致密低滲氣藏啟動壓力梯度實驗研究

章 星，楊勝來，張 潔，張 俊，王一晗

(中國石油大學，北京 昌平 102249)

致密低滲氣藏啟動壓力梯度實驗研究

章 星，楊勝來，張 潔，張 俊，王一晗

(中國石油大學，北京 昌平 102249)

致密低滲氣藏具有低孔、低滲等特征，導致滲流過程中存在啟動壓力梯度，無法進行常規開發。通過室內物理模擬實驗，研究其啟動壓力梯度及影響因素。實驗研究表明，在致密低滲巖心中，當氣體流量小于一定值時，氣體在巖心中為非達西流動。氣體的啟動壓力梯度隨巖心圍壓的增加而增大，但其增加幅度逐漸減小。溫度對氣體的啟動壓力梯度有明顯影響，氣體分子質量的大小也是影響氣體啟動壓力梯度的重要因素。

致密低滲氣藏;啟動壓力梯度;圍壓;溫度;克氏效應;實驗研究

引 言

近年來，國內外對油氣資源需求量日益增大，非常規天然氣藏的研究也越來越受到人們的關注，致密低滲氣藏已成為我國天然氣勘探與開發的重要領域之一［1－5］。致密低滲氣藏在開發過程中，由于啟動壓力梯度、克氏效應、應力變化等因素，使得氣體流動呈現非線性，表現出不同于常規氣藏的滲流規律和開發動態［6－10］。要實現致密低滲氣藏的有效開發，需要對其啟動壓力梯度有一個清楚、準確的認識。研究致密低滲氣藏的啟動壓力梯度及其影響因素，對于分析氣藏滲流規律、指導開發方案設計、預測氣井產能具有一定的指導意義。

1 實驗過程

實驗采用致密低滲氣藏的全直徑巖心，對所取巖心進行孔隙度和滲透率的測定，基礎物性測定參照行業標準［11］執行，主要實驗裝置為從美國引進的GPP－1型高壓孔滲儀，壓力計量精度可達到7×10－5MPa。巖心參數如表1所示。

表1 巖心基礎物性數據

不同驅替條件下的啟動壓力梯度－氣體流量實驗分別為方案①、方案②、方案③。

方案①為變圍壓實驗。實驗溫度為80℃，實驗氣體為天然氣。依次改變實驗圍壓為10、20、30、40、50 MPa，觀察壓力梯度和氣體流量的變化。

方案②為變溫度實驗。實驗圍壓為5 MPa。實驗氣體為天然氣。分別在80、140℃實驗條件下，觀察壓力梯度和氣體流量的變化。

方案③為變氣體實驗。實驗溫度為20℃，實驗圍壓為5 MPa。依次更換實驗氣體為二氧化碳、天然氣、氮氣，觀察壓力梯度和氣體流量的變化。

2 實驗結果與分析

2.1 圍壓的影響

研究發現，隨著氣體流量的增加，不同圍壓條件下的壓力梯度變化趨勢相同(圖1)。在低流量條件下，氣體在巖心孔隙中呈現非線性流動特征，不符合氣體流動的達西定律;而當氣體流量增加到一定值時，壓力梯度與流量呈線性變化，此時氣體流動符合達西定律。當氣體流量一定時，巖心圍壓越大，其壓力梯度越大。

圖1 不同圍壓下壓力梯度與氣體流量的關系曲線

隨著巖心圍壓的增加，壓力梯度與流量線性段的斜率逐漸增大，斜率增加的幅度是逐漸減小的，并且，圍壓越大壓力梯度與流量線性段交于壓力梯度坐標軸的值越大(2.5～3.0 MPa/m)，也就是說，氣體在巖心中的啟動壓力梯度越大。這是因為致密低滲巖心具有孔徑小、比表面積大等特點，隨著圍壓的增大，巖心受到壓縮從而物理參數發生變化，造成氣體在巖心中流動困難，啟動壓力梯度增大;而隨著圍壓的繼續增大，巖心的物理特征變化減小，其啟動壓力梯度的增加幅度減小。

