低滲透氣藏開發(fā)機(jī)理研究進(jìn)展

摘 要

摘要：我國(guó)低滲透氣藏處于開發(fā)早期，尚有許多機(jī)理問(wèn)題有待研究解決。通過(guò)對(duì)當(dāng)前研究較多的氣水滲流機(jī)理、儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性、非均質(zhì)儲(chǔ)層供氣機(jī)理等進(jìn)行總結(jié)分析后認(rèn)為：我國(guó)低滲透氣
摘要：我國(guó)低滲透氣藏處于開發(fā)早期，尚有許多機(jī)理問(wèn)題有待研究解決。通過(guò)對(duì)當(dāng)前研究較多的氣水滲流機(jī)理、儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性、非均質(zhì)儲(chǔ)層供氣機(jī)理等進(jìn)行總結(jié)分析后認(rèn)為：我國(guó)低滲透氣藏大多是陸相沉積儲(chǔ)層，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)，孔隙內(nèi)氣水分布與滲流機(jī)理復(fù)雜，存在低速非線性滲流特征；不同地區(qū)、不同類型儲(chǔ)層巖石應(yīng)力敏感特征不同，儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性對(duì)氣藏開發(fā)的影響及其在實(shí)際生產(chǎn)中的表象還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究；依據(jù)儲(chǔ)層地質(zhì)特征建立的非均質(zhì)儲(chǔ)層供氣動(dòng)態(tài)物理模擬方法，為研究分析不同滲透性儲(chǔ)層區(qū)域的供氣機(jī)理和能力提供了手段，也為研究非均質(zhì)低滲氣層的動(dòng)用條件，預(yù)測(cè)低滲透氣藏的動(dòng)用程度以及優(yōu)化井網(wǎng)部署、氣井配產(chǎn)、產(chǎn)能預(yù)測(cè)等提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。
關(guān)鍵詞：低滲透油氣藏；開發(fā)；滲流；機(jī)理；應(yīng)力敏感；儲(chǔ)集層；進(jìn)展
    我國(guó)低滲透油氣資源豐富，近幾年新增探明油氣儲(chǔ)量中，低滲透比例達(dá)到70%，在鄂爾多斯、川渝、塔里木、大慶等地區(qū)均有大量分布。在2009年于北京召開的中國(guó)低滲透(致密)油氣勘探開發(fā)技術(shù)研討會(huì)上，多位專家提出低滲透資源將是中國(guó)未來(lái)油氣發(fā)展的主流[1]。因此，搞好低滲透氣藏的開發(fā)對(duì)天然氣工業(yè)發(fā)展將起到重要的作用。
    然而，我國(guó)低滲透天然氣開發(fā)起步較晚，傳統(tǒng)的滲流理論和氣藏工程方法無(wú)法完全滿足低滲透氣藏開發(fā)的需求，低滲透氣藏滲流機(jī)理與中高滲透氣藏存在較大差異，其影響因素多，情況錯(cuò)綜復(fù)雜，目前對(duì)地層條件下的氣水滲流規(guī)律，儲(chǔ)層在開發(fā)過(guò)程中的變化特征，非均質(zhì)儲(chǔ)層不同區(qū)域的供氣機(jī)理等還不是很清楚，需要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，掌握低滲透氣藏開發(fā)的特點(diǎn)規(guī)律，抓準(zhǔn)影響開發(fā)效果的主要矛盾，才能有針對(duì)性地采取措施，形成配套技術(shù)，提高氣井產(chǎn)量和最終采收率。
1 低滲透氣藏開發(fā)機(jī)理問(wèn)題探討
    我國(guó)大多數(shù)低滲透氣藏具有低孔隙度、低滲透率、高含水飽和度、高應(yīng)力敏感性、高毛細(xì)管壓力、膠結(jié)物和泥質(zhì)含量較高等特點(diǎn)，致使其開發(fā)機(jī)理與中高滲透氣藏具有明顯的不同。
1.1 非線性滲流機(jī)理
