碳酸鹽巖雙重介質氣藏滲流機理實驗研究

天然氣儲氣庫是一個特殊的儲氣庫，不同于一般的儲氣庫和氣庫。由于其特殊性,因此對地下儲層的物性和分布、流體的滲流特征等都有一定的要求。隨著天然氣需求的快速增長,現有的儲氣庫已遠不能滿足我國天然氣市場的快速發展,對儲氣庫儲層滲流機理的研究是應對枯竭油氣藏建儲氣庫迫切需要解決的問題,而國內外對碳酸鹽雙重介質儲層建庫滲流機理的研究還尚未成熟。基于上述認識,本文選取某典型的低滲、低豐度、低產能的碳酸鹽雙重介質氣藏(具有致密儲層發育,地質條件復雜,非均質強烈的特點)為研究對象,綜合巖心分析、壓汞實驗、氣水驅替實驗、相滲實驗等技術,全面分析、研究了儲層的孔隙結構特征、流體分布、氣水兩相滲流特征等,旨在深入認識儲層的微觀滲流機理,為碳酸鹽雙重介質儲層建儲氣庫提供理論依據和指導。1儲集和滲透能力的控制孔隙反映了巖石對流體的儲集能力,而喉道的形狀、大小、孔喉比則控制了孔隙對流體的儲集和滲透能力。因此,研究儲層的微觀孔隙結構對于分析儲存的滲流特征和儲氣庫的儲存能力具有極為現實的意義。1.1儲集類型分類通過巖心實驗、掃描電鏡觀察及壓汞實驗分析,根據儲層孔隙和裂縫的發育程度及其在空間上的組合形式,區塊碳酸鹽巖儲層可分為三種儲集類型:1.1.1孔隙結構及粗推進率型以成層分布的溶蝕孔洞為主要儲集空間,網狀微裂縫為滲濾通道,孔徑一般為1mm～2mm,最大可達10mm×30mm,孔隙度一般大于5%,滲透率大于1×10-3μm2。以AⅠ、AⅡ類型孔隙結構為主,壓汞曲線沒有明顯的平緩段,分選差,裂縫發育,排驅壓力小于0.1MPa,粗歪度。此類儲層區塊主要的儲集類型,以中、高產能為主。1.1.2、類孔隙結構以晶間孔和晶間溶孔為主要儲集空間,孔徑5μm～50μm,物性較好,孔隙度一般5.6%～10%,最大18.8%,滲透率1～11.5×10-3μm2。以BⅠ、BⅡ類孔隙結構為主,壓汞曲線為一寬緩的平臺,排驅壓力0.1～1.0MPa,分選好,粗歪度。該類儲層以中、低產能為主。1.1.3孔隙結構類型以分散晶間孔、鑄模孔為儲集空間,角礫間縫和微細裂縫為其滲濾通道,孔徑一般5μm～20μm,物性較差,孔隙度一般2%～5%,滲透率0.01～10×10-3μm2。以AⅢ和BⅢ類型孔隙結構為主,壓汞曲線呈陡斜坡狀,排驅壓力0.1～0.8MPa,分選差,細歪度。該類儲層產能較低。1.2儲層巖石孔隙結構通過壓汞實驗對區塊儲層的孔隙結構進行了研究,結果表明:1.2.1區塊典型氣井60多個樣品的孔滲關系,見圖1所示:從上圖可知,樣品的孔隙度分布主要集中在3%以下,滲透率分布主要集中在0.001mD到0.01mD之間,占42%,其次分布集中在0.1mD～10mD,占33%。從孔滲關系可以看出,區塊的孔隙度和滲透率具有一定的相關關系。1.2.2通過對區塊20個樣品的壓汞曲線測定分析,樣品的平均孔隙度為4.34%,平均滲透率為1.87mD。