2.2 溫度的影響

從圖2可以看出，在實驗溫度分別為80、140℃條件下，壓力梯度隨著氣體流量增大而增大。巖心中氣體的啟動壓力梯度分別為3.7、3.5 MPa/m，高溫條件下的氣體啟動壓力梯度略低。

圖2 不同溫度下壓力梯度與氣體流量的關系曲線

在高壓力梯度條件下(大于2 MPa/m)，140℃條件下的氣體流量要大于80℃條件下的氣體流量;在低壓力梯度條件下(小于2 MPa/m)，情況則相反。這表明，在高壓條件下，溫度越高，氣體的黏度越小，越利于氣體在巖心孔隙中流動，氣體流量越大;在低壓條件下，情況則相反。這就解釋了為什么在同一流量下，80℃時氣體流動所需要的壓力梯度要大于140℃時氣體流動所需要的壓力梯度。

2.3 氣體的影響

圖3為不同驅替條件下巖心中氣體流量與壓力梯度的關系曲線。從圖3可以看出，二氧化碳的壓力梯度－流量曲線與天然氣、氮氣的壓力梯度－流量曲線明顯不同，而后兩者的變化趨勢相同，巖心中氣體啟動壓力梯度分別為3.2、3.0 MPa/m。

圖3 不同氣體的壓力梯度與氣體流量的關系曲線

上述現象可以用氣體的克氏效應來解釋。在相同壓力梯度條件下，巖心孔隙中氣體分子的分子質量越小，氣體分子間的相互碰撞就越小，使得氣體更容易流動，氣體滑脫現象就越嚴重，氣體流量也就越大。二氧化碳的分子質量大，與天然氣、氮氣分子質量相差較多，所以二氧化碳的啟動壓力梯度要大于天然氣、氮氣的啟動壓力梯度。

3 結論

(1)在致密低滲巖心中，當氣體流量小于一定值時，氣體在巖心中為非達西流動;氣體流量大于此值時，壓力梯度－流量曲線呈線性變化，氣體流動符合達西定律。

(2)氣體的啟動壓力梯度隨著巖心圍壓的增加而增大，但是其增加幅度是逐漸減小的，這是由致密低滲巖心自身的物理性質所決定的。

(3)溫度對壓力梯度－流量曲線有明顯影響，140℃條件下氣體啟動壓力梯度要低于80℃條件下氣體啟動壓力梯度。

(4)氣體分子質量的大小也是影響氣體啟動壓力梯度的重要因素，二氧化碳的啟動壓力梯度明顯大于天然氣和氮氣的啟動壓力梯度。

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［11］油氣田開發專業標準化委員會.SY/T 5336－1996巖心常規分析方法［S］//中華人民共和國石油天然氣行業標準.中國石油天然氣總公司，1999.

Experimental study on threshold pressure gradient of tight and low permeability gas reservoirs

ZHANG Xing，YANG Sheng－lai，ZHANG Jie，ZHANG Jun，WANG Yi－han
(China University of Petroleum，Beijing102249，China)

Tight and low permeability gas reservoirs can not be developed conventionally due to the presence of threshold pressure gradient caused by low porosity，low permeability and other properties．Threshold pressure gradient and its influencing factors are studied through physical simulation experiment．The experiment indicates that gas flow behaves like non－Darcy flow in tight and low permeability core when the flow rate is less than a certain value．The threshold pressure gradient of gas increases with the increasing of confining pressure，but the increasing magnitude slows down gradually．Temperature has a significant effect on the threshold pressure gradient of gas，so does gas molecular weight．

tight and low permeability gas reservoir;threshold pressure gradient;confining pressure;temperature;Klinkenberg effect;experimental study

TE33

A

1006－6535(2011)05－0103－02

20110417;改回日期20110610

國家重點基礎研究發展規劃項目“溫室氣體提高石油采收率的資源化利用及地下埋存”(2006CB705800)

章星(1984－)，男，2008年畢業于中國石油大學(北京)石油工程專業，現為該校石油工程專業在讀博士研究生，主要從事油氣田開發研究工作。

編輯 周丹妮