鄂爾多斯盆地上古生界蘇里格氣田致密砂巖孔喉特征與滲流通道研究

鄂爾多斯盆地上古生界蘇里格氣田致密砂巖孔喉特征與滲流通道研究

0儲(chǔ)集層致密巖心層氣藏開發(fā)的必要性鄂爾多斯盆地上的蘇里格氣田是一個(gè)大型的致密氣田，經(jīng)過10多年的勘探和開發(fā)，在儲(chǔ)層的詳細(xì)評價(jià)、氣水流失機(jī)制等方面取得了深入研究和成果。但目前開采的主要是其中的“甜點(diǎn)區(qū)”,致密砂巖氣動(dòng)用較少,特別是針對Ⅱ、Ⅲ類儲(chǔ)集層,基質(zhì)巖心滲透率非常低,且儲(chǔ)集層普遍含水,氣體在致密基質(zhì)內(nèi)流動(dòng)性較差,儲(chǔ)量的可動(dòng)用性評價(jià)對于這類氣藏開發(fā)尤為重要。本文通過物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M氣藏衰竭開采,研究氣體在不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械臐B流特征。1孔喉結(jié)構(gòu)特征分析砂巖為典型的多孔介質(zhì),其中流體的滲流通道由不同類型孔、喉組成。本文對40塊基質(zhì)巖心(滲透率為0.002×10-3~100×10-3μm2(本文滲透率均為覆壓滲透率),其中致密砂巖巖心12塊,滲透率小于0.1×10-3μm2;常規(guī)砂巖巖心20塊,滲透率為0.1×10-3~1.0×10-3μm2;中、高滲砂巖巖心8塊,滲透率大于1.0×10-3μm2)進(jìn)行了毛管壓力曲線測試,研究其孔喉結(jié)構(gòu)特征,構(gòu)建巖石氣相滲透率與孔喉尺寸、數(shù)量的關(guān)系圖版(見圖1)。通過分析可知,不同類型砂巖其孔喉特征差異明顯(見表1)。致密砂巖:流體滲流通道以納米、微毛細(xì)管孔喉為主,占總孔喉的80%,對巖石的滲透率起控制作用,毛細(xì)管孔喉與超毛細(xì)管孔喉僅占總孔喉的20%左右。對于這類砂巖,孔喉非常細(xì)小,流體滲流時(shí)阻力較大,毛管壓力測試排驅(qū)壓力在1.0MPa以上。常規(guī)砂巖:流體滲流通道以微毛細(xì)管孔喉和毛細(xì)管孔喉為主,前者占總孔喉的45%,后者占30%,納米孔喉所占比例明顯減少(≤20%),毛細(xì)管孔喉比例的增加對提高巖石滲透率發(fā)揮了重要作用。該類砂巖中毛細(xì)管孔喉為流體滲流提供了通道,滲流阻力較小,毛管壓力測試排驅(qū)壓力在0.5~1.0MPa。中、高滲砂巖:流體滲流通道以毛細(xì)管孔喉和超毛細(xì)管孔喉為主,占總孔喉的70%,微毛細(xì)管孔喉占20%,納米孔喉比例很小(≤10%),毛細(xì)管孔喉、超毛細(xì)管孔喉連通性好,受納米孔喉、微毛細(xì)管孔喉的控制作用小,對滲透率的貢獻(xiàn)大。這類砂巖中毛細(xì)管、超毛細(xì)管孔喉為流體滲流提供了通道,滲流阻力非常小,毛管壓力測試排驅(qū)壓力小于0.5MPa。2孔喉賦存水的影響前期研究表明,蘇里格氣田儲(chǔ)集層滲透率低,非均質(zhì)性強(qiáng),巖石孔喉中普遍賦存水,這些因素對氣體的流動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生一定的影響。據(jù)此,設(shè)計(jì)了如下物理模擬實(shí)驗(yàn)。2.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)實(shí)驗(yàn)采用均質(zhì)巖心,巖心滲透率分別為0.320×10-3μm2、0.157×10-3μm2、0.102×10-3μm2、0.021×10-3μm2、0.0092×10-3μm2。實(shí)驗(yàn)參數(shù)及方案見表2。實(shí)驗(yàn)過程中檢測各測壓點(diǎn)壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律。2.2阻流帶發(fā)育的氣體氣藏儲(chǔ)集層普遍具非均質(zhì)性,氣層或砂體之間隔夾層(阻流帶)發(fā)育,本文采用物理模擬實(shí)驗(yàn)對這種儲(chǔ)集層特征下的氣體滲流特征進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)方案見表3。2.3氣體水分滲流能力實(shí)驗(yàn)氣藏儲(chǔ)集層孔隙中普遍含水,含水飽和度大小對氣相滲流能力影響非常大,本文采用物理模擬實(shí)驗(yàn)對氣體在不同含水模型中的滲流特征進(jìn)行了研究,實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表4。