鶯歌海盆地深層高含CO2高含水氣藏氣相滲流機理

雷 霄，王雯娟，羅吉會，楊 柳，李 標，王 璐，何勇明

(1. 中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；2. 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610059；3. 成都理工大學，四川 成都 610059)

0 引 言

南海鶯歌海盆地是世界三大超高溫高壓區域之一，近年來，該區域發現了大批深層高溫高壓氣藏，成為南海西部增儲上產的重要領域[1]。然而，目前關于鶯歌海盆地深層氣藏的研究主要集中在地質特征、鉆采技術和產能預測等方面[2-7]，缺少針對該地區氣相滲流機理方面的研究。近年來，國內外在低滲氣藏氣相滲流機理領域已取得一定進展。李寧等[8]提出低滲儲層中毛管阻力和滑脫效應是引起氣體非線性滲流的主要原因；Friedel等[9]通過實驗發現，隨壓力梯度和含水飽和度的增加，滑脫效應對氣相非線性滲流的影響可以忽略；Li等[10]認為氣相非線性滲流特征與應力敏感、閾壓效應和滑脫效應有關，而這些因素都與含水飽和度有關；高樹生等[11]總結出氣相滲流隨壓力梯度的增大會依次表現出閾壓效應、滑脫效應、達西滲流和高速非達西滲流4種形式；Hu等[12]研究認為氣體在滲透率小于1.00 mD的含水砂巖中滲流時存在啟動壓力，氣相滲流能力也會受到抑制，評價氣藏儲量可動性時需考慮啟動壓力和含水因素。在深層氣藏方面，方建龍等[13]對深層碎屑巖氣水兩相滲流機理進行了研究，結果顯示高溫高壓條件會提高氣相相對滲透率，降低束縛水量；王璐等[14]分析了深層碳酸鹽巖氣藏3類儲層合采時的氣相滲流特征，揭示了非均質性、壓力梯度、含水飽和度對氣相滲流能力的影響。

鶯歌海盆地深層氣藏不僅具有常規深層氣藏的高溫高壓和低孔低滲等特點，還具有儲層初始含孔隙水飽和度高(31.10%～68.70%)、區塊構造低部位邊底水發育、氣藏氣組分中高含CO2(6.18%～69.10%)、不同層位地層水和CO2含量差異大等典型特征，導致現階段不同氣井測試產氣量和產水量的差異大，水氣比變化規律難以把握，嚴重制約了鶯歌海盆地深層氣藏的高效開發。且現有氣相滲流理論還未涉及超高溫高壓條件下儲層含水條件和氣組分中CO2含量對氣相滲流的影響，實踐先行于理論必然會導致開發成本的提高和開發難度的增大。

鑒于鶯歌海盆地深層氣藏高含水和CO2特征，通過搭建超高溫高壓長巖心驅替實驗系統，并對常規驅替實驗方法進行改進，分別進行不同含水飽和度和CO2含量下的高溫高壓滲流實驗，從機理上揭示儲層含水條件和氣組分中CO2含量對氣相滲流特征和產氣能力的影響，為該類氣藏的高效開發提供理論依據。

1 超高溫高壓驅替實驗

1.1 實驗樣品與條件

巖心取自鶯歌海盆地樂東10-1區塊實際儲層。因海上深層氣藏取心難度大，目前缺少全直徑巖樣。為降低邊界效應對實驗結果的影響，選取3塊物性相近的柱塞巖心拼接成長巖心。研究區66塊巖心物性分布特征表明，儲層非均質性程度較弱，近45%的巖心滲透率在0.60 mD左右，平均孔隙度為10.30%。實驗選取的巖心物性參數如表1所示。

表1 樂東10-1區塊巖心基礎物性參數Table 1 The basic physical parameters of the core of Ledong 10-1 Block

通過將高純N2和CO2氣體按比例均勻混合，模擬儲層中不同CO2含量的天然氣。實驗用水為根據樂東10-1區塊的地層水性質配制的等礦化度標準鹽水，礦化度為12 826 mg/L，水型為NaHCO3型。實驗設定溫度為190 ℃，圍壓為95.00 MPa，流壓為90.00 MPa，完全模擬鶯歌海盆地深層氣藏的溫壓條件。

1.2 實驗裝置與流程

常規物理模擬實驗裝置、管線和耗材無法滿足研究區氣藏的高溫、高壓和高含CO2條件。因此，專門設計了耐溫壓和抗腐蝕的長巖心驅替實驗系統，由驅替系統、巖心系統和計量系統3部分組成，實驗流程見圖1。此外，外接流體增壓系統能快速為中間容器補充流體并提升流體壓力，極大縮短加壓時間，提高實驗效率。

