氣因水相卡斷作用難以被直接動用和采出,從而使氣體的宏觀流動能力大大降低[13],僅利用相滲曲線難以準確表征儲層中的水鎖作用。

研究表明,在致密砂巖含水氣藏的開發(fā)中,儲層物性、孔喉結構及生產(chǎn)壓差等對水鎖程度有著非常大的影響,而現(xiàn)有針對致密砂巖氣藏水鎖損害的評價方法大都采用巖心分析的方法[13-14],存在研究尺度較小,且對氣藏尺度的儲層非均質性考慮不足的情況。針對儲層水鎖的判識也大都建立在對生產(chǎn)動態(tài)及影響因素的定性分析上[15-17],對水鎖程度的定量認識不足。因此,基于致密氣藏開發(fā)中水鎖評價的實際需求,有必要建立一種系統(tǒng)化的數(shù)學表征方法,對氣藏尺度的水鎖效應進行定量化的評價。

鑒于此,基于已有的滲流理論,考慮氣相在儲層中的不同流動狀態(tài),分別建立水鎖評價的數(shù)學模型,進而通過毛管壓力曲線分析研究區(qū)儲層的孔喉特征。從微觀孔喉結構出發(fā),明確生產(chǎn)壓力梯度和孔隙度對水鎖程度的影響,并利用數(shù)學方法建立定量關系;進而針對研究區(qū)典型井組,將該方法在油藏尺度上進行推廣和應用,建立致密砂巖氣藏動態(tài)水鎖程度的定量評價體系,為增產(chǎn)措施的制定提供理論支持。

1 水鎖評價數(shù)學模型建立

水鎖效應會對氣相的宏觀滲透率帶來顯著影響[9],根據(jù)室內試驗研究表明,水相存在對氣相滲透率的損害率普遍在85%以上,成為儲層中制約氣相流動的主要原因。針對致密砂巖氣藏中的孔喉結構特征及氣水兩相的賦存狀態(tài),前人通過核磁共振譜圖分析、可視化實驗等方法已有較多研究[18-19],研究表明,在砂巖孔隙介質內,水作為潤濕相,一般優(yōu)先占據(jù)細小喉道和孔隙壁面,而氣相則占據(jù)大孔隙的中央。受毛細管力影響,儲層具有明顯的自吸效應,且喉道越小,毛管力越強。水相一般以水膜的形式附著在喉道壁上,緊貼壁面流動。根據(jù)可視化研究[8],受毛細管力影響,大量的天然氣會被水卡斷在細小喉道中無法采出。因此,若要使儲層中受細小喉道控制的天然氣被有效開發(fā),就必須考慮利用生產(chǎn)壓差使天然氣突破水相封鎖而被順利采出。

氣藏中的水鎖機理受毛細管附加阻力、液相滯留效應等影響,而不同含水飽和度及不同大小的喉道中引發(fā)水鎖的主控因素也各有差異。

1.1 非連續(xù)相氣體的毛管阻力

在高含水飽和度的背景下,水相占據(jù)了大部分的孔喉體積,氣相很難作為連續(xù)相流動,其流動主要受毛管力影響,基于對毛管阻力的實驗研究結論[20-21],建立數(shù)學評價模型如下。

對氣泡而言,進入半徑為r的喉道并具備流動條件需要克服以下阻力。

(1)進入小孔道窄口時的賈敏效應形成的阻力可表示為

(1)

式(1)中:pIII為賈敏效應中單個氣泡通過孔道窄口形成的阻力,Pa;σ為氣水之間的界面張力,mN/m;r為喉道半徑,m

在致密砂巖氣藏中,因儲層的喉道大小不一,且孔隙和喉道之間復雜的交錯連通的關系,在氣水兩相流動中會使多個氣泡產(chǎn)生的賈敏效應疊加,從而產(chǎn)生巨大的宏觀滲流阻力。

