低滲透砂巖氣藏氣體滲流機理實驗研究現狀及新認識

高樹生 熊偉 劉先貴 胡志明 薛惠

1.中國地質大學(北京)能源學院 2.中國石油勘探開發研究院廊坊分院

低滲透砂巖氣藏氣體滲流機理實驗研究現狀及新認識

高樹生1,2熊偉2劉先貴2胡志明2薛惠2

1.中國地質大學(北京)能源學院 2.中國石油勘探開發研究院廊坊分院

研究低滲透氣藏的滲流機理,有利于制訂合理、有效的開發方案。低滲透砂巖氣藏氣體的滲流機理實驗研究主要集中在氣體的滑脫效應、啟動壓力梯度、高速非達西流效應和含水飽和度影響等4個方面。為此,分析總結了國內外有關低滲透砂巖氣藏滲流機理的研究成果,并有針對性地進行了大量低滲透砂巖氣體滲流機理的實驗研究,獲得了一些新認識:①實際生產過程中,由于低滲透氣藏的廢棄壓力很高,故沒有必要考慮滑脫效應的影響;②低滲透氣藏氣體滲流過程中存在啟動壓力梯度,與滲透率呈反比;③低滲透氣藏開發過程中發生高速非達西流效應具有臨界滲透率值;④含水飽和度對低滲透氣藏氣體滲流特征影響很大。上述認識對于低滲透致密砂巖氣藏開發具有指導意義。

低滲透氣藏 滑脫效應 啟動壓力 非達西流 含水飽和度 實驗 現狀 認識

0 引言

近年來低滲透氣藏儲量在我國天然氣探明儲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、大慶深層、塔里木深層、渤海灣地區深層、柴達木盆地等都有低滲透氣藏的發現,這些低滲透致密氣藏已成為我國今后重要的天然氣供應氣源地。由于低滲透氣藏儲層物性差,儲量豐度低,儲層容易受到傷害,開發難度大、效益差,因此針對低滲透氣藏自身特征,研究低滲透氣藏的滲流機理對于低滲透氣藏合理、有效的開發具有重要的指導意義。

自從20世紀40年代初,Klinkenberg[1]在實驗中發現了氣體在微細毛管孔道中流動時存在滑脫效應,并且給出了考慮滑脫效應的氣測滲透率數學表達式以后,很多學者對低滲透氣藏氣體的滲流機理進行了大量的研究,并且提出了許多新的認識和研究成果。這些觀點和認識大部分是一致的,但是也有不少觀點和認識存在著很大的分歧,這就導致多年來低滲透氣藏的滲流機理一直存在不確定性[2-3]。筆者總結了低滲透砂巖氣藏氣體滲流機理實驗研究現狀,并提出一些新的認識。

1 氣體滑脫效應

考慮滑脫效應的氣測滲透率數學表達式為:

式中:Kg為氣測視滲透率,10-3μm2;Ke為克氏滲透率,10-3μm2;?p為巖心進出口平均壓力,M Pa;b為滑脫因子。

滑脫因子(b)是一個與巖石孔隙結構和氣體性質及平均孔隙壓力有關的參數,其數學表達式:

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

也可以通過滲透率值來求出滑脫系數b,其數學表達式為:

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

從上面的表達式可以看出,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 Kg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(b)越大,滑脫現象越嚴重。

氣體在巖石中滲流時發生滑脫效應的主要原因是氣體分子在多孔介質中運動的結果,氣體分子在多孔介質中存在兩種運動形式:一種是分子之間相互碰撞的運動形式,另一種是分子與孔隙固壁之間相互碰撞的運動形式。這兩種碰撞作用的物理機制是不同的,一種是能量在氣體分子內部的傳遞,另一種則是氣體分子受外部力量作用能量增加,體現在宏觀的氣體滲流規律上就是在一定條件下氣體滑脫效應的產生,即視滲透率大于絕對滲透率。

目前,氣體滑脫效應的研究成果及認識都是基于室內實驗條件的基礎上,與真實氣藏氣體的滲流過程相比,存在很大的局限性。在這一點上筆者比較贊同郭平教授的觀點:“氣體在多孔介質中的滑脫效應是在低壓下產生的現象,而實際低滲透致密氣藏的廢棄壓力很高,在這一壓力范圍內氣體在儲層中不會發生滑脫現象,因此在低滲透氣藏的實際生產過程中沒有必要考慮滑脫效應的影響”[4]。實驗也證實了這一觀點。

圖1是須家河低滲透致密砂巖儲層一組巖心的實驗結果,表明不同巖心的視滲透率變化主要發生在孔隙平均壓力很低的區域,可以看到當孔隙壓力大于1 M Pa后,巖心的氣測滲透率變化明顯減小而且逐漸趨于穩定。由此可見,氣體在多孔介質中的滑脫效應確實只存在于低壓狀態下,在實際的低滲透氣藏開發過程中可以完全不予考慮其對氣體滲流能力及開發效果的影響。

