胡 勇，郭長敏，徐 軒，焦春艷 ，閆永強(qiáng)

(1. 中國石油勘探開發(fā)研究院 廊坊分院，河北 廊坊 065007；2.中國石油 天然氣成藏與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊065007；3.大慶榆樹林油田開發(fā)有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶，230600)

砂巖氣藏巖石孔喉結(jié)構(gòu)及滲流特征

胡 勇1,2，郭長敏1,2，徐 軒1,2，焦春艷1,2，閆永強(qiáng)3

(1. 中國石油勘探開發(fā)研究院 廊坊分院，河北 廊坊 065007；2.中國石油 天然氣成藏與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊065007；3.大慶榆樹林油田開發(fā)有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶，230600)

以多孔介質(zhì)中氣水兩相滲流理論為基礎(chǔ)，選擇了四川須家河組氣藏巖心，其滲透率在(0.002～70.28)×10-3μm2之間，分別開展了高壓壓汞、氣水相滲以及氣藏衰竭開采物理模擬實(shí)驗(yàn)研究，從巖石孔喉結(jié)構(gòu)、受力特征以及氣水兩相滲流特征3方面對比分析了致密與中高滲砂巖氣藏特征的差異。采用孔喉類型及數(shù)量比例、平均孔喉半徑、孔喉中值半徑3項(xiàng)參數(shù)對不同滲透率砂巖孔喉結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了精細(xì)描述，對比分析了低滲致密與常規(guī)及高滲砂巖孔喉結(jié)構(gòu)特征差異；采用排驅(qū)壓力、沿程阻力量化評價(jià)了氣、水在不同滲透率砂巖中滲流時(shí)的受力情況，對比分析了孔喉結(jié)構(gòu)對致密與常規(guī)砂巖產(chǎn)能的影響；建立了氣相滲流能力與含水飽和度關(guān)系圖版，對比分析了含水飽和度大小對不同滲透率巖心氣相滲流能力的影響。研究成果將為氣藏儲層微觀建模以及氣、水滲流機(jī)理研究提供一定的參考依據(jù)。

砂巖氣藏；滲透率；孔喉結(jié)構(gòu)；氣水相滲；實(shí)驗(yàn)研究

我國于2011年發(fā)布了“致密砂巖氣地質(zhì)評價(jià)方法”，明確了我國致密砂巖氣評價(jià)指標(biāo)及界限值。但關(guān)于致密與中高滲砂巖氣藏在儲層孔喉結(jié)構(gòu)、氣水滲流特征的差異，一直是現(xiàn)場生產(chǎn)和科研工作者關(guān)心的問題[1-14]，同時(shí)也是指導(dǎo)氣藏制訂開發(fā)技術(shù)政策的重要依據(jù)。本文通過高壓壓汞、氣水相滲以及氣藏衰竭開采物理模擬等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了綜合研究與分析，取得了一定程度認(rèn)識，希望對類似氣藏的開發(fā)起到一定指導(dǎo)作用。

1 多孔介質(zhì)氣、水兩相滲流理論分析

多孔介質(zhì)氣水兩相滲流時(shí)，氣相滲流方程[15]可以表示為：

(1)

式中：qg為氣流量的數(shù)值，mL/s；A為巖樣氣體滲流截面積，cm2；Krg為氣相相對滲透率；P1為巖樣進(jìn)口壓力，MPa；P2為巖樣出口壓力，MPa；Pa為大氣壓，MPa；μg為在測得溫度下氣的黏度，mPa·s；L為巖樣長度，cm。

從公式(1)中可以看出，影響氣流量的因素主要有3個(gè)方面。

1.1 巖樣氣體滲流截面積

(2)