(2)由氣泡表面彎曲變形所產(chǎn)生的第二種附加阻力可表示為

(2)

式(2)中:θ″為前進角;θ′為后退角,

(3)氣泡沿巖石壁面移動時的摩擦阻力可表示為

(3)

式(3)中:μ為氣泡和壁面間的黏滯系數(shù),Pa·s;θ為毛細管壁潤濕角,rad。

因此,對于半徑為r的喉道,氣體流動的整體毛管力阻力梯度可寫為

(4)

式(4)中:L為喉道的長度,m;Pc為氣體流動所受到的毛管阻力;n為表征考慮空間迂曲度下因賈敏效應產(chǎn)生的阻力系數(shù)[22],主要與儲層的巖石特征有關,巖石顆粒越大,分選性越好,則該參數(shù)越低,該數(shù)據(jù)可根據(jù)儲層特征研究以及壓汞數(shù)據(jù)綜合進行估算。

巖石顆粒越小,分選性越差,則在氣水滲流中,表現(xiàn)為賈敏效應增強,即由賈敏效應帶來的阻力系數(shù)變大。

1.2 連續(xù)相氣體的驅替阻力

在中低含水飽和度的背景下,針對親水巖石,水相主要存在于細小喉道及孔隙中,氣體能夠在大的喉道中及孔隙中以連續(xù)相存在,主要滲流阻力來自于排出毛管中滯留水相的驅替阻力,根據(jù)Poiseuille定律,對單根半徑為r的喉道,毛管中流量[11]可表示為

(5)

式(5)中:p為喉道兩端的壓差,Pa。

因此,為排出喉道中的水相,考慮空間迂曲度,氣驅水所受到的阻力梯度可表示為

(6)

式(6)中:vr為臨界流速,表征該喉道中的流體流速需要達到一個能夠被有效開發(fā)的臨界值,m/s;P為氣體驅動水流動時所受到的阻力;δ為表征喉道的空間迂曲度。

由式(4)和式(6)可知,兩種阻力梯度均受喉道半徑的控制,喉道越小,滲流阻力越大,相對而言,驅替阻力對喉道半徑的大小更敏感。聯(lián)立式(4)、式(6),同時考慮實際生產(chǎn)過程中生產(chǎn)壓力的動態(tài)變化以及儲層的非均質性,即可建立儲層中阻力梯度與喉道半徑r之間的關系。可動用的最小喉道半徑r可表示為

(7)

式(7)中:gt(x)為在t時刻地層中x位置處的生產(chǎn)壓力梯度,MPa/m;r[gt(x)]為在地層中的x位置處,壓力梯度為gt(x)時可動用的最小喉道半徑,m。

從式(7)可以看出,在氣藏開發(fā)中,若流向生產(chǎn)井的壓力梯度無法達到驅替阻力梯度,那么就無法動用該喉道控制下的天然氣儲量,因此儲層中的孔吼結構特征對水鎖程度有著顯著的影響。

動態(tài)水鎖指數(shù)Lw的定義為:在當前地層壓力梯度下不可動用喉道所對應的累計孔隙分布頻率,即

Lw=fΦ{r[gt(x)]}

(8)

式(8)中:fΦ(·)為喉道半徑為r時的孔隙累計分布頻率,%。

根據(jù)水鎖指數(shù)的定義,在實際氣藏的開發(fā)中,某處的水鎖程度由地質條件和生產(chǎn)狀況共同控制,由壓汞數(shù)據(jù)可得喉道的分布頻率,而由毛管阻力及驅替阻力公式可得不同壓力梯度下可流動的喉道半徑下限,由此可得不同孔隙度、不同生產(chǎn)壓力梯度下能夠動用的孔隙累計頻率,進而得到相應的水鎖指數(shù)。

2 研究區(qū)實例分析

A區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東部,伊陜斜坡西傾單斜東段,開采主力層位為盒8段,屬于典型的致密砂巖氣藏。

