東勝氣田含水氣藏多尺度裂縫氣水兩相滲流規律研究

陸姣平

(中石化華北油氣分公司 石油工程技術研究院,河南 鄭州 450006)

東勝氣田位于鄂爾多斯盆地北部,橫跨伊盟隆起、伊陜斜坡和天環向斜三個構造單元,錦72 井區位于伊盟北部隆起帶,錦72 井區盒1 段整體發育辮狀河沉積環境,包括心灘、辮流水道、河漫沉積三種沉積微相,砂礫巖、含礫粗砂巖厚度大,分布較廣泛。 盒1 段平均埋深3 000 m、地層溫度90 ℃、厚度54 m、孔隙度9.2%、滲透率0.58 mD,總體屬于低-特低孔、特低滲-超低滲儲集巖。 盒1 段為氣水同層氣藏,平均含氣飽和度45%,壓裂后氣井普遍高產水,影響壓后效果,由于對多尺度裂縫內氣水兩相滲流規律認識不清楚,壓裂設計缺乏針對性。 根據國內外致密砂巖氣藏儲層滲流特征調研可知,目前關于氣水相滲規律的研究主要集中在溫度、圍壓、基質滲透率和驅替壓差。 葉禮友、郭肖等[1-2]通過單相氣體滲流、束縛水狀態下氣體滲流及氣水兩相滲流實驗和數值計算模型對低滲砂巖滲流規律進行研究,劉宇展、李躍剛等[3-4]對比不同圍壓下基質和裂縫巖心的相滲曲線特征,田巍[5]研究了不同滲透率下氣水相滲曲線,朱澤正[6]通過理論方法計算相對滲透率曲線,并分析了不同驅替壓力梯度對氣水相對滲透率的影響;但是對多尺度裂縫內氣水相滲規律研究相對較少,尤其對致密砂巖含水氣藏多尺度裂縫內氣水相滲曲線的研究還處于探索階段。 本文以東勝氣田錦72 井區盒1 段氣水同層氣藏為研究對象,通過可視化平板實驗,研究不同驅替壓差、不同縫寬、不同氣水比下氣水流動規律,可視化平板模型雖然能描述裂縫內的氣水流動規律,但對粗糙度影響考慮不足,為此進一步對真實巖心進行了測試,明確了多尺度裂縫氣水相滲曲線特征、臨界含水飽和度等關鍵指標,為后續含水氣藏壓裂設計優化奠定基礎。

1 多尺度裂縫內氣水流動規律研究

1.1 實驗條件及設備

利用未充填與充填裂縫模型進行氣驅水實驗,研究不同尺度裂縫、氣水比、驅替壓差下氣水流動規律,參考國家標準《GB/T 28912—2012 巖石中兩相流體相對滲透率測定方法》,采用穩態法測試氣水相對滲透率。 實驗用水均為錦72 區塊模擬地層水,礦化度為41 714.96 mg/L,實驗用氣為加濕氮氣。 可視化裂縫實驗溫度為25 ℃,實驗壓力為標準大氣壓;真實巖心實驗溫度為90 ℃;實驗壓力為圍壓始終比上游壓力高1.5 MPa;裂縫內氣-水相滲測試流程如圖1 所示;裂縫模型如圖2 所示,用有機玻璃制作可視化裂縫模型,未充填裂縫模型縫寬(0.1、0.2、0.3、0.5 mm);充填模型縫寬(1、3、5、7 mm),縫內充填支撐劑;真實巖心未充填裂縫模型由直徑為2.5 cm 的真實巖心、用砂線切割機中心造縫;未充填裂縫模型縫內加不同厚度不銹鋼條(0.1、0.2、0.3、0.5 mm)支撐控制縫寬;充填裂縫縫寬為1、3、5、7 mm(巖心不完全切開),縫內用混合環氧樹脂膠的支撐劑充填;熱縮套包裹側面并用噴槍加熱使熱縮套受熱緊縮達到完全密封。

1.2 裂縫內水的臨界飽和度規律

不同縫寬在不同驅替壓差下氣水分布剖面分別見圖3、圖4,不同縫寬的臨界含水飽和度與驅替壓差關系見圖5。 未充填裂縫內氣水重力分異嚴重,臨界含水飽和度較高(26% ~38%),充填裂縫內氣水重力分異程度小于未充填裂縫,臨界含水飽和度較低(14% ~21%),未充填裂縫中臨界含水飽和度大于充填縫;氣驅壓差增加,氣水界面降低,縫內含水飽和度先快速降低,然后緩慢降至臨界含水飽和度后保持不變;臨界驅替壓差隨縫寬增加而減小,未充填裂縫當縫寬大于0.3 mm 后,縫寬對臨界含水飽和度特征影響較小,充填縫當縫寬大于5 mm 后,縫寬對臨界含水飽和度特征影響較小。

