蘇里格致密砂巖氣藏流體微觀分布規(guī)律及影響因素

張瀚澎,任大忠,張榮軍,屈樂,李天,李啟暉

1.西安石油大學(xué)陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710065;2.西安石油大學(xué)西安市致密油(頁巖油)開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710065

近年來,我國(guó)天然氣消耗量持續(xù)增加,氣藏的開發(fā)程度不斷加大,非常規(guī)氣藏成為熱點(diǎn)研究對(duì)象,致密砂巖氣藏作為非常規(guī)氣藏的典型代表,更是倍受關(guān)注[1]。蘇里格氣田東區(qū)二疊系下石盒子組致密砂巖氣藏作為我國(guó)開采較為成熟的致密砂巖氣藏,面臨著含氣飽和度低、氣體流動(dòng)能力受限、流體分布規(guī)律難尋、開采效率自然衰減較快等問題,嚴(yán)重制約了該類氣藏的勘探開發(fā)工作[1]。厘清氣藏中流體的分布規(guī)律,是認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層、開發(fā)儲(chǔ)層的重要工作之一[2]?，F(xiàn)有研究主要利用核磁共振手段,通過分析儲(chǔ)層內(nèi)流體的流動(dòng)能力及束縛水的分布狀況,表征氣水的分布特征,進(jìn)而得出儲(chǔ)層氣水的可動(dòng)用程度,并結(jié)合其他表征手段,得出影響儲(chǔ)層流體賦存狀態(tài)的主控因素,做出針對(duì)性較強(qiáng)的開發(fā)建議[2]。

前人在可動(dòng)流體的分布規(guī)律以及影響因素等方面開展了大量研究。朱華銀等[2]認(rèn)為喉道類型以及孔喉半徑對(duì)孔隙水的流動(dòng)性和可動(dòng)流體飽和度有較大影響,并且生產(chǎn)壓差可控制儲(chǔ)層的產(chǎn)水特征;賈愛林等[3]認(rèn)為氣田氣水分布受基質(zhì)孔滲性和縫網(wǎng)發(fā)育共同控制,氣水分布和裂縫發(fā)育的差異性,直接導(dǎo)致了氣田水侵部位與水侵動(dòng)態(tài)特征的不同;許文平等[4]介紹了儲(chǔ)層束縛水在壓力的變化下轉(zhuǎn)化為可動(dòng)水產(chǎn)出的一種新的出水形式;徐軒等[5]建立了物理模擬方法,系統(tǒng)測(cè)試了氣藏內(nèi)部動(dòng)態(tài)壓降剖面,得出隨儲(chǔ)層可動(dòng)水臨界壓力改變可將束縛水轉(zhuǎn)換為流動(dòng)水;胡勇等[6]開展了系統(tǒng)的單相氣體滲流研究,指出了儲(chǔ)層含水飽和度以及孔隙率、滲透率對(duì)采收率的影響較大;譚曉華等[7]基于水體侵入補(bǔ)給地層能量與封隔儲(chǔ)層中天然氣的雙重作用機(jī)制,引入儲(chǔ)層非均勻系數(shù)與水侵常數(shù),表征了儲(chǔ)層孔滲性非均勻程度與外圍水體的活躍程度;朱海勇等[8]建立多組實(shí)驗(yàn)研究分析油氣采收率、氣油比、凝析油臨界流動(dòng)飽和度和臨界流動(dòng)壓力的變化規(guī)律;游利軍等[9]對(duì)比分析了有效應(yīng)力與含水飽和度對(duì)不同滲透率級(jí)別巖樣供氣能力的影響;黃興等[10]對(duì)致密砂巖的可動(dòng)流體特征進(jìn)行研究,確定可動(dòng)流體的最小孔喉半徑并分析了可動(dòng)流體的影響因素;時(shí)建超等[11]利用核磁共振對(duì)可動(dòng)流體進(jìn)行定量評(píng)價(jià)并分析了可動(dòng)流體差異性的主控因素;任大忠等[12]基于不同實(shí)驗(yàn)對(duì)致密砂巖氣藏孔隙結(jié)構(gòu)及可動(dòng)流體的影響因素進(jìn)行研究;黃海等[13]研究了致密砂巖儲(chǔ)層可動(dòng)流體的賦存特征及孔隙率演化;孫軍昌等[14]、歐陽偉平等[15]通過離心實(shí)驗(yàn)對(duì)致密砂巖氣藏束縛水的分布規(guī)律進(jìn)行研究,得出了最優(yōu)離心力及其對(duì)應(yīng)的有效滲流喉道半徑下限;Daigle 等[16]、Ren 等[17]、Liu 等[18]、Dong 等[19]分析了不同孔喉半徑對(duì)流體賦存特征的影響以及有效滲流最小孔喉半徑下限;Shanely等[20]認(rèn)為致密氣藏孔隙的含水飽和度對(duì)氣體滲流的影響較強(qiáng)。