2.1 孔吼結構分析

根據(jù)研究區(qū)的儲層特征研究顯示,儲層中巖石以粗粒砂巖和中粒砂巖為主,且研究區(qū)中碎屑顆粒的分選程度受沉積環(huán)境的水動力條件和自然地理條件控制,分選性以中等為主,分選好、好-中等也占有較高比例,分選差、中-差的占比低。對區(qū)塊的壓汞數(shù)據(jù)進行分析,可得到不同巖心中喉道半徑及對應的孔隙度累計分布頻率如圖1所示。

圖1 不同喉道下的孔隙累計頻率Fig.1 The cumulative frequency of pores under different roars

從圖1所示的喉道半徑及對孔隙度的貢獻度可以看出,在研究區(qū)儲層中,控制流體流動的喉道半徑普遍在1.5 μm以下,富集在孔隙中的流體流動主要受0.5 μm以下的喉道控制,且孔隙度越小,儲層中的死孔隙越多,細小喉道控制的孔隙比率越大,可動用的孔隙越少,加之巖石的親水性,水會富集在小喉道中,對天然氣的流動形成阻塞效果,這為氣藏中的氣相流動帶來了很大的困難,制約了氣藏的有效開發(fā)。

如圖2所示,對研究區(qū)的壓汞數(shù)據(jù)進行整體分析可知,研究區(qū)的孔隙度和喉道有著良好的相關性,孔隙度越小,則喉道的中值半徑越小,且研究區(qū)中值半徑普遍在0.1 μm以下,大量孔隙中的流體受細小喉道的控制。

圖2 孔隙度-中值半徑交匯圖Fig.2 Porosity-median radius intersection diagram

2.2 水鎖指數(shù)變化趨勢

研究區(qū)域含水飽和度0.45～0.5,相差不大,氣體能夠以連續(xù)相流動,分析認為氣相流動阻力主要來源于氣相驅動喉道中滯留水相的驅替阻力,根據(jù)阻力梯度公式,結合研究區(qū)的室內實驗結果及毛管壓力曲線,從而換算得出不同喉道半徑下的阻力梯度與典型巖心孔隙累計分布頻率示意圖如圖3所示。

圖3 不同喉道半徑下的阻力梯度與孔隙累計占比示意圖Fig.3 Diagram of resistance gradient and pore cumulative proportion under different groove radius

從圖3可以看出,對細小喉道而言,最小阻力梯度明顯增大,而實際生產(chǎn)壓力梯度很難達到,且孔隙中的天然氣主要受細小喉道控制,大量天然氣被水鎖在細小喉道中難以動用。

根據(jù)已建立的水鎖效應評價模型,結合研究區(qū)的孔吼結構分析,綜合得到研究區(qū)受生產(chǎn)壓差梯度、孔隙度影響下的水鎖指數(shù)變化趨勢圖如4所示。

由水鎖指數(shù)變化趨勢(圖4)可知,致密氣藏中的水鎖程度受生產(chǎn)壓力梯度及孔隙度共同影響,其中生產(chǎn)壓力梯度是研究區(qū)水鎖程度的主控因素。

圖4 水鎖指數(shù)變化趨勢圖Fig.4 Water lock index change trend chart

2.3 研究區(qū)典型井組動態(tài)水鎖分析

對研究區(qū)典型井組進行分析,該井組共有水平井5口,直井2口,主力開采層位均為盒8段,單井產(chǎn)能及動儲量情況如表1所示。

表1 研究區(qū)單井產(chǎn)能統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of single well productivity in study area

對該井組的產(chǎn)能進行分析可知,該井組對同一層位進行開采,地層厚度差異不大,但不同生產(chǎn)井間的動態(tài)產(chǎn)能差距較大,尤其是39、39H1、39H2三口井,其產(chǎn)能遞減速率明顯較快,雖然在生產(chǎn)期間進行了增壓開采,排水采氣等增產(chǎn)方式,但效果仍不理想。從前期的地質論證的動儲量來看,相比于同區(qū)域的其他生產(chǎn)井,該區(qū)域中依然存在大量未被采出的天然氣,采出程度較低,且目前采氣速度難以達到生產(chǎn)預期,分析認為,該地區(qū)作為典型的含水氣藏,隨著開采的進行,水相的在儲層中的滯留作用對動態(tài)產(chǎn)能有著非常顯著的影響。

