西湖凹陷某構造花港組致密砂巖儲層的滲流特征

徐國盛 趙莉莉 徐 發 張 濤 趙幸濱 張 震 劉 為

（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059；2.中海石油（中國）有限公司 上海分公司，上海200030）

隨著常規油氣資源量日益減少，致密砂巖氣藏的勘探開發工作越來越受到人們的關注。第3輪油氣資源評價認為中國致密砂巖天然氣資源量達20×1012m3，并呈現出快速增長的態勢[1]。按照中國的標準，有效滲透率≤0.1×10－3μm2（絕對滲透率≤1×10－3μm2）、孔隙度≤10%的氣藏為致密氣藏[2]。東海盆地西湖凹陷某構造漸新統花港組中深層（井深＞3.5km）砂巖屬于致密砂巖儲層的范疇。關于致密砂巖儲層的孔隙結構和氣水滲流特征，前人已做了大量研究，楊建、朱華銀等人指出致密砂巖儲層巖石致密，孔隙結構復雜，儲層非均質性強[3，4]；張浩、胡勇等人 認為致密砂巖儲層在氣水滲流特征方面與常規砂巖儲層存在較大差異，表現為含水飽和度高，可動流體飽和 度 小，氣 相 滲 透 率 低[5，6]；M.Rudolf，Ter－Sarkisov等人認為致密砂巖儲層復雜的微觀結構與流體之間的相互作用是影響氣體高效產出的關鍵因素之一[7，8]；Stephen A Holditch指出致密含氣砂巖必須經過大型改造措施（水力壓裂），才能產出工業性氣流[9]。那么，西湖凹陷某構造花港組致密砂巖儲層是否符合這些特點呢？研究區是勘探新區塊，僅僅有人研究認為該區致密砂巖氣層具有低孔、低滲、高含水等特征[10]，對于儲層的氣水滲流特征還缺少相應的研究，這已嚴重制約了該區致密砂巖氣的有效開發。筆者在綜合分析物性測試、核磁共振、壓汞、水驅氣等實驗數據的基礎上，對致密砂巖儲層巖石孔隙結構和氣水滲流特征等問題進行了深入探討，旨在為西湖凹陷某構造花港組致密砂巖氣藏合理有效開發提供科學依據。

1 儲層特征

西湖凹陷總體上為“兩洼夾一隆”的構造格局，且具有“東西分帶，南北分塊”之構造特征（圖1）。根據新生代的構造格局、沉積特點、斷裂發育及油氣賦存狀態等特征，西湖凹陷由西向東可劃分為西部斜坡帶、西部次凹、中央反轉構造帶、東部次凹和東部斷階帶[11]。研究區位于西部次凹的南部，儲層主要為三角洲相的水上、水下分流河道、河口壩沉積砂體。巖石類型以泥質粉砂巖、粉砂巖、粉細砂巖、細砂巖為主，儲層物性較差。

圖1 西湖凹陷各構造帶及油氣田分布圖Fig.1 Distribution graph of various structural belts and oil－gas fields in the Xihu depression（據陶士振等，2005）

1.1 物性特征

通過對巖心薄片的觀察鑒定，花港組儲層巖性以細－中粒巖屑長石砂巖為主。孔隙度分布范圍在2.44%～13.90%，平均孔隙度為9.44%；主要集中在5%～10%，占51.84%；孔隙度10%～13%，占38.60%。滲透率分布范圍在0.01×10－3～1.71×10－3μm2，平均滲透率為0.14×10－3μm2；主要集中在＜0.1×10－3μm2范圍內，占65.75%。根據楊曉寧（2005），致密砂巖儲層一般是指孔隙度為7%～12%和空氣滲透率＜1.0×10－3μm2的儲層[12]，砂巖孔喉半徑一般小于0.5μm，據此判斷，該地區花港組儲層屬于致密砂巖儲層。

