新場須家河組氣藏氣水兩相滲流啟動壓力梯度實驗研究

劉善華，廖 偉，周 輝

（1.中國石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川德陽 61800；2.中國石化西南油氣分公司川西采氣廠）

新場須家河組氣藏氣水兩相滲流啟動壓力梯度實驗研究

劉善華1，廖 偉2，周 輝1

（1.中國石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川德陽 61800；2.中國石化西南油氣分公司川西采氣廠）

運用巖心流動實驗裝置，測定了新場須家河組氣藏不同滲透率巖心在不同含水飽和度下的氣水兩相滲流最小啟動壓力梯度，實驗結果表明，低滲透砂巖最小啟動壓力與流量呈冪函數關系，并以此計算出該須二氣藏原始含水飽和度下的最小啟動壓力梯度為0.03279 MPa／cm，須四氣藏其啟動壓力梯度值更低，表現出與含水飽和度關系密切，氣體滲流表現具有復合型滲流規律。

須家河組氣藏；滲流特征；啟動壓力梯度；氣水兩相

新場氣田須家河組埋深3 000～5 500 m，以須四和須二段為主力開發氣藏。須四段巖心孔隙度介于6.87%～11.05%，屬于低孔隙度范圍；滲透率介于（0.0163～0.073）×10-3μm2，屬特低滲范圍；須二段巖心孔隙度介于2.65%～7.02%，屬特低孔隙度范圍，滲透率介于（0.00704～0.0585）×10-3μm2，屬特低滲范圍；此外，氣藏具有較高的含水飽和度，在開采過程中，氣井難以高產穩產，特別是地震之后部分井產水量大幅提高，X2井由初期日產水5 m3上升至目前200 m3左右，因此，如何改善深層低滲砂巖有水氣藏的開發效果，將千億方儲量變為產量，是新場氣田開發所面臨的一個亟待解決的技術難題。

1 實驗條件和方法

1.1 實驗原理

在一定的條件下，氣體通過低滲巖心滲流時，由于氣體分子的滑流和擴散效應，產生一個附加動力，即滑脫效應，在一定程度上表現出非達西滲流特征；而當低滲氣層含束縛水時，氣藏中氣體的滲流特征與油藏的滲流特征一樣存在“啟動壓差”和“臨界壓力梯度”，巖樣滲流偏離達西定律。

1.2 實驗流程和測試方法

巖心氣水兩相滲流啟動壓力梯度實驗流程見圖1。首先將實驗巖心飽和100%的地層水，整個實驗過程在巖心夾持器出口端放空為一個大氣壓。打開氮氣瓶并控制在預定的壓力值P1上，由氮氣驅替巖心中的地層水，直至不出水為止，計量出水量，可算出此驅替壓差下的可動水飽和度，也可測出在P1點含水飽和度下巖心的滲透率值。然后將氮氣瓶壓力調低至預定值Pa（Pa一般為0，對低滲透巖心，可適當調大），根據實際的實驗狀況，逐級增壓至原先的預定壓力值P1，記錄在此束縛水飽和度下，不同驅動壓差時的氣體流量，做完這組測試之后，將氮氣瓶壓力增大到另一個預定值P2（P2＞P1）。做下一個束縛水飽和度下的滲流實驗，重復以上操作，直至一個足夠大的壓力值為止。

圖1 巖心流動實驗測試流程

2 實驗結果與分析

實驗選取了4個樣品進行了不同含水飽和度下的啟動壓力規律測試，樣品物性參數如表1所示。

表1 實驗巖心樣品物性參數

根據實驗結果做出不同含水飽和度下驅替壓差與流量關系曲線（圖2～3）。

圖2 不同滲透率條件下流量與驅替壓差關系

圖3 不同含水飽和度條件下流量與驅替壓差關系

由圖中可以看出，各巖心均呈現出非線性滲流特征，即壓差較小時，氣體不產生流動；當壓差大于某一值后，流動才會發生。對同一巖心，其含水飽和度越高，氣體流動所需要的驅替壓差也就越大，氣體開始流動后，驅替壓差越大，流量也就越大，并且，巖心含水飽和度越低，相同驅替壓差下的流量越大。對不同巖心，在含水飽和度相同的情況下，滲透率越大，其啟動所需的驅替壓差越小。作出巖心滲流速度（流量）與壓力梯度關系曲線（圖4），從中可以更直觀的看出，巖心在不同含水飽和度下存在啟動壓力梯度λ。