對研究井組所處開發(fā)區(qū)域,其孔隙度分布如圖5所示。

圖5 典型井組孔隙度分布Fig.5 Typical well group porosity distribution

研究區(qū)域中,井37、37H1、井38H1、井38H1與井39、井39H1、井39H2之間存在逆斷層,39井組位于斷層上盤,這也是造成了儲層物性差異的重要原因,由孔隙度分布(圖5)可知,39、39H1、39H2三口井所處位置孔隙度相對較低,儲層物性較差。

運用數(shù)值模擬方法對歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行擬合,并結合動態(tài)監(jiān)測資料,對研究區(qū)地層壓力的動態(tài)變化進行分析,得到不同生產(chǎn)時間下的壓力分布如圖6所示。

圖6 典型井組壓力分布Fig.6 Typical well group pressure distribution

從圖6可以看出,在動態(tài)生產(chǎn)過程中,研究區(qū)的地層壓力不斷下降,且不同區(qū)域的壓力分布也有著很大差異,位于逆斷層下盤的37、37H2、38H1和38H2井所在儲層物性相對較好,其壓力降的傳播范圍較大,泄流面積較大,而位于逆斷層上盤的39、39H1、39H2井所在儲層物性相對較差,壓力降傳播范圍明顯較小。為對不同區(qū)域的生產(chǎn)壓力梯度進行定量化的表征,根據(jù)數(shù)學梯度的定義[式(9)],運用有限差分方法將壓力在空間上的分布進行差分離散,從而得到研究區(qū)的壓力梯度分布如圖7所示。

圖7 典型井組壓力梯度分布圖Fig.7 Pressure gradient distribution map of typical well group

(9)

由研究區(qū)開采過程中的壓力分布(圖6)及壓力梯度分布(圖7)可以看出,在近井地帶,壓力明顯較低,生產(chǎn)壓力梯度較大,而遠井地帶地層壓力較高,生產(chǎn)壓力梯度較小。隨著氣藏開發(fā)的不斷進行,生產(chǎn)壓力梯度也不斷降低。而不同區(qū)域的壓力梯度分布差異較大,在下盤區(qū)域,儲層物性相對較好,壓力傳播范圍大,能夠在儲層中形成大范圍,多梯度的分布情況,生產(chǎn)狀況明顯更好,而相對來說,39井組位于斷層上盤,儲層物性較差,壓力傳播范圍小,雖然在近井地帶能夠有較高的生產(chǎn)壓力梯度,但在遠井地帶卻明顯存在壓差不足的情況,生產(chǎn)狀況相對較差。

總體而言,在致密含水氣藏的開發(fā)中,因儲層面積大,地層中的實際生產(chǎn)壓力梯度相對較小,遠達不到室內實驗中針對巖心驅替的壓力梯度,且受液相滯留效應的影響,儲層中存在大量剩余氣被水鎖在細小喉道控制的孔隙當中難以被直接動用和采出,是實際采出程度難以達到預期的重要原因,極大制約了氣藏的采氣速度及采收率。

結合水鎖評價數(shù)學模型對研究區(qū)的水鎖情況進行定量化的分析,根據(jù)研究區(qū)的生產(chǎn)壓力梯度可確定該區(qū)域能動用的喉道半徑下限,進而由不同孔隙度儲層中喉道對孔隙度的貢獻頻率確定儲層的水鎖指數(shù),可得到不同生產(chǎn)時間下的水鎖指數(shù)分布如圖8所示。

