摘要：研究低滲透氣藏的滲流機(jī)理，有利于制訂合理、有效的開發(fā)方案。低滲透砂巖氣藏氣體的滲流機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究主要集中在氣體的滑脫效應(yīng)、啟動(dòng)壓力梯度、高速非達(dá)西流效應(yīng)和含水飽和度影響等4個(gè)方面。為此，分析總結(jié)了國內(nèi)外有關(guān)低滲透砂巖氣藏滲流機(jī)理的研究成果，并有針對(duì)性地進(jìn)行了大量低滲透砂巖氣體滲流機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了一些新認(rèn)識(shí)：①實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于低滲透氣藏的廢棄壓力很高，故沒有必要考慮滑脫效摩的影響；②低滲透氣藏氣體滲流過程中存在啟動(dòng)壓力梯度，與滲透率呈反比；③低滲透氣藏開發(fā)過程中發(fā)生高速非達(dá)西流效應(yīng)具有臨界滲透率值；④含水飽和度對(duì)低滲透氣藏氣體滲流特征影響很大。上述認(rèn)識(shí)對(duì)于低滲透致密砂巖氣藏開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：低滲透氣藏；滑脫效應(yīng)；啟動(dòng)壓力；非達(dá)西流；含水飽和度；實(shí)驗(yàn)；現(xiàn)狀；認(rèn)識(shí)

    近年來低滲透氣藏儲(chǔ)量在我國天然氣探明儲(chǔ)量中的比重幾乎占到50%，分布也極為廣泛，在鄂爾多斯盆地、川西地區(qū)、大慶深層、塔里木深層、渤海灣地區(qū)深層、柴達(dá)木盆地等都有低滲透氣藏的發(fā)現(xiàn)，這些低滲透致密氣藏已成為我國今后重要的天然氣供應(yīng)氣源地。由于低滲透氣藏儲(chǔ)層物性差，儲(chǔ)量豐度低，儲(chǔ)層容易受到傷害，開發(fā)難度大、效益差，因此針對(duì)低滲透氣藏自身特征，研究低滲透氣藏的滲流機(jī)理對(duì)于低滲透氣藏合理、有效的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

    自從20世紀(jì)40年代初，Klinkenberg^[1]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了氣體在微細(xì)毛管孔道中流動(dòng)時(shí)存在滑脫效應(yīng)，并且給出了考慮滑脫效應(yīng)的氣測滲透率數(shù)學(xué)表達(dá)式以后，很多學(xué)者對(duì)低滲透氣藏氣體的滲流機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，并且提出了許多新的認(rèn)識(shí)和研究成果。這些觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)大部分是一致的，但是也有不少觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)存在著很大的分歧，這就導(dǎo)致多年來低滲透氣藏的滲流機(jī)理一直存在不確定性^[2～3]。筆者總結(jié)了低滲透砂巖氣藏氣體滲流機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀，并提出一些新的認(rèn)識(shí)。

    考慮滑脫效應(yīng)的氣測滲透率數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

 

式中：K_g為氣測視滲透率，10^-3μm²；K_e為克氏滲透率，10^-3μm²；為巖心進(jìn)出口平均壓力，MPa；b為滑脫因子。

滑脫因子(6)是一個(gè)與巖石孔隙結(jié)構(gòu)和氣體性質(zhì)及平均孔隙壓力有關(guān)的參數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式：

 

式中：C為近似于1的比例常數(shù)；λ為平均壓力下的氣體平均自由程；r為多孔介質(zhì)平均毛細(xì)管(孔隙)半徑；d為氣體分子直徑；行為分子密度。

    也可以通過滲透率值來求出滑脫系數(shù)b，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

 

    由于喉道半徑和分子自由程都難以準(zhǔn)確界定，而不同孔隙壓力下的視滲透率和絕對(duì)滲透率在實(shí)驗(yàn)中很容易獲得，因此式(3)是實(shí)驗(yàn)過程中求解氣體滑脫系數(shù)的常用方法。

    從上面的表達(dá)式可以看出，同一巖石的氣測滲透率值大于液測滲透率；平均壓力越小，氣測滲透率K_g越大；同一巖石不同氣體所測的滲透率也不同；巖石越致密，孔道半徑越小，滑脫因子(6)越大，滑脫現(xiàn)象越嚴(yán)重。

