孫軍昌，楊正明，唐立根，晏 軍

1)中國科學院滲流流體力學研究所，河北廊坊065007;2)中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007;3)中國科學院研究生院，北京100049

含氣飽和度是氣藏儲量計算、儲層評價所需的關鍵參數(shù)之一［1-3］.但由于致密砂巖氣藏孔隙度、滲透率較低、孔喉細微及毛管力較大等特點［1-3］，使用常壓干餾法、蒸餾抽提法和色譜法等常規(guī)方法操作較為復雜和影響因素較多，導致實驗結(jié)果誤差較大［3］.而離心法和壓汞法近年來也被廣泛用來求取儲層原始含氣飽和度，但由于壓汞實驗中進汞壓力難以準確控制及對巖樣具有破壞性等缺點，因此實驗結(jié)果也存在一定的誤差和局限性［4］.

在離心實驗中，非潤濕相流體在離心力驅(qū)動下克服毛管阻力，將潤濕相流體驅(qū)替出來，不同大小的離心力會得到大小不同的束縛水飽和度，最終計算的儲層含氣飽和度也會出現(xiàn)明顯差異.因此，優(yōu)選合適的離心力是應用該技術的關鍵［4-9］.低滲砂巖油藏選取的離心力一般為0.69 MPa［4-5］，但李海波［6］認為1.38 MPa才是適合低滲油藏的最佳離心力;Rauhul Dastidar等［7］對一低滲濁積巖油藏研究認為，0.69 MPa是適合該油藏的最佳離心力;An Mai等［8］在研究孔洞型碳酸鹽儲層束縛水變化規(guī)律時，發(fā)現(xiàn)只有在較高離心力8 000 r/min作用下，巖樣中較大孔隙和溶洞中的地層水才能被離心出來.筆者［9］對低滲火山巖氣藏進行的研究表明，2.76 MPa是該類儲層束縛水飽和度的合適離心力.由于目前對于致密砂巖氣藏合適離心力研究較少，直接影響到離心法確定儲層原始含氣飽和度的準確程度.

本研究首先對致密氣藏巖樣進行不同離心力氣水離心實驗，優(yōu)選出適合該類氣藏的合適離心力，結(jié)合核磁共振 (nuclear magnetic resonance，NMR)技術給出了儲層束縛水分布規(guī)律.最后與密閉取芯巖樣實驗結(jié)果進行對比，證明了優(yōu)選離心力的合理性及原始含氣飽和度的準確性.

1 實驗

1.1 材料

選取中國某致密砂巖氣藏16塊巖樣進行研究，其中4塊巖樣取自密閉取芯的全直徑巖芯，表1為密閉取芯的4塊巖樣常規(guī)物性資料.16塊巖樣孔隙度平均值為5.77%，滲透率分布在0.002×10-3～0.139 ×10-3μm2，平均值為 0.057 ×10-3μm2，屬于典型的致密砂巖氣藏儲層.

氣水離心實驗在PC-1型離心機上進行.為避免高速離心過程中巖樣液體蒸發(fā)，該離心機離心杯上配有密封蓋，且離心腔內(nèi)設強冷卻和溫控系統(tǒng)，離心過程中可調(diào)控恒溫，具有較高實驗精度.NMR實驗在自制的RecCore04型低磁場核磁共振巖樣分析儀上進行.實驗中設置的儀器參數(shù)為:等待時間tW=3 000 ms，回波間隔tE=0.6 ms，回波個數(shù)nE=1 024，掃描次數(shù)＞64次.

表1 4塊致密氣藏巖樣常規(guī)物性資料Table 1 Physical parameters of four tight gas reservoir samples

1.2 實驗步驟

①先從密閉取芯的4塊全直徑巖芯上快速鉆取直徑約2.5 cm、長約3 cm的規(guī)則柱塞巖樣，將兩端切平、切齊，用濾紙擦干巖樣表面的外來水，用保鮮膜多層包裹.

②對代表儲層原始狀態(tài)的4塊巖樣進行NMR測量，數(shù)學反演得到核磁共振T2譜.

③對16塊巖樣抽真空、加壓飽和模擬地層水，測量重量后進行NMR實驗.