1.2 孔隙結構特征

1.2.1 孔喉類型

通過對西湖凹陷某構造花港組所取樣品鑄體薄片和掃描電鏡分析可知：儲層孔隙類型以次生孔隙為主，次生孔隙的平均面孔率為5.8%，約占儲集空間的56.4%。在次生孔隙類型中，粒間溶孔和長石溶蝕孔是最主要的次生孔隙類型（圖2－A，B），二者的面孔率值分別為2.68%和3.21%。粒間溶孔可極大地改善致密砂巖儲層的儲集性能。

圖2 花港組儲層不同孔隙和喉道類型Fig.2 Various types of the pores and throats of the Huagang Formation reservoirs

花港組儲層主要喉道類型為縮頸型喉道，其次為管束狀喉道（圖2－C，D）。其中縮頸型喉道平均寬度6.85μm，連通孔隙的能力較強，流體在巖石中較易滲流；管束狀喉道，由于長石溶蝕作用，高嶺石晶間產生的許多微細孔隙呈管束狀密集分布，寬度＜0.1μm，物性較差，喉道細小，流體在巖石中滲流困難。這也是致密砂巖儲層滲流特征復雜的主要原因之一。

1.2.2 孔隙結構特征

采用高壓壓汞、恒速壓汞和核磁共振等技術對目的層23塊巖心樣品的孔隙結構特征進行了研究，分析結果表明：花港組儲層巖石分選性較差，非均質性強，孔喉細小，排驅壓力高。依據分選性、歪度、排驅壓力和最大進汞飽和度等孔隙結構參數，并結合花港組巖樣壓汞曲線（圖3），可以將孔隙結構分為以下5種類型。

圖3 花港組巖樣毛管壓力曲線分類Fig.3 Classification of the capillary pressure curves of the Huagang Formation rock samples

Ⅰ類：分選系數主要分布在1.7～2.3，歪度分布在0.8～1.0，排驅壓力＜0.1MPa，最大進汞飽和度均＞90%。毛管壓力曲線偏向圖的左下方，具有相對較寬的平臺，這說明孔喉略粗、分選較差，代表了孔隙度較大、有微裂縫存在的滲透率較高的儲層類型特征。

Ⅱ類：分選系數主要分布在0.1～0.5，歪度分布在1.0～1.5，排驅壓力為0.1～1MPa，最大進汞飽和度為85%～90%。毛細管壓力曲線略偏離圖的左下方，具有寬的平臺，說明孔喉較粗、分選較好，代表了孔隙度較大、滲透率較高的儲層類型特征。

Ⅲ類：分選系數主要分布在0.1～0.5，歪度分布在1.5～2.0，排驅壓力為1～3MPa，最大進汞飽和度為75%～85%。毛細管壓力曲線具有相對較寬的平臺，略偏向圖的右上方，說明孔喉較粗、分選較好，代表了孔隙度較小、滲透率較低的儲層類型特征。

Ⅳ類：分選系數主要分布在0.01～0.1，歪度分布在2.0～2.5，排驅壓力為3～10MPa，最大進汞飽和度為70%～75%。毛細管壓力曲線偏向圖的右上方，具有窄的平臺，說明孔喉較細、分選較好，代表孔隙度較小、滲透率較低的儲層類型特征。

Ⅴ類：分選系數＜0.01，歪度分布在2.5左右，排驅壓力＞10MPa，最大進汞飽和度為55%～70%。毛細管壓力曲線靠近圖的右上方，幾乎不具有平臺，說明孔喉較細、分選較好，代表巖性致密、孔隙度和滲透率均很低的儲層類型特征。

分析表明：花港組儲層孔隙結構以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類為主，約占65%。這類儲層巖性致密，物性差，孔隙結構復雜，具有典型的致密砂巖儲層孔隙結構特征，其滲流特征異于常規儲層，束縛水飽和度高，氣相滲透率低，流體在孔隙介質中流動阻力大，滲流困難，導致注水驅氣時采收率普遍較低。

2 滲流特征

2.1 水驅氣滲流特征

氣水相對滲透率曲線表征了氣水在多孔介質中的滲流特性[13]。因此，利用穩態法對研究區儲層巖心進行水驅氣相對滲透率實驗測定，獲得氣水相對滲透率曲線，并將其分為3個階段，分別對各個階段的滲流特征進行分析。

