松南氣田火山巖氣藏單相滲流機(jī)理研究

洪 艷

中國(guó)石油化工股份有限公司東北油氣分公司松南采氣廠，吉林 長(zhǎng)春 130062

0 引言

火山巖氣藏儲(chǔ)層特征極其復(fù)雜,具有復(fù)雜的儲(chǔ)滲空間,滲透性差異大，非均質(zhì)性嚴(yán)重，氣水分布不均衡，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組成巖石類型繁多，具有同于常規(guī)氣藏開發(fā)的困難性和挑戰(zhàn)性[1]。隨著油氣勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，我國(guó)在二連、準(zhǔn)格爾、松遼等盆地發(fā)現(xiàn)了火山巖儲(chǔ)層[3-8],作為非常規(guī)氣藏發(fā)現(xiàn)的可能性越來(lái)越大，而且近年作為油氣勘探新領(lǐng)域，引起了石油行業(yè)學(xué)者們的關(guān)注。但目前國(guó)內(nèi)對(duì)于火山巖儲(chǔ)層的滲流機(jī)理和特征研究不多，如何描述火山巖氣藏滲流特征,從而建立其儲(chǔ)層的滲流數(shù)學(xué)模型,對(duì)儲(chǔ)層滲流的影響因素進(jìn)行準(zhǔn)確的分析,是火山巖氣藏儲(chǔ)層研究的難題[9-10]。本文通過氣藏滲流特征，建立滲流物理模型，通過單相氣體非線性滲流實(shí)驗(yàn)，得出了不同滲透率的火山巖氣藏在不同孔隙壓力下的滑脫效應(yīng)大小，為氣藏的工作制度選擇和產(chǎn)能評(píng)價(jià)提供了一定的參考。

1 火山巖氣藏儲(chǔ)層滲流特征

在火山噴發(fā)過程中一般具有多個(gè)噴發(fā)旋回，在一個(gè)旋回內(nèi)部一次相對(duì)集中的噴發(fā)而形成的一套火山巖組合為一個(gè)噴發(fā)期次。由火山噴發(fā)旋回特征可知，火山巖氣藏一般呈層狀分布，具有多層的特征。松南氣田火山噴發(fā)旋回由3個(gè)噴發(fā)期次組成，第一、二期均為溢流相，第三期為爆發(fā)相，不同的期次具有不同的物性分布特征。

根據(jù)火山機(jī)構(gòu)的形態(tài)規(guī)模，當(dāng)井布在火山機(jī)構(gòu)的不同部位時(shí)，具有不同的流動(dòng)特征。當(dāng)井布在火山機(jī)構(gòu)中心部位，靠近火山口時(shí),同時(shí)打開多層，在不考慮層間竄流的情況下，每層流體各自流入井筒。火山巖氣藏的各層滲透率、厚度等參數(shù)可認(rèn)為僅在徑向上變化，均為距井半徑r的函數(shù)。儲(chǔ)層物性參數(shù)一般可認(rèn)為沿井周向上具有對(duì)稱的性質(zhì)，儲(chǔ)層厚度變薄，滲透性變差，如圖1，2。

當(dāng)井布在遠(yuǎn)離火山機(jī)構(gòu)中心部位時(shí)，同時(shí)打開多層，在不考慮層間竄流的情況下，每層流體亦各自流入井筒。火山巖氣藏的各層滲透率、地層厚度等隨地層位置變化而變化，在徑向坐標(biāo)系統(tǒng)下，隨徑向半徑和角度變化而變化，儲(chǔ)層物性參數(shù)一般可認(rèn)為沿井周向上具有不對(duì)稱的性質(zhì)，如圖3，4。

2 滲流物理模型建立

根據(jù)火山巖氣藏儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間復(fù)雜多樣以及多層滲流的特點(diǎn)，基于目前的均質(zhì)、等厚氣藏的滲流模型無(wú)法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。

2.1 物理模型描述

如圖所示（圖5），假設(shè)氣井布于火山機(jī)構(gòu)的中心部位，在單層開采的情況下，每區(qū)的滲透率以及厚度沿井徑方向是變化的，在一個(gè)區(qū)內(nèi)也是不斷變化的。

