低滲透氣藏開發(fā)機理研究進展

摘 要

摘要：我國低滲透氣藏處于開發(fā)早期，尚有許多機理問題有待研究解決。通過對當前研究較多的氣水滲流機理、儲層應力敏感性、非均質儲層供氣機理等進行總結分析后認為：我國低滲透氣
摘要：我國低滲透氣藏處于開發(fā)早期，尚有許多機理問題有待研究解決。通過對當前研究較多的氣水滲流機理、儲層應力敏感性、非均質儲層供氣機理等進行總結分析后認為：我國低滲透氣藏大多是陸相沉積儲層，孔隙結構復雜，非均質性強，孔隙內氣水分布與滲流機理復雜，存在低速非線性滲流特征；不同地區(qū)、不同類型儲層巖石應力敏感特征不同，儲層應力敏感性對氣藏開發(fā)的影響及其在實際生產中的表象還需要進一步加強研究；依據儲層地質特征建立的非均質儲層供氣動態(tài)物理模擬方法，為研究分析不同滲透性儲層區(qū)域的供氣機理和能力提供了手段，也為研究非均質低滲氣層的動用條件，預測低滲透氣藏的動用程度以及優(yōu)化井網部署、氣井配產、產能預測等提供了理論基礎和技術依據。
關鍵詞：低滲透油氣藏；開發(fā)；滲流；機理；應力敏感；儲集層；進展
    我國低滲透油氣資源豐富，近幾年新增探明油氣儲量中，低滲透比例達到70%，在鄂爾多斯、川渝、塔里木、大慶等地區(qū)均有大量分布。在2009年于北京召開的中國低滲透(致密)油氣勘探開發(fā)技術研討會上，多位專家提出低滲透資源將是中國未來油氣發(fā)展的主流[1]。因此，搞好低滲透氣藏的開發(fā)對天然氣工業(yè)發(fā)展將起到重要的作用。
    然而，我國低滲透天然氣開發(fā)起步較晚，傳統(tǒng)的滲流理論和氣藏工程方法無法完全滿足低滲透氣藏開發(fā)的需求，低滲透氣藏滲流機理與中高滲透氣藏存在較大差異，其影響因素多，情況錯綜復雜，目前對地層條件下的氣水滲流規(guī)律，儲層在開發(fā)過程中的變化特征，非均質儲層不同區(qū)域的供氣機理等還不是很清楚，需要加強基礎研究，掌握低滲透氣藏開發(fā)的特點規(guī)律，抓準影響開發(fā)效果的主要矛盾，才能有針對性地采取措施，形成配套技術，提高氣井產量和最終采收率。
1 低滲透氣藏開發(fā)機理問題探討
    我國大多數低滲透氣藏具有低孔隙度、低滲透率、高含水飽和度、高應力敏感性、高毛細管壓力、膠結物和泥質含量較高等特點，致使其開發(fā)機理與中高滲透氣藏具有明顯的不同。
1.1 非線性滲流機理
    對于低滲透氣藏非線性滲流的研究，目前研究較多的是氣體滑脫效應和啟動壓力梯度。早在1941年，克林肯貝格在實驗中就發(fā)現了氣體在微細毛管孔道中流動時存在滑脫效應，滑脫效應的大小受氣體分子大小、毛細管大小和氣體平均壓力等因素影響[2]。對于某一特定的低滲透氣藏，開發(fā)過程中其氣體組分變化不大，滑脫效應影響程度的大小主要由儲層巖石孔隙大小(或滲透率)和氣藏壓力共同決定，巖石越致密，滲透率越低，氣藏壓力越低，則滑脫效應越顯著。2007年，羅瑞蘭等人通過實驗和計算，分析了滑脫效應對儲層滲流的影響程度，認為只有在超低滲透的致密儲層中，在低壓條件下滑脫效應對氣體的滲流流量才會體現出一定的影響[3]，例如當儲層有效滲透率大于0.1mD、地層平均壓力大于5MPa時，滑脫效應對氣體滲流量的影響程度小于5%。因此，可以認為，滑脫效應只是一個在室內低壓實驗時需要注意的參數，而在實際氣藏的生產過程中，由于地層壓力一般都較高(即使到衰竭開采后期井底壓力一般也會在2MPa以上)，不論是中高滲透還是低滲透氣藏，都不需要考慮滑脫效應的影響。