1.3 不同氣水比下氣水流動規律

不同氣水比、相同縫寬下,氣水從基質到裂縫流動中流速-壓差呈非線性關系,相同注入速度下,純氣和純水的單相流動壓差均小于氣水兩相流動壓差,且純氣相的驅替壓差小于純水相的驅替壓差;氣水兩相流動時,水相比例越大,驅替壓差越大;速度大于9 mL/min 時,流速增加,驅替壓差增速變緩。 裂縫內含水飽和度主要受氣水比控制,隨著裂縫中氣水比例的減小,含水飽和度增加;驅替速度增加,低氣水比時的含水飽和度略有增加,高氣水比時的含水飽和度略有降低,這是由于高氣水比時氣相易形成連續相,而低氣水時的氣相不易形成連續相,分異困難。

1.4 不同縫寬下氣水流動規律

相同氣水比、不同縫寬下,充填縫含水飽和度遠小于未充填縫,但仍存在比較明顯的重力分異。 氣水從基質到裂縫流動中,相同注入速度下,裂縫寬度增加,驅替壓差減小,其中縫寬為0.1 mm 的驅替壓差明顯高于縫寬0.2、0. 3、0. 5 mm,且這種差異隨著注入速度的增加而顯著增強,而縫寬0. 2、0. 3、0.5 mm 的驅替壓差相差不大;其中縫寬為1、3、5 mm 的驅替壓差接近,特別是氣水比例增加時,差異更小。 因此,壓裂造縫時,縫寬在1 ~5 mm 即可。

2 多尺度裂縫氣水相滲曲線特征

2.1 可視化裂縫氣水相滲曲線特征

氣水兩相流動時,未充填和充填裂縫內含水飽和度主要受氣水比和縫寬的影響。 氣水比越高或縫寬減小,裂縫內含水飽和度越小;流速對含水飽和度的影響略小,流速增加,含水飽和度略有降低。 可視化未充填裂縫和充填裂縫在注入速度增加,相滲曲線左移,束縛水飽和度減小,殘余氣飽和度減小,未充填裂縫兩相區范圍變寬,充填裂縫兩相區寬度變化不明顯。 在相同注入速度(驅替壓差),不同縫寬的氣水相滲曲線如圖7、圖8 所示,流體從基質向裂縫內混合流動過程中,縫寬增加,束縛水飽和度增大,殘余氣飽和度減小;未充填縫兩相區范圍變窄,充填縫相滲曲線右移,兩相區略微變窄。

2.2 真實巖心裂縫相滲曲線特征

真實巖心裂縫模型氣水相滲曲線均為上凹型曲線(見圖9、圖10),束縛水飽和度和殘余氣飽和度均不為0;隨著裂縫寬度增加,束縛水飽和度和最大含水飽和度變化范圍較小,束縛水飽和度和最大含水飽和度最大變化范圍僅在5%以內。

2.3 不同支撐下氣水相滲曲線特征

改性支撐劑疏水,水相相滲較高,兩相區較大,束縛水飽和度低于親水支撐劑;親水支撐劑親水,水相相滲較低,兩相區較小(見圖11)。 改性支撐劑充填的裂縫,由于改性支撐劑增大潤濕角至疏水狀態,能夠有效降低毛管力,水流動能力強,留在縫內的水少,提高氣井排液及穩產能力,最終使得產氣量增加,該類支撐劑優于常規親水支撐劑。

3 現場應用效果

在2021—2022 年期間,相關研究成果在東勝氣田含水氣藏共計應用3 口井,分別為XX-21、XX-23、XX-4-8 井。 3 口井與同河道同層位鄰井XX-22 井對比,采用疏水支撐劑壓裂后,平均日產氣量提高了1.3 倍,增產效果顯著(見表1)。

4 結論

1)東勝氣田氣水同層氣藏未充填裂縫內氣水重力分異嚴重,臨界含水飽和度26% ~38%,充填裂縫內氣水重力分異程度小于未充填裂縫,臨界含水飽和度14% ~21%;驅替壓差增加,未充填及充填裂縫內的含水飽和度均先降低,降至臨界含水飽和度后保持不變。

2)東勝氣田氣水同層氣藏氣水兩相流動時,未充填和充填裂縫內含水飽和度主要受氣水比和縫寬的影響。

表1 壓裂優化設計后改造效果與鄰井對比表

3)東勝氣田氣水同層氣藏地層條件下的未充填裂縫和充填裂縫氣水相滲曲線均呈X 型,束縛水及殘余氣飽和度很小;

4)改性支撐劑能夠有效降低毛管力,水流動能力強,留在縫內的水少,提高氣井排液及穩產能力,最終使得產氣量增加,優于常規親水支撐劑。