氣藏多層合采時(shí)，每層的滲透率以及厚度各不相同；每層之間分為多區(qū)，每區(qū)的滲透率以及厚度沿井徑方向是變化的，在一個(gè)區(qū)內(nèi)也是不斷變化的；各層之間不存在竄流的影響，氣體各自流入井筒。

2.2 模型假設(shè)條件

基于前文論述，假設(shè)條件如下所示：

（1）不等厚、圓形地層，流體與孔隙介質(zhì)間無(wú)相互作用；

（2）等溫流動(dòng)，服從達(dá)西定律；

（3）不考慮巖石的壓縮性，忽略重力和毛管力的影響；

（4）多層，無(wú)層間流動(dòng)，層厚度每不同，滲透率不同，具有相同的初始?jí)毫Γ?/p>

（5）每層分為多區(qū)，各區(qū)厚度不同，滲透率不同；

（6）定產(chǎn)量生產(chǎn)。

圖 1 中心部位布井儲(chǔ)層厚度變化示意圖Fig.1 Schematic diagram of thickness variation of well spacing reservoir in central part

圖 2 中心部位布井儲(chǔ)層滲透率變化示意圖Fig.2 Schematic diagram of permeability variation of well spacing reservoir in central part

圖 3 遠(yuǎn)離中心部位布井儲(chǔ)層厚度變化示意圖Fig.3 Schematic diagram of thickness variation of well spacing reservoir far away from central part

圖 4 遠(yuǎn)離中心部位布井儲(chǔ)層滲透率變化示意圖Fig.4 Schematic diagram of permeability variation of well spacing reservoir far away from central part

圖 5 火山巖氣藏多層多區(qū)滲流模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of Multi zone percolation model for volcanic gas reservoir

2.3 滲流模型的建立

（1）氣體狀態(tài)方程：由于氣體的可壓縮性，表現(xiàn)為氣體體積和密度明顯受到壓力和溫度等因素的影響，氣體這一性質(zhì)可由氣體狀態(tài)方程來(lái)描述。

實(shí)際氣體，最簡(jiǎn)單狀態(tài)方程：

PV=nZRT

（2）運(yùn)動(dòng)方程：與液體的滲流相似，當(dāng)氣體在滲流過程中處于層流狀態(tài)時(shí)，其流動(dòng)規(guī)律仍可由達(dá)西定律來(lái)描述：

用數(shù)學(xué)公式描述為：

（4）微分方程：根據(jù)以上方程，可得火山巖氣藏單層、多層多區(qū)的微分方程如下所示：

①單層多區(qū)

在分層開采的情況下，假設(shè)地層中存在n個(gè)巖石性質(zhì)不同的環(huán)形區(qū)域，每區(qū)的儲(chǔ)層厚度、滲透率等都是變化的，為距井距離r的函數(shù)，則單層多區(qū)氣體滲流的微分方程為：

（3）連續(xù)性方程：氣體滲流過程中的連續(xù)性方程也稱為質(zhì)量守恒定律，即在地層中任取一微小的單元體，單元體內(nèi)液體質(zhì)量變化應(yīng)等于同一時(shí)間間隔內(nèi)液體流入質(zhì)量與流出質(zhì)量之差，即表示為：

液體質(zhì)量變化量=流入的質(zhì)量-流出的質(zhì)量

圖 6 滲流單元體示意圖Fig.6 Schematic diagram of seepage element

②多層多區(qū)

在多層合采的情況下，假設(shè)地層中存在m層、n個(gè)巖石性質(zhì)不同的環(huán)形區(qū)域，每層、每區(qū)的儲(chǔ)層厚度、滲透率等都是變化的，為距井距離r的函數(shù)，每層可以有不同的n值，則多層多區(qū)氣體滲流的微分方程為：

3 滲流實(shí)驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)樣品選擇

本次試驗(yàn)所用樣品均取自松南火山巖氣藏，共6塊（均為火山巖），孔隙度范圍為2.45%~17.41%，空氣滲透率范圍是（0.001~0.922）×10-3μm2。測(cè)試樣品基礎(chǔ)物性參數(shù)見表1。