式中：n為孔喉數(shù)量；rc為孔喉平均半徑，μm。

從公式(1)和(2)可以看出，氣流量與巖石孔喉尺寸和數(shù)量呈正比關(guān)系，在壓差一定的條件下，孔喉尺寸越大、數(shù)量越多則氣流量越大。

1.2 氣相相對滲透率

該參數(shù)與巖石含水飽和度密切相關(guān)。

1.3 氣藏驅(qū)動能量

腦卒中偏癱患者會存在很多功能障礙，其中呼吸與吞咽障礙已成為影響患者生活質(zhì)量的重要因素。腦卒中后偏癱患者由于處于長期臥床及肺通氣功能受到影響等因素會導(dǎo)致肺功能狀態(tài)較差，肺功能差可增加吞咽障礙的發(fā)生率及程度。有報(bào)道顯示，腦卒中后吞咽障礙發(fā)生率約為37%～78%，吞咽障礙會導(dǎo)致誤吸、肺炎等并發(fā)癥，因此吞咽與呼吸存在密切關(guān)系[1]，我們認(rèn)為有必要進(jìn)行相應(yīng)的功能訓(xùn)練。為尋求一種可以改善腦卒中偏癱患者呼吸與吞咽功能的療法，本文通過對腦卒中后偏癱合并吞咽功能障礙的患者進(jìn)行呼吸肌反饋訓(xùn)練，取得了較為滿意的結(jié)果，現(xiàn)報(bào)道如下。

1.3.1 毛管壓力

(3)

式中：Pc為毛管壓力(絕對壓力)，MPa；σ為表面張力，N/m；θ為潤濕接觸角，(°)。

由公式(3)可以看出，巖石毛管壓力與巖石孔喉成反比關(guān)系，孔喉越細(xì)小，則毛管壓力越大，氣藏開發(fā)過程要達(dá)到相同的氣流量則需要消耗的能量越大。

1.3.2 沿程阻力

氣水運(yùn)移過程中沿程阻力是由于流體內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的壓力梯度，其大小與路程長度、流速成正比，與巖石孔喉尺寸成反比。沿程阻力(F)計(jì)算公式如下：

(4)

式中：λ為沿程阻力系數(shù)；L為滲流路徑長度，cm；d為孔喉直徑，μm；g為重力加速度，m/s2；ν為端面平均流速，mL/min。

2 不同滲透率砂巖典型特征的差異

2.1 孔喉結(jié)構(gòu)

通過高壓壓汞實(shí)驗(yàn)，檢測了不同滲透率巖心的孔喉結(jié)構(gòu)，按孔喉半徑大小將孔喉分為4種類型：超毛細(xì)管孔喉(rc>1 μm)、毛細(xì)管孔喉(rc=1～0.1 μm)、微毛細(xì)管孔喉(rc=0.1～0.01 μm)和納米孔喉(rc<0.01 μm)。

圖1繪制了不同滲透率巖心4種類型孔喉的組成情況。分析可以得出，不同滲透率巖心的孔喉類型及數(shù)量組成有一定的區(qū)別，其典型特征差異表現(xiàn)如下：(1)當(dāng)巖心滲透率小于0.1×10-3μm2時(shí)，隨巖心滲透率降低，納米孔喉占的比例明顯增加，從20%增加到65%左右，是低滲致密砂巖主要的滲流通道；(2)巖心滲透率介于(0.1～1)×10-3μm2左右時(shí)，各類孔喉比例相對穩(wěn)定，超毛細(xì)管孔喉占的比例小于10%，毛細(xì)管孔喉和微毛細(xì)管孔喉各占30%～40%，納米孔喉占10%～20%；(3)巖心滲透率大于1.0×10-3μm2時(shí)，隨滲透率的增加，超毛細(xì)管孔喉比例大幅度增加，從10%增加到70%左右，是高滲砂巖主要的滲流通道。

表1統(tǒng)計(jì)了不同滲透率砂巖平均孔喉半徑以及中值半徑，可以看出，隨滲透率的增加，巖石孔喉半徑、中值半徑均成倍數(shù)增加。通過對巖石孔喉分類及量化表征，可以為氣藏儲層微觀滲流模型的建立提供參考。