④對4塊巖樣分別進行 0.35、0.69、1.03、1.38、1.73、2.07 和2.42 MPa離心力的離心實驗，每次離心后均記錄巖芯質(zhì)量并進行NMR實驗.

⑤對其余12塊巖樣進行優(yōu)選離心力實驗，記錄離心后巖樣質(zhì)量并進行NMR實驗.

⑥巖樣烘干后測量干質(zhì)量，計算水測孔隙度，測試巖樣氣測滲透率.

2 結(jié)果與討論

2.2 優(yōu)選離心實驗中離心力

圖1為4塊巖樣在不同離心力離心后含水飽和度變化規(guī)律;圖2為不同離心力離心后4塊巖樣含水飽和度減小幅度與離心力的關系.

圖1 不同離心力離心后巖樣含水飽和度Fig.1 Water saturation corresponding to different centrifugal forces

圖2 不同離心力離心后巖樣含水飽和度減小幅度Fig.2 The decrease extent of water saturation reduction corresponding to different centrifugal forces

從圖1和圖2可見，隨離心力增大，4塊巖樣含水飽和度不斷減小，減小幅度呈明顯下降趨勢.離心力從0增至0.69 MPa時，4塊巖樣含水飽和度平均減小18.25%;當離心力從0.69 MPa增至1.38 MPa時，4塊巖樣含水飽和度平均減小14.63%.表明0.69 MPa離心力并不適合致密砂巖氣藏儲層巖樣，因為該離心力離心后4塊巖樣中至少還有14.63%的可動水未被離心出來.而當離心力從1.38 MPa增至2.07 MPa后，4塊巖樣含水飽和度平均減小了4.32%.表明適合于低滲砂巖油藏的1.38 MPa離心力也不適用于致密砂巖氣藏.但當離心力從2.07 MPa增至2.42 MPa后，4塊巖樣含水飽和度平均僅減少0.77%.因此，對于實驗研究的低滲致密砂巖氣藏儲層巖樣，室內(nèi)離心實驗確定儲層束縛水飽和度的合適離心力應為2.07 MPa.

從圖3不同離心力離心后巖樣核磁共振T2譜變化特征可以看出，在離心力增大的初期，首先是較大孔隙中的水被離心出來，而較小孔隙中的水基本保持不變.當離心力增大到一定程度后 (如1.38 MPa)，較小孔隙中的水才被離心出來.但T2馳豫時間最小的黏土束縛水 (T2＜1 ms)基本保持不變［11-12］.對應的核磁共振T2譜左側(cè)曲線完全重合，表明不同氣驅(qū)壓力下 (離心力)仍然是較大孔隙中的水被驅(qū)替出來.巖樣不同離心狀態(tài)核磁共振T2譜變化特征從微觀上進一步證明了較小離心力(0.69 MPa和1.38 MPa)離心后致密氣藏巖樣中仍含有大量的可動水未被離心出來.

圖3 1#巖樣不同離心力離心后核磁共振T2譜Fig.3 NMR T2spectrum corresponding to different centrifugal forces of sample 1#

2.3 致密氣藏有效滲流喉道半徑下限

其中，P為毛管力;σ為表面張力;θ為潤濕角;rt為喉道半徑.對于氣水離心σ =72.8 mN/m，θ=0°，將以上參數(shù)代入式 (1)即得氣水離心實驗中離心力與巖樣喉道半徑的對應關系.

對于致密砂巖氣藏儲層，根據(jù)式 (1)計算可知，2.07 MPa離心力對應的喉道半徑約為 0.07 μm.根據(jù)離心實驗原理可知，實驗研究的致密砂巖氣藏儲層有效滲流喉道半徑下限約為0.07 μm.半徑小于0.07 μm的孔隙，以及由半徑小于0.07 μm喉道所控制的孔隙空間中主要為束縛水，而由半徑大于0.07 μm喉道所控制的孔隙空間中的流體在氣體運移過程中被驅(qū)走，成為致密氣藏主要的有效儲集空間.

