用滲流機(jī)理物理模擬技術(shù)研究氣田出水機(jī)理——以澀北氣田為例

摘 要

摘要：出水是制約澀北氣田穩(wěn)產(chǎn)及降低氣田開采效益的主要因素，對(duì)出水機(jī)理的深入、全面認(rèn)識(shí)，是澀北氣田找水、防水和治水措施成功的前提，更是澀北氣田產(chǎn)能建設(shè)及穩(wěn)產(chǎn)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要
摘要：出水是制約澀北氣田穩(wěn)產(chǎn)及降低氣田開采效益的主要因素，對(duì)出水機(jī)理的深入、全面認(rèn)識(shí)，是澀北氣田找水、防水和治水措施成功的前提，更是澀北氣田產(chǎn)能建設(shè)及穩(wěn)產(chǎn)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要保障。澀北氣田屬于多層疏松砂巖的出水氣藏，開采難度大，不確定性因素多，國內(nèi)外相似氣田的開發(fā)理論和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)都很缺乏。目前對(duì)其儲(chǔ)層內(nèi)氣水滲流機(jī)理和出水機(jī)理的認(rèn)識(shí)大部分仍然只是定性的，缺乏量化分析，無法對(duì)防水治水措施的制定提供操作性強(qiáng)的指導(dǎo)，迫切需要全面深化對(duì)疏松砂巖儲(chǔ)層滲流機(jī)理的物理模擬研究。通過調(diào)研國內(nèi)外在疏松砂巖巖心加工、儲(chǔ)層物性參數(shù)測(cè)試的校正、滲流機(jī)理的微觀物理模擬等方面的技術(shù)進(jìn)展，結(jié)合氣田儲(chǔ)層物性特征、氣水兩相的滲流特征以及目前對(duì)氣田出水規(guī)律的認(rèn)識(shí)，探討了氣田出水機(jī)理物理模擬的實(shí)驗(yàn)技術(shù)思路，為下一步室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：氣；水；兩相流動(dòng)；出水；物理模擬；澀北氣田
1 疏松砂巖的制樣與巖心分析技術(shù)
1.1 取心技術(shù)
1.1.1疏松巖心
    巖心筒起出地面后，用干凈的擦拭物清除巖心上的鉆井液或密閉液，將巖心按順序依次放入低溫冷凍箱中，冷凍12h以上后，送實(shí)驗(yàn)室。
1.1.2松散巖心
    在巖心筒中放入特制的塑料套筒，巖心筒起出地面后，用干凈的擦拭物清除套筒上的鉆井液或密閉液。通常將塑料套筒切割成30cm長，按順序依次放入低溫冷凍箱中，在-20～-18℃冷凍狀態(tài)下放置48h后，送實(shí)驗(yàn)室。
1.2 制樣技術(shù)
    制樣時(shí)通過鉆頭上方特制的連接裝置將液氮均勻地噴灑在冷凍巖心及鉆頭內(nèi)，使巖心在鉆取過程中一直保持冷凍堅(jiān)硬狀態(tài)。樣品根據(jù)其分析用途，切割成2.5～10cm長巖心柱；放入低溫冷凍箱中保存待用。
1.3 孔隙度測(cè)量
    疏松砂巖包封樣品的孔隙度宜采用氮?dú)庾⑷敕y(cè)定，使用氮?dú)饪紫抖葴y(cè)定儀。
1.4 孔隙度校正
    影響測(cè)試結(jié)果的主要因素有系統(tǒng)分析誤差、巖心冷凍、降壓膨脹、膠結(jié)物松散、巖心冷凍不實(shí)、巖心變形等。校正分為系統(tǒng)校正、冷凍巖心地面孔隙度校正和地下巖石孔隙度校正。
    根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的巖石壓實(shí)及覆壓資料，做出各層位對(duì)應(yīng)巖樣的地面孔隙度和地下孔隙度相關(guān)關(guān)系式。通過校正得到巖心的地下孔隙度。
1.5 飽和度測(cè)量
    對(duì)于松散巖樣，采用蒸餾抽提法測(cè)定飽和度。對(duì)于不同的氣層，由于巖石和流體性質(zhì)不同，天然氣運(yùn)移時(shí)水動(dòng)力條件不一樣，所以束縛水飽和度差別很大，一般為10%～50%。泥質(zhì)含量越高，滲透性越差，微毛細(xì)管孔隙越發(fā)育，水對(duì)巖石的潤濕性越好，氣水界面張力越大，則油層中束縛水的含量就越高，知道束縛水飽和度，就能夠計(jì)算出氣層原始含氣飽和度。
1.6 飽和度校正
