普光氣田地層水啟動壓力梯度實驗研究

曾大乾，李繼強，張俊法，孫 兵，鄧 鵬，楊棽垚

(1.中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083；2.重慶科技學院石油與天然氣工程學院，重慶 401331；3.中國石油塔里木油田分公司，庫爾勒 841000)

全球已開發的氣藏中大部分為水驅氣藏，準確認識氣藏水侵規律是高效開發水驅氣藏的重要前提[1-6]。地層水啟動壓力梯度會增大地層水在儲層中的滲流阻力[7-11]，延緩水體侵入氣藏，從而影響氣藏水侵規律。因此，準確確定地層水啟動壓力梯度是正確認識氣藏水侵規律，進而改善氣藏開發效果的重要前提。

目前，中外學者針對地層水啟動壓力梯度開展了一些研究，建立了一些地層水啟動壓力梯度計算模型[12-16]，但現有計算模型計算結果差異大，不能有效指導以地層水啟動壓力梯度為基礎的其他相關研究。

現選取普光氣田超深層碳酸鹽巖儲層巖心，開展地層水啟動壓力梯度實驗測試，根據實驗測試結果，建立地層水啟動壓力梯度計算模型，對比分析不同地層水啟動壓力梯度計算模型的計算結果，分析影響地層水啟動壓力梯度的主要因素，為準確確定地層水啟動壓力梯度提供指導。

1 實驗原理及方法

采用壓差-流量法，在儲層溫度條件下，測定地層水不同流量對應的穩定壓差，根據實驗測試結果，通過回歸分析，確定巖樣的地層水啟動壓力梯度。實驗流程如圖1所示，實驗步驟如下。

1.1 巖心樣品準備

根據行業標準《巖心分析方法》(SY/T 5336—2006)制備、清洗、烘干巖心并抽真空飽和地層水。

圖1 地層水啟動壓力梯度實驗流程

1.2 壓差流量測定

(1)建立圍壓：將飽和鹽水的巖心樣品裝入巖心夾持器；設置自動圍壓泵為自動追蹤模式，設置恒定凈圍壓為3.0 MPa并啟動(避免應力敏感帶來的實驗誤差)。

(2)設置實驗溫度：將恒溫箱溫度穩定到儲層溫度(120 ℃)。

(3)設置出口回壓：打開回壓閥，設置回壓泵，將出口端回壓穩定在1.0 MPa。

(4)設置實驗流量：設置高精度恒速恒壓泵為恒速模式，設置實驗測試流量并啟動。

(5)記錄驅動壓力：每間隔1 h記錄1次巖樣進出口的高精度壓力表的壓力數據，直至前后兩次壓力波動不超過0.04%，且此時注入水體積為孔隙體積的10倍以上，則認為壓力穩定，記錄穩定的驅動壓差。

(6)下一組流量測試：重復(4)～(5)，進行下一組實驗流量的測試。

2 實驗樣品及條件

實驗采用高精度恒速恒壓泵、高精度數顯壓力表和高精度回壓閥。高精度恒速恒壓泵壓力精度為0.02%，流量精度0.001 mL·min-1，高精度數顯壓力表和高精度回壓閥壓力精度均為0.02%。實驗選取四川盆地普光氣田飛仙關組超深層碳酸鹽巖標準巖心15塊(表1)，巖樣孔隙度介于2.53%～7.19%，巖樣滲透率介于0.018 8×10-3～5.730 4×10-3μm2。實驗用水根據地層水礦化度8.5×104mg·L-1配制，實驗溫度為120 ℃。

表1 實驗巖心基礎數據表

3 實驗結果及分析

根據實驗測試數據回歸分析得到15塊巖心的地層水啟動壓力梯度，繪制其與巖心滲透率的關系曲線(圖2)。從圖2來看，地層水啟動壓力梯度隨滲透率的降低而增大；在滲透率相對較高時，隨著滲透率的降低，地層水啟動壓力梯度緩慢增大，在滲透率相對較低時，隨著滲透率的降低，地層水啟動壓力梯度急劇增大。地層水啟動壓力梯度與滲透率呈現較好的冪函數關系，采用冪函數回歸分析，建立地層水啟動壓力梯度與滲透率關系方程為

λ=0.003 20K-0.662

(1)

式(1)中：λ為地層水啟動壓力梯度，MPa·m-1；K為滲透率，10-3μm2。

根據儲層的滲透率，采用式(1)，可計算得到普光氣田超深層碳酸鹽巖儲層的地層水啟動壓力梯度。

根據實驗巖樣的滲透率，采用郝斐模型[17]、朱維耀模型[18]和本文模型(表2)，計算實驗巖樣的地層水啟動壓力梯度(表3)，繪制三種模型計算的地層水啟動壓力梯度與滲透率的關系曲線(圖3)。