2.1.1 束縛水狀態下氣相滲流特征

巖心氣水相對滲透率實驗表明，儲層束縛水飽和 度較 高，在27.3%～62.5%，平 均 值 為39.58%，等滲點對應的水飽和度?50%，且殘余氣飽和度相對較低。可以看出，研究區儲層巖石具有典型的致密低滲、強親水特征。由于儲層巖石的強親水性，氣體的滲流能力相對較差，無水期采收率范圍僅在13.3%～39.9%，平均值為32.6%，并且隨著束縛水飽和度的增高而降低。

儲層束縛水狀態下氣相相對滲透率為0.085 5～0.325 5，與空氣滲透率的關系如圖4所示。可以看出，儲層巖石束縛水條件下的氣相流動能力最好也只有巖心滲透率的32%，并且隨著巖心滲透率的降低氣相相對滲透率也下降。由圖4中擬合關系式可以得出，當巖石空氣滲透率為0.011×10－3μm2時，氣相滲透率為0。表明儲層在束縛水條件下，當空氣滲透率低于0.011×10－3μm2時，氣相在孔隙介質中難以流動。

圖4 束縛水狀態下氣相相對滲透率與巖心滲透率的關系Fig.4 The relationship between the gas phase relative permeability and core permeability under the state of bound water

2.1.2 氣水兩相流動期氣水兩相滲流特征

通過分析氣水相對滲透率曲線（表1，圖5）可以發現：①該區氣水兩相流動區含水飽和度在14.5%～21.6%范圍內變化，氣水兩相滲流區范圍窄，等滲點的含水飽和度在65%左右。②在達到氣、水兩相共滲點前，隨著含水飽和度的增加，氣相相對滲透率急劇減小，水相相對滲透率緩慢增大。③在超過氣、水兩相共滲點之后，氣相相對滲透率下降的速度趨緩，并降至零，而水相相對滲透率增加較快。④最終的水相相對滲透率較小（0.03～0.05），有較高的殘余氣飽和度（29.6%～32.4%），水 驅 氣 最 終 采 收 率 較 低 （33.9%～55.3%）。上述滲流特征的原因可以解釋為：水進入巖心后，由于水強潤濕巖心孔隙表面，所以水首先占據小孔道，然后逐漸向大孔道擴展，水相飽和度增加，氣相飽和度減少，此時氣相被迅速驅出，使氣相相對滲透率在開始的階段急劇降低；而達到拐點之后緩慢下降是因為儲層中此時相當一部分氣滯留在孔隙喉道中，成為殘余氣，注入水已經無法將其驅出。水相相對滲透率在開始階段增加緩慢，等滲點之后增加較快，這可以解釋為初期水相占據小孔道，遇到阻力較大，流經路程長，當水相增加到一定飽和度時，水在巖石孔道中形成連通的孔道水體，并且越來越多，故其相對滲透率增加較快。

表1 不同巖心水驅氣相對滲透率曲線特征值比較Table1 Comparison of the characteristic values of the relative permeability curves among different cores

圖5 研究區儲層巖樣氣水相對滲透率曲線Fig.5 Gas－water relative permeability curves of the reservoir rock samples

2.1.3 殘余氣狀態下水相滲流特征

分析氣水相對滲透率曲線（圖5）表明：殘余氣狀態下，隨著含水飽和度的繼續增加，水相相對滲透率一般較低，范圍在0.038 2～0.221 5。當儲層巖石滲透率為0.3×10－3μm2時，殘余氣狀態下水相相對滲透率＜0.03；而儲層巖石滲透率為2.638×10－3μm2時，水相相對滲透率＞0.1，水相流動力明顯增強。這是由于水對砂巖氣層是強潤濕相，其毛細管力為阻力，使部分氣體殘留在孔喉和大孔道的中心部位，這部分氣體以分散的小氣珠形式存在，而當繼續驅氣時，由于水對氣體具有擠壓作用，這種擠壓使氣泡在流動過程中發生卡斷，進而阻礙了水的流動，使得水、氣系統中殘余氣狀態下的水相相對滲透率不高。同時，在注水驅氣后期，儲層巖石中的黏土礦物長期受注水沖刷的影響，會發生移動，在孔喉發生變化時，將會造成不同形式的堆積阻塞，即黏土礦物的速敏性，也會降低水相相對滲透率。