    對(duì)于低滲透氣藏非線性滲流的研究，目前研究較多的是氣體滑脫效應(yīng)和啟動(dòng)壓力梯度。早在1941年，克林肯貝格在實(shí)驗(yàn)中就發(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)，滑脫效應(yīng)的大小受氣體分子大小、毛細(xì)管大小和氣體平均壓力等因素影響[2]。對(duì)于某一特定的低滲透氣藏，開發(fā)過(guò)程中其氣體組分變化不大，滑脫效應(yīng)影響程度的大小主要由儲(chǔ)層巖石孔隙大小(或滲透率)和氣藏壓力共同決定，巖石越致密，滲透率越低，氣藏壓力越低，則滑脫效應(yīng)越顯著。2007年，羅瑞蘭等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，分析了滑脫效應(yīng)對(duì)儲(chǔ)層滲流的影響程度，認(rèn)為只有在超低滲透的致密儲(chǔ)層中，在低壓條件下滑脫效應(yīng)對(duì)氣體的滲流流量才會(huì)體現(xiàn)出一定的影響[3]，例如當(dāng)儲(chǔ)層有效滲透率大于0.1mD、地層平均壓力大于5MPa時(shí)，滑脫效應(yīng)對(duì)氣體滲流量的影響程度小于5%。因此，可以認(rèn)為，滑脫效應(yīng)只是一個(gè)在室內(nèi)低壓實(shí)驗(yàn)時(shí)需要注意的參數(shù)，而在實(shí)際氣藏的生產(chǎn)過(guò)程中，由于地層壓力一般都較高(即使到衰竭開采后期井底壓力一般也會(huì)在2MPa以上)，不論是中高滲透還是低滲透氣藏，都不需要考慮滑脫效應(yīng)的影響。
    啟動(dòng)壓力梯度定義為作用在流體上的壓差達(dá)到一定程度時(shí)，流體克服黏滯力開始流動(dòng)時(shí)的壓力梯度。在低滲透氣藏中，氣體滲流是否存在啟動(dòng)壓力梯度以及啟動(dòng)壓力梯度產(chǎn)生的條件一直是石油工作者研究和爭(zhēng)論的焦點(diǎn)之一。持肯定觀點(diǎn)的學(xué)者認(rèn)為天然氣在高溫高壓條件下與孔隙界面會(huì)產(chǎn)生一定的界面效應(yīng)，或因?yàn)榭紫吨兴拇嬖诙率箽怏w滲流存在一定的啟動(dòng)壓力梯度。持否定觀點(diǎn)的研究人員認(rèn)為天然氣分子小，易于流動(dòng)，在孔隙介質(zhì)中流動(dòng)不存在啟動(dòng)壓力梯度，如果說(shuō)因?yàn)榭紫吨泻幸欢柡投鹊乃率箽怏w在某些條件下不流動(dòng)，應(yīng)歸于兩相滲流的問(wèn)題。筆者認(rèn)為：?jiǎn)?dòng)壓力梯度概念能較好的反映氣體流動(dòng)的動(dòng)態(tài)特征，綜合反應(yīng)了儲(chǔ)層物性、含水及驅(qū)動(dòng)壓力對(duì)氣體滲流的影響，在滲流方程中引入啟動(dòng)壓力梯度，能更好地描述低滲儲(chǔ)層的滲流特征，確定氣井的有效動(dòng)用范圍，為低滲氣藏開發(fā)井距的確定和井網(wǎng)優(yōu)化部署提供依據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，同一物性巖樣，含水飽和度越大，啟動(dòng)壓力梯度越大；巖石物性越差，啟動(dòng)壓力梯度越大，并且受含水飽和度影響更顯著(圖1)。
 

1.2 儲(chǔ)層孔隙中水的可流動(dòng)性
    我國(guó)低滲透砂巖氣藏含水飽和度較高，如蘇里格氣田大多在40%～80%之間，廣安須家河組氣藏多在50%～75%之間(巖心分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì))。對(duì)于開發(fā)過(guò)程中地層水是否會(huì)流動(dòng)，開展了一系列的實(shí)驗(yàn)研究。一種方法是選取鉆井取心的新鮮巖樣，運(yùn)用核磁測(cè)試確定其含水飽和度，該方法能區(qū)分出其中的束縛水和可動(dòng)水[4]。通過(guò)蘇里格氣田2口井的巖心分析表明，其可動(dòng)水飽和度多在1%～5%之間。再就是將巖樣飽和水后進(jìn)行不同壓差氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著氣驅(qū)壓力的逐步增大，巖樣中的含水飽和度逐漸減小，表明孔隙中的殘余水飽和度與氣驅(qū)壓差存在一定關(guān)系，氣流速度的增大將帶動(dòng)水的流動(dòng)。另外從微觀玻璃可視化模型的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)可清晰地觀測(cè)到，當(dāng)氣驅(qū)水的驅(qū)替壓力較小時(shí)(氣流速度小)，首先驅(qū)動(dòng)的是相對(duì)大孔隙中的水，隨著氣驅(qū)壓力的增大，逐漸將小一些孔隙中的水驅(qū)動(dòng)。氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)結(jié)束后孔隙中的殘余水主要是由于卡斷和繞流現(xiàn)象形成，賦存在喉道、盲孔和細(xì)小喉道包圍的孔隙中[5]，低滲儲(chǔ)層由于孔隙吼道細(xì)小、孔喉比大，卡斷和繞流現(xiàn)象將更為明顯，形成的殘余水飽和度更高。