2.2 毛管壓力

通過高壓壓汞實(shí)驗(yàn)，檢測了不同滲透率巖心的毛管壓力(圖2)。從圖2可以看出，不同滲透率巖心的毛管壓力差異明顯，隨滲透率降低而大幅度增加，滲透率大于0.1×10-3μm2的巖心，其毛管壓力一般小于1.0 MPa；滲透率小于0.1×10-3μm2的巖心，其毛管壓力大于1.0 MPa；滲透率小于0.01×10-3μm2的巖心，其毛管壓力大于6.0 MPa。

圖1 四川盆地須家河組不同滲透率巖心孔喉類型及分布頻率

表1 四川盆地須家河組不同滲透率砂巖平均孔喉半徑以及中值半徑

注：表中滲透率為：最小值～最大值/平均值。

圖2 四川盆地須家河組高壓壓汞法測試的不同滲透率巖心毛管壓力

2.3 沿程阻力

采用長巖心多測壓孔物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，模擬測試了氣藏衰竭開采過程中當(dāng)儲層產(chǎn)氣能力為2 mL/min時(shí)的不同滲透率儲層孔隙壓力分布特征(圖3)。從圖3可以看出，不同滲透率儲層在含水基本一致的條件下，要想獲得相同的產(chǎn)氣量，低滲致密砂巖儲層需要的孔隙壓力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中高滲砂巖儲層，這表明氣體在含水低滲致密砂巖儲層中運(yùn)移時(shí)需要克服的沿程阻力非常大。

2.4 氣、水滲流特征差異

通過氣水兩相滲流實(shí)驗(yàn)，在氣驅(qū)壓力1.0 MPa下測試了不同滲透率巖心在不同含水條件下氣相滲流能力，并以最低含水飽和度(Sw)下的氣流量為基準(zhǔn)對不同含水飽和度下的氣流量進(jìn)行了歸一化處理，結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，含水對致密砂巖中氣相流動影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對中高滲砂巖中氣相流動的影響，對于滲透率為0.175×10-3μm2和0.063×10-3μm2的巖心，當(dāng)含水飽和度30%左右時(shí)，與干巖心氣相滲流能力對比，其氣相滲流能力僅剩40%～50%；但對于滲透率0.58×10-3μm2和1.63×10-3μm2的巖心，即使含水飽和度達(dá)到40%～50%左右時(shí)，其后對氣相滲流也能保持60%～90%。這表明低滲致密砂巖氣藏對水更為敏感。

圖3 四川盆地須家河組氣藏衰竭開采實(shí)驗(yàn)中不同滲透率儲層的孔隙壓力分布特征

圖4 四川盆地須家河組不同滲透率巖心不同含水條件下的氣流量歸一化處理結(jié)果

3 結(jié)論與認(rèn)識

(1)量化評價(jià)了不同滲透率砂巖孔喉類型及組成比例，為微觀物理模擬刻畫及滲流機(jī)理研究奠定了基礎(chǔ)。

(2)對砂巖中氣水流動受力情況進(jìn)行了分析，并采用實(shí)驗(yàn)方法對毛管壓力、沿程阻力進(jìn)行測試，在此基礎(chǔ)上，開展了氣水兩相滲流研究，給出了氣相滲流能力與巖石滲透率、含水飽和度的關(guān)系圖版，研究結(jié)果對于不同滲透率砂巖氣藏開發(fā)具有一定指導(dǎo)作用。

[1] 賈承造,鄭民,張永峰.中國非常規(guī)油氣資源與勘探開發(fā)前景[J].石油勘探與開發(fā),2012,39(2):129-136.

Jia Chengzao,Zheng Min,Zhang Yongfeng.Unconventional hydrocarbon resources in China and the prospect of exploration and development[J].Petroleum Exploration and Development,2012,39(2):129-136.

[2] 戴金星,倪云燕,吳小奇.中國致密砂巖氣及在勘探開發(fā)上的重要意義[J].石油勘探與開發(fā),2012,39(3):257-264.