2.2 核磁共振可動流體變化特征

致密砂巖儲層由于受沉積、成巖作用的影響，孔隙結構復雜，而孔喉中流體的賦存狀態就自然不同于常規儲層。在系統分析儲層微觀孔隙結構的基礎上，利用核磁共振技術，研究致密砂巖儲層微觀孔隙結構中流體賦存狀態，分析可動流體的變化特征。

對飽和流體的巖樣進行核磁共振T2測量時，得到的T2弛豫時間大小取決于流體分子受到孔隙固體表面作用力的強弱，因此T2弛豫時間的大小是孔隙（孔隙大小、孔隙形態）、礦物（礦物成分、礦物表面性質）和流體（流體類型、流體黏度）等的綜合反映，利用巖樣內流體的核磁共振T2弛豫時間的大小及其分布特征，可對巖樣孔隙內流體的賦存狀態進行分析[14，15]。根據核磁共振可動流體測試結果（表2）得出致密砂巖儲層可動流體賦存特征如下。

a.研究區致密砂巖儲層巖心飽和模擬地層水狀態下的核磁共振T2譜均呈雙峰，雙峰態是砂巖T2譜的典型特征[16]。兩峰交匯點的T2譜截止值為16ms，在常規砂巖（10～40ms）中處于截止值的較低值范圍。

b.可動流體飽和度為31.04%～53.08%，孔隙度為6.91%～10.62%，這說明致密砂巖儲層可動流體飽和度低，且具有較強的非均質特征。這些特點在致密砂巖儲層水驅氣中表現出各巖心之間驅氣效率相差較大、驅氣效率低等驅替特征。

c.由可動流體飽和度與孔隙度、滲透率的相關性分析可見（圖6－A，B），與滲透率的相關性更強。同時，也可以看出隨著滲透率減小，可動流體飽和度也相應降低；且滲透率越低，可動流體飽和度降低的速度越快。可動流體飽和度低是致密砂巖儲層采收率低的主要原因之一[17]。當滲透率＞1×10－3μm2時，隨滲透率的增大，可動流體飽和度的增加變緩。

d.圖6－C，D所示為可動流體飽和度與孔喉體積比和孔喉半徑平均值的相關性。從結果可以看出，可動流體飽和度與孔喉體積比呈明顯負相關關系，與孔喉半徑平均值呈較強的正相關關系。這說明在致密砂巖儲層中喉道半徑是影響可動流體飽和度的關鍵因素。

2.3 影響氣水相對滲透率特征的因素

2.3.1 儲層物性因素

孔隙度與滲透率是表征儲層儲集性能和滲流能力的參數，也是影響氣水相對滲透率特征的重要參數。由于采收率為滲流特征參數，間接地反映了氣水相對滲透率特征，因此，利用相關分析法統計了采收率與物性的相關關系，在此基礎上分析控制氣水相對滲透率特征的因素。

表2 研究區儲層巖樣核磁共振可動流體測試結果Table2 The testing results of the movable fluid of the reservoir rock samples by NMR technique

通過無水期采收率及最終采收率與物性的相關性分析可以看出（圖7），最終采收率與物性有很強烈的正相關性，無水期采收率與物性也有較強烈的正相關性。隨著孔隙度與滲透率的減小，無水期采收率與最終采收率均有降低，這說明隨著儲層物性的變差，采收率受到影響。對比不同巖心樣品的采收率（表3）可以看出，孔隙度值相近、滲透率值相差較大的巖心樣品采收率變化較大，而滲透率值相近、孔隙度值相差較大的巖心樣品采收率變化不大。由此可見，相對孔隙度而言，滲透率對采收率的影響更大。這是因為致密砂巖儲層非均質性較強，而滲透率受儲層的非均質性影響，隨著滲透率的增大或減小，喉道半徑也相應變化，進而影響儲層中的氣水相對滲透率特征，從而影響采收率；而孔隙度表征儲層的儲集能力，對采收率影響相對較小。圖7－B所示，隨著滲透率的增加，采收率表現增大的趨勢，但增加幅度逐漸減小；當滲透率較小時，采收率下降幅度明顯，這也是致密砂巖儲層采收率低的主要原因。此外，滲透率越小，無水期采收率所占最終采收率的比值越大（表3），說明滲透率越低，孔喉半徑越小，毛細管力越大，水相流動阻力越大，后期的注水驅氣對最終采收率影響不大。因此，滲透率越差的儲層，越應該重視無水期采收率。