3.2 試驗(yàn)流程和方法設(shè)計(jì)

試驗(yàn)流程圖如圖7所示，試驗(yàn)溫度約為20°，設(shè)置不同圍壓，實(shí)驗(yàn)氣體為N2，實(shí)驗(yàn)用水為模擬地層水，模擬地層水的礦化度為10 000mg/L。

表 1 實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of experimental core

圖 7 巖心氣測(cè)滲透率流程Fig.7 Core gas test permeability process

實(shí)驗(yàn)步驟如下:

（1）按流程安裝設(shè)備，并檢查儀器工作狀況，并記錄壓力傳感器和熱式流量計(jì)的零點(diǎn)；

（2）將巖心放入巖心夾持器中，用手搖泵為巖心夾持器提供一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)壓20 MPa；

（3）打開氣源；

（4）調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，用較低壓力驅(qū)替巖心，保持一定的時(shí)間，直到壓力和流量不再變化，記下流量和壓力，當(dāng)流量大于0.3 mL/min時(shí)用與電腦連接的熱式流量計(jì)計(jì)量流量，當(dāng)流量小于0.3 mL/min時(shí)用滿刻度為0.5 mL的皂沫流量計(jì)進(jìn)行精確計(jì)量；

（5）增大巖心進(jìn)口壓力(如果是含水巖心則減小進(jìn)口壓力)，重復(fù)步驟(5)；

（6）關(guān)氣源，卸環(huán)壓，取出巖心(如果是含水巖心的滑脫效應(yīng)，則要對(duì)巖心進(jìn)行稱重)；

（7）改變巖心和實(shí)驗(yàn)條件，重復(fù)步驟(2)~(6)；（8）整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）不同圍壓下滲透率的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如表1所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表1，圖8～13)可看出：巖石滲透率隨著圍壓的增大，滲透率下降，尤其是加大圍壓的初始階段滲透率呈非線性下降趨勢(shì)。曲線擬合結(jié)果表明，巖石滲透率與水平應(yīng)力呈冪函數(shù)關(guān)系。在圍壓小于8 MPa時(shí)，隨著圍壓的增加急劇下降；在圍壓大于8 MPa時(shí)，滲透率下降變化較為平緩。表明隨水平應(yīng)力的增加，巖心滲透率降低，大于一定的臨界應(yīng)力后，變化趨勢(shì)趨于平緩并下降幅度極小。

表 2 6組巖心不同圍壓下的滲透率Table 2 Six groups core permeability under different confi ning pressures

圖 8 巖心5-1滲透率隨圍壓變化曲線Fig.8 Changing curve of core 5-1 permeability with confi ning pressure

圖 9 巖心5-2滲透率隨圍壓變化曲線Fig.9 Changing curve of core 5-2 permeability with confi ning pressure

圖 10 巖心6-1滲透率隨圍壓變化曲線Fig.10 Changing curve of core 6-1 permeability with confi ning pressure

圖 11 巖心6-2滲透率隨圍壓變化曲線Fig.11 Changing curve of core 6-2 permeability with confi ning pressure

圖 12 巖心301-1滲透率隨圍壓變化曲線Fig.12 Changing curve of core 301-1 permeability with confi ning pressure

不同孔隙壓力下滲透率的變化規(guī)律:表2、3、4為六組巖心在不同空隙壓力下巖心滲透率。平均孔隙壓力p為巖心入口壓力p1與巖心出口壓力p0的平均值。

圖 13 巖心301-2滲透率隨圍壓變化曲線Fig.13 Changing curve of core 301-2 permeability with confi ning pressure

繪制了巖心滲透率隨壓差變化曲線圖14、巖心滲透率隨壓差倒數(shù)變化曲線圖15。

由圖14、15可知，6塊巖心的滲流曲線在滲透率低的情況下都是下凹曲線型，隨著孔隙壓力的增加，出現(xiàn)直線型，而且對(duì)于相同的巖心采用不用的平均孔隙壓力測(cè)量時(shí)候，所得的滲透率不同，這主要受氣體的滑脫效應(yīng)的影響。氣測(cè)滲透率時(shí)，由于氣-固間的分子作用力遠(yuǎn)比液-固間的分子作用力小，在管壁處的氣體分子仍處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；另一方面，相鄰層的氣體分子由于動(dòng)量交換，連同管壁處的氣體分子一起沿管壁方向做定向流動(dòng)，管壁處流速不為零，形成了“氣體滑脫效應(yīng)”。由于氣體滑脫效應(yīng)的影響，氣測(cè)滲透率所測(cè)出的巖石滲透率更能真實(shí)反應(yīng)巖石的滲透性。