運用水鎖評價模型,能夠對儲層的動態(tài)水鎖狀況進行監(jiān)測,從而對進一步增產(chǎn)措施的制定提供理論基礎,綜合研究區(qū)的壓力分布(圖6)、壓力梯度分布(圖7)及水鎖指數(shù)分布(圖8)進行分析,可以得到如下結論。

(1)在近井地帶處,生產(chǎn)壓力梯度較大,其水鎖程度相對較低,而遠井地帶的生產(chǎn)壓力梯度較低,水鎖程度較高,受細小吼道控制的氣相難以被動用,形成了大量的剩余氣。而隨著生產(chǎn)的進行,地層壓力的不斷下降,水鎖現(xiàn)象也會愈發(fā)嚴重。

(2)不同區(qū)域的儲層物性差異會對水鎖程度帶來較大的影響,相對來說,在儲層物性較差的區(qū)域,壓力傳播范圍小,遠井地帶生產(chǎn)壓力梯度小,受液相滯留效應影響,更多的氣儲量受細小喉道控制難以被采出,容易發(fā)生水鎖,導致氣井的產(chǎn)量遞減率提高,穩(wěn)產(chǎn)難度增加,極大制約了氣藏的采收率。

(3)位于逆斷層下盤的37、37H1、38H1、38H2等井所在區(qū)域儲層物性較好,加之投產(chǎn)時采取了有效的儲層壓裂、酸化等措施,整體滲流情況較好,且在開采過程中采取了排水采氣、改變井底流壓等提采方法,見效明顯,儲層水鎖程度相對較輕,開發(fā)狀況較好。

(4)位于逆斷層上盤的39、39H1、39H2井雖然也采取了改變井底流壓、排水采氣等工藝措施,改善了近井地帶的滲流環(huán)境,但針對遠井地帶的儲量動用情況依然存在嚴重不足。因此,在儲層物性較差的區(qū)域,應及時采取壓裂、酸化等儲層改造技術,增大單井的泄流面積和壓力降傳播范圍,并利用化學藥劑降低氣水之間界面張力,緩解水鎖效應的影響,從而挖掘研究區(qū)剩余氣潛力,提高致密砂巖含水氣藏的開發(fā)效果。

3 結論

(1)從微觀孔喉結構出發(fā),建立了從孔隙尺度-氣藏尺度的水鎖程度定量評價的數(shù)學方法,提出了動態(tài)水鎖指數(shù)的概念,從而對水鎖現(xiàn)象進行定量化的表征。

(2)通過比較水鎖指數(shù),定量化研究了受生產(chǎn)壓力梯度及孔隙度影響的水鎖程度趨勢,并繪制了相應的圖版,研究表明,氣藏開發(fā)中的水鎖程度受生產(chǎn)壓力梯度和孔隙度的共同影響,其中,生產(chǎn)壓力梯度是影響水鎖的主控因素。

(3)在致密砂巖氣藏的開發(fā)中,因儲層滲透率低,生產(chǎn)壓力梯度不足,大量的天然氣受水鎖效應影響在細小喉道控制的孔隙當中難以采出,儲層物性越差,該現(xiàn)象越明顯;且隨著氣藏開發(fā)的進行,地層壓力和生產(chǎn)壓力梯度的不斷下降,水鎖現(xiàn)象也會愈發(fā)嚴重,這增加了氣井的單井產(chǎn)量遞減率,同時降低了單井的采收率,制約了氣藏的高效開發(fā)。

(4)通過對水鎖指數(shù)動態(tài)評價新方法的實踐應用發(fā)現(xiàn),水鎖指數(shù)的定量化表征結果與實際生產(chǎn)較為吻合,通過對儲層水鎖程度的監(jiān)測和分析,能夠有效監(jiān)測生產(chǎn)動態(tài)中水鎖現(xiàn)象,從而為進一步實施酸化或壓裂等儲層改造技術及改變井底流壓、排水采氣等工藝措施提供理論支持。