低滲透砂巖氣藏滲流特征及滲透率下限研究

陳建勛 ， 楊勝來* ， 李佳峻， 梅青燕， 周 源， 鄒 成

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室，中國石油大學(北京)，北京102249; 2.中國石油西南油氣田分公司勘探開發研究院，成都 610041)

隨著開發的進行，川中須家河組低滲砂巖氣藏面臨含水飽和度高、儲層物性差、單井產能較低的問題，需要優化調整生產方案，提高氣井產能。因此，開展了儲層孔隙結構特征分析與地層條件下的氣-水兩相、氣相單相的滲流特征研究，并根據經濟產能確定了滲透率下限。

儲層孔隙結構分析常用的方法有壓汞測試、鑄體薄片、掃描電鏡、計算機斷層掃描(computed tomography, CT)等； CT因具有快速、無損、三維重構的特點而得到廣泛應用[1-7]。龐河清等[8]、蘇娜等[9]利用CT技術重構了巖心的三維孔隙結構，研究了砂巖氣藏孔隙結構特征。在低滲氣藏的滲流特征及物性下限方面，前人做了大量深入的研究[10-15]。胡勇等[16]研究了毛管壓力隨滲透率的變化規律及氣水相滲特征；姚廣聚等[17]、葉禮友[18]研究了低滲氣藏含水條件下的氣相滲流特征；王璐等[19]、黎菁等[20]通過室內模擬實驗分別研究了碳酸鹽巖氣藏、致密砂巖氣藏的滲透率下限。

結合目標區塊特征，利用CT技術研究微觀孔隙結構特征并重構巖心三維孔隙模型，分析孔隙與裂縫對孔隙度和滲透率的影響規律，為滲流特征分析奠定基礎[21]。通過實驗研究地層條件下的氣-水兩相滲流特征、氣相單相滲流特征；分析孔隙類型、含水飽和度、生產壓差等對氣相流動的影響規律；總結不同生產壓差下的滲透率下限值，為生產方案的調整優化提供指導。

1 實驗方案

首先對儲層的孔隙結構特征進行CT分析；其次進行氣-水兩相滲流特征實驗研究含水飽和度對氣相流動的影響；最后在地層條件下進行滲流能力實驗研究氣相在不同壓差下的流動特征，并根據相似轉換得到滲透率下限。

1.1 微觀孔隙結構分析

以天然巖心為目標，利用CT技術在0.7 μm分辨率下進行微觀孔隙結構特征分析。1號、2號巖心的孔隙度分別為9.19%、7.36%；滲透率分別為0.06、0.24 mD。1號巖心為高孔低滲的孔隙型，表面無明顯裂縫，部分孔隙較為發育，孔隙度相對較高；2號巖心為裂縫-孔隙型，表面發育有微裂縫，無明顯的大孔隙，孔隙度略低。

1.2 滲流特征實驗

1.2.1 實驗條件

實驗溫度為90 ℃，圍壓為45 MPa，孔隙壓力為30 MPa。

1.2.2 實驗材料

實驗用水為模擬地層水，礦化度157.068 4 g/L，實驗氣體為高純度氮氣。氣-水相滲實驗采用全直徑天然巖心，而滲流能力實驗采用柱塞巖心，其孔滲參數如表1所示。根據巖心表面是否含有裂縫，將巖心分為孔隙型和裂縫-孔隙型。在孔隙型巖心中，雖然X2、K1、K3號巖心表面無明顯裂縫，但是孔隙較為明顯，孔隙度較高。而X4、L2、L3號巖心表面的裂縫發育程度較高，L1號巖心表面可觀察到閉合裂縫。

表1 巖心孔滲參數Table 1 Core porosity and permeability parameters

1.2.3 氣-水相滲實驗步驟

參照《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法》(GB/T 28912—2012)，采用非穩態氣驅水的方式測定氣-水相滲曲線，實驗流程如圖1所示。具體步驟為：①建立地層條件；②連續測定三次水相滲透率，其相對誤差小于3%，作為水-氣相對滲透率的基礎值；③控制壓差，進行氣驅水，記錄各個時刻的產水量及產氣量；④氣驅水至無水產出，測定氣相有效滲透率后結束實驗。