    啟動壓力梯度定義為作用在流體上的壓差達到一定程度時，流體克服黏滯力開始流動時的壓力梯度。在低滲透氣藏中，氣體滲流是否存在啟動壓力梯度以及啟動壓力梯度產生的條件一直是石油工作者研究和爭論的焦點之一。持肯定觀點的學者認為天然氣在高溫高壓條件下與孔隙界面會產生一定的界面效應，或因為孔隙中水的存在而致使氣體滲流存在一定的啟動壓力梯度。持否定觀點的研究人員認為天然氣分子小，易于流動，在孔隙介質中流動不存在啟動壓力梯度，如果說因為孔隙中含有一定飽和度的水而致使氣體在某些條件下不流動，應歸于兩相滲流的問題。筆者認為：啟動壓力梯度概念能較好的反映氣體流動的動態(tài)特征，綜合反應了儲層物性、含水及驅動壓力對氣體滲流的影響，在滲流方程中引入啟動壓力梯度，能更好地描述低滲儲層的滲流特征，確定氣井的有效動用范圍，為低滲氣藏開發(fā)井距的確定和井網優(yōu)化部署提供依據。根據實驗分析，同一物性巖樣，含水飽和度越大，啟動壓力梯度越大；巖石物性越差，啟動壓力梯度越大，并且受含水飽和度影響更顯著(圖1)。
 

1.2 儲層孔隙中水的可流動性
    我國低滲透砂巖氣藏含水飽和度較高，如蘇里格氣田大多在40%～80%之間，廣安須家河組氣藏多在50%～75%之間(巖心分析數據統(tǒng)計)。對于開發(fā)過程中地層水是否會流動，開展了一系列的實驗研究。一種方法是選取鉆井取心的新鮮巖樣，運用核磁測試確定其含水飽和度，該方法能區(qū)分出其中的束縛水和可動水[4]。通過蘇里格氣田2口井的巖心分析表明，其可動水飽和度多在1%～5%之間。再就是將巖樣飽和水后進行不同壓差氣驅實驗，結果表明，隨著氣驅壓力的逐步增大，巖樣中的含水飽和度逐漸減小，表明孔隙中的殘余水飽和度與氣驅壓差存在一定關系，氣流速度的增大將帶動水的流動。另外從微觀玻璃可視化模型的驅替實驗可清晰地觀測到，當氣驅水的驅替壓力較小時(氣流速度小)，首先驅動的是相對大孔隙中的水，隨著氣驅壓力的增大，逐漸將小一些孔隙中的水驅動。氣驅水實驗結束后孔隙中的殘余水主要是由于卡斷和繞流現象形成，賦存在喉道、盲孔和細小喉道包圍的孔隙中[5]，低滲儲層由于孔隙吼道細小、孔喉比大，卡斷和繞流現象將更為明顯，形成的殘余水飽和度更高。
1.3 儲層應力敏感性
    低滲透儲層巖石孔隙結構復雜，吼道細小，應力的變化致使其孔喉細微的變化，就可能引起其滲透率相對值的較大變化，產生較強的應力敏感性。對于不同類型儲層由于巖石礦物與孔隙結構的差異，其孔隙度和滲透率隨有效壓力的變化特征有所不同，總的來說，低滲透儲層開發(fā)過程中的滲透率隨有效壓力的變化均可用冪函數表達，初始滲透率越低，下降速率越快，下降幅度越大。但不同類型儲層又有很大的差異，除裂縫型儲層和孔隙型差別很大外，不同地區(qū)不同巖類的滲透率隨有效壓力變化也有很大的不同。研究中選取常規(guī)滲透率相近(K=0.3～0.6mD)的不同氣藏巖樣進行實驗，結果如圖2所示。隨著有效壓力的增大，大慶火山巖的滲透率下降慢，下降幅度??；蘇里格氣田滲透率下降速率最快。在相同有效壓力下的滲透率下降幅度大小依次是：蘇里格砂巖＞川渝上三疊統(tǒng)須家河組砂巖＞塔里木迪那砂巖＞大慶火山巖。
 