    氣體在巖石中滲流時(shí)發(fā)生滑脫效應(yīng)的主要原因是氣體分子在多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，氣體分子在多孔介質(zhì)中存在兩種運(yùn)動(dòng)形式：一種是分子之間相互碰撞的運(yùn)動(dòng)形式，另一種是分子與孔隙固壁之間相互碰撞的運(yùn)動(dòng)形式。這兩種碰撞作用的物理機(jī)制是不同的，一種是能量在氣體分子內(nèi)部的傳遞，另一種則是氣體分子受外部力量作用能量增加，體現(xiàn)在宏觀的氣體滲流規(guī)律上就是在一定條件下氣體滑脫效應(yīng)的產(chǎn)生，即視滲透率大于絕對(duì)滲透率。

目前，氣體滑脫效應(yīng)的研究成果及認(rèn)識(shí)都是基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，與真實(shí)氣藏氣體的滲流過程相比，存在很大的局限性。在這一點(diǎn)上筆者比較贊同郭平教授的觀點(diǎn)：“氣體在多孔介質(zhì)中的滑脫效應(yīng)是在低壓下產(chǎn)生的現(xiàn)象，而實(shí)際低滲透致密氣藏的廢棄壓力很高，在這一壓力范圍內(nèi)氣體在儲(chǔ)層中不會(huì)發(fā)生滑脫現(xiàn)象，因此在低滲透氣藏的實(shí)際生產(chǎn)過程中沒有必要考慮滑脫效應(yīng)的影響^[4]。實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。

 

   圖1是須家河低滲透致密砂巖儲(chǔ)層一組巖心的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明不同巖心的視滲透率變化主要發(fā)生在孔隙平均壓力很低的區(qū)域，可以看到當(dāng)孔隙壓力大于1MPa后，巖心的氣測滲透率變化明顯減小而且逐漸趨于穩(wěn)定。由此可見，氣體在多孔介質(zhì)中的滑脫效應(yīng)確實(shí)只存在于低壓狀態(tài)下，在實(shí)際的低滲透氣藏開發(fā)過程中可以完全不予考慮其對(duì)氣體滲流能力及開發(fā)效果的影響。

    在低滲透油藏開發(fā)過程中，啟動(dòng)壓力梯度存在并且會(huì)對(duì)低滲透油藏的開發(fā)效果產(chǎn)生影響這一觀點(diǎn)已經(jīng)被油氣藏工程師們廣泛接受，而且近年來滲流所在低滲透油藏領(lǐng)域成功地開發(fā)出了低滲透油藏的非線性滲流模型^[5]，很好地解決了由于啟動(dòng)壓力的存在對(duì)油藏開發(fā)效果模擬計(jì)算的影響，使得目前的數(shù)值計(jì)算結(jié)果更加符合低滲透油藏開發(fā)的實(shí)際情況。

    但是就低滲透氣藏氣體滲流的過程中是否存在啟動(dòng)壓力梯度這一問題，國內(nèi)外的油氣田開發(fā)工作者們還存在很大爭議。為此，對(duì)低滲透氣藏氣體滲流是否存在啟動(dòng)壓力梯度進(jìn)行了室內(nèi)測試，其測試結(jié)果見圖2。

 

    從圖2中可以看出，曲線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)不為0，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與低滲透油藏一樣，低滲透氣藏氣體滲流過程中確實(shí)存在啟動(dòng)壓力梯度。

    需要注意的是，在直角坐標(biāo)系中一般難以觀察到啟動(dòng)壓力梯度存在，過去很多學(xué)者都是在直角坐標(biāo)系中得到了氣體滲流不存在啟動(dòng)壓力梯度的結(jié)論^[4]，而在半對(duì)數(shù)直角坐標(biāo)中可以非常清楚地看到氣體滲流存在啟動(dòng)壓力梯度。存在這啟動(dòng)壓力梯度是造成低滲透致密氣藏開發(fā)過程中產(chǎn)量小，最終采出程度較低的原因之一。

    礦場試驗(yàn)研究結(jié)果表明，低滲透氣藏開發(fā)過程中由于近井地帶生產(chǎn)壓差大，氣體流速過高，導(dǎo)致氣體發(fā)生紊流，產(chǎn)生高速非達(dá)西流效應(yīng)，從而造成近井儲(chǔ)層的附加阻力，不利于低滲透氣田的開發(fā)。

    由于高速非達(dá)西流效應(yīng)的影響，近井地帶儲(chǔ)層視滲透率可表示為：

 

式中：K_a為高速非達(dá)西流下的氣測滲透率，10^-3μm²；β為非達(dá)西紊流因子；v為氣體滲流速度，cm/s；ρ為氣體密度，g/cm³；μ為氣體黏度，mPa·s。