圖1 低滲透巖心視滲透率與孔隙平均壓力曲線圖

2 啟動壓力梯度

在低滲透油藏開發過程中,啟動壓力梯度存在并且會對低滲透油藏的開發效果產生影響這一觀點已經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域成功地開發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壓力的存在對油藏開發效果模擬計算的影響,使得目前的數值計算結果更加符合低滲透油藏開發的實際情況。

但是就低滲透氣藏氣體滲流的過程中是否存在啟動壓力梯度這一問題,國內外的油氣田開發工作者們還存在很大爭議。為此,對低滲透氣藏氣體滲流是否存在啟動壓力梯度進行了室內測試,其測試結果見圖2。

圖2 低滲透巖心壓力差梯度與氣體流量關系曲線圖

從圖2中可以看出,曲線與縱坐標的交點不為0,這一實驗結果表明:與低滲透油藏一樣,低滲透氣藏氣體滲流過程中確實存在啟動壓力梯度。

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

3 高速非達西流效應

礦場試驗研究結果表明,低滲透氣藏開發過程中由于近井地帶生產壓差大,氣體流速過高,導致氣體發生紊流,產生高速非達西流效應,從而造成近井儲層的附加阻力,不利于低滲透氣田的開發。

由于高速非達西流效應的影響,近井地帶儲層視滲透率可表示為:

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

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

室內低滲透巖心實驗結果表明:低滲透氣藏發生高速非達西效應時存在臨界條件,當低滲透氣藏儲層滲透率太低(小于0.1×10-3μm2)時,由于氣體的滲流速度受到限制,一般很難達到發生紊流需要的速度(圖3),因此氣體滲流一般不會產生高速非達西流效應。但是當儲層滲透率大于0.1×10-3μm2或者更大,那么氣體在儲層的滲流過程中,在較大的生產壓差下容易發生紊流,產生高速非達西流效應(圖4)。因此,對于滲透率大于0.1×10-3μm2的低滲透氣藏,在氣藏開發的模擬計算過程中,必須考慮高速非達西效應對氣體滲流能力及開發效果的影響。

圖3 小于0.1×10-3μm2的低滲透巖心的克氏曲線圖

圖4 大于0.1×10-3μm2的低滲透巖心的克氏曲線圖

4 含水飽和度影響

根據克氏理論,低滲透巖心含束縛水時氣體滑脫效應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論[6-7]。Rose是第一個對含水飽和度影響滑脫效應進行研究的人,他分別對人造巖心和天然巖心進行了氣體相對滲透率的實驗研究,其研究得到的結果與克氏理論是相矛盾的。Rose發現砂巖巖心氣體滑脫因子隨含水飽和度的增加而降低。Fulton的實驗研究得到了和Rose同樣的結論,不過這兩個實驗都是在含水飽和度低于30%的條件下進行的。后來許多學者都得到了與Rose一樣的研究結論[8],但是對形成這一現象的原因一直沒有明確的解釋。

筆者的實驗研究結果與Rose得到的結論完全一致,就是氣體在低滲透巖心中的克氏效應隨含水飽和度的增加而明顯減弱,其實驗結果見圖5、6。

圖5 低滲透巖心不同含水飽和度下克氏曲線圖

圖6 特低滲透巖心不同含水飽和度下克氏曲線圖

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%)克氏曲線的分布規律。可以看到當含水飽和度大于60%時,氣體的克氏曲線特征表現為液相滲流的特征,即隨驅替壓力增加,巖心滲透率有減小的趨勢,曲線的斷點是由于高含水飽和度下,含水飽和度難以控制、變化較大的結果;當含水飽和度降到50%時,克氏曲線變化幅度很小,整個滲流過程中滲透率幾乎不發生變化;當含水飽和度降到40%左右,氣體滲流的克氏曲線開始表現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,開始表現出滑脫效應;當含水飽和度降低到30%左右時,氣體滲流過程中的滑脫效應更加明顯;當含水飽和度降到20%左右時,氣體滲流的克氏曲線接近于不含水的單相氣體滲流特征,而且在低壓下出現強滑脫現象,高壓下還表現出了高速非達西流效應,而且隨含水飽和度增加,啟動壓力梯度增大,高速非達西流效應減弱,但是其滲流特征與不含水單相氣體的滲流特征已經非常相近。

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出液相滲流特征,隨含水飽和度的降低,出現單相氣體的克氏曲線滲流特征。氣體滲流的克氏效應隨含水飽和度的降低而逐漸增強。

