摘要：由于低滲透、特低滲透砂巖氣藏儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的特殊性，其單相氣體的滲流特征與中高滲透儲(chǔ)層相比存在很大的差別，有必要對(duì)其滲流特征進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)數(shù)十塊低滲透、特低滲透砂巖巖心不同驅(qū)替壓力下單相氣體滲流特征的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，一般情況下特低滲透砂巖儲(chǔ)層(小于0.1×10^-3μm²)的滲流特征符合克氏滲流曲線特征，但是在孔隙壓力很低的情況下會(huì)表現(xiàn)出由于強(qiáng)滑脫效應(yīng)而引起的非線性滲流特征；對(duì)于低滲透率儲(chǔ)層(大于0.1×10^-3μm²)，氣體的滲流特征在低驅(qū)替壓力下符合克氏滲流曲線特征，但是在較高驅(qū)替壓力下會(huì)表現(xiàn)出明顯的高速非線性滲流特征。對(duì)于特低滲透砂巖儲(chǔ)層而言，氣體滲流一般不可能發(fā)生高速非線性流效應(yīng)；而對(duì)于低滲透儲(chǔ)層，就要考慮高速非線性效應(yīng)對(duì)低滲透砂巖氣藏氣體滲流規(guī)律的影響。

關(guān)鍵詞：低滲透油氣藏；砂巖；滲流；高速；非達(dá)西流；特征；滑脫效應(yīng)；實(shí)驗(yàn)

    低滲透、特低滲砂巖氣藏儲(chǔ)層由于具有特殊的孔隙結(jié)構(gòu)，其單相氣體的滲流特征也比中、高滲儲(chǔ)層更為復(fù)雜^[1。2]。有必要弄清低滲、特低滲砂巖氣藏氣體的滲流特征，這對(duì)于低滲砂巖儲(chǔ)層氣體滲流規(guī)律的正確描述，建立完善的氣體滲流數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行正確的單井產(chǎn)能計(jì)算和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)具有重要意義^[3]。

   選取上三疊統(tǒng)須家河組低滲氣藏儲(chǔ)層50塊巖心進(jìn)行單相氣體滲流特征實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)巖心滲透率分布范圍在(0.001～2)×10^-3μm²之間。表1列出了其中24塊巖心的物性參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)詳細(xì)研究了不同滲透率級(jí)別儲(chǔ)層巖心的單相氣體滲流特征，并且對(duì)每一種滲流特征進(jìn)行了分析、總結(jié)，研究結(jié)果對(duì)于正確認(rèn)識(shí)低滲氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中的氣體滲流規(guī)律，準(zhǔn)確模擬氣藏動(dòng)態(tài)開(kāi)發(fā)過(guò)程具有重要指導(dǎo)意義。

圖1、2是不同滲透率儲(chǔ)層單相氣體滲流典型特征曲線。圖1是特低滲透率(K＜0.1×10^-3μm²)儲(chǔ)層巖心克氏曲線的綜合表現(xiàn)，氣體的滲流特征基本符合克氏滲流曲線特征，克氏滲流規(guī)律表達(dá)式為^[4～5]：

 

式中：K_g為氣測(cè)視滲透率，10^-3μm²；K_e為克氏滲透率，10^-3μm²；為巖心進(jìn)出口平均壓力，MPa；b為滑脫因子。

    特低滲儲(chǔ)層多巖心克氏滲流曲線規(guī)律表明，在儲(chǔ)層滲透率小于0.1×10^-3μm²的情況下，低壓氣體滲流基本符合克氏曲線特征，只有個(gè)別巖心在孔隙壓力極低的情況下，氣體滲流會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)滑脫現(xiàn)象，即氣體的滲流規(guī)律表現(xiàn)出低壓非線性流現(xiàn)象。

圖2是滲透率較高(K＞0.1×10^-3μm²)的低滲透儲(chǔ)層的氣體克氏滲流規(guī)律曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)其與特低滲儲(chǔ)層的氣體滲流特征存在很大差別。在低孔隙壓力下氣體滲流符合克氏滲流曲線特征，隨孔隙壓力增加到一定值以后，氣體視滲透率開(kāi)始急劇降低，而且滲透率越高的巖心其視滲透率下降越大。這一結(jié)果是由于氣體的高速非線性流動(dòng)引起的，具體表達(dá)式為：

 

式中：K_a為高速非達(dá)西流下的氣測(cè)滲透率，10^-3μm²；β為非達(dá)西紊流因子；v為氣體滲流速度，cm/s；ρ為氣體密度，g/cm³；μ為氣體黏度，mPa·s。