    由此可知，氣體滲流速度越高，非達(dá)西紊流(β)因子越大，儲(chǔ)層的視滲透率就越低，附加阻力也就越大。

    室內(nèi)低滲透巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：低滲透氣藏發(fā)生高速非達(dá)西效應(yīng)時(shí)存在臨界條件，當(dāng)?shù)蜐B透氣藏儲(chǔ)層滲透率太低(小于0.1×10^-3μm²)時(shí)，由于氣體的滲流速度受到限制，一般很難達(dá)到發(fā)生紊流需要的速度(圖3)，因此氣體滲流一般不會(huì)產(chǎn)生高速非達(dá)西流效應(yīng)。但是當(dāng)儲(chǔ)層滲透率大于0.1×110^-3μm²或者更大，那么氣體在儲(chǔ)層的滲流過程中，在較大的生產(chǎn)壓差下容易發(fā)生紊流，產(chǎn)生高速非達(dá)西流效應(yīng)(圖4)。因此，對(duì)于滲透率大于0.1×10^-3μm²的低滲透氣藏，在氣藏開發(fā)的模擬計(jì)算過程中，必須考慮高速非達(dá)西效應(yīng)對(duì)氣體滲流能力及開發(fā)效果的影響。

 

    根據(jù)克氏理論，低滲透巖心含束縛水時(shí)氣體滑脫效應(yīng)隨含水飽和度的增加而增加。而Rose和Fulton等人卻給出了與克氏理論相矛盾的研究結(jié)論^[6～7]。Rose是第一個(gè)對(duì)含水飽和度影響滑脫效應(yīng)進(jìn)行研究的人，他分別對(duì)人造巖心和天然巖心進(jìn)行了氣體相對(duì)滲透率的實(shí)驗(yàn)研究，其研究得到的結(jié)果與克氏理論是相矛盾的。Rose發(fā)現(xiàn)砂巖巖心氣體滑脫因子隨含水飽和度的增加而降低。Fulton的實(shí)驗(yàn)研究得到了和Rose同樣的結(jié)論，不過這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都是在含水飽和度低于30%的條件下進(jìn)行的。后來許多學(xué)者都得到了與Rose一樣的研究結(jié)論^[8]，但是對(duì)形成這一現(xiàn)象的原因一直沒有明確的解釋。

    筆者的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與Rose得到的結(jié)論完全一致，就是氣體在低滲透巖心中的克氏效應(yīng)隨含水飽和度的增加而明顯減弱，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5、6。

 

    圖5是滲透率為0.3×10^-3μm²的低滲透巖心在不同含水飽和度下(62%～23%)克氏曲線的分布規(guī)律?？梢钥吹疆?dāng)含水飽和度大于60%時(shí)，氣體的克氏曲線特征表現(xiàn)為液相滲流的特征，即隨驅(qū)替壓力增加，巖心滲透率有減小的趨勢，曲線的斷點(diǎn)是由于高含水飽和度下，含水飽和度難以控制、變化較大的結(jié)果；當(dāng)含水飽和度降到50%時(shí)，克氏曲線變化幅度很小，整個(gè)滲流過程中滲透率幾乎不發(fā)生變化；當(dāng)含水飽和度降到40%左右，氣體滲流的克氏曲線開始表現(xiàn)出不含水的單相氣體滲流特征，滲透率隨平均壓力降低而增加，開始表現(xiàn)出滑脫效應(yīng)；當(dāng)含水飽和度降低到30%左右時(shí)，氣體滲流過程中的滑脫效應(yīng)更加明顯；當(dāng)含水飽和度降到20%左右時(shí)，氣體滲流的克氏曲線接近于不含水的單相氣體滲流特征，而且在低壓下出現(xiàn)強(qiáng)滑脫現(xiàn)象，高壓下還表現(xiàn)出了高速非達(dá)西流效應(yīng)，而且隨含水飽和度增加，啟動(dòng)壓力梯度增大，高速非達(dá)西流效應(yīng)減弱，但是其滲流特征與不含水單相氣體的滲流特征已經(jīng)非常相近。

    圖6是滲透率為0.013×10^-3μm²的特低滲透巖心在不同含水飽和度下(65.2%～27.8%)克氏曲線的分布規(guī)律。其克氏曲線分布特征與圖5基本一致，同樣是在高含水飽和度下氣體的滲流特征表現(xiàn)出液相滲流特征，隨含水飽和度的降低，出現(xiàn)單相氣體的克氏曲線滲流特征。氣體滲流的克氏效應(yīng)隨含水飽和度的降低而逐漸增強(qiáng)。