綜上分析，研究區致密砂巖儲層物性對氣水相對滲透率的影響，主要是通過與儲層孔隙結構之間的相互影響進而影響氣水相對滲透率特征，因此，致密砂巖儲層的氣水相對滲透率特征主要是受孔隙結構的影響。

圖6 可動流體飽和度與孔隙結構參數的相關性Fig.6 The relative curve between the movable fluid saturation and the pore structure parameter

圖7 儲層物性與采收率相關性分析Fig.7 Correlation analysis between the reservoir physical property and the recovery factor

表3 不同巖心樣品采收率對比Table3 Correlation of the recovery factors of different core samples

2.3.2 孔隙結構因素

孔隙結構是影響氣水相對滲透率特征的最主要因素。通過分析認為，孔隙結構對于致密砂巖儲層氣水相對滲透率特征的影響主要包括以下幾個方面。

a.平均孔喉比

孔喉比是指孔隙半徑和與之連通的喉道半徑之比。在孔隙結構中，平均孔喉比對滲透率的影響很大，進而會對氣水相對滲透率產生影響。

由圖8可見，隨著平均孔喉比的增大，相同含水飽和度下的氣相相對滲透率降低。分析認為：平均孔喉比越大，說明和孔隙相連通的喉道半徑越小，孔隙和喉道間的毛細管力也就越大，越容易發生卡斷堵塞，即越容易形成殘余氣。而致密砂巖儲層普遍具有親水性，這將導致氣相以孤立的氣泡形式存在于孔隙中，無法形成連續的氣體滲流通道，從而影響氣相滲透率。

b.孔隙結構的非均質性

圖8 平均孔喉比對氣相相對滲透率的影響圖Fig.8 The Influence diagram of the average pore throat ratio on the gas phase relative permeability

表4 不同巖心孔隙結構參數的最終采收率對比Table4 Comparison of the ultimate recoveries of the pore structure parameters of different cores

孔隙結構的非均質性主要通過孔喉分選系數體現，分選系數越小，表明儲層孔隙結構的非均質性越弱。對比不同巖心孔隙結構分選系數的最終采收率（表4），可以看出：在滲透率相差不大的情況下（如2號巖樣與3號巖樣），孔喉分選系數與最終采收率呈負相關關系，即孔喉分選系數越小，分選越好，最終采收率越高。而當滲透率相差較大的情況下（如4號巖樣與25號巖樣），部分分選較差但滲透率較高的樣品最終采收率仍然相對較高。這主要是因為其滲透率是由少數連通的大孔喉提供的，而大孔喉的出現無疑會使小孔喉為主的樣品分選變差。綜上分析，在滲透率相差不大的情況下，孔隙結構非均質性強，則最終采收率越差；而在分選差不多的情況下，其最終采收率在很大程度上取決于滲透率的大小。

c.孔喉半徑

孔喉半徑對氣水相對滲透率有重要影響，而致密砂巖儲層孔隙結構復雜，當滲透率＜1×10－3μm2時，孔喉半徑主要集中在＜1μm范圍內，孔喉半徑變化復雜，大小差異較大，巖石滲透率主要由大孔喉所貢獻。圖9所示為孔喉半徑值與最終采收率的關系。從圖中可以看出，隨著孔喉半徑的增大，最終采收率增加，當孔喉半徑值達0.15 μm時，最終采收率接近50%，兩者具有較好的正相關關系。另一方面，回歸斜率較大，表明隨著孔喉半徑的增大最終采收率增加的幅度較大。這說明致密砂巖儲層的孔喉半徑對氣相滲流的影響很大。