上述研究中,對(duì)孔喉半徑與可動(dòng)流體的數(shù)值關(guān)系缺乏針對(duì)性研究,本文基于前人的研究成果,在孔、滲測(cè)試和礦物成分測(cè)試的基礎(chǔ)上,結(jié)合加壓飽和、滲吸、離心后核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)致密砂巖氣藏孔隙水分布規(guī)律以及流動(dòng)性進(jìn)行了研究,同時(shí)通過建立不同離心力下孔喉半徑與賦存水關(guān)系對(duì)比模型圖,分析流體賦存狀態(tài)的主控因素,為實(shí)際儲(chǔ)層開發(fā)開采提供可靠建議。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

蘇里格氣田是我國(guó)已發(fā)現(xiàn)的陸上最大整裝致密砂巖氣田(圖1),位于鄂爾多斯盆地中北部,地層傾角小于1°,地層呈西傾單斜[1]。其主力富氣層是二疊系的下石盒子組盒8 段和山西組1 段,次主力層位是山西組2 段,石炭系本溪組是分布穩(wěn)定的區(qū)域性標(biāo)志層。盒8 段平均地層厚度約為60 m,自上而下劃分為盒8 上段、盒8 下段,山西組平均地層厚度約為42 m,自上而下劃分為山1段和山2 段,本溪組普遍發(fā)育煤系烴源巖,平均厚度約為6.0 m[12]。

圖1 鄂爾多斯盆地蘇里格氣田位置及地層綜合柱狀圖(改繪自文獻(xiàn)[12])Fig.1 Integrated bar chart of location and strata of Sulige Gas Field in Ordos Basin

2 研究方法與實(shí)驗(yàn)

2.1 樣品與實(shí)驗(yàn)

選取的致密砂巖樣品為灰色、淺灰色的細(xì)砂巖,主要為巖屑石英砂巖,碎屑分選中等,磨圓度主要為次棱角狀-次圓狀,結(jié)構(gòu)致密,共計(jì)5 塊巖樣,具有鄂爾多斯盆地中北部蘇里格氣田東區(qū)二疊系下石盒子組致密砂巖的典型特征。本次研究參照了《巖芯分析方法:GB/T 29172—2012》《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X 射線衍射分析方法:SY/T 5163—2018》《巖樣核磁共振參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量規(guī)范:SY/T 6490—2014》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。使用的實(shí)驗(yàn)儀器包括:QKY-2 型孔隙率儀、STY-Ⅱ型滲透率測(cè)量?jī)x、AXS D8AA25 衍射儀、MesoMR23-60H-I 型核磁共振儀等?？住B測(cè)試、礦物成分測(cè)試及核磁共振-離心實(shí)驗(yàn)的樣品制備和測(cè)試在陜西省特低滲透油氣田勘探與開發(fā)工程技術(shù)研究中心實(shí)驗(yàn)室完成。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1) 將巖樣制成直徑為2.54 cm、長(zhǎng)度4.00 ～5.00 cm 的柱狀。