1.3 儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性
    低滲透儲(chǔ)層巖石孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，吼道細(xì)小，應(yīng)力的變化致使其孔喉細(xì)微的變化，就可能引起其滲透率相對(duì)值的較大變化，產(chǎn)生較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性。對(duì)于不同類型儲(chǔ)層由于巖石礦物與孔隙結(jié)構(gòu)的差異，其孔隙度和滲透率隨有效壓力的變化特征有所不同，總的來(lái)說(shuō)，低滲透儲(chǔ)層開發(fā)過(guò)程中的滲透率隨有效壓力的變化均可用冪函數(shù)表達(dá)，初始滲透率越低，下降速率越快，下降幅度越大。但不同類型儲(chǔ)層又有很大的差異，除裂縫型儲(chǔ)層和孔隙型差別很大外，不同地區(qū)不同巖類的滲透率隨有效壓力變化也有很大的不同。研究中選取常規(guī)滲透率相近(K=0.3～0.6mD)的不同氣藏巖樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。隨著有效壓力的增大，大慶火山巖的滲透率下降慢，下降幅度??；蘇里格氣田滲透率下降速率最快。在相同有效壓力下的滲透率下降幅度大小依次是：蘇里格砂巖＞川渝上三疊統(tǒng)須家河組砂巖＞塔里木迪那砂巖＞大慶火山巖。
 

    對(duì)于儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性的研究，重點(diǎn)還要分析其對(duì)氣藏開發(fā)的影響，目前很多研究者通過(guò)在產(chǎn)能方程中引入一個(gè)考慮應(yīng)力敏感的系數(shù)，評(píng)價(jià)儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性對(duì)氣井產(chǎn)能的影響，進(jìn)而分析其對(duì)氣藏開發(fā)的影響。但是，對(duì)于該系數(shù)的確切定義和取值范圍還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，很多都是假設(shè)一組數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)應(yīng)力敏感性對(duì)氣井產(chǎn)能的影響，不能解決實(shí)際生產(chǎn)的問(wèn)題。近年來(lái)中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院在這方面做了一些研究性的探索，其一是通過(guò)巖心實(shí)驗(yàn)分析求取應(yīng)力敏感系數(shù)，其二是通過(guò)試井分析方法確定應(yīng)力敏感系數(shù)，在此基礎(chǔ)上再分析應(yīng)力敏感性對(duì)氣井產(chǎn)能和開發(fā)動(dòng)態(tài)的影響[6～7]，初步將室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析、理論研究和生產(chǎn)應(yīng)用進(jìn)行了有機(jī)的結(jié)合。
1.4 非均質(zhì)儲(chǔ)層供氣機(jī)理