Dai Jinxing,Ni Yunyan,Wu Xiaoqi.Tight gas in China and its significance in exploration and exploitation[J].Petroleum Exploration and Development,2012,39(3):257-264.

[3] 趙文智,卞從勝,徐兆輝.蘇里格氣田與川中須家河組氣田成藏共性與差異[J].石油勘探與開發(fā),2013,40(4):400-408.

Zhao Wenzhi,Bian Congsheng,Xu Zhaohui.Similarities and differences between natural gas accumulations in Sulige gas field in Ordos Basin and Xujiahe gas field in central Sichuan Basin[J].Petroleum Exploration and Development,2013,40(4):400-408.

[4] 胡勇,李熙喆,萬玉金,等.致密砂巖氣滲流特征物理模擬[J].石油勘探與開發(fā),2013,40(5):580-584.

Hu Yong,Li Xizhe,Wan Yujin,et al.Physical simulation on gas percolation in tight sandstone[J].Petroleum Exploration and Development,2013,40(5):580-584.

[5] 胡勇,邵陽,陸永亮,等.低滲氣藏儲層孔隙中水的賦存模式及對氣藏開發(fā)的影響[J].天然氣地球科學(xué),2011,22(1):176-181.

Hu Yong,Shao Yang,Lu Yongliang,et al.Experimental study on occurrence models of water in pores and the influencing to the development of tight gas reservoir[J].Natural Gas Geoscience,2011,22(1):176-181.

[6] 胡勇.氣體滲流啟動壓力實(shí)驗(yàn)測試及應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),2010,30(11):48-50.

Hu Yong.Experimental test analysis of threshold pressure in tight sandstone gas flow:A case study of the Sulige gas field[J].Natural Gas Industry,2010,30(11):48-50.

[7] 胡勇,朱華銀,萬玉金,等.大慶火山巖孔隙結(jié)構(gòu)及氣水滲流特征[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(5):63-65.

Hu Yong,Zhu Huayin,Wan Yujin,et al.The pore structure and the properties of water-gas flowing through porous media in a volcanic rock in Daqing[J].Journal of Southwest Petroleum University,2007,29(5):63-65.

[8] 胡作維,李云.基于偏最小二乘法評價(jià)低滲透砂巖儲層質(zhì)量[J].特種油氣藏,2013,20(5):36-39.

Hu Zuowei,Li Yun.Based on partial least squares evaluation of low permeability sandstone reservoir quality[J].Special Oil & Gas Reservoirs,2013,20(5)：36-39.

[9] 楊正明,姜漢橋,朱光亞,等.低滲透含水氣藏儲層評價(jià)參數(shù)研究[J].石油學(xué)報(bào),2008,29(2):252-255.

Yang Zhengming,Jiang Hanqiao,Zhu Guangya,et al.Research on reservoir evaluation index for low-permeability water-bearing gas reservoir[J].Acta Petrolei Sinica,2008,29(2):252-255.

[10] 鄒才能,朱如凱,白斌,等.中國油氣儲層中納米孔喉首次發(fā)現(xiàn)及其科學(xué)價(jià)值[J].巖石學(xué)報(bào),2011,27(6):1857-1864.

Zou Caineng,Zhu Rukai,Bai Bin,et al.First discovery of nano-pore throat in oil and gas reservoir in China and its scientific value[J].Acta Petrologica Sinica,2011,27(6):1857-1864.

[11] 肖開華,馮動軍,李秀鵬.川西新場須四段致密砂巖儲層微觀孔喉與可動流體變化特征[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2014,36(1):77-82.

Xiao Kaihua,Feng Dongjun,Li Xiupeng.Micro pore and throat characteristics and moveable fluid variation of tight sandstone in 4th member of Xujiahe formation,Xinchang gas field,western Sichuan Basin[J].Petroleum Geology & Experiment,2014,36(1):77-82.