經(jīng)典油層物理中一般將半徑小于0.1 μm的孔隙定義為微毛細管孔隙［3］，認為在該類孔隙中液體分子之間及液固分子之間的引力很大，油層條件下的壓力梯度一般無法使原油在此類孔隙中移動［3］.因此，通常將半徑0.1 μm作為流體能否在孔隙中流動的分界線［13］.但由于氣體分子直徑和黏度均遠小于原油，使氣體的流動力遠大于原油［1］，這是致密氣藏儲層有效滲流喉道半徑下限降低的根本原因;而離心實驗確定的致密氣藏儲層有效滲流喉道半徑下限的減小，則是該類儲層物性下限降低的直接原因［1］.

2.4 束縛水微觀分布規(guī)律

圖4為表1中1#和4#巖樣飽和水狀態(tài)、2.07 MPa離心后及密閉取芯巖樣初始狀態(tài)核磁共振T2譜對比圖.

圖4 2塊巖樣飽和度、原始狀態(tài)及離心后核磁共振T2譜對比Fig.4 NMR T2spectrum corresponding to different state of two samples

從圖4可見，離心后巖樣T2譜對應較大孔隙空間的右峰并未完全消失，且不同滲透率巖樣T2譜右峰減小幅度具有一定差異，表明致密氣藏束縛水并不完全分布在微孔隙中，離心與氣藏原始狀態(tài)T2譜的高度吻合也證明了這個觀點.實際上，為進一步確認研究結(jié)果的準確性，在將離心與密閉取芯的原始狀態(tài)巖樣實驗結(jié)果對比之前，對從密閉取芯的全直徑巖芯表面及內(nèi)部分別鉆取的巖石顆粒也進行了核磁共振實驗.結(jié)果表明，4塊巖芯表面巖石碎顆粒獲取的原始含氣飽和度與內(nèi)部巖石碎顆粒獲取的原始含氣飽和度非常接近，對應的含氣飽和度平均值分別為62.87%和62.50%，兩者對應的核磁共振T2譜也基本一致.由于全直徑巖芯內(nèi)部顆粒在鉆進和取芯等過程中受到的影響和擾動相對較小，因此研究的密閉取芯的全直徑巖芯較好地保存了原始地層流體信息，實驗結(jié)果可信度很高.

圖5為16塊巖樣微孔隙空間束縛水所占比例與滲透率的關系，其中微孔隙以Schlumberger公司推薦的T2馳豫時間小于10 ms為界限計算所得.從圖5可見，致密氣藏儲層中絕大多數(shù)束縛水分布在T2弛豫時間小于10 ms的黏土孔隙 (T2＜1ms)和微孔隙 (1 ms＜T2＜10 ms)中［14-15］.統(tǒng)計表明，16塊巖樣微孔隙束縛水所占比例為83.61%.隨著巖樣滲透率的增大，微孔隙束縛水所占比例呈遞減趨勢.圖5中滲透率小于0.01×10-3μm2的5塊巖樣中87.41%的束縛水分布在黏土孔隙和微孔隙中;而滲透率大于0.1×10-3μm2的3塊巖樣中約有80.30%的束縛水分布在微孔隙中.本研究的低滲砂巖屬于膠結(jié)致密的細粒砂巖，掃描電鏡結(jié)果顯示，該類儲層巖石孔隙連通性較差，黏土含量較高.巖樣滲透率越小，則孔隙連通性越差，尤其是粒間膠結(jié)物發(fā)育較多，導致巖石比表面較大，大量的束縛水分布在微孔隙中［5］.而滲透率相對較大的儲層黏土含量較少，微孔隙所占比例和巖石比表面相對減小，而被細微喉道控制的較大孔隙中的束縛水比例增加.

從圖6可見，致密氣藏儲層束縛水飽和度隨滲透率增加呈明顯遞減趨勢，兩者呈較好的對數(shù)關系.當滲透率小于0.03×10-3μm2時束縛水飽和度隨滲透率的增加急劇減小，但當滲透率大于0.03×10-3μm2時束縛水飽和度隨滲透率的增加變化不明顯.統(tǒng)計表明，16塊巖樣束縛水飽和度平均值為73.24%，高于低滲砂巖氣藏束縛水飽和度［10］.