    我國(guó)油氣儲(chǔ)層以陸相碎屑巖為主，具有砂體規(guī)模小，平面上連通性差，非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。因此，在氣田開發(fā)中通常將儲(chǔ)層劃分為好(Ⅰ類)、中(Ⅱ類)、差(Ⅲ類)和非有效(Ⅳ類)四類，其中Ⅰ、Ⅱ類為較好的產(chǎn)層，Ⅲ類為低產(chǎn)層，Ⅳ類為難動(dòng)用儲(chǔ)層。但實(shí)際生產(chǎn)和研究表明，低滲透儲(chǔ)層中隨著生產(chǎn)壓差的增大和流動(dòng)狀況的改善，部分低效層(Ⅲ、Ⅳ類層)將逐步動(dòng)用[8～14]。如何評(píng)價(jià)低效層的動(dòng)用條件與供氣能力，目前國(guó)內(nèi)外開展的研究都不多，主要根據(jù)礦場(chǎng)生產(chǎn)資料或數(shù)值模擬方法進(jìn)行了研究，認(rèn)為非均質(zhì)低滲透氣藏低效儲(chǔ)層的動(dòng)用能力與其自身滲透率和含氣飽和度以及儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性、井附近滲透率、氣井初期產(chǎn)量、氣井工作制度等多種因素有關(guān)[10～15]。為了更直觀地研究低滲透儲(chǔ)層的供氣機(jī)理與供氣能力，我們結(jié)合低滲透氣藏地質(zhì)特征與生產(chǎn)條件，利用現(xiàn)代物理模擬技術(shù)，建立了平面非均質(zhì)儲(chǔ)層供氣機(jī)理物理模型，開展室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)非均質(zhì)低滲氣藏的產(chǎn)量、壓力、動(dòng)用程度等參數(shù)進(jìn)行模擬分析和研究。物理模型的建立主要考慮滲透率相似與過(guò)巖心截面的流量相似的準(zhǔn)則，采用兩個(gè)巖心夾持器串聯(lián)，裝入不同滲透率巖樣，分別代表高滲透區(qū)和低滲透區(qū)，實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。通過(guò)不同方案的實(shí)驗(yàn)分析得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

    1) 實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^好地模擬不同滲透率巖心組合模型衰竭開采時(shí)的壓力、流量變化規(guī)律，對(duì)同一組模型在不同配產(chǎn)條件下模擬生產(chǎn)，分析不同時(shí)間高、低滲透區(qū)的壓力變化特征，隨著氣體的采出，高、低滲透區(qū)壓力都隨時(shí)間下降，生產(chǎn)初期，壓力下降很快，且高滲區(qū)壓力下降速率比低滲區(qū)的要快，生產(chǎn)后期壓力下降速率趨緩。隨配產(chǎn)增大，高滲透區(qū)壓力下降增快非常明顯，尤其是生產(chǎn)初期，壓力迅速下降；低滲區(qū)壓力也隨著配產(chǎn)的增大壓力下降速率加快，但當(dāng)配產(chǎn)增大到一定程度時(shí)，其壓力下降速率趨緩。這一現(xiàn)象說(shuō)明，低滲透區(qū)存在動(dòng)用極限，配產(chǎn)高至一定程度后再增大，對(duì)外圍低滲透區(qū)的影響程度已到極限。
2) 開采初期，以高滲透區(qū)供氣為主，高滲透區(qū)產(chǎn)量遠(yuǎn)大于低滲透區(qū)產(chǎn)量；開采后期即穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束后，高滲透區(qū)產(chǎn)量遞減很快，而低滲透區(qū)產(chǎn)量遞減比較緩慢，且低滲透區(qū)產(chǎn)量貢獻(xiàn)率逐漸增大，即生產(chǎn)后期小產(chǎn)量生產(chǎn)時(shí)以低滲透區(qū)供氣為主(圖4)。低滲透區(qū)滲透率越高，則產(chǎn)量貢獻(xiàn)率越大。
 

    3) 單井外圍低滲透區(qū)滲透率大小對(duì)高滲透區(qū)采收率影響不大，對(duì)低滲透區(qū)的采收率影響顯著，隨著低滲透區(qū)滲透率的降低，其采收率也降低，說(shuō)明低滲透儲(chǔ)層存在滲透率下限，當(dāng)滲透率低于下限值時(shí)，采出氣量有限。
2 低滲透氣藏開發(fā)機(jī)理研究發(fā)展方向
    隨著我國(guó)低滲透油氣藏開發(fā)的規(guī)模化發(fā)展，開發(fā)機(jī)理方面的研究也隨之蓬勃發(fā)展，通過(guò)調(diào)研分析，筆者認(rèn)為在基礎(chǔ)理論和生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中，還需要加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究。