區塊平均門檻壓力為3.98MPa,最大連通孔隙喉道半徑平均為4.64μm,表明儲層毛管壓力很高,這與儲層滲透性差、孔隙半徑較小有關;區塊飽和度中值壓力平均為37.86MPa,約為門檻壓力的10倍;平均飽和度中值半徑偏小,為0.23μm,造成中值壓力很大,反應在毛管曲線上平坦段較短,說明孔隙分選較差,小孔隙為主;退汞效率平均為14.74%。圖2是樣品的雙峰型毛管壓力曲線,孔隙度9.73%,滲透率0.69mD。該曲線無明顯的三段特征,第一段的門檻壓力很低,只有0.0796MPa,最大連通孔隙喉道半徑平均為9.415μm,表明樣品具有較大的連通喉道。中間段孔隙結構分選好。飽和度中值半徑平均為0.7057μm,說明樣品的孔喉較粗。毛管曲線說明樣品由兩種孔隙喉道分布組成,儲層巖石具有雙重介質特征,區塊微裂縫發育,影響低滲透儲層的可動流體,有利于氣水滲流和天然氣儲存。1.2.3儲層巖石孔隙結構的分形特點研究表明,利用分形理論進行儲層巖石微觀孔隙結構的表征,可以作為評價儲層孔隙結構及儲集性的主要手段。根據分形理論,分形結構的分形維數越大,表明該分形結構的復雜程度越大、非均性越強。計算該區塊樣品的分形維數,表明樣品具有明顯的分形特征,其分形維數在1.52～1.94之間。這些樣品的孔隙度分布在20%～30%之間,滲透率分布在0.1mD以上,且滲透率與孔隙度具有相關關系,與之前的分析吻合。2氣水兩相流的特征進行不同滲透率樣品的氣水往復驅替實驗,模擬儲氣庫在反復注采過程中的地層滲流過程,確定氣水相對滲透率曲線,認識儲層滲流機理。2.1氣水驅替實驗2.1.1氣水驅油效果測試選取不同滲透率級別的樣品共4組(1、2、3、4)進行實驗,測試過程如下:①測空氣滲透率;②巖樣抽真空飽和模擬地層水;③測單相水滲透率;④氣驅水測試,記錄驅替時間、流量、壓力、驅出氣、水量,并計算氣水相對滲透率曲線;⑤水驅氣測試,記錄驅替時間、流量、壓力、驅出氣、水量,并計算驅替特征參數;⑥重復(4)～(5)步,完成規定的驅替次數。2.1.2水相缺陷,儲層可達較高的含氣飽和度氣水驅替及相滲測定共4組巖心。往復驅替次數共20次,其中氣驅水過程12次,水驅氣過程8次,驅替特征參數如表2所示,測定氣水相滲曲線6組。分析驅替后的特征參數和相滲曲線,可得到以下幾點認識:①氣驅水過程中,初期驅替壓力較小時,沒有明顯的氣驅液效果;隨著注氣速度的加快,注入壓力的升高,氣體開始進入巖心,水相被驅動,含氣飽和度明顯上升;在氣掃過的區域內,巖心中的剩余水分布在小喉道、由小喉道包圍的大孔隙及邊壁處,由于水的潤濕作用,毛管力最強,注入氣對這部分水驅替效果較差。可見隨著注氣速度和驅替壓力的增加,氣藏的注氣能力和儲氣能力也不斷增加。巖心經多次氣水往復驅替后,氣驅水的殘余水飽和度變化都不大,大多在50%以下。說明氣驅水后儲層可達到較高的含氣飽和度,平均范圍為46.9%～73.5%,平均值為58.1%。②水驅氣后,殘余氣飽和度都不高,四組巖心平均為14.49%,說明在氣庫的運行過程中,采氣時邊水推進對氣體有較好的驅替效率。③巖心在反復驅替過程中,氣相有效滲透率呈下降的趨勢,殘余水下的氣相滲透率降低,但仍有較好的氣相有效滲透率。