    影響飽和度測(cè)定結(jié)果的因素，主要包括：巖心從地下到地面后天然氣的逸散、冷凍、降壓。含水飽和度測(cè)定的校正大多是依據(jù)鉆井液取心的校正方法進(jìn)行的，主要是為了防止天然氣揮發(fā)的影響。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，直接測(cè)定巖樣的密度、孔隙度、干巖樣質(zhì)量、巖石總體積、巖石內(nèi)含水后，利用公式計(jì)算出巖心的含水飽和度數(shù)據(jù)。
    用孔隙度校正方法將實(shí)驗(yàn)室測(cè)的孔隙度校正為地下孔隙度，然后計(jì)算得到地下巖樣含水飽和度值。
1.7 氣水兩相的相對(duì)滲透率測(cè)量
    針對(duì)澀北疏松砂巖的出水機(jī)理研究認(rèn)為，在不同滲流條件下流體飽和度和相對(duì)滲透率的測(cè)量技術(shù)非常關(guān)鍵。常規(guī)相對(duì)滲透率的測(cè)量技術(shù)多是針對(duì)油水兩相設(shè)計(jì)的[1]。
    相對(duì)于油水兩相而言，由于氣相壓縮性大、黏度低、氣水兩相的滲流速度非?？?，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的靈敏度和精度要求將更高。
1.8 壓汞法毛細(xì)管壓力曲線測(cè)定
    通過施加壓力使汞克服孔隙喉道的毛細(xì)管阻力而進(jìn)入喉道，繼而通過測(cè)定毛細(xì)管力來間接測(cè)定巖石的孔隙喉道大小分布。疏松砂巖毛細(xì)管力曲線測(cè)定有以下特點(diǎn)：①巖石孔隙體積測(cè)定中，首先進(jìn)行去空白試驗(yàn)，即用孔隙體積減去包封樣品外的包封套體積；②麻皮效應(yīng)的校正，包括非潤濕相汞由包封套外進(jìn)入疏松砂巖巖心周圍的麻皮效應(yīng)和汞在巖樣表面附著引起的虛假侵入麻皮效應(yīng)；③總進(jìn)汞飽和度測(cè)定中，應(yīng)減去包封樣品的麻皮效應(yīng)所產(chǎn)生的誤差值。
2 微觀滲流物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)
2.1 一維飽和度測(cè)量技術(shù)
    近年來，德士古公司、美孚開發(fā)中心、BP研究中心、斯坦福大學(xué)等對(duì)一維巖心飽和度的測(cè)量技術(shù)有了許多新發(fā)展。歸納起來，一維巖心飽和度測(cè)量技術(shù)主要有以下方法：①電阻率法；②X射線CT掃描；③X射線吸收；④放射性元素示蹤法；⑤核磁共振[2]；⑥微波吸收[3]；⑦γ射線衰減飽和度監(jiān)測(cè)法。
2.2 二維可視化微觀模擬技術(shù)
    通過二維可視化物理模擬技術(shù)[4]，可以定性和定量地觀察流體在地層內(nèi)的流動(dòng)變化。二維可視化物理模擬技術(shù)分為間接技術(shù)和直接技術(shù)。間接技術(shù)主要有X射線、γ射線等菹接技術(shù)運(yùn)用光源的照射，通過照相、攝像等使流動(dòng)實(shí)驗(yàn)過程可視化，直接技術(shù)相對(duì)成熟。
    微觀二維物理模擬技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：①通過選擇恰當(dāng)?shù)氖聚檮?，顯示復(fù)雜驅(qū)動(dòng)體系中各組分在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)過程；②研究驅(qū)替過程中水的波及范圍，通過數(shù)字照相、灰度分析等技術(shù)手段，得到飽和度分布等數(shù)據(jù)[4]；③可設(shè)計(jì)直觀的二維可視化物理模型，使實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單化(圖1)。
 

2.3 三維微觀物理模擬技術(shù)
    近年來，三維物理模擬技術(shù)應(yīng)用于微觀滲流實(shí)驗(yàn)得到了迅速發(fā)展。三維物理模擬技術(shù)可用于觀測(cè)微觀三維孔隙結(jié)構(gòu)以及三維滲流動(dòng)態(tài)。但目前仍存在著較大的問題：①觀測(cè)視野以及模擬的對(duì)象太??；②實(shí)驗(yàn)設(shè)備、技術(shù)相對(duì)來說較為復(fù)雜。
2.4 物理模擬的技術(shù)難題
