濰北凹陷天然氣充注實驗分析

孫耀庭

（中國石化勝利油田分公司地質科學研究院，山東東營257061）

1 濰北凹陷基本情況

濰北凹陷是郯廬斷裂帶內部的一個小型新生代走滑拉分盆地，勘探面積880 km2，平面上大體呈菱形［1］（圖1）。盆地主要形成于古近系，孔店組沉積厚度大，其中孔二段是烴源巖層，有機質類型以Ⅱ1－Ⅱ2型為主，已進入成熟－高成熟階段，生成煤型氣和裂解氣。根據最新資源評價結果，該盆地天然氣資源量為405×108m3。孔二段也是濰北深層氣的主要成藏層段，在孔二中亞段沉積時期，各種類型的扇體廣泛發育，包括扇三角洲、沖積扇和濁積扇，構成了本區的主要儲層［2］；孔二段下亞段和上亞段為厚層暗色泥巖夾薄層砂沉積，形成了良好的生儲蓋組合。北部洼陷帶多口井于孔二段見大段氣測異常，表明北部洼陷帶氣藏存在較大勘探潛力，但是凹陷北部致密氣藏的成藏特征、形成時期及影響因素尚不明確，制約了勘探進展［3］。據此，本實驗擬通過改變不同的驅替壓力，測定不同驅替過程中巖心中含氣飽和度的變化，明確含氣飽和度影響因素，總結出濰北凹陷深層致密氣藏成藏機理。

2 實驗設備和方法

實驗樣品取自濰北凹陷的央5、央6、昌67和央斜4井的天然巖心共15塊樣品（表1），巖性為礫巖和砂巖，巖心飽和水采用的是3%KCl水，氣體為氮氣。

2.1 實驗方法

圖1 濰北凹陷區域位置

實驗研究的方法是改變不同的驅替壓力（由低到高），測定不同驅替過程中的巖心中含氣飽和度的變化。其中實驗最低驅替壓力的確定是實驗中的難點，其確定原則為：①盡量低，以接近氣驅水的最小驅動壓力，提高模擬精度；②由于在低驅替壓力下飽和度變化慢，穩定時間長，造成整個實驗用時較長。第一個驅替壓力大小的確定，實驗以其穩定時間在30 h左右的大小為依據。每一個驅替過程的穩定以含氣飽和度不再改變為依據。考慮到氣驅水時氣體對巖心中的飽和水有攜帶作用，且攜帶部分出口分離器是無法計量到的，采取實驗前后稱重的方法對飽和度的變化進行校正。

2.2 實驗步驟

實驗步驟主要包括：①將測試氣體滲透率和孔隙度后的巖心進行抽空飽和3%KCl水；②將巖心稱重后裝入巖心夾持器；③確定第一個驅替壓力，進行氣驅水實驗；④待出口不再出水后提高驅替壓力，進行第二個驅替壓力點的測試；（由于驅替壓力由氣瓶提供，氣瓶最大壓力為10 MPa左右，壓力的提高幅度以能在第一個驅替壓力和10 MPa之間插入3個點為依據）；⑤待提高壓力出口也不再出水后，結束實驗，將巖心取出稱重。

表1 實驗樣品巖心物性參數

2.3 實驗溫度和壓力

實驗溫度和壓力分為兩類。一類實驗溫度和壓力分別為室溫25℃和15 MPa；另一類實驗溫度和壓力分別為85℃和30 MPa，與現今氣藏特征相當。

3 實驗結果分析

通過實驗得到每一塊樣品在不同驅替壓力下的飽和度變化實驗數據、產氣量與產水量關系以及氣飽和度變化實驗數據，并對這些數據關系進行了分析。將測定的13塊巖心的孔隙度與空氣滲透率進行關系統計，孔隙度與空氣滲透率呈對數關系（相關系數0.841）。

3.1 儲層物性對最終含氣飽和度的影響

將進行氣驅水實驗的13塊巖心的最終氣驅水效率（最終含氣飽和度）與空氣滲透率進行關系統計，最終氣驅水效率（最終含氣飽和度）與空氣滲透率呈對數關系（相關系數0.904）（圖2）。將氣驅水實驗的13塊巖心的最終氣驅水效率（最終含氣飽和度）與孔隙度關系統計，關系曲線見圖3，從圖中可以看到，最終氣驅水效率（最終含氣飽和度）與孔隙度呈線性關系（相關系數0.746）。