    1) 地層條件下水的賦存狀態(tài)與開發(fā)過(guò)程中的流動(dòng)特征研究，宏觀上低滲透氣藏的氣水分布關(guān)系復(fù)雜，微觀上孔隙內(nèi)含水多少和水的賦存狀態(tài)對(duì)氣體滲流影響顯著，需要通過(guò)生產(chǎn)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)分析進(jìn)行深入研究。
    2) 對(duì)于儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性的研究需要進(jìn)一步結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，目前這方面在實(shí)驗(yàn)室的研究較多，在實(shí)際生產(chǎn)中儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性是如何表現(xiàn)的，通過(guò)什么方法或哪些參數(shù)可以識(shí)別，它對(duì)氣藏開發(fā)的影響具體如何體現(xiàn)等一系列的問(wèn)題尚不清楚。
    3) 低滲透儲(chǔ)層有效動(dòng)用的滲透率下限與動(dòng)用條件問(wèn)題，國(guó)外有些致密氣藏的儲(chǔ)層有效滲透率低至0.001mD也能有效開發(fā)，而我國(guó)大多數(shù)低滲透氣藏的有效儲(chǔ)層下限確定為0.1mD，對(duì)于滲透率低于該界限的儲(chǔ)層是否可動(dòng)用，具有多大的潛力，需要哪些技術(shù)條件才能有效開發(fā)，目前這方面的研究還不多。
    4) 在低滲儲(chǔ)層有效動(dòng)用范圍與采收率評(píng)價(jià)方面，對(duì)于蘇里格這類非均質(zhì)性較強(qiáng)的儲(chǔ)層，有效砂體疊置多樣，橫向上和縱向上的連通性都十分復(fù)雜，如何確定單井的有效動(dòng)用范圍，單井控制范圍的采收率與整個(gè)氣田(或區(qū)塊)的采收率如何評(píng)價(jià)等都需要深入研究。
    5) 對(duì)于機(jī)理研究成果的應(yīng)用還需要結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件，通過(guò)氣藏工程和其他工程技術(shù)的應(yīng)用，才能為提高氣田的開發(fā)效益服務(wù)。具體來(lái)說(shuō)還需要在氣井的合理配產(chǎn)、井網(wǎng)井距優(yōu)化與部署、提高氣田采收率等方面如何進(jìn)一步應(yīng)用開發(fā)機(jī)理等基礎(chǔ)研究得到的規(guī)律性認(rèn)識(shí)。
3 結(jié)束語(yǔ)
    1) 低滲透氣藏儲(chǔ)層中氣水滲流復(fù)雜，影響因素多，應(yīng)加強(qiáng)氣水兩相滲流機(jī)理研究。
    2) 低滲透儲(chǔ)層巖石在實(shí)驗(yàn)分析中均表現(xiàn)出應(yīng)力敏感特征，不同地區(qū)和不同巖石類型具有差異性，在實(shí)際生產(chǎn)中的儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性表現(xiàn)形式及其對(duì)開發(fā)的影響還需要深入研究。
    3) 平面非均質(zhì)低滲透氣藏外圍低滲區(qū)對(duì)氣井生產(chǎn)具有一定補(bǔ)給作用，越到生產(chǎn)后期(氣井低壓小產(chǎn)期)，其產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率越來(lái)越大，但補(bǔ)給作用的大小受儲(chǔ)層滲透率影響。
    4) 開發(fā)機(jī)理研究成果需要進(jìn)一步通過(guò)氣藏工程和其他工程技術(shù)的應(yīng)用，才能更好地為氣田開發(fā)生產(chǎn)服務(wù)。
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(本文作者：朱華銀1，2 朱維耀1 羅瑞蘭2 1.北京科技大學(xué)；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司天然氣成藏與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)