圖5 微孔隙束縛水比例與滲透率的關系Fig.5 Relationship between micro-pore irreducible water ratio and permeability

圖6 束縛水飽和度與滲透率的關系Fig.6 Relationship between irreducible water saturation and permeability

2.5 離心與原始狀態(tài)含氣飽和度對比

圖7為4塊密閉取心巖樣原始含氣飽和度與離心力為2.07 MPa時計算的含氣飽和度對比結(jié)果.從圖7可見，離心力2.07 MPa時計算的含氣飽和度與儲層原始含氣飽和度非常接近.4塊巖樣原始含氣飽和度分布在30.49% ～41.61%，平均值為37.50%.離心力2.07 MPa時計算的含氣飽和度分布在32.19% ～43.55%之間，平均值為 37.23%，兩者相差僅0.27%.而使用0.69 MPa和1.38 MPa離心力計算的儲層含氣飽和度分別為18.28%和32.91%，明顯小于氣藏原始實際含氣飽和度，誤差分別為19.22%和4.59%.表明離心實驗優(yōu)選的2.07 MPa離心力對于致密砂巖氣藏儲層巖樣具有很好的適用性，室內(nèi)使用離心實驗求取束縛水飽和度時應當以2.07 MPa進行離心實驗.

圖8為使用2.07(本研究優(yōu)選)、0.69(經(jīng)典推薦)和1.38 MPa(適用于低滲油藏巖樣)3種離心力計算的低滲致密氣藏儲層含氣飽和度對比結(jié)果.由圖8可見，0.69 MPa與1.38 MPa離心力計算的儲層原始含氣飽和度分別為 18.28%和32.91%，比致密氣藏實際原始含氣飽和度分別減少19.22%和4.59%.數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，通過較小離心力獲取的儲層含氣飽和度會明顯小于實際氣藏地質(zhì)儲量，這對氣藏儲量計算、開發(fā)方案的制定及經(jīng)濟效益分析均會造成較大誤差，而本研究優(yōu)選的2.07 MPa離心力對于準確獲取低滲致密氣藏原始含氣飽和度客觀重要.

圖7 4塊巖樣離心與原始含氣飽和度對比圖Fig.7 Relationship between initial gas saturation and centrifugal gas saturation of four samples

圖8 不同離心力計算含氣飽和度實驗結(jié)果對比Fig.8 Gas saturations corresponding to different centrifugal forces

從圖4還可看出，2.07 MPa離心力離心后巖樣束縛水微觀分布規(guī)律與氣藏原始狀態(tài)一致，即較小的微孔隙中基本為束縛水，同時部分束縛水也分布在較大的孔隙空間中.圖4中1#和4#巖樣離心后T2譜右峰稍低于氣藏原始狀態(tài)T2譜右峰，但其左峰又稍高于原始狀態(tài)T2譜左峰.引起這種微小差別的原因可能是成藏過程中，氣體運移時將部分孔隙壁面的薄膜束縛水排擠出來，以及由于儲層非均質(zhì)性導致的氣體運移不充分，部分較大孔隙并未被氣體所占據(jù)而含有少量可動水的緣故［1-2，16-18］，相關結(jié)論尚需進一步驗證.

結(jié) 語

綜上研究可知:① 采用不同離心力實驗，優(yōu)選出適合致密砂巖氣藏巖樣離心法，獲取儲層含氣飽和度的離心力為2.07 MPa，與密閉取心巖樣原始含氣飽和度對比表明，2.07 MPa離心力計算的含氣飽和度具有很高的準確性;② 結(jié)合毛管壓力方程，確定致密氣藏儲層有效滲流喉道半徑下限為0.07 μm，解釋了致密氣藏儲層物性下限降低的儲層內(nèi)在原因，為進一步儲層評價奠定了理論基礎;③結(jié)合低磁場核磁共振技術，發(fā)現(xiàn)致密氣藏儲層束縛水分布在T2弛豫時間小于10 ms的黏土孔隙、微孔隙中及被小喉道所控制的較大孔隙空間中，微孔隙束縛水所占比例隨儲層滲透率增大而減小;④ 致密砂巖氣藏儲層束縛水飽和度普遍較高，初始含氣飽和度僅為26.76%，核磁共振T2譜表明，氣驅(qū)過程中提高驅(qū)替壓力仍是較大孔隙中的水被驅(qū)替出來，而較小孔隙中的地層水基本保持不變.

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