表5 巖心301-1/301-2滲透率測(cè)試結(jié)果Table 5 Permeability test results of core 301-1/core301-2

表3 巖心5-1、5-2滲透率測(cè)試結(jié)果Table 3 Permeability test results of core 5-1, core5-2

表4 巖心6-1、6-2滲透率測(cè)試結(jié)果Table 4 Permeability test results of core 6-1, core6-2

圖 14 巖心滲透率隨壓差變化曲線圖Fig. 14 Curves chart of variation of core permeability with pressure difference

圖 16 巖心滲透率隨平均孔隙壓力變化曲線圖Fig. 16 Curves chart of variation of core permeability with average pore pressure

由圖15可知，滲透率隨著平均孔隙壓力的增加而增加。平均孔隙壓力是巖石孔隙中的氣體分子對(duì)單位管壁面積上的碰撞力，它取決于氣體分子本身的動(dòng)量和氣體密度。平均孔隙壓力越小，氣體分子間的相互碰撞就越少。這就使得氣體更易流動(dòng)，氣體滑脫現(xiàn)象就越明顯。隨著平均孔隙壓力的增加，氣體滑脫效應(yīng)逐漸消失，滲透率越來(lái)越小；如果壓力增至無(wú)窮大，氣體性質(zhì)已經(jīng)接近液體性質(zhì)，此時(shí)的滲透率就接近液測(cè)滲透率。

由此圖16可知，滲透率越低，滑脫效應(yīng)越強(qiáng)，火山巖的滲流曲線分為三個(gè)區(qū)域：紊流區(qū)、過渡區(qū)和滑脫區(qū)。在較低孔隙壓力下，氣體滲流主要受滑脫效應(yīng)影響，氣測(cè)滲透率隨平均孔隙壓力倒數(shù)的增加而呈直線關(guān)系增加，稱其為滑脫區(qū)；在較高的驅(qū)替壓差下，氣體滲流曲線也基本上是一條直線，這時(shí)氣體在巖心中所有滲流通道內(nèi)的流動(dòng)都已發(fā)展成為紊流，滑脫效應(yīng)對(duì)滲流的影響不再重要，稱其為紊流區(qū)；巖心中滲流通道內(nèi)的流動(dòng)都已發(fā)展成為紊流的情況很少見，但這樣的就是火山巖氣體單相滲流時(shí)的滲流形態(tài)。

4 結(jié)論

（1）火山巖是裂縫型儲(chǔ)層，基質(zhì)的滲透率較低，裂縫起了主要的導(dǎo)流能力，具體表現(xiàn)為巖心分析的滲透率往往很低，而試井解釋的有效滲透率較高，常常高出巖心分析滲透率的數(shù)倍至數(shù)十倍，反映裂縫承擔(dān)了主要的滲流作用，儲(chǔ)層的非均質(zhì)性嚴(yán)重。

（2）單相氣體非線性滲流實(shí)驗(yàn)表征了不同滲透率的火山巖氣藏在不同孔隙壓力下的滑脫效應(yīng)大小，為氣藏的工作制度選擇和產(chǎn)能評(píng)價(jià)提供了一定的參考。

（3）巖石滲透率隨著圍壓的增大，滲透率下降，在圍壓小于8 MPa時(shí)，隨著圍壓的增加急劇下降；在圍壓大于8 MPa時(shí)，滲透率下降變化較為平緩。

（4）滲透率越低，滑脫效應(yīng)越強(qiáng)；在較低孔隙壓力下，氣體滲流主要受滑脫效應(yīng)影響大。在較高的孔隙壓力下，氣體的流動(dòng)成為紊流，滑脫效應(yīng)減弱。

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