(2) 放入90 ℃的恒溫烘干箱進(jìn)行12 h 烘干,烘干后稱量干重,測(cè)試孔隙率、滲透率。

(3) 利用AXS D8AA25 衍射儀開展礦物成分鑒定。

(4) 將巖芯自滲吸飽和、20 MPa 加壓飽和,隨后將飽和后的5 塊巖樣進(jìn)行離心,離心力分別為0.144 MPa、0.288 MPa、0.576 MPa、1.44 MPa、1.92 MPa,并對(duì)5 塊巖樣的各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行核磁共振測(cè)試。

(5) 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2.2 孔隙率和滲透率特征

5 塊巖樣分別標(biāo)號(hào)為10 號(hào)、12 號(hào)、13 號(hào)、21號(hào)、25 號(hào),利用物性測(cè)試,得出5 塊巖樣平行樣的孔隙率、滲透率(表1)。結(jié)果表明,孔隙率介于5.92% ～10.67% ,均值為8.64% ;滲透率介于(0.000 74 ～ 0.113 05) × 10-3μm2, 均值為0.055 048×10-3μm2;研究區(qū)目的層屬于典型的致密砂巖儲(chǔ)層[21]。

表1 巖樣基礎(chǔ)信息及孔隙率、滲透率結(jié)果Table 1 Basic information of rock samples and results of porosity and permeability

2.3 礦物成分特征

5 塊巖樣的X 衍射結(jié)果(表2)表明,石英含量介于69.54% ～78.65% ,均值為74.98% ;巖屑含量介于9.77% ～16.64% ,均值為12.13% ;未見長(zhǎng)石?？傮w而言,研究區(qū)屬于富石英儲(chǔ)層。整體填隙物含量介于9.16% ～16.67% ,均值為12.89% ,填隙物含量相對(duì)較高,對(duì)孔隙內(nèi)流體流動(dòng)影響不容忽視[22]。

表2 巖樣礦物成分Table 2 Mineral composition of rock samples

2.4 孔隙內(nèi)流體賦存特征

利用核磁共振實(shí)驗(yàn)評(píng)估孔隙內(nèi)水的賦存特征,T2(弛豫時(shí)間)譜曲線中較高的峰對(duì)應(yīng)的孔隙類型代表巖樣中的主要孔隙類型[23]?；诤舜殴舱?離心實(shí)驗(yàn),得出T2譜曲線(圖2 左)及歸一化處理后的可動(dòng)水飽和度分布(圖2 右)。結(jié)果表明,5 塊巖樣在滲吸飽和、加壓飽和以及不同離心力驅(qū)替狀態(tài)下,核磁共振T2譜曲線呈多峰形態(tài),但左峰普遍較高,孔隙類型均以小孔隙為主。離心后巖樣T2譜曲線的信號(hào)幅度隨離心力升高而降低,且曲線右峰降低程度明顯,表明大孔隙中水易于動(dòng)用,進(jìn)一步增大離心力,小孔隙中水才開始逐漸動(dòng)用。然而,即使在離心力較高時(shí),巖樣的可動(dòng)水飽和度仍較低,說明致密砂巖氣藏中有大量束縛水賦存于儲(chǔ)層中。前人研究表明,孔滲性越差,小孔隙比例越高,巖樣滲吸能力越強(qiáng),自滲吸后含水飽和度越高[24-25]。觀察圖2 可以發(fā)現(xiàn),巖樣自滲吸后,12 號(hào)、13 號(hào)巖樣的含水飽和度與飽和狀態(tài)下的含水飽和度很接近,而21 號(hào)、25 號(hào)巖樣二者相差較遠(yuǎn),說明5塊巖樣中12 號(hào)、13 號(hào)巖樣孔滲性較差,21 號(hào)、25 號(hào)巖樣孔滲性較好,這與前期孔、滲測(cè)試結(jié)果相吻合。