圖1 超高溫高壓長巖心驅替實驗系統

1.3 實驗方案

依據研究區氣藏高含水和高含CO2的特點，設計了不同含水飽和度和不同CO2含量下共計12組高溫高壓滲流實驗(表2)。LD10-1-1井測試數據表明氣層含水飽和度為31.10%～68.70%，平均束縛水飽和度為46.70%。因此，通過設置0.00、30.00%、40.00%、50.00%、60.00%和70.00%共6種含水飽和度分別模擬不含水、含束縛水和含可動水3種條件。LD10-1區塊的氣組分測試結果表明CO2含量為6.18%～69.10%。因此，配置CO2含量分別為0.00、14.00%、28.00%、42.00%、56.00%、70.00% 6種混合氣樣，在巖心束縛水飽和度下進行實驗。

表2 超高溫高壓滲流實驗方案Table 2 The experiment scheme for ultra-high-temperature and high-pressure seepage

1.4 實驗步驟

(1) 不同含水條件下滲流實驗：①巖心清洗、烘干、稱重，測量基礎物性；②放入巖心，連接實驗裝置，巖心夾持器加熱至190 ℃后穩定8 h，保證巖心內部溫度達到要求；③先用圍壓泵加圍壓至5.00 MPa，再開啟驅替泵，同步增加圍壓和流壓(孔隙壓力)；④當中間容器內流體用完時，利用增壓系統對其進行加氣(水)并加壓，之后再次接入實驗系統；⑤待圍壓增至95.00 MPa，流壓增至90.00 MPa，且上、下游壓力達到穩定時，表明巖心系統已達到初始地層溫壓條件；⑥保持上游壓力不變，設置不同回壓，模擬不同壓差(0.10～10.00 MPa)進行驅替實驗，待出口端氣流穩定后測量氣體流量；⑦將配置好的鹽水加入中間容器并增壓至90.00 MPa后，接入實驗系統；⑧利用雙缸注入泵分別控制氣、水中間容器，采用穩態法將氣、水按照設置的比例恒速注入巖心，待流動達到穩定后測量進、出口端壓差和氣體流量。

(2) 不同CO2含量條件下滲流實驗：①重復實驗(1)中的步驟①～⑤，使巖心系統達到初始地層溫壓條件，并建立束縛水飽和度；②保持上游壓力不變，設置不同回壓，模擬不同壓差(0.10～10.00 MPa)進行驅替實驗，待出口端氣流穩定后測量氣體流量；③將高純N2和CO2氣體按照設置的比例加入中間容器并增壓至90.00 MPa后，接入實驗系統；④每次都要使巖心內束縛水與CO2充分接觸后再進行不同壓差(0.10～10.00 MPa)下的驅替實驗。

2 滲流實驗結果與分析

2.1 儲層含水飽和度對滲流規律的影響

不同含水飽和度下的氣相滲流曲線如圖2所示，含水飽和度不僅會影響多孔介質內氣相滲流特征，還會對氣相滲流能力產生較大影響。當巖心不含水時，氣體流量和驅替壓差近似呈達西滲流特征(圖2a)。當巖心含束縛水時，低壓差下存在低速非達西階段，但隨驅替壓差的提高，逐漸進入達西滲流階段；當壓差進一步提高時，滲流曲線出現明顯拐點，偏離達西滲流(圖2b)。當巖心含可動水時，存在啟動壓力和低速非達西階段，高壓差時雖然偏離達西滲流但不存在明顯拐點(圖2c)。

通過對比不同含水飽和度下的滲流曲線可得出以下規律：①儲層含水飽和度的提高會降低氣相滲流能力。束縛水條件下，束縛水會附著在滲流通道壁面上形成水膜，縮小通道尺寸，降低儲層有效滲透率[15-18]；可動水條件下，更多滲流通道被地層水占據，儲層絕對滲透率大幅降低，同時還會形成氣水兩相流，降低氣相相對滲透率。因此，可動水條件下氣相滲流能力降低幅度更大。②束縛水會導致低速非達西滲流。附著在滲流通道壁面的束縛水膜會在氣體流經時產生附加黏滯力，低流速下黏滯力作用明顯，高流速下可以忽略，因此，隨壓差提高開始進入達西滲流階段(圖2b)。③可動水會導致啟動壓力。高含水飽和度下，可動水會封堵一些細小孔喉，當氣體流經時需克服賈敏效應產生的附加毛管阻力，從而形成啟動壓力[19]。隨著含水飽和度的增加，更多孔喉被封堵，啟動壓力逐漸增大(圖2c)。④高壓差下束縛水會轉為可動水。當驅替壓差較高時，出口端水氣比上升，表明巖心內有束縛水轉為可動水被采出[20-23]，圖2b中滲流曲線的拐點即為束縛水轉可動水的臨界壓差。當儲層內初始只含束縛水時，可動水的出現會形成氣水兩相流動，降低氣相滲透率，因此，滲流能力會突然降低。而當儲層內初始就含可動水時，可動水飽和度的增加只會進一步降低氣相滲透率，不存在滲流能力突然降低的拐點(圖2c)。