圖1 滲流特征實驗流程Fig.1 Experimental procedures of flow characteristics

1.2.4 滲流能力實驗步驟

通過測定不同壓差下的氣相流速，分析氣相流動的影響因素，并轉換礦場條件得到不同壓差下的滲透率下限。具體實驗步驟為：①建立地層條件；②建立束縛水飽和度；③保持注氣壓力恒定，以0.2 MPa壓差逐級降低出口壓力至24 MPa；④記錄不同壓差下穩定的氣相流速等數據。

2 微觀孔隙結構特征分析

1號巖心的CT二維圖片、三維模型以及孔隙模型如圖2所示，巖心表面多為孔隙，并有極少量微裂縫，判斷巖心為孔隙型。巖心孔隙半徑最大值約為30 μm，半徑小于6.67 μm的孔隙體積約占57%，說明大孔隙比例相對較低；巖心喉道半徑最大值約為21 μm，半徑小于2.3 μm的喉道約占50%。這說明巖心的孔隙和喉道半徑差異較大。

圖2 1號巖心CT結果Fig.2 CT results of core No.1

根據孔隙提取模型分析，雖然1號巖心孔隙度較高，但是連通孔隙僅為30%，孔隙連通性較差，表現為高孔低滲的特征。

如圖3所示，2號巖心的CT結果顯示表面裂縫發育，孔隙分散，所以判斷巖心為裂縫-孔隙型。巖心孔隙半徑最大值約為12 μm，孔隙半徑小于1.4 μm的孔隙體積約占50%，大孔隙比例相對較低；巖心喉道半徑最大值約為7.2 μm，半徑小于1.2 μm的喉道約占51%，巖心以小喉道為主。2號巖心的孔喉半徑差異較小，說明孔隙和喉道相對較為均勻。

圖3 2號巖心CT結果Fig.3 CT results of core No. 2

根據孔隙提取結果，黃色為裂縫，紅色為孔隙，巖心內裂縫發育，裂縫體積約占孔隙總體積的89.1%，連通的裂縫體積約占裂縫總體積的99.96%，孔隙之間的連通性弱，滲透率貢獻率主要來自裂縫。

由于孔喉半徑大，孔隙連通性弱，部分孔隙型巖心表現為“高孔低滲”的特征。與之相比，裂縫-孔隙型巖心體現出低孔高滲的特征，雖然孔喉半徑偏小，但是其裂縫發育，孔喉相對均勻，孔隙連通性強，氣相滲透率大幅提高。此外，部分巖心發育有閉合裂縫，其滲透率并未明顯提高。因此，與孔隙度、孔喉半徑相比，孔隙連通性(裂縫發育程度)對巖心的滲透率影響程度更高。

3 氣-水兩相滲流特征分析

不同類型巖心在地層條件下的氣-水相滲特征如圖4所示，X4號巖心的裂縫發育程度較高，滲透率為1.264 mD。氣驅水過程中，氣相相對滲透率快速上升，殘余水飽和度約為55.66%，殘余水條件下的氣相相對滲透率約為89%。結合微觀孔隙結構特征分析，裂縫-孔隙型巖心孔隙連通性強，氣相流動阻力小，易形成高滲通道，降低了氣驅水的效率，使得殘余水飽和度和氣相相對滲透率較高。

XI號和X2號巖心的殘余水飽和度分別為48.13%、40.99%，殘余水飽和度下的氣相相對滲透率分別為19%、57%。分析認為，X1號巖心較為致密，細小的孔隙比例高，氣驅水過程中毛管壓力較大，氣相流動能力弱，氣相相對滲透率最低；孔隙中的水相難以被驅替。X2號巖心中氣相推進均勻，水相動用程度高，殘余水飽和度低。

Krg為氣相相對滲透率；Krw為水相相對參透率圖4 不同類型巖心氣-水相滲特征曲線Fig.4 Gas-water relative permeability characteristics for different types of cores

實驗證明，孔隙型巖心中，滲透率越高，氣相流動阻力小，共滲區間越大，殘余水飽和度下氣相相對滲透率越高。與孔隙型巖心相比，含有裂縫的巖心殘余水飽和度及其對應的氣相相對滲透率高。不同類型巖心的水相相對滲透率變化較為接近，但是裂縫-孔隙型巖心的氣相相對滲透率上升更快。裂縫的存在，提高了巖心的導流能力，氣相相對滲透率快速上升。