圖2 不同狀態(tài)下的巖樣T2 譜曲線及可動(dòng)水分布Fig.2 T2 spectrum curves and movable water distribution of rock samples under different conditions

巖樣進(jìn)行核磁成像處理結(jié)果(圖3)表明,隨著離心力增大,含水飽和度逐漸降低,殘留在巖樣中的水的分布具有一定連續(xù)性。與此同時(shí),各個(gè)樣品離心后,10 號(hào)樣品孔隙水分布更加均勻,12 號(hào)、13號(hào)樣品孔隙水偏心分布,22 號(hào)、25 號(hào)樣品孔隙水偏向一端,不同樣品孔隙水分布出現(xiàn)較大差異;與巖樣基本孔滲性對(duì)比可知,孔滲性好的巖樣其孔隙水的連續(xù)性分布情況相對(duì)較好,滲透率較低的樣品其孔隙水的連續(xù)性也相對(duì)較差。

圖3 巖樣在不同離心力下的成像Fig.3 Imaging of rock sample under different centrifugal forces

3 討 論

3.1 流體飽和度計(jì)算方法及其與離心力的響應(yīng)關(guān)系

致密砂巖儲(chǔ)層中,水相束縛的主要原因之一是驅(qū)替力無法突破毛細(xì)管力,這一現(xiàn)象稱為毛管阻礙[24]。離心實(shí)驗(yàn)中,離心力越大則等效為驅(qū)替作用越強(qiáng),克服毛管阻礙的能力也越強(qiáng)。

以10 號(hào)樣品為例,以飽和水T2譜曲線為原始含水曲線,自滲吸飽和及不同離心力后T2譜曲線為開發(fā)后曲線,開展不同級(jí)別的含水飽和度劃分[25],結(jié)果如圖4 所示。其中,原始含水曲線和自滲吸飽和曲線的計(jì)算值可表征潤(rùn)濕相克服毛管阻力的能力,原始含水曲線與各條離心后曲線的計(jì)算值用于表征不同離心力下流體可動(dòng)能力,不同離心力下含水飽和度之間的差值為流體可動(dòng)能力變化趨勢(shì)[26]。

圖4 T2 截至值求取方法(改編自[2])Fig.4 Calculation methods for T2 cutoff (modified from [2])

圖5、表3 表明,當(dāng)離心力從0 逐級(jí)增至1.92 MPa 時(shí),巖樣的含水飽和度平均減小幅度分別為2.31%、4.61%、11.21%、3.58%、2.27% ,先穩(wěn)步上升隨后逐級(jí)降低,至最大離心力時(shí)跌至谷底,表明針對(duì)部分束縛流體,即使增大壓差,也很難克服毛管阻力。整體而言,21 號(hào)、25 號(hào)樣品含水飽和度遞減速度較快,水相可動(dòng)用能力相對(duì)較強(qiáng);12 號(hào)樣品離心力克服毛管阻力存在困難,水相可動(dòng)用能力相對(duì)較弱。

表3 離心實(shí)驗(yàn)下核磁共振數(shù)據(jù)Table 3 NMR data under centrifugation experiment

圖5 離心力與含水飽和度關(guān)系Fig.5 The relationships between centrifugal forces and water saturation

T2值與孔隙半徑r的換算關(guān)系,一直是研究人員探索的重點(diǎn)工作。目前,主流手段是根據(jù)侵入法與非侵入法曲線對(duì)比,求取毛管壓力與孔喉半徑的函數(shù)關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)二者的轉(zhuǎn)換[27-29]。本研究采用經(jīng)典的線性倒數(shù)關(guān)系換算T2值與孔隙半徑r,即T2值與r為10 倍線性倒數(shù)關(guān)系,以T2截止值為界限指標(biāo),求取不同離心力下的臨界孔徑。以最小臨界孔徑為例,0.144 MPa、0.288 MPa、0.576 MPa、1.44 MPa、1.92 MPa 離心力分別可將孔喉半徑在0.774 μm、0.55 μm、0.324 μm、0.178 μm、0.089 μm以上孔隙中的可動(dòng)水驅(qū)替出來。