巖心滲透率和孔隙度均與最終含氣飽和度呈良好的非線性或線性相關，相關系數分別為0.904和0.746，說明儲層物性是影響含氣飽和度的重要因素，其中滲透率對含氣飽和度的影響更為顯著，可用來估算濰北凹陷深層致密氣的含氣飽和度。

圖2 最終氣驅水效率（最終含氣飽和度）與空氣滲透率關系曲線

圖3 最終氣驅水效率（最終含氣飽和度）與孔隙度的關系曲線

3.2 含氣飽和度與驅替壓力的關系

同一巖心在不同驅替壓力下含氣飽和度的測定結果表明，物性不同的巖心，含氣飽和度增長趨勢基本相同，隨驅替壓力增大含氣飽和度非線性增長，一般含氣飽和度增長速度隨驅替壓力增大逐漸減小，在驅替壓力增大到一定程度（拐點壓力）時，含氣飽和度不再增長，達到基本穩定的最大值。另外驅替壓力增大引起的含氣飽和度的變化規律與壓汞法測定毛管壓力時非潤濕相（汞）飽和度隨壓力的變化情況類似，這一方面反映了孔隙介質中的氣驅水過程受毛細管作用的控制，同時也說明實驗測得的含氣飽和度穩定值近似表征了儲層的含氣飽和度大小［4－6］。

對比不同巖心含氣飽和度增長曲線還發現，巖心物性對含氣飽和度的變化亦有一定的影響作用，這主要體現在兩個方面。其一，巖心物性不同，含氣飽和度增長曲線拐點壓力（含氣飽和度不再隨驅替壓力增大而增長的臨界壓力）不同，一般隨巖心滲透率增大，拐點壓力降低［7］；其二，巖心物性不同，含氣飽和度最終穩定值不同［8］，為此我們擬建立含氣飽和度與巖心物性和驅替壓力之間的關系。

將含氣飽和度與驅替壓力的關系用對數函數（Sg＝aln（P驅替）＋b）擬合，當Sg＝0時，最小驅替壓力Pmin＝e（－b／a）。所有樣品的對數函數系數a、b以及Pmin見表2。

表2 含氣飽和度與驅替壓力對數關系系數

實驗結果表明，對于濰北凹陷低孔、低滲的儲層，氣體注入這種儲層所需要的注入壓力即驅替壓力很高，而且含氣飽和度并不大。例如11－1號樣品滲透率0.208×10－3m2，孔隙度7.25%，當驅替壓力達到9.85 MPa時，最終含氣飽和度僅為8.4%。但當物性較好時，驅替壓力明顯降低，含氣飽和度明顯增大，例如31－1號樣品，滲透率1.22×10－3m2，孔隙度16.32%，當驅替壓力達到1.82 MPa時，最終含氣飽和度可達33.8%。目前，濰北凹陷致密氣藏的含氣飽和度一般為50%以上，而且在現今地質條件下，天然氣充注儲層的注入壓力即驅替壓力很難達到9 MPa，因此可以推測濰北凹陷致密氣藏形成于儲層物性相對較好的地質歷史時期——沙河街構造運動之前。根據上述實驗所得的最終含氣飽和度與孔隙度和滲透率的關系，要使儲層的含氣飽和度達到50%，儲層的孔隙度和滲透率分別要達到23.5%和8.78×10－3m2左右，此時的最小驅替壓力為0.025 MPa。

4 結論

濰北凹陷深層致密氣藏成藏經歷了一個由高壓到低壓的發展過程，現今的致密氣藏主要形成于沙河街構造運動之前，即濰北凹陷深層致密氣藏的成藏特征表現為早期成藏，后期經歷了泄壓改造，此前形成的油氣藏可能在后來的構造運動中遭受了不同程度的破壞。因此對濰北凹陷孔店組石油的勘探應慎重，但由于孔二段已達到了生氣階段，對于深層的天然氣勘探有廣泛的前景。

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