圖2 不同含水條件下滲流實驗結果Fig.2 The seepage experiment results under different water-bearing conditions

通過對比不同含水條件下氣相滲流的啟動壓力、低速非達西和偏離達西3個階段(表3)，可用來分析氣藏的產氣能力：①含水飽和度的增加會延長非達西滲流階段，且增幅越來越大，嚴重影響低壓差下的產氣能力。②高含水儲層的啟動壓力隨含水飽和度的增加而增加，不利于低壓差開采。③含水飽和度越高，氣相滲流越早偏離達西滲流階段，形成或加劇氣水兩相流動，降低高壓差下的產氣能力。為了對比含水飽和度對不同壓差下產氣能力的影響，以含水飽和度為0時的氣體流量為標準，定義產能損失程度為每個含水飽和度下的流量損失百分比，繪制了實驗壓差為1.00、5.00、10.00 MPa的產能損失程度曲線(圖3)。由圖3可以進一步證實：①受低速非達西滲流的影響，低壓差下的產能損失程度遠高于中、高壓差；②當含水飽和度低于束縛水飽和度時，高壓差下的產能損失程度要高于中壓差，而當含水飽和度高于束縛水飽和度時，2種壓差下產能損失程度差別不大，這是由于此時偏離達西滲流的臨界壓差已小于5.00 MPa；③產能損失程度在束縛水飽和度前后呈現2個階段，可動水飽和度下的產能損失更嚴重。因此，該類氣藏開發時須嚴格控制生產壓差，防止低速非達西滲流階段和高壓差下偏離達西滲流階段的出現，同時避免合采高含水儲層。

表3 不同含水飽和度下各滲流階段的壓差范圍Table 3 The pressure difference range of each seepage stage at different water saturation

圖3 不同含水飽和度下產能損失程度

2.2 氣組分中CO2含量對滲流規律的影響

不同CO2含量下的氣相滲流曲線如圖4所示，氣組分中CO2同樣會影響多孔介質內氣相滲流特征和滲流能力。當CO2含量較低時，類似于圖2b中束縛水條件下不含CO2氣體的滲流特征，低壓差下存在非達西滲流階段，高壓差下偏離達西滲流，且存在明顯拐點(圖4a)。中等CO2含量時，仍存在低速非達西滲流、達西滲流和高壓差下偏離達西滲流3個階段，但偏離達西滲流時拐點對應的壓差降低，且偏離幅度增大(圖4b)。當CO2含量較高時，啟動壓力出現，偏離達西滲流的拐點消失，且偏離幅度進一步增大(圖4c)。通過對比不同CO2含量下的滲流曲線可得出以下規律：①氣組分中CO2會導致氣相滲流能力降低。CO2含量較低時影響程度小，主要通過改變混合氣體的黏度和偏差因子來影響滲流能力[24]；隨CO2含量增加，影響程度提高，此時主要通過改變儲層內束縛水的賦存狀態來影響滲流能力[25-26]。②氣組分中CO2會延長低速非達西階段。游離的CO2會溶解在束縛水中，導致水膜發生溶脹作用，含水飽和度提高，低速非達西階段延長(表4)。③氣組分中高含量CO2會產生啟動壓力。游離CO2含量的增加導致大量CO2溶解在束縛水中，含水飽和度快速提高，當超過某一臨界值時，部分束縛水會轉為可動水，形成啟動壓力(圖4c)。④氣組分中CO2會加劇高壓差下偏離達西滲流階段。水中溶解的CO2在高壓差下會加劇束縛水轉為可動水，導致偏離時對應的壓差減小且偏離幅度增大。由于初始不含可動水，因此，低、中CO2含量下存在明顯拐點，而高CO2含量下初始含可動水，因此無明顯拐點。

圖4 氣組分中不同CO2含量下滲流實驗結果Fig.4 The results of seepage experiment at different CO2 content in gas