真實啟動壓力梯度定義為流體在巖石孔道中要流動時必須克服的最小壓力梯度，對應于流速-壓力平方梯度曲線與壓力平方梯度軸的真實相交點，表征流體通過最大孔徑孔道時需要克服的阻力（也即流體滲流所需要克服的最小滲流阻力）；擬啟動壓力梯度則是流量-壓力平方梯度曲線上直線段（擬線性滲流段）反向延長線與壓力平方梯度軸相交點所對應的壓力梯度值，它表征的是流體在巖心中流動時所需要克服的平均壓力梯度，即通過平均孔徑的孔道所需要克服的滲流阻力［1］。

圖4 巖心不同含水飽和度下的壓力梯度-流速關系

由氣體滲流曲線可以發現氣體滲流都具有非達西滲流特征，氣體滲流曲線由3段組成：Ⅰ段為低速滲流曲線段，大致呈下凹型；Ⅱ為稍高流速滲流曲線段，大致呈上凸型；Ⅲ為較高滲流速度下的擬線性滲流段（圖5）。在3-8／130-3號巖心束縛水飽和度分別為69.3%，3-98／130-1號巖心束縛水飽和度為77.61%時，為此類情況。Ⅰ、Ⅱ段之間存在一個氣體滲流的突變點，而Ⅱ、Ⅲ段曲線之間存在臨界點。Ⅰ段曲線斜率即氣體滲透率隨壓力的增大而增大，表現為具有啟動壓力；Ⅱ段隨壓力的增大，氣體滲透率迅速下降，表明受滑脫效應的影響明顯；Ⅲ段氣體滲透率隨壓力的增大基本不變，表明處于擬線性滲流階段。

圖5 復合型滲流曲線

氣體復合型滲流規律表明：地層水的存在使得地層中的氣水接觸關系變得復雜，氣體不僅與固體孔道壁接觸，同時也與孔隙中的地層水接觸［2］。在壓力平方梯度較低時，氣體必須克服束縛水所產生的毛管阻力才能保持連續流動，在滲流曲線上表現為啟動壓差，在氣體滲流曲線上表現為Ⅰ段的下凹型。當實驗壓差高于突變點壓差時，氣、水兩相接觸狀態發生變化，分布在較大喉道處封閉孔隙中氣體的地層水逐漸變少，這部分地層水以水膜水的形式分布在孔隙壁上，或者以毛細管水狀態充填那些更細小的毛細管中。此時，較大喉道中的氣體滲流變得通暢。當相接觸狀態穩定以后，氣體滲流受滑脫效應的影響，對應氣體滲流曲線的Ⅱ段。隨著實驗壓力的不斷升高，滑脫效應影響減弱，氣體（視）滲透率的下降幅度變緩，對應氣體滲流曲線的Ⅲ段，此時，氣體分子之間的粘滯力的影響變得明顯，其分界點就是臨界點。因此，突變點的存在表征了孔隙中地層水的微觀分布狀態發生了細微變化，而臨界點則區分了滑脫動力和氣體分子之間粘滯力兩種不同作用機制對氣體（視）滲透率的影響，臨界壓力的高低反映了兩種作用機制對氣體滲流的影響程度。因此，該類氣體滲流曲線（復合型曲線）真實反映了含水狀態下低滲透致密砂巖氣藏儲層氣體低速滲流的完整過程。