    可以發(fā)現(xiàn)滲流速度越大，氣體的高速非達(dá)西流效應(yīng)就越明顯，低滲巖心的氣體視滲透率就會(huì)越低。

    由此可知，在實(shí)驗(yàn)條件下，低滲、特低滲砂巖氣藏儲(chǔ)層氣體的滲流特征明顯。滲透率小于0.1×10^-3μm²的儲(chǔ)層氣體滲流特征可以用克氏曲線的滲流特征來(lái)描述，也就是式(1)；而滲透率大于0.1×10^-3μm²的儲(chǔ)層氣體滲流特征可以用高速非達(dá)西流效應(yīng)和克氏滲流效應(yīng)來(lái)共同描述，即式(2)。

    氣體的滑脫效應(yīng)可以運(yùn)用滑脫系數(shù)(6)來(lái)描述。根據(jù)式(1)，并利用低滲巖心實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，可以求得氣體在低滲巖心滲流過(guò)程中的滑脫系數(shù)(6)，其具體表達(dá)式為：

不同低滲巖心氣體滑脫系數(shù)(6)在對(duì)應(yīng)平均壓力下的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。圖3-a中3塊巖心滲透率的分布范圍是(0.024～0.105)×10^-3μm²，屬于特低滲儲(chǔ)層范疇；圖3-b中巖心對(duì)應(yīng)的滲透率為1.7×10^-3μm²，屬于低滲儲(chǔ)層范疇?？梢园l(fā)現(xiàn)不論是特低還是低滲透儲(chǔ)層，一般情況下氣體的滑脫系數(shù)都是一個(gè)定值，但是當(dāng)巖石平均孔隙壓力增加到一定值時(shí)，一般在1MPa以上，巖石中氣體的滑脫系數(shù)就開(kāi)始出現(xiàn)明顯降低的現(xiàn)象，而且滲透率大于0.1×10^-3μm²的巖心隨孔隙壓力增加，滑脫系數(shù)還會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。

 

    由此可知，低滲巖心氣體滲流過(guò)程中滑脫效應(yīng)并不是一定存在，而且滑脫系數(shù)也并不是一個(gè)常數(shù)，在低孔隙壓力條件下，滑脫系數(shù)可以認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，但是隨孔隙壓力增加，滑脫系數(shù)開(kāi)始減??；而且滲透率越大，滑脫系數(shù)越小，滑脫效應(yīng)越不明顯；對(duì)于特低滲巖心，滑脫系數(shù)明顯偏大，而且在高孔隙壓力下滑脫系數(shù)雖有所減小，但是變化不是太大，一般不會(huì)變?yōu)樨?fù)值。說(shuō)明氣體滑脫效應(yīng)確實(shí)主要發(fā)生在低孔隙壓力下的低滲透巖石中。較高滲透巖石中雖然也存在滑脫效應(yīng)，但是隨壓力增加，滑脫效應(yīng)迅速減小直至可以忽略。

    目前得到的關(guān)于低滲氣藏氣體滲流特征的研究成果及認(rèn)識(shí)都是基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件研究的基礎(chǔ)上，與真實(shí)氣藏氣體的滲流過(guò)程相比，存在很大的局限性。在這一點(diǎn)上筆者比較贊同郭平教授的觀點(diǎn)：“氣體在多孔介質(zhì)中的滑脫效應(yīng)是在低壓下產(chǎn)生的現(xiàn)象，而實(shí)際低滲致密氣藏的廢棄壓力很高，在這一壓力范圍內(nèi)氣體在儲(chǔ)層中的滑脫效應(yīng)很弱，完全可以忽略，因此在低滲氣藏的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有必要考慮滑脫效應(yīng)的影響”^[6～8]。相反，由于低滲氣藏(大于0.1×10^-3μm²)生產(chǎn)過(guò)程中近井地帶的生產(chǎn)壓差很大，很容易導(dǎo)致氣體的高速非達(dá)西流效應(yīng)的產(chǎn)生，因此在進(jìn)行低滲氣藏產(chǎn)能計(jì)算和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程中應(yīng)該主要考慮高速非達(dá)西流效應(yīng)的影響。

   1) 低滲砂巖氣藏滲透率小于0.1×10^-3μm²的儲(chǔ)層，單相氣體的滲流特征符合克氏曲線的滲流特征；而滲透率大于0.1×10^-3μm²的儲(chǔ)層，氣體滲流特征可以用高速非達(dá)西流效應(yīng)和克氏滲流效應(yīng)來(lái)共同描述。

    2) 在低滲氣藏生產(chǎn)動(dòng)態(tài)模擬和產(chǎn)能計(jì)算的過(guò)程中應(yīng)該主要考慮高速非達(dá)西流效應(yīng)的影響，而滑脫效應(yīng)的影響可以不予考慮。

    3) 低滲砂巖氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在一個(gè)臨界滲透率值0.1×10^-3μm²，以其為臨界點(diǎn)，其上下滲透率儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)方式及開(kāi)發(fā)難度都存在很大差別。

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(本文作者：熊偉^1，2 高樹(shù)生¹ 胡志明¹ 薛惠¹ 葉禮友^1，2 1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院；2.中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所)