4 氣相流動特征分析

4.1 滲流特征分析

根據稱重法，測得6組巖心的束縛水飽和度分別為40.23%、38.55%、37.40%、38.97%、51.66%、47.70%。根據氣-水相滲特征與微觀結構分析，裂縫-孔隙型巖心內部可能存在部分高滲通道，導致部分水相難以被動用，束縛水飽和度偏高。由于裂縫發育程度低，L1號巖心的含水飽和度略低于L2號和L3號巖心。

如圖5所示，受毛細管阻力的影響，地層條件下束縛水巖心中的氣相流動呈現啟動壓力、低速非達西流、線性流特征。氣相流動的啟動壓力介于0.22～1.46 MPa，對應的壓力梯度介于4.88～28.0 MPa/m。隨著巖心滲透率的增加，毛細管阻力的影響和啟動壓力逐漸減小，在L2號和L3號巖心中的氣相流動接近線性流，表明裂縫發育程度對于氣相流動能力具有積極作用。在1.0 MPa的壓差下，K2號、L1號、L3號巖心的氣體流量分別為0.42、2.16、13.50 mL/min；在5.0 MPa壓差下，K2號、L1號、L3號巖心的氣體流量分別為12.69、29.4、142 mL/min。可見隨著壓差的增加，氣相流動能力提高。

圖5 不同類型巖心氣相滲流特征曲線Fig.5 Gas flow characteristic in different types of cores

4.2 滲透率下限分析

以地層壓力30 MPa、井控半徑344 m、井眼半徑0.06 m、巖心長度0.043 m、儲層厚度15.5 m為基礎參數。根據流速相似[20]，對實驗氣相流速與礦場產能進行換算，當礦場產能為0.5萬m3/d、2.0萬m3/d時，轉換到實驗條件下約為30、120 mL/min。

根據壓力梯度相似[19]，將實驗壓差與生產壓差進行相似轉換，當生產壓差分別為8、16、20 MPa時，對應的實驗壓差約為0.77、2.00、3.13 MPa。如圖6所示，增大實驗壓差可有效提高氣相的流動能力；當巖心滲透率介于0.05～0.40 mD時，氣相流速隨滲透率接近冪函數的趨勢逐漸提高，其趨勢擬合吻合度高達92%。相同壓差下，在干巖心中氣相流速與滲透率應為線性關系；由于束縛水的存在，使氣相流動需要克服毛管阻力，在低壓差條件下氣相流動為非線性流。因此，束縛水條件下的氣相流速與滲透率更接近冪函數的關系。

圖6 不同生產壓差下氣相流速與滲透率的關系Fig.6 Gas phase velocity and permeability under different production pressure differences

目標儲層深度約為2 200 m，單井產能的經濟下限為0.5萬m3/d；對應實驗室條件下的氣相流速30 mL/min。當生產壓差分別為16、20 MPa時，對應的滲透率下限分別為0.34、0.27 mD。孔隙度對于氣井產能具有積極影響，例如K3號巖心的滲透率略低于L1號巖心，但是相同壓差下K3號巖心的氣相流速更高。在低壓差條件下，氣相流動能力較差，難以達到經濟下限產能。隨著生產壓差的增大，滲透率下限逐漸降低。氣相流速與受滲透率密切相關，孔隙度對于產氣速度的程度較低。提高儲層滲透率或生產壓差，可以有效提高氣井產能。

5 結論

通過CT結果及滲流特征實驗得到以下結論。

(1)裂縫能夠有效提高巖心的孔隙連通性及滲透率，部分裂縫發育的巖心體現出“低孔高滲”特征；與孔隙度、孔喉半徑相比，滲透率受裂縫發育程度和孔隙連通性的影響程度相對更高。

(2)不同類型巖心中，水相相對滲透率變化趨勢較為接近；隨著滲透率的提高，殘余水飽和度下氣相相對滲透率逐漸提高。與孔隙型巖心相比，裂縫-孔隙型巖心易形成高滲通道，導致水相動用程度低，共滲區間小，氣相相對滲透率高。

(3)相同生產壓差下，氣相流速與巖心滲透率呈冪函數的增加趨勢。當生產壓差為16 MPa和20 MPa時，對應的滲透率下限分別為0.34、0.27 mD；增大生產壓差，可有效降低滲透率下限。在低壓差、束縛水條件下，以孔隙型為主的低滲儲層，難以達到經濟下限產能。控制含水飽和度、提高儲層滲透率或是生產壓差，是將來提高氣井產能最佳方式。