3.2 孔隙率和滲透率對(duì)孔隙水流動(dòng)能力的影響

根據(jù)孔隙內(nèi)水的流動(dòng)能力相關(guān)參數(shù)與孔隙率、滲透率的相關(guān)性(表4)可以發(fā)現(xiàn),孔隙內(nèi)水的流動(dòng)能力與孔隙率關(guān)系密切,與滲透率關(guān)系相對(duì)較弱。賦存水飽和度與孔隙率、滲透率普遍呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),表明離心力作用下孔、滲較好的儲(chǔ)層可動(dòng)用能力更強(qiáng),且隨著離心力的增加,孔隙率、滲透率的相關(guān)性越來越強(qiáng)?？梢?孔隙率、滲透率不適合預(yù)測(cè)較低速離心狀態(tài)下的孔隙賦存水能力。隨離心力的增大,束縛水飽和度減小幅度及孔隙內(nèi)水的流動(dòng)能力相關(guān)參數(shù)與孔隙率、滲透率的相關(guān)性逐漸減弱,表明儲(chǔ)層孔隙的可動(dòng)用性隨著離心力的增加不斷減弱。

表4 孔隙率、滲透率與流動(dòng)能力相關(guān)性系數(shù)Table 4 Correlation coefficient of porosity,permeability and flow capacity

3.3 礦物成分對(duì)孔隙水流動(dòng)能力的影響

孔隙水流動(dòng)能力與巖性的相關(guān)性系數(shù)見表5。結(jié)果表明,碎屑顆粒(石英和巖屑)與流動(dòng)能力的關(guān)系相對(duì)較小,填隙物對(duì)流動(dòng)能力有控制作用。伊利石或伊蒙混層豐富的儲(chǔ)層可流動(dòng)性相對(duì)較差,綠泥石由于含量太少,對(duì)流動(dòng)能力的影響可以忽略。高嶺石含量是評(píng)價(jià)孔隙水流動(dòng)能力的最重要參數(shù),高嶺石較為豐富的儲(chǔ)層伊利石含量相對(duì)較少,毛管阻礙作用相對(duì)較小,對(duì)流體的封存能力相對(duì)較弱,可動(dòng)流體更豐富。與此同時(shí),高嶺石豐富的儲(chǔ)層臨界孔徑相對(duì)較低,同樣證明豐富的高嶺石對(duì)應(yīng)著較好連通性、較大孔徑的儲(chǔ)層,整體孔隙水流動(dòng)能力較強(qiáng)。

表5 流動(dòng)能力與巖性相關(guān)性系數(shù)Table 5 Correlation coefficient between rock properties and flow ability

3.4 微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)孔隙水流動(dòng)能力的影響

上述研究表明,致密砂巖氣藏中,連通性好且孔徑較大的孔隙中可動(dòng)水比例較高。當(dāng)離心力較小時(shí),大孔隙中的水被優(yōu)先驅(qū)出,若增大離心力,部分小孔隙中的殘余水被驅(qū)出[30-32];實(shí)際氣藏成藏過程中,巖石孔隙中具有大量水相分布,其賦存狀態(tài)決定于孔隙、孔喉的大小、形狀和巖石表面的物理性質(zhì),細(xì)小孔喉是形成束縛水的主要原因[1]。

不同離心力下孔喉半徑與可動(dòng)水的關(guān)系對(duì)比如圖6 所示。圖中,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個(gè)階段分別代表離心力為0.144 MPa、0.288 MPa、0.576 MPa、1.44 MPa、1.92 MPa 時(shí),可動(dòng)水所賦存孔隙的孔徑范圍以及累積可動(dòng)水飽和度,分別對(duì)應(yīng)著實(shí)際巖樣各自的最小有效滲流孔徑。