圖9 孔喉半徑與最終采收率的相關關系Fig.9 The relationship between the pore throat radius and the ultimate recovery

2.3.3 原始含水飽和度

原始含水飽和度對研究區致密砂巖儲層氣相相對滲透率的影響如表5所示。可以看出，研究區致密砂巖儲層的原始含水飽和度范圍為32.6%～62.5%，儲層的滲透率越低，原始含水飽和度越高；隨著原始含水飽和度的增加，氣相相對滲透率與最終采收率均呈下降趨勢；當原始含水飽和度＞60%時，氣相相對滲透率急劇下降，最終采收率也降低。這是可以理解的，原始含水飽和度越高，在致密砂巖儲層的毛細管力和界面張力等作用下，孔隙、喉道中吸附的水量就越多，氣體通過喉道的滲流通道減小得就越厲害，導致氣體有效滲流能力下降，最終采收率降低。

表5 不同巖心原始含水飽和度的氣相相對滲透率對比Table5 Comparison of the gas phase relative permeability of the original water saturation of different cores

2.3.4 潤濕性

儲層巖石的潤濕性也是影響氣水相對滲透率特征的原因之一。由于儲層的潤濕性與兩相驅替方式、殘余氣的分布關系密切，從而也會影響氣水相對滲透率[18]。研究區儲層巖心束縛水飽和度（Swi）＞30%，等滲點含水飽和度（Sw）＞60%，最大含水飽和度時水相相對滲透率Krw＜10%，據楊勝來（2004），研究區儲層巖石表現為強親水性[19]。巖石的親水性對驅氣效率的影響主要表現在2方面：一方面，巖石的親水性可以使毛管力逐漸轉變為驅氣動力，注入水更易進入小孔隙中，對于小孔隙中殘余氣的驅替較為有利。另一方面，致密砂巖儲層喉道細小，當氣水兩相流經狹窄喉道時，由于賈敏效應產生附加阻力；又由于巖石的親水性，水沿著喉道表面流動形成水膜，造成水鎖損害，使流動阻力進一步加大；同時，水沿著喉道表面流動，對于以分散形式分布于大孔隙中心部位的殘余氣無法顧及，進而影響最終采收率。

3 結論

a.花港組儲層巖性致密，物性差，孔隙度平均為9.44%，滲透率平均為0.14×10－3μm2；孔隙類型以粒間溶孔為主，孔隙結構復雜，排驅壓力高（平均為0.938MPa），孔喉半徑細小（平均為0.114 9μm），且孔喉分選性差，具有典型的致密砂巖儲層特征。

b.儲層巖心水驅氣模擬實驗研究所得的相對滲透率曲線遵循相同的規律：束縛水飽和度較大時，殘余氣飽和度大；儲層巖石親水，束縛水條件下氣相相對滲透率不高；兩相滲流區較窄，儲層見水后氣相滲透率急劇下降；水驅氣后期，水相相對滲透率也不高，最終采收率在50%左右；無水期采收率占最終采收率的比例很大，因此，應充分重視致密砂巖儲層見水前的天然氣開采。

c.核磁共振可動流體研究表明，該區致密砂巖儲層可動流體飽和度低，且具有較強的非均質性，導致致密砂巖儲層水驅氣中的最終采收率低，各巖心之間驅氣效率差異較大。

d.氣水兩相在致密砂巖儲層中的滲流特征受儲層物性、孔隙結構、原始含水飽和度以及潤濕性等多種因素的影響。巖石滲透率控制氣水滲流能力，是影響氣水相對滲透率的直接原因；孔喉分布非均質性強和孔喉半徑細小，是影響儲層滲透率低、氣水滲流困難、最終采收率低的最主要因素；含水飽和度對氣體滲流能力影響較大，儲層含水增加造成產能大幅度下降；潤濕性與兩相驅替方式、殘余氣的分布關系密切，影響氣水相對滲透率特征。

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