   筆者認(rèn)為在不同含水飽和度下氣體的滲流特征其實(shí)與克氏理論并不矛盾，雖然克氏理論強(qiáng)調(diào)，巖心的喉道半徑越小，就越容易發(fā)生滑脫效應(yīng)，但那是就固定的多孔介質(zhì)而言的，對(duì)于越致密的儲(chǔ)層，喉道半徑越小，越容易發(fā)生滑脫效應(yīng)，這種說法是完全正確的；但是對(duì)于由于含水飽和度的增加而造成的喉道半徑減小是否會(huì)增加其滑脫效應(yīng)，克氏理論未作進(jìn)一步解釋。

   氣體之所以能夠產(chǎn)生滑脫效應(yīng)，最關(guān)鍵的原因是氣體分子與孔隙固壁碰撞的結(jié)果，由于低壓下氣固之間分子的引力很小，所以就產(chǎn)生了滑脫效應(yīng)，但是對(duì)于喉道壁面附著水的多孔介質(zhì)，氣體在滲流過程中氣體分子主要與附著水的喉道壁面碰撞，而氣水分子間的引力與氣固之間相比要大得多，因此在巖心含水飽和度很高時(shí)，氣體在巖心中滲流不會(huì)發(fā)生滑脫效應(yīng)，隨著含水飽和度降低，氣固之間的分子碰撞增多，滑脫效應(yīng)又逐漸表現(xiàn)出來。

    1) 氣體在多孔介質(zhì)中的滑脫效應(yīng)是在低壓下產(chǎn)生的現(xiàn)象，而實(shí)際低滲透致密氣藏的廢棄壓力很高，在這一壓力范圍內(nèi)氣體在儲(chǔ)層中不會(huì)發(fā)生滑脫現(xiàn)象，因此在低滲透氣藏的實(shí)際生產(chǎn)過程中沒有必要考慮滑脫效應(yīng)的影響。

    2) 低滲透氣藏氣體滲流過程中存在啟動(dòng)壓力梯度，而且滲透率越低啟動(dòng)壓力梯度就越大，氣體的滲流能力就越小，開發(fā)效果也就越差。

    3) 低滲透氣藏開發(fā)過程中發(fā)生高速非達(dá)西流效應(yīng)具有臨界滲透率值。當(dāng)?shù)蜐B透氣藏儲(chǔ)層有效滲透率小于0.1×10^-3μm²時(shí)，開發(fā)過程中一般不會(huì)發(fā)生高速非達(dá)西流現(xiàn)象；但是當(dāng)儲(chǔ)層有效滲透率大于0.1×10^-3μm²后，開發(fā)過程中容易產(chǎn)生高速非達(dá)西流現(xiàn)象，而且滲透率越大，高速非達(dá)西流效應(yīng)越明顯，近井地帶儲(chǔ)層附加阻力也就越大。

    4) 低滲透氣藏含水飽和度對(duì)于氣體的滲流特征影響很大。隨含水飽和度增加，氣體滲流過程中的克氏效應(yīng)減弱，啟動(dòng)壓力梯度增加，高速非達(dá)西流效應(yīng)減弱。

[1] 孔祥言.高等滲流力學(xué)[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1999：33-35.

[2] 萬風(fēng)軍，盧淵，趙仕俊.低滲透氣藏滑脫效應(yīng)研究現(xiàn)狀及認(rèn)識(shí)[J].新疆石油地質(zhì)，2008，29(2)：229-231.

[3] 李治平，趙必榮.考慮滑脫效應(yīng)的低滲透氣藏試井分析方法[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1991，13(4)：46-58.

[4] 郭平，徐永高，陳召佑，等.對(duì)低滲透氣藏滲流機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究的新認(rèn)識(shí)[J].天然氣工業(yè)，2007，27(7)：86-88.

[5] LEI Q，XIONG W，YUAN J R，et al. Behavior of flow through low-permeability reservoirs [C]//Europec/EAGE Conference and Exhibition，Rome，Italy：SPE，2008.

[6] ROSE W D. Permeability and gas-slippage phenomena[J]. API Drilling and Production Practice，1949：209-217.

[7] FULTON P F. The effect of gas slippage on relative perme ability measurements[J].Producers Monthly，1951，15(12)：14-19.

[8] 郭平，黃偉崗，姜貽偉，等.致密氣藏束縛與可動(dòng)水研究[J].天然氣工業(yè)，2006，26(10)：99-101.

 

(本文作者：高樹生^1，2 熊偉² 劉先貴² 胡志明² 薛惠² 1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院)