2.4飽和氣至壓力平衡①根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),選擇巖心模型(對于含水模型,建立含水飽和度);②將模型飽和氣至壓力平衡于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的孔隙壓力;③模型飽和氣后,關(guān)閉氣源,保持模型處于獨(dú)立的封閉系統(tǒng);④從模型一端釋放氣體,記錄氣流量、累計(jì)氣流量、各測壓點(diǎn)壓力與時(shí)間的變化關(guān)系;⑤當(dāng)出口氣流量非常小或者各測壓點(diǎn)壓力基本保持不變時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)束。3物理模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和分析3.1儲(chǔ)集層壓降分析采用不同滲透率砂巖巖心模型,開展衰竭開采物理模擬實(shí)驗(yàn)研究,觀察邊界壓力下降規(guī)律(見圖2a)及壓降漏斗(見圖2b)特征。用3種方法分別計(jì)算壓力梯度(見表5)。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得出以下認(rèn)識(shí)。①對于滲透率大于0.1×10-3μm2的常規(guī)砂巖,毛細(xì)管孔喉比例占30%,單相氣體在這類巖心中滲流時(shí)受到的阻力非常微小,從物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,如果實(shí)驗(yàn)時(shí)間足夠長,巖石孔隙剩余氣體壓力在衰竭開采末期非常低,因此單相氣體在滲透率大于0.1×10-3μm2的不含水儲(chǔ)集層中滲流時(shí)可以不考慮啟動(dòng)壓力。②對于滲透率小于0.1×10-3μm2的致密砂巖,80%的孔喉半徑小于0.1μm,流體在此類巖心中滲流時(shí)受到的阻力較大。從物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,對于滲透率為0.021×10-3μm2的巖心,衰竭開采1017min時(shí),測壓點(diǎn)壓力為1.14MPa,對于滲透率為0.0092×10-3μm2的巖心,衰竭開采1494min時(shí),測壓點(diǎn)壓力為3.73MPa,氣體滲透阻力較大。③壓降漏斗特征。由圖2b可見,即使對于均質(zhì)致密巖心,壓降漏斗也存在2個(gè)區(qū)域:近井區(qū)域壓降漏斗較大,遠(yuǎn)井區(qū)域壓降漏斗相對平緩。④壓力梯度計(jì)算(見表5)。采用3種方法計(jì)算壓力梯度:實(shí)驗(yàn)室常用的壓力梯度計(jì)算方法(流量-壓差法),即采用巖心邊界壓力除以巖心長度;近井區(qū)測壓點(diǎn)壓力與巖心長度關(guān)系擬合計(jì)算;遠(yuǎn)井區(qū)測壓點(diǎn)壓力與巖心長度關(guān)系擬合計(jì)算。由表5可見,第3種方法最能反映實(shí)際氣藏開發(fā)過程中儲(chǔ)集層壓力分布特征,該方法計(jì)算的壓力梯度對于確定氣井的井控范圍具科學(xué)性和適用性。3.2測壓點(diǎn)壓力擬合計(jì)算在“近井區(qū)+中間阻流帶+遠(yuǎn)井區(qū)”的非均質(zhì)組合模型上開展了2組(方案6、方案7)衰竭開采物理模擬實(shí)驗(yàn)(見圖3)。方案6實(shí)驗(yàn)初期配產(chǎn)為1000mL/min,穩(wěn)產(chǎn)162min,穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度為52.06%,實(shí)驗(yàn)開展1518min時(shí)結(jié)束,此時(shí)產(chǎn)氣量為18mL/min,遠(yuǎn)井區(qū)平均剩余壓力3.368MPa,采用各測壓點(diǎn)壓力擬合計(jì)算得出壓力梯度為0.1014MPa/m,遠(yuǎn)井區(qū)壓力降落非常緩慢;近井區(qū)剩余壓力低,平均為0.408MPa,該方案實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)采收率為92%;方案7實(shí)驗(yàn)初期配產(chǎn)為4000mL/min,穩(wěn)產(chǎn)31min,穩(wěn)產(chǎn)期末采出程度為38.05%,實(shí)驗(yàn)開展1017min時(shí)結(jié)束,此時(shí)產(chǎn)氣量為40mL/min,遠(yuǎn)井區(qū)平均剩余壓力1.437MPa,采用各測壓點(diǎn)壓力進(jìn)行擬合計(jì)算得出壓力梯度為0.1871MPa/m,遠(yuǎn)井區(qū)壓力降落非常緩慢;近井區(qū)剩余壓力低,平均為0.388MPa,該方案實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)采收率為98%。由圖3可見,在阻流帶以外的遠(yuǎn)井區(qū),各測壓點(diǎn)壓力非常接近,擬合計