綜上所述，氣組分中CO2對滲流特征及滲流能力的影響主要來自2個方面：一是氣組分中CO2對混合氣體物理性質的影響；二是游離態CO2在束縛水中的溶脹作用對儲層含水飽和度的影響[27]。前期進行的高溫高壓PVT實驗表明，不同CO2含量對天然氣體黏度和偏差系數存在一定影響。相同壓力下，CO2含量越高，天然氣黏度越高，偏差系數越低，二者的綜合作用決定氣相滲流能力的大小。綜合分析發現，隨CO2含量增加，氣相滲流能力降低，壓力越高降低幅度越明顯。前期進行的CO2溶解度實驗表明，高溫高壓條件會進一步增大CO2在地層水中的溶解度，且溫度壓力越高，溶解度越大，水的溶脹作用越明顯。

通過對比不同氣組分中CO2含量下氣相滲流的啟動壓力、低速非達西和偏離達西3個階段(表4)，可用來分析氣藏的產氣能力：①氣組分中CO2含量的增加會延長非達西滲流階段，影響低壓差下的產氣能力；②高CO2含量時氣相流動存在啟動壓

表4 氣組分中不同CO2含量下各滲流階段的壓差范圍Table 4 The pressure difference range of each seepage stage at different CO2 content in gas

力，且隨CO2含量的增加而增加，不利于低壓差開采；③氣組分中CO2含量越高，高壓差下越早偏離達西滲流，氣水兩相流動越早出現，降低氣相滲流能力。為了對比CO2含量對不同壓差下產氣能力的影響，以CO2含量為0時的氣體流量為標準，定義產能損失程度為每個CO2含量下的流量損失百分比，繪制了實驗壓差為1.00、5.00、10.00 MPa的產能損失程度曲線(圖5)。由圖5可以進一步證實：①不同壓差下，產能損失程度與CO2含量均呈現出良好的二項函數關系，可用于該類氣藏的產能預測；②受低速非達西滲流的影響，相同CO2含量下，低壓差下的產能損失程度高于中、高壓差；③當氣組分中有中、低含量的CO2時，達西滲流偏離發生在壓差5.00 MPa之后，因此，中壓差的產能損失程度低于高壓差，而當CO2含量高時，2種壓差下產能損失程度差別不大，這是由于此時偏離達西滲流的臨界壓差已降至5.00 MPa。這些滲流機理均表明，相比于不含或低含CO2氣藏，中、高含CO2氣藏更有必要確定合理生產壓差。因此，合理生產壓差是鶯歌海盆地深層高含水、高含CO2氣藏高效開發的關鍵參數。基于滲流實驗結果，通過相似準則換算，確定研究區含束縛水和含可動水儲層的合理生產壓差分別為5.00～20.00 MPa和8.00～15.00 MPa，且隨CO2含量增加，合理壓差范圍會進一步縮小。

圖5 不同氣組分中CO2含量下產能損失程度

通過上述氣相滲流機理研究結果，可對氣藏現階段試氣特征進行分析。以研究區氣井A為例，當測試壓差從1.26 MPa提高至13.08 MPa，氣井開始逐漸產水，水氣比從0.00 m3/m3增至11.43×104m3/m3，日產氣量增幅放緩。這是由于測試壓差升高，部分束縛水轉為可動水，形成氣水兩相流動，導致氣相滲流能力不斷下降，產水量逐漸增加。分別對氣井B的2個物性相近氣層進行產能測試，下部氣層產氣能力明顯低于上部氣層，且產水更嚴重。這是因為下部氣層氣組分中CO2含量高達66.10%，遠高于上部氣層，嚴重影響了氣相的滲流能力。

3 結 論

(1) 鶯歌海盆地深層高含水、高含CO2氣藏的復雜滲流階段可劃分為啟動壓力、低速非達西滲流、達西滲流和偏離達西滲流4個階段，每個階段均受含水飽和度、氣組分中CO2含量以及壓差3個因素的影響。

(2) 儲層含水飽和度的增加會降低氣相滲流能力；束縛水會引起低速非達西滲流階段，可動水會導致啟動壓力的產生，且束縛水在高壓差下會轉為可動水，導致氣相滲流偏離達西階段，形成或加劇氣水兩相流動，降低高壓差下的氣相滲流能力。此外，含水飽和度的提高會延長低速非達西滲流階段，增加啟動壓力，并加劇達西滲流階段的偏離。高含水儲層應嚴格控制生產壓差，防止低速非達西滲流階段和高壓差下偏離達西滲流階段的出現。

(3) 氣組分中CO2會降低氣相滲流能力，降低幅度與CO2含量呈二項函數關系；氣組分中CO2會延長低速非達西滲流階段，且高CO2含量下會因溶脹作用使束縛水轉為可動水，從而產生啟動壓力并加劇達西滲流階段的偏離。合理生產壓差是鶯歌海盆地深層高含水、高含CO2氣藏高效開發的關鍵因數。