圖6 不同離心力下孔喉半徑與可動(dòng)水關(guān)系對(duì)比模型Fig.6 Model diagram of the relationship between pore-throat radius and movable fluids under different centrifugal forces

在Ⅰ階段低速離心作用下,賦存水減小幅度較低,孔喉半徑趨勢(shì)線存在一定波動(dòng),可動(dòng)水飽和度趨勢(shì)線弱波動(dòng)起伏。

在Ⅱ階段中低速離心作用下,賦存水減小幅度明顯升高,孔喉半徑及可動(dòng)水飽和度趨勢(shì)線波動(dòng)幅度明顯增加,中孔喉發(fā)育的樣品(10 號(hào),核磁雙峰相對(duì)均勻)波動(dòng)幅度最為明顯。該階段的離心力可以克服大部分大孔隙所存在的毛管阻礙,臨界孔徑變化幅度更加明顯。

在Ⅲ階段中速離心作用下,賦存水減小幅度到達(dá)頂峰,可動(dòng)水飽和度較上一階段有非常明顯的提高,趨勢(shì)線出現(xiàn)連續(xù)上升狀,孔喉半徑趨勢(shì)線略有波動(dòng)。

在Ⅳ階段中高速離心作用下,賦存水減小幅度明顯下降,臨界孔喉半徑大小極為接近,且可動(dòng)水飽和度趨勢(shì)線呈連續(xù)上升狀。

在Ⅴ階段高速離心作用下,賦存水減小幅度再次下降,可動(dòng)水飽和度趨勢(shì)線依舊保持上升狀,但較上一階段可動(dòng)水飽和度并沒有大幅增加;臨界孔喉半徑極為微小,孔喉半徑低于0.089 μm,儲(chǔ)集空間中的水已無法流動(dòng),形成束縛水。即使再次增加離心力,所能突破的毛管阻礙點(diǎn)已經(jīng)變得微乎其微,殘余流體動(dòng)用成本過高。

分析五個(gè)階段的特征可以發(fā)現(xiàn),儲(chǔ)層中流體的流動(dòng)性一直受孔喉半徑的影響,儲(chǔ)層非均質(zhì)性對(duì)流動(dòng)性的重要性主要在中低速時(shí)凸顯,孔喉的連通性則很大程度上決定了中高速狀態(tài)下流體的流動(dòng)能力。由此表明,半徑是形成毛管阻礙的最關(guān)鍵因素,需要開展樣品的流動(dòng)孔隙半徑下限(孔徑下限)分析,從而開展儲(chǔ)層的可動(dòng)流體能力評(píng)估。

3.5 毛管阻礙對(duì)孔隙水流動(dòng)能力的影響機(jī)理

利用不同離心力作用下的成像圖片,研究離心力與流體微觀賦存特征的直觀表征,分析毛管阻礙對(duì)孔隙水流動(dòng)能力的微觀作用機(jī)理。求取不同區(qū)域或不同界面的灰度值方法如圖7 所示(黑色為1,白色為0;顏色越深,灰度值越高)。為了綜合表征流體分布特征,求取橫縱方向共10 個(gè)區(qū)域或界面的灰度值,不同樣品的灰度值變化趨勢(shì)如圖8 所示。結(jié)果表明,孔、滲較好的21 號(hào)、25 號(hào)樣品流體分布橫向非均質(zhì)性較強(qiáng),25 號(hào)樣品流體分布橫向非均質(zhì)性最強(qiáng),但其初始含水飽和度較高,導(dǎo)致最終的可動(dòng)能力較強(qiáng)。高嶺石由于速敏作用較強(qiáng),在孔隙中易于剝蝕流動(dòng),導(dǎo)致隨著驅(qū)替不斷進(jìn)行,高嶺石大量堆積在巖芯末端,也導(dǎo)致流體大量殘余在驅(qū)替末端,可推測(cè)出較高的高嶺石含量是導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因。孔、滲中等的10 號(hào)樣品總體流體分布非均質(zhì)性較弱,且離心作用下流體趨于均質(zhì)化分布,整體可流動(dòng)性中等?？?、滲較差的12 號(hào)、13 號(hào)樣品分層情況明顯,離心后上層或下層巖芯束縛水飽和度較高,流體分布縱向非均質(zhì)性很高,表明伊利石造成的毛管阻礙嚴(yán)重限制了流體的流動(dòng)能力,由于伊利石持水能力很強(qiáng),即使強(qiáng)離心作用下,流體也很難動(dòng)用,導(dǎo)致流體出現(xiàn)分層剩余。