    對于儲層應力敏感性的研究，重點還要分析其對氣藏開發(fā)的影響，目前很多研究者通過在產能方程中引入一個考慮應力敏感的系數，評價儲層應力敏感性對氣井產能的影響，進而分析其對氣藏開發(fā)的影響。但是，對于該系數的確切定義和取值范圍還沒有一個統(tǒng)一的標準，很多都是假設一組數據來評價應力敏感性對氣井產能的影響，不能解決實際生產的問題。近年來中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院在這方面做了一些研究性的探索，其一是通過巖心實驗分析求取應力敏感系數，其二是通過試井分析方法確定應力敏感系數，在此基礎上再分析應力敏感性對氣井產能和開發(fā)動態(tài)的影響[6～7]，初步將室內實驗分析、理論研究和生產應用進行了有機的結合。
1.4 非均質儲層供氣機理
    我國油氣儲層以陸相碎屑巖為主，具有砂體規(guī)模小，平面上連通性差，非均質性強的特點。因此，在氣田開發(fā)中通常將儲層劃分為好(Ⅰ類)、中(Ⅱ類)、差(Ⅲ類)和非有效(Ⅳ類)四類，其中Ⅰ、Ⅱ類為較好的產層，Ⅲ類為低產層，Ⅳ類為難動用儲層。但實際生產和研究表明，低滲透儲層中隨著生產壓差的增大和流動狀況的改善，部分低效層(Ⅲ、Ⅳ類層)將逐步動用[8～14]。如何評價低效層的動用條件與供氣能力，目前國內外開展的研究都不多，主要根據礦場生產資料或數值模擬方法進行了研究，認為非均質低滲透氣藏低效儲層的動用能力與其自身滲透率和含氣飽和度以及儲層應力敏感性、井附近滲透率、氣井初期產量、氣井工作制度等多種因素有關[10～15]。為了更直觀地研究低滲透儲層的供氣機理與供氣能力，我們結合低滲透氣藏地質特征與生產條件，利用現代物理模擬技術，建立了平面非均質儲層供氣機理物理模型，開展室內物理模擬實驗，對非均質低滲氣藏的產量、壓力、動用程度等參數進行模擬分析和研究。物理模型的建立主要考慮滲透率相似與過巖心截面的流量相似的準則，采用兩個巖心夾持器串聯，裝入不同滲透率巖樣，分別代表高滲透區(qū)和低滲透區(qū)，實驗流程如圖3所示。通過不同方案的實驗分析得到以下幾點認識。

    1) 實驗能較好地模擬不同滲透率巖心組合模型衰竭開采時的壓力、流量變化規(guī)律，對同一組模型在不同配產條件下模擬生產，分析不同時間高、低滲透區(qū)的壓力變化特征，隨著氣體的采出，高、低滲透區(qū)壓力都隨時間下降，生產初期，壓力下降很快，且高滲區(qū)壓力下降速率比低滲區(qū)的要快，生產后期壓力下降速率趨緩。隨配產增大，高滲透區(qū)壓力下降增快非常明顯，尤其是生產初期，壓力迅速下降；低滲區(qū)壓力也隨著配產的增大壓力下降速率加快，但當配產增大到一定程度時，其壓力下降速率趨緩。這一現象說明，低滲透區(qū)存在動用極限，配產高至一定程度后再增大，對外圍低滲透區(qū)的影響程度已到極限。