[12] 王瑞飛,沈平平,宋子齊,等.特低滲透砂巖儲層油藏儲層微觀孔喉特征[J].石油學(xué)報(bào),2009,30(4):560-563.

Wang Ruifei,Shen Pingping,Song Ziqi,et al.Characteristics of micro-pore throat in ultra-low permeability sandstone reservoir[J].Acta Petrolei Sinica,2009,30(4):560-563.

[13] 林曉英,郭春陽,曾濺輝,等.低滲透砂巖天然氣運(yùn)移和聚集模擬實(shí)驗(yàn)[J]石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2014,36(3):370-375.

Lin Xiaoying,Guo Chunyang,Zeng Jianhui,et al.Experimental study on gas migration and accumulation in low-permeability sandstone reservoirs[J].Petroleum Geology & Experiment,2014,36(3):370-375.

[14] 馬勇,鐘寧寧,程禮軍,等.渝東南兩套富有機(jī)質(zhì)頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征：來自FIB-SEM的新啟示[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2015,37(1):109-116.

Ma Yong,Zhong Ningning,Cheng Lijun,et al.Pore structure of two organic-rich shales in southeastern Chongqing area:insight from Focused Ion Beam Scanning Electron Microscope (FIB-SEM)[J].Petroleum Geology & Experiment,2015,37(1):109-116.

[15] 國家發(fā)展和改革委員會.SY/T 5345—2007 巖石中兩相相對滲透率測定方法[S].北京：石油工業(yè)出版社，2007.

SY/T 5345—2007 Test method for two phase relative permeabi-lity in rock[S].Beijing:Petroleum Industry Press,2007.

(編輯 黃 娟)

Pore throat structure and flow characteristics of sandstone reservoirs

Hu Yong1,2, Guo Changmin1,2, Xu Xuan1,2, Jiao Chunyan1,2,Yan Yongqiang3

(1.ResearchInstituteofPetroleumExploration&Development-Langfang,PetroChina,Langfang,Hebei065007,China;2.KeyLaboratoryofGasReservoirFormationandDevelopment,PetroChina,Langfang,Heibei065007,China;3.DaqingYushulinOilfieldDevelopmentCoLtd,Daqing,Heilongjiang230600,China)

Mercury injection testing, gas-water relative permeability testing and physical simulation experiments of gas reservoir depletion were carried out with cores from the Xujiahe Formation in the Sichuan Basin (permeability: 0.002-70.28 mD). The differences between tight sand gas reservoirs and high permeability gas reservoirs of the pore structure characteristics, force characteristics and gas-water relative permeability characteristics were analyzed. The approach was as follows: (1) The pore structure characteristics of sandstones with different permeability were described by three parameters: pore throat ratio, average throat radius and median throat radius, and the pore structure characteristic differences between tight sand gas reservoirs and high permeability gas reservoirs were comparatively analyzed. (2) The force situations of gas and water flowing in the sandstones with different permeability were quantitatively evaluated by threshold pressure and frictional drag, and the impacts of pore structure on the capacities of tight sand gas reservoirs and high permeability gas reservoirs were analyzed. (3) The relation diagram of gas relative permeability and water saturation were derived, and the impact of water saturation on the gas relative permeability of cores with different permeability was analyzed. The research results will provide a reference for gas reservoir microcosmic modeling and the study of gas and water percolation mechanism.

sandstone gas reservoir; permeability; pore structure; gas-water relative permeability; experimental study

1001-6112(2015)03-0390-04

10.11781/sysydz201503390

2014-03-18；

2015-03-24。

胡勇(1978—)，男，博士研究生，高級工程師，從事石油天然氣開發(fā)與實(shí)驗(yàn)研究工作。E-mail：huy69@petrochina.com.cn。

國家科技重大專項(xiàng)“致密砂巖氣有效開發(fā)評價(jià)技術(shù)”(2011ZX05013-002)資助。

TE122.2+3

A