圖2 地層水啟動壓力梯度與滲透率的關系

表2 地層水啟動壓力梯度計算模型

表3 實驗巖樣地層水啟動壓力梯度計算結果

從圖3來看，不同模型計算的地層水啟動壓力梯度隨滲透率的變化趨勢基本一致，但數值差異很大，不同模型計算得到的同一塊巖心的地層水啟動壓力梯度數值最大可相差10倍以上。

研究表明[19-22]，流體在細小孔道中流動具有一定的非牛頓特征，流體的黏度越高，其非牛頓特征就越明顯，宏觀表現為啟動壓力梯度越大。影響地層水黏度的因素有壓力、溫度和礦化度，其中壓力和礦化度對地層水黏度的影響較小，而溫度對地層水黏度影響較大(圖4)，溫度越高，地層水黏度越小。因此，在地層水啟動壓力梯度實驗測試中，實驗溫度會對測試結果造成較大影響。

圖3 不同模型計算結果對比

圖4 地層水黏度隨溫度變化曲線

從表2和圖3來看：郝斐模型是基于實驗溫度為25 ℃的實驗測試結果建立的，地層水黏度最大，計算的地層水啟動壓力梯度最大；朱維耀模型是基于實驗溫度為60 ℃的實驗測試結果建立的，地層水黏度相對較小，計算的地層水啟動壓力梯度相對也較小；本文模型是基于實驗溫度為120 ℃的實驗測試結果建立的，地層水黏度最小，計算的地層水啟動壓力梯度最小。

從以上分析來看，地層溫度影響地層水黏度，從而改變地層水在細小孔道中流動時的非牛頓特征，進而影響地層水啟動壓力梯度的大小，基于特定溫度實驗測試結果建立的啟動壓力梯度計算模型僅適用于該溫度條件下地層水啟動壓力梯度的預測。不同氣藏的地層溫度不同，則地層水黏度不同，相應地地層水啟動壓力梯度也就不同，在不同地層水黏度啟動壓力梯度實驗測試基礎上建立的綜合考慮滲透率和黏度的啟動壓力梯度計算模型才具有普適性。

4 實例計算

根據普光氣田完鉆井測井解釋結果，采用文獻[17-18]和本文建立的地層水啟動壓力梯度計算模型，計算普光氣田氣藏分類儲層的地層水啟動壓力梯度(圖5)。

圖5 普光氣田分類儲層地層水啟動壓力梯度

從圖5來看，采用不同模型計算的地層水啟動壓力梯度差異很大，郝斐模型計算結果最大可達14.0 MPa·m-1，朱維耀模型計算結果最大可達7.0 MPa·m-1，而本文模型計算結果最大為0.2 MPa·m-1。計算結果差異大的主要原因是三種模型是基于不同實驗溫度的測試數據建立的，不同實驗溫度對應的地層水黏度不同，導致地層水在細小孔道中的非牛頓特征不同，最終在宏觀上表現為地層水啟動壓力梯度不同。若采用基于其他實驗溫度下的地層水啟動壓力梯度測試數據建立的模型計算普光氣田儲層的地層水啟動壓力梯度會帶來極大誤差。采用本文模型計算的普光氣田各分類儲層的地層水啟動壓力梯度計算結果差異較大。Ⅰ類儲層地層水啟動壓力梯度較小，其數量級在10-4MPa·m-1級別，Ⅱ類儲層較Ⅰ類儲層明顯增大，最大可達0.02 MPa·m-1，Ⅲ類儲層地層水啟動壓力梯度較大，最大可達0.2 MPa·m-1。普光氣田開發井鉆遇氣層中Ⅰ類儲層占9.6%，Ⅱ類儲層占32.9%，Ⅲ類儲層占57.5%，物性較差的Ⅱ類、Ⅲ類儲層占比較大。普光氣田Ⅱ、Ⅲ類儲層地層水啟動壓力梯度較大，會對氣藏的水侵規律造成較大的影響。因此，要準確描述氣藏水侵規律，進而準確預測氣藏開發指標，需考慮儲層的地層水啟動壓力梯度。

5 結論

(1)地層水啟動壓力梯度隨滲透率的降低而增大；在滲透率相對較高時，隨著滲透率的降低，地層水啟動壓力梯度緩慢增大，在滲透率相對較低時，隨著滲透率的降低，地層水啟動壓力梯度急劇增大。

(2)地層溫度影響地層水黏度，從而改變地層水在細小孔道中流動時的非牛頓特征，進而影響地層水啟動壓力梯度的大小。地層溫度越高，地層水黏度就越小，相應地地層水啟動壓力梯度就越小。

(3)儲層滲透率和地層水黏度是影響地層水啟動壓力梯度的主要因素，而地層水黏度受地層溫度影響很大，基于特定溫度實驗測試結果建立的啟動壓力梯度計算模型僅適用于該溫度條件下地層水啟動壓力梯度的預測。

(4)普光氣田Ⅱ、Ⅲ類儲層地層水啟動壓力梯度較大，要準確描述氣藏水侵規律，進而準確預測氣藏開發指標，需考慮儲層的地層水啟動壓力梯度。