2) 開采初期，以高滲透區(qū)供氣為主，高滲透區(qū)產量遠大于低滲透區(qū)產量；開采后期即穩(wěn)產期結束后，高滲透區(qū)產量遞減很快，而低滲透區(qū)產量遞減比較緩慢，且低滲透區(qū)產量貢獻率逐漸增大，即生產后期小產量生產時以低滲透區(qū)供氣為主(圖4)。低滲透區(qū)滲透率越高，則產量貢獻率越大。
 

    3) 單井外圍低滲透區(qū)滲透率大小對高滲透區(qū)采收率影響不大，對低滲透區(qū)的采收率影響顯著，隨著低滲透區(qū)滲透率的降低，其采收率也降低，說明低滲透儲層存在滲透率下限，當滲透率低于下限值時，采出氣量有限。
2 低滲透氣藏開發(fā)機理研究發(fā)展方向
    隨著我國低滲透油氣藏開發(fā)的規(guī)模化發(fā)展，開發(fā)機理方面的研究也隨之蓬勃發(fā)展，通過調研分析，筆者認為在基礎理論和生產實際應用中，還需要加強以下幾個方面的研究。
    1) 地層條件下水的賦存狀態(tài)與開發(fā)過程中的流動特征研究，宏觀上低滲透氣藏的氣水分布關系復雜，微觀上孔隙內含水多少和水的賦存狀態(tài)對氣體滲流影響顯著，需要通過生產測試和實驗分析進行深入研究。
    2) 對于儲層應力敏感性的研究需要進一步結合生產實際，目前這方面在實驗室的研究較多，在實際生產中儲層應力敏感性是如何表現的，通過什么方法或哪些參數可以識別，它對氣藏開發(fā)的影響具體如何體現等一系列的問題尚不清楚。
    3) 低滲透儲層有效動用的滲透率下限與動用條件問題，國外有些致密氣藏的儲層有效滲透率低至0.001mD也能有效開發(fā)，而我國大多數低滲透氣藏的有效儲層下限確定為0.1mD，對于滲透率低于該界限的儲層是否可動用，具有多大的潛力，需要哪些技術條件才能有效開發(fā)，目前這方面的研究還不多。
    4) 在低滲儲層有效動用范圍與采收率評價方面，對于蘇里格這類非均質性較強的儲層，有效砂體疊置多樣，橫向上和縱向上的連通性都十分復雜，如何確定單井的有效動用范圍，單井控制范圍的采收率與整個氣田(或區(qū)塊)的采收率如何評價等都需要深入研究。
    5) 對于機理研究成果的應用還需要結合實際地質條件，通過氣藏工程和其他工程技術的應用，才能為提高氣田的開發(fā)效益服務。具體來說還需要在氣井的合理配產、井網井距優(yōu)化與部署、提高氣田采收率等方面如何進一步應用開發(fā)機理等基礎研究得到的規(guī)律性認識。
3 結束語
    1) 低滲透氣藏儲層中氣水滲流復雜，影響因素多，應加強氣水兩相滲流機理研究。
    2) 低滲透儲層巖石在實驗分析中均表現出應力敏感特征，不同地區(qū)和不同巖石類型具有差異性，在實際生產中的儲層應力敏感性表現形式及其對開發(fā)的影響還需要深入研究。
    3) 平面非均質低滲透氣藏外圍低滲區(qū)對氣井生產具有一定補給作用，越到生產后期(氣井低壓小產期)，其產氣貢獻率越來越大，但補給作用的大小受儲層滲透率影響。
    4) 開發(fā)機理研究成果需要進一步通過氣藏工程和其他工程技術的應用，才能更好地為氣田開發(fā)生產服務。
參考文獻
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(本文作者：朱華銀1，2 朱維耀1 羅瑞蘭2 1.北京科技大學；2.中國石油天然氣集團公司天然氣成藏與開發(fā)重點實驗室)