筆者認為在不同含水飽和度下氣體的滲流特征其實與克氏理論并不矛盾,雖然克氏理論強調,巖心的喉道半徑越小,就越容易發生滑脫效應,但那是就固定的多孔介質而言的,對于越致密的儲層,喉道半徑越小,越容易發生滑脫效應,這種說法是完全正確的;但是對于由于含水飽和度的增加而造成的喉道半徑減小是否會增加其滑脫效應,克氏理論未作進一步解釋。

氣體之所以能夠產生滑脫效應,最關鍵的原因是氣體分子與孔隙固壁碰撞的結果,由于低壓下氣固之間分子的引力很小,所以就產生了滑脫效應,但是對于喉道壁面附著水的多孔介質,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,氣體在巖心中滲流不會發生滑脫效應,隨著含水飽和度降低,氣固之間的分子碰撞增多,滑脫效應又逐漸表現出來。

5 結論

1)氣體在多孔介質中的滑脫效應是在低壓下產生的現象,而實際低滲透致密氣藏的廢棄壓力很高,在這一壓力范圍內氣體在儲層中不會發生滑脫現象,因此在低滲透氣藏的實際生產過程中沒有必要考慮滑脫效應的影響。

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

3)低滲透氣藏開發過程中發生高速非達西流效應具有臨界滲透率值。當低滲透氣藏儲層有效滲透率小于0.1×10-3μm2時,開發過程中一般不會發生高速非達西流現象;但是當儲層有效滲透率大于0.1× 10-3μm2后,開發過程中容易產生高速非達西流現象,而且滲透率越大,高速非達西流效應越明顯,近井地帶儲層附加阻力也就越大。

4)低滲透氣藏含水飽和度對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減弱,啟動壓力梯度增加,高速非達西流效應減弱。

[1]孔祥言.高等滲流力學[M].合肥:中國科學技術大學出版社,1999:33-35.

[2]萬風軍,盧淵,趙仕俊.低滲透氣藏滑脫效應研究現狀及認識[J].新疆石油地質,2008,29(2):229-231.

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

[4]郭平,徐永高,陳召佑,等.對低滲透氣藏滲流機理實驗研究的新認識[J].天然氣工業,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]ROSEW D.Permeability and gas-slippage phenomena[J]. APID rilling and Production Practice,1949:209-217.

[7]FUL TON P F.The effectof gas slippageon relative permeability 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水研究[J].天然氣工業,2006,26(10):99-101.

Experimental research status and several novel understandings on gas percolation mechan ism in low-permeability sandstone gas reservoirs

Gao Shusheng1,2,Xiong Wei2,Liu Xiangui2,Hu Zhiming2,Xue Hui2
(1.School of Energy Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;2.L angfang B ranch,PetroChina Petroleum Exp loration and Development Research Institute,Langfang,Hebei 065007, China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 1,pp.52-55,1/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The study on the percolationmechanism of low-permeability gas reservoirs is conducive to establish reasonable and effective development policies.Fo r the low-permeability sand gas reservoirs,experimental studies of gas percolation mechanism mostly focus on four areas,i.e.,gas slippage effect,starting p ressure gradient,high-speed non-Darcy flow effect,and the impact of water saturation.The domestic and fo reign research data about low-permeability sandstone gas reservoir flow mechanism are analyzed and summarized.After carrying out sufficient experimental studies targeting the gas percolation mechanism of low-permeability sandstone, we got several new understandings:First,in the actual p roduction p rocess,due to the high abandonment p ressure,there is no need to consider the effect of slippage fo r the low-permeability gas reservoirs.Second,the starting p ressure gradient,being inverse p roportion to the permeability,exists in the seepage of low-permeability gas reservoirs,Third,the occurrence of the high-speed non-Darcy flow effect is with the critical permeability value.Fourth,water saturation has a great impact on the flow characteristics of low-permeability gas reservoirs.These conclusions have directive significance fo r the development of low-permeability sandstone gas reservoirs.

low-permeability gas reservoir,slippage effect,starting p ressure,non-Darcy flow,water saturation,experiment,status,understanding

國家科技支撐計劃(編號:2006BAB03B03)的部分成果。

高樹生,1970年生,高級工程師,博士研究生;主要從事油氣田開發方面的研究工作。地址:(065007)河北省廊坊市萬莊44號信箱。電話:(010)69213752,13013212812。E-mail:gaoshusheng69@petrochina.com.cn

高樹生等.低滲透砂巖氣藏氣體滲流機理實驗研究現狀及新認識.天然氣工業,2010,30(1):52-55.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.01.014

(修改回稿日期 2009-11-11 編輯 韓曉渝)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.001.014

Gao Shusheng,senio r engineer,was born in 1970.He is studying fo r a Ph.D degree,w ith his interest in research of oil and gas field development.

Add:Mail Box 44,Wanzhuang,Langfang,Hebei065007,P.R.China

Tel:+86-10-6921 3752Mobile:+86-13013212812E-mail:gaoshusheng69@petrochina.com.cn