通過壓力梯度與流量交匯，運用乘冪關系［3］得出須家河組10-1／52-1號常規巖樣啟動壓力梯度為0.0727～0.2368 MPa／cm（對應含水飽和度為46.58%～68.12%），折算到原始含水飽和度為40%時啟動壓力梯度為0.03861 MPa／cm；10-9／52-3號常規巖樣啟動壓力梯度為0.0848～0.2818 MPa／cm（對應含水飽和度為53.64%～77.5%），折算到含水飽和度為40%時啟動壓力梯度為0.02698 MPa／cm；平均為0.03279 MPa／m（表2）。須四樣品啟動壓力梯度為0.15425～0.28987 MPa／cm，比須二樣品值較低，且含水飽和度低于60%時不存在啟動壓力梯度。

實驗范圍內，隨著含水飽和度的增大，啟動壓力梯度不斷增大。這是因為低滲致密巖心孔道均很狹小，所以巖心100%飽和地層水后，在較小壓差下氣驅時，先驅出了較大孔道的水，而剩余地層水則以水膜水的形式分布在孔隙壁上，或者以毛細管水狀態充填那些更細小的毛細管中，堵塞滲流通道。束縛水飽和度越大，水膜越厚，喉道堵塞也越嚴重，氣驅啟動壓力也就越大。當驅替壓差最終增大到使滲流通道連通后，氣相啟動壓力也就減小至0。

表2 巖樣不同含水飽和度下啟動壓力梯度計算值

3 結論

（1）低滲致密氣藏滲流機理不同于達西滲流，其主要影響因素是滑脫效應和啟動壓力梯度效應，二者作用程度的變化導致氣體滲流的復雜化和流態的多變性。另外，含水飽和度對啟動壓力梯度存在較大影響，當含水飽和度低于60%后，不存在水鎖效應。

（2）在絕對滲透率基本相同的情況下，隨著含水飽和度的增大，啟動壓力梯度不斷增大。所以當近井地帶儲層因滲吸作用使含水飽和度增大時，氣體滲流的啟動壓力梯度也會增大，計算得出須二氣藏基質原始含水飽和度下啟動壓力梯度為0.03279 MPa／cm。

（3）基質巖心滲流特征曲線表明，高束縛水飽和度條件下，氣體滲流曲線表現為啟動壓力梯度效應為主過渡到滑脫效應為主，最后達到擬線性滲流狀態的復合型滲流特征；低束縛水飽和度條件下，啟動壓力梯度效應不明顯，表現出一定的氣體滑脫現象，滲流曲線表現為略微上凸的曲線。

［1］ 吳凡，孫黎娟.氣體滲流特征及啟動壓力規律的研究［J］.天然氣工業，2001，21（1）：82-84.

［2］ 孫雷，黃全華.凝析氣藏近井地層油氣產狀及滲流特征［J］.新疆石油地質，2004，25（4）：403-406.

［3］ 劉日武，丁振華.確定低滲透油藏啟動壓力梯度的三種方法［J］.油氣井測試，2002，11（4）：1-4.

By using core flow experimental apparatus，the twophase fluid flow threshold pressure of four samples in Xujiahe gas reservoir has been tested.The laboratory findings indicate that the minimum threshold pressure of tight sandstone and flow rate are of power function.The minimum threshold pressure of second part of Xujiahe reservoir is 0.03279 MPa／cm，the threshold pressure in fourth part of Xujiahe reservoir is lower than in second part of Xujiahe reservoir，which demonstrates a close relation with water satura-

115 Experimental study of gas／water two-phase flow threshold pressure of Xinchang Xujiahe gas reservoir

Liu Shanhua et al（Engineering Technology Research Institute of Southwest Petroleum Branch Company，Sinopec，Deyang，Sichuan 618000）

TE125.3

A

1673-8217（2011）06-0115-03

2011-06-14；改回日期：2011-08-06

劉善華，碩士研究生，工程師，1980年生，2006年畢業于西南石油大學礦產普查與勘探專業，現從事工程與地質設計及相關科研工作。

劉洪樹