圖7 核磁成像灰度值計(jì)算方法及流體非均質(zhì)性圖像表征Fig.7 Calculation method of nuclear magnetic imaging gray value and image characterization of fluid heterogeneity

圖8 界面及區(qū)域灰度值變化趨勢(shì)Fig.8 Changes of interface and regional gray value

3.6 孔徑流動(dòng)下限分析

單個(gè)巖芯實(shí)驗(yàn)只能明確巖芯個(gè)體的特征,而油氣的生產(chǎn)需求主要依賴于大尺寸的規(guī)律分析。因此,構(gòu)建相關(guān)預(yù)測(cè)模型是將理論推向?qū)嶋H的關(guān)鍵步驟。本研究將離心力與孔喉半徑建立函數(shù)關(guān)系,可得二者的回歸方程,基于此函數(shù)模型、結(jié)合相似準(zhǔn)數(shù)原則,可對(duì)油藏尺度的滲流模擬結(jié)果提供指導(dǎo)。預(yù)測(cè)模型結(jié)果表明(表6),所有樣品的回歸方程系數(shù)均大于0.97,平均為0.972,表明該方程的收斂性較強(qiáng)。綜合孔隙率、滲透率、核磁計(jì)算系數(shù)以及離心力與孔喉半徑的回歸方程進(jìn)行對(duì)比分析,可以發(fā)現(xiàn),臨界孔喉半徑越小,連通性越好,回歸系數(shù)越大,非均質(zhì)性越弱,可動(dòng)水飽和度越高。

表6 孔滲、核磁計(jì)算系數(shù)及離心力與孔喉半徑回歸方程匯總Table 6 Summary of fitting relationships between pore,permeability,nuclear magnetic coefficient and centrifugal force and pore throat radius

前人研究認(rèn)為[15],當(dāng)離心力傳導(dǎo)的毛管壓力達(dá)到0.7 MPa 時(shí),巖樣中剩下的水可視為束縛水;當(dāng)氣水界面張力σ=0.072 N/m 時(shí),氣水界面接觸角θ趨近于0°。將上述數(shù)據(jù)代入經(jīng)典毛管壓力公式(1),計(jì)算得出的孔喉半徑理論值低于核磁共振所得的計(jì)算值。由此表明,該方法得到的孔喉半徑都是儲(chǔ)層可以有效滲流的空間。

式中,pc為毛細(xì)管壓力,MPa;r為毛管半徑,μm;σ為氣液界面張力,N/m;θ為潤(rùn)濕角,(°)。

同時(shí),對(duì)比理論模型和實(shí)際巖樣中的可動(dòng)水分布(圖6)可以發(fā)現(xiàn),相同離心力對(duì)應(yīng)的孔喉半徑分布范圍相差較大。結(jié)合離心力與所能驅(qū)動(dòng)孔隙水的孔徑下限[圖9(a)]可發(fā)現(xiàn),各巖樣對(duì)應(yīng)點(diǎn)的分布趨勢(shì)也與理論值具有一定的偏差,但是整體相關(guān)性較好,且能夠與前人研究結(jié)果[2][圖9(b)]相互印證,進(jìn)一步表明束縛水形成的主控因素為孔喉半徑的大小,隨離心力增大可驅(qū)動(dòng)孔喉半徑在0.089 μm 以上孔隙中的賦存水。與此同時(shí),基于孔喉半徑與驅(qū)替壓力相關(guān)性,可得最大驅(qū)替壓力的預(yù)測(cè)模型,即