    澀北氣田儲(chǔ)層成巖較差，難以獲取完整的巖性，使巖心代表性差，限制了一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。目前存在以下技術(shù)難題：
2.4.1測(cè)試方法
    對(duì)于束縛水、可動(dòng)水的實(shí)驗(yàn)室模擬，將通過飽和度與相對(duì)滲透率的測(cè)定來表征。相對(duì)于油水兩相，由于天然氣的特殊性，實(shí)驗(yàn)難度大，需要設(shè)計(jì)新型的高精度實(shí)驗(yàn)儀器。
2.4.2巖心制備
    氣田儲(chǔ)層巖石成巖性差，很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目只能選擇一些砂樣制成人工樣品進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)[5]。
2.4.3模型規(guī)模
    氣井出水的機(jī)理包括層內(nèi)水和層間水的水竄，不僅要模擬氣水向井筒內(nèi)的徑向流，還要涉及儲(chǔ)層內(nèi)層間的氣水的線性竄流。因此所研究的區(qū)域應(yīng)該是整個(gè)壓降波及范圍，不僅要考慮微觀可動(dòng)水，更應(yīng)該考慮儲(chǔ)層的宏觀出水，對(duì)模型規(guī)模、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和監(jiān)測(cè)儀器提出了更高的要求。
2.4.4成果轉(zhuǎn)化
    室內(nèi)模型的規(guī)模及實(shí)驗(yàn)條件是否具有代表性，研究成果如何運(yùn)用到實(shí)際氣井的出水動(dòng)態(tài)的定量分析及防水治水的開發(fā)技術(shù)對(duì)策上，是出水機(jī)理物理模擬研究的技術(shù)難點(diǎn)。
3 出水機(jī)理模擬技術(shù)的新進(jìn)展
3.1 研究內(nèi)容不斷深入
    對(duì)于多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流機(jī)理，其研究范圍不斷拓寬，研究內(nèi)容不斷深入。從常規(guī)的簡(jiǎn)單、單一滲流規(guī)律，發(fā)展到目前對(duì)于各種特殊儲(chǔ)層特殊滲流規(guī)律的研究。所涉及的物理現(xiàn)象，從初期的等溫、剛性、物理滲流發(fā)展到目前的非等溫、彈性、考慮流體與介質(zhì)各種物理化學(xué)反映的復(fù)雜滲流過程。
    物理模擬的研究內(nèi)容也不斷深入，由單純的定性機(jī)理研究向?yàn)閿?shù)值模擬研究提供所需各種參數(shù)的定量模擬發(fā)展，從現(xiàn)象模擬向微觀和宏觀的動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)展。
3.2 研究方法不斷改進(jìn)
3.2.1宏觀與微觀模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合
    地層出水發(fā)生在不同的空間尺度，因此需要進(jìn)行不同空間尺度下的模擬實(shí)驗(yàn)研究。
3.2.2實(shí)驗(yàn)?zāi)M與數(shù)值模擬研究相結(jié)合
    數(shù)值模擬是綜合各種地質(zhì)及開發(fā)的靜、動(dòng)態(tài)資料，借助計(jì)算機(jī)，從時(shí)空上定量重現(xiàn)出水及滲流的全過程。目前，數(shù)值模擬研究已經(jīng)超前，而物理模擬研究相對(duì)滯后，對(duì)很多滲流規(guī)律，包括疏松砂巖的出水、出砂機(jī)理認(rèn)識(shí)都還很不完善，運(yùn)用常規(guī)商品化數(shù)值模擬進(jìn)行模擬研究，將導(dǎo)致研究結(jié)果的可信度低，甚至造成開發(fā)決策的風(fēng)險(xiǎn)。
3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備更趨于先進(jìn)