④隨著驅替次數的增加,兩相共流區縮小,殘余水下的氣相滲透率和殘余氣下的水相滲透率都呈下降趨勢,說明儲層在氣水的往復驅替下物性變差。這可能是巖心中小顆粒運移,堵塞喉道所至。這對儲氣庫的長期運行是不利的,因此在儲氣庫的強采強注運行過程中,在這方面需要進一步研究。2.2儲層巖石滲流能力根據實驗結果,選取一組氣水兩相的相滲曲線,如下圖所示:由圖3看出,研究區氣水兩相的流動范圍較寬,平均達52%,表明氣水兩相在較大的含水飽和度區間內能夠同時流動。在含水飽和度為59.9%(平衡水)的氣水相對滲透率平均為0.061,表明平衡水時氣水兩相仍然具有一定的流動能力,儲層巖石具有較強的親水性。大量實驗表明,低孔低滲高含水儲層,在等滲點飽和度下,氣水兩相相對滲透率通常低于0.005。等滲點相對滲透率低于0.005,氣水兩相被認為處于非流動狀態。然而,區塊氣水兩相的等滲點相對滲透率接近0.1,說明儲層巖石具有較強的滲流能力。即使儲層見水,如果措施得當,工作制度合理,研究區作為儲氣庫將具有較大的采氣能力。此外根據曲線分析,儲層最大含氣飽和度為66%左右,極限采收率可達75%左右。單相氣區:含水飽和度很小,氣相飽和度值很大。由于巖石中氣水分布和流動情況影響,隨著含水飽和度升高,氣相滲透率稍下降;儲層中當含水飽和度很小(Sw<Swi)時,由于孔隙表面的親水性,水處于巖石顆粒表面及孔隙的邊、角、狹窄部分,氣則處于大的易流動的連通網絡中,水對氣的流動影響很小。氣水兩相共存區:當巖心中含水時,氣體由單相滲流變成氣、水兩相滲流,水對氣體滲流會產生影響,增加氣體滲流的阻力。在壓差作用下水相開始流動;氣相飽和度減小到一定程度時,由于孔隙結構復雜多變,在該區間內氣水同流,出現的液阻效應對氣水的流動很大的影響,造成氣水互相作用、互相干擾,流動阻力效應最明顯。單相水流動區:該區內氣相飽和度小于殘余氣飽和度,氣相相對滲透率為零,隨著含水飽和度的進一步增加,水相相對滲透率急劇增加。此時氣相已失去連續性而不能流動。2.3影響因素的相對滲透2.3.1透率曲線位置對氣水相對滲透率有較大的影響。巖石親水性越強,相對滲透率曲線位置越靠右。研究表明,在測定某一具體儲層巖石的氣水相對滲透率曲線時,只有當巖石的潤濕性確實是取樣層位的潤濕性時,實驗結果才能真正代表該層的流動性質。2.3.2氣水飽和順序測定氣水相對滲透率采用驅替過程所獲得的相對滲透率曲線與吸入過程獲得的不同,也稱為滯后現象,這是由于毛管力滯后作用引起的。2.3.3相對滲透率曲線流體分布及流動的渠道與孔隙結構有關,因而反應巖石中各相流動阻力大小的相對滲透率曲線也必然受其影響。雙重介質儲層微裂縫發育,氣水都不能流動的小孔道較少,因此盡管孔隙結構復雜,仍具有較強的滲流能力。3速度驅壓力和驅替壓力對儲氣庫的影響(1)研究區塊儲層具有雙重介質特征,孔隙類型以裂縫-孔隙型為主,孔隙結構復雜,但微裂縫發育,是儲層滲透性的有利條件,對于氣水滲流和天然氣儲存具有重要意義。(2)氣驅水過程,注氣速度和驅替壓力影響氣藏的注氣、儲氣能力;在進行儲氣庫建設時,應選擇較大的合理注入氣速度和注入壓力。氣驅水的效果明顯,說明在碳酸鹽巖雙重介質氣藏進行