圖9 離心力與所能驅(qū)動(dòng)孔隙水的孔徑下限示意圖Fig.9 Schematic diagram of the lower limit of pore size driven by centrifugal force and pore water

式中,p為驅(qū)替壓力,MPa;r為孔喉半徑,μm。

由于蘇里格地區(qū)下古儲(chǔ)層的臨界孔徑為0.089 μm,因此計(jì)算出最大驅(qū)替壓力為1.62 MPa。

用式(2)可預(yù)測(cè)不同孔喉半徑儲(chǔ)層的最大開采壓力,用于井口壓力控制。

綜上所述,實(shí)際生產(chǎn)過程中,開發(fā)時(shí)應(yīng)盡量減少儲(chǔ)層與外來流體的接觸,防止儲(chǔ)層砂巖自滲吸過多形成束縛水,影響儲(chǔ)層開發(fā)。若儲(chǔ)層少量產(chǎn)水,表明毛管阻礙在緩慢突破,則可以穩(wěn)步增加生產(chǎn)壓差,保持氣井連續(xù)性生產(chǎn)。若儲(chǔ)層快速見水,表明毛管阻礙被大量突破,后期即使加大生產(chǎn)壓差也很難提高儲(chǔ)層中流體的流動(dòng)能力,此時(shí)應(yīng)當(dāng)暫停開發(fā),防止氣藏到井口的低毛管阻礙通道過早形成,影響氣藏連續(xù)生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

通過巖礦鑒定、孔隙率及滲透率分析等實(shí)驗(yàn),結(jié)合核磁-離心技術(shù),分析了孔隙率、滲透率、巖性、孔喉非均質(zhì)性及連通性及其對(duì)流體賦存規(guī)律的影響,得出以下結(jié)論:

(1) 當(dāng)離心力從0 逐級(jí)增至1.92 MPa 時(shí),巖樣的含水飽和度平均減小幅度分別為2.31%、4.61%、11.21%、3.58%、2.27% ,下降幅度先穩(wěn)步上升隨后逐級(jí)降低,至最大離心力時(shí)跌至谷底,表明儲(chǔ)層孔隙的可動(dòng)用性隨著離心力的增加不斷減弱,只有在較高程度驅(qū)替下,孔隙率才能更好地預(yù)測(cè)流動(dòng)能力。

(2) 碎屑顆粒與流動(dòng)能力的關(guān)系相對(duì)較小,填隙物對(duì)流動(dòng)能力有關(guān)鍵的控制作用。豐富的高嶺石對(duì)應(yīng)著較好連通性、較大孔徑的儲(chǔ)層,整體孔隙水流動(dòng)能力較強(qiáng)。而高嶺石速敏作用較強(qiáng),在孔隙中易于剝蝕流動(dòng),導(dǎo)致隨著驅(qū)替不斷進(jìn)行,高嶺石大量堆積在巖芯末端,流體大量殘余在驅(qū)替末端。伊利石持水能力很強(qiáng),即使強(qiáng)離心作用下流體也很難動(dòng)用,導(dǎo)致流體出現(xiàn)分層剩余,造成的毛管阻礙,嚴(yán)重限制了流體的流動(dòng)能力。

(3) 離心力與儲(chǔ)層孔隙水可流動(dòng)的孔徑具有較好的冪關(guān)系(p=4.165 4e-10.3611r),即孔喉半徑越小,越易形成束縛水。

(4) 結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及前人研究成果,確定蘇里格氣田東區(qū)下石盒子組有效儲(chǔ)集空間臨界孔喉半徑為0.089 μm,最大驅(qū)替壓力為1.62 MPa,可動(dòng)水飽和度為23.95%?；谠撃Ｐ涂深A(yù)測(cè)該區(qū)目的層不同孔喉半徑儲(chǔ)層的最大開采壓力,為井口壓力控制提供參考。