    1) 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀蓡我还δ芟蚨喙δ軕?yīng)用發(fā)展，在一次實(shí)驗(yàn)過程中，能同時(shí)測(cè)量多類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，便于縮短實(shí)驗(yàn)周期，而且由于是在相同條件下測(cè)量的，各類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能具有更好的相關(guān)性。
    2) 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽缦虼笮突l(fā)展。增大實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽?，不僅可以使研究的問題與實(shí)際情況更接近，而且便于構(gòu)造各種地質(zhì)模型，便于安裝更多的測(cè)量敏感元件，達(dá)到精細(xì)研究的目的。
    3) 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)量的精度要求更高，采用最先進(jìn)的新技術(shù)，使實(shí)驗(yàn)更趨于自動(dòng)化，許多參數(shù)更趨于在線測(cè)量。
4 實(shí)驗(yàn)研究取得的一些認(rèn)識(shí)
4.1 束縛水賦存形式
4.1.1孔隙角隅水
    氣驅(qū)水孔道中的死角普遍存在殘余水，這是殘余水存在的主要形式。此類殘余水可存在于兩顆粒之間所夾的死角、礦物表面的溝槽或自生礦物生長造成的凹凸不平的顆粒表面等。
4.1.2微細(xì)孔隙及其包圍的大孔隙中的殘余水
    這些微細(xì)孔隙并不連通，只是因其孔徑十分細(xì)小，非潤濕相(氣)難以克服微細(xì)孔隙產(chǎn)生的毛細(xì)管阻力而進(jìn)入這些孔隙。
4.1.3繞流形成的殘余水
    由于儲(chǔ)集巖的非均質(zhì)性，氣驅(qū)水時(shí)水所受到的毛細(xì)管阻力也有較大的差異，驅(qū)替相(氣)總是沿那些孔徑較大而阻力較小的通道快速前進(jìn)，產(chǎn)生繞流。繞流往往把大片的較小孔隙以及小孔隙包圍的孔隙繞過，在這些孔隙中形成繞流型殘余水。
4.2 可動(dòng)水形成機(jī)理
    束縛水的存在位置主要是巖石顆粒表面、死孔隙和細(xì)小的喉頸部位。當(dāng)束縛水可動(dòng)后，在喉道轉(zhuǎn)彎處和孔道狹窄處聚集，形成段塞狀的可動(dòng)水，而在大孔道內(nèi)可動(dòng)水不易聚集?？蓜?dòng)水的流動(dòng)方式主要有貼壁流和段塞流。
    隨著壓力的進(jìn)一步降低，可動(dòng)水越來越多，逐漸充填孔隙角隅和小孔道，小孔隙內(nèi)形成連續(xù)流動(dòng)，大孔道內(nèi)則表現(xiàn)為貼壁流和溪狀流，可動(dòng)水將加速運(yùn)移。包括以下幾種典型的流動(dòng)狀態(tài)：①部分束縛水被氣攜帶一起流動(dòng)，穿過大部分孔隙；②附著在孔隙壁上的水在壓力和氣體流動(dòng)產(chǎn)生的表面張力聯(lián)合作用下，沿著孔隙壁向前爬行形成貼壁爬行流；③可動(dòng)水逐漸聚集，形成段塞后，將堵塞氣流動(dòng)的通道，由于可動(dòng)水段塞堵塞造成后續(xù)的氣相壓力不斷升高，推動(dòng)水柱向外流動(dòng)；④當(dāng)氣相壓力增加到能夠克服水柱段塞阻力時(shí)，氣從孔隙的軸心突入，并同時(shí)在孔壁上留下一層厚薄不同的水膜，水膜沿孔隙壁爬行，原來被堵塞的孔隙重新成為氣流動(dòng)的通道；⑤當(dāng)段塞被突破，孔隙重新成為氣液流動(dòng)的通道后，可動(dòng)水又開始聚集，并逐漸演變?yōu)橄乱粋€(gè)段塞，這個(gè)過程在氣液流動(dòng)過程中將循環(huán)往復(fù)，周而復(fù)始。
4.3 出水氣藏開發(fā)的微觀機(jī)理
    在表面張力及毛細(xì)管力的作用下，水氣界面形成一個(gè)凹向氣相的彎液面，欲使氣相驅(qū)動(dòng)液相流向井筒，就必須克服這一毛細(xì)管阻力和流體的界面阻力，如果地層的能量不足以克服上述阻力，就不能把液相塞驅(qū)開而造成損害，即“氣藏出水的二次污染”，由于天然氣被可動(dòng)水柱塞束縛在孔隙中，造成了天然氣采收率的下降。
可動(dòng)水主要存在于小孔隙和與孔隙相連的喉道處。在小孔隙中，可動(dòng)水主要以段塞形式存在，并且不易流動(dòng)，占據(jù)了流動(dòng)通道；位于喉道中的可動(dòng)水由于毛細(xì)管力作用，封閉了兩側(cè)的孔隙，減小了滲流通道，降低了氣相滲流能力。
由于孔隙的微觀非均質(zhì)性，孔隙和喉道尺寸分布不均，打孔隙和小孔隙交互分布，可動(dòng)水在小孔道中形成的段塞不僅堵塞了小孔道，在小孔隙包圍大孔隙的情況下也使大大減小了天然氣的流動(dòng)空間，使氣相滲透率急劇下降，導(dǎo)致氣井的產(chǎn)能下降。
對(duì)于孔隙半徑大、滲透率小的儲(chǔ)層，可動(dòng)水將大幅度降低天然氣相滲透率，影響氣井產(chǎn)能。
4.4 出水的主要影響因素
束縛水的影響因素包括：泥質(zhì)含量、潤濕性?？蛇\(yùn)用面積統(tǒng)計(jì)法評(píng)價(jià)不同泥質(zhì)含量、不同潤濕性條件下束縛水的分布特點(diǎn)及飽和度大小。
可動(dòng)水流動(dòng)狀態(tài)的影響因素包括束縛水含量、束縛水分布等，運(yùn)用面積統(tǒng)計(jì)法評(píng)價(jià)不同印象因素下束縛水的分布特點(diǎn)及飽和度大小。
影響因素的定性分析結(jié)論是：滲透率越大，殘余水飽和度就越低；滲透率越低，孔喉就越細(xì)小，孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性也越強(qiáng)，微細(xì)孔隙及其包圍大孔隙中的殘余水和繞流形成的殘余水?dāng)?shù)量也就越多，殘余水飽和度越高。
5 結(jié)論和建議
筆者在調(diào)研國內(nèi)外對(duì)氣水兩相滲流物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究的成果基礎(chǔ)上，結(jié)合澀北氣田的儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)與滲流特征，探討了澀北氣田出水機(jī)理的物流模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)思路，為下一步室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
下一步需要攻關(guān)的技術(shù)難題包括：
1) 在含水飽和度的測(cè)量和測(cè)井解釋參數(shù)計(jì)算模型里，如何區(qū)分束縛水和可動(dòng)水[6]？
2) 制造人造巖心進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，如何提高及驗(yàn)證人造巖心的仿真程度？
3) “疏松砂巖”的疏松程度如何定量模擬？壓實(shí)擠水和水竄水如何模擬？
4) 物理模擬的相似準(zhǔn)則[6]如何確定？
    5) 利用氣驅(qū)水方式建立束縛水飽和度的過程中，不同的氣驅(qū)壓力、氣驅(qū)速度、氣驅(qū)面積大小都會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，如何定量評(píng)價(jià)？
    6) 保持真實(shí)巖樣內(nèi)的膠結(jié)物和孔隙充填物是建立束縛水飽和度的關(guān)鍵，但疏松砂巖磨片后很難保持成型，若要保持成型并且經(jīng)受5～15MPa的實(shí)驗(yàn)壓力范圍(目前玻璃夾板模型的承壓范圍是0.08～0.1MPa，耐穩(wěn)范圍：小于等于80℃)，需要讓巖樣具有一定大小的規(guī)模，但其透光性又難以保證。需要進(jìn)行單面可視化，即“實(shí)物成像”或“實(shí)物投影”。在這種模型中如何識(shí)別束縛水和可動(dòng)水？
    7) 巖樣中束縛水變?yōu)榭蓜?dòng)水到可動(dòng)水流出巖樣存在時(shí)間滯后，如何利用物理原理和數(shù)學(xué)方法校正外部計(jì)量測(cè)定的可動(dòng)水與巖樣中可動(dòng)水的對(duì)應(yīng)關(guān)系？
    8) 通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到，束縛水飽和度是氣體滲流速度的函數(shù)，具有速敏。機(jī)理實(shí)驗(yàn)需要深入認(rèn)識(shí)這個(gè)問題，從束縛水的存在形式上分析哪些束縛水是具有速敏？
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(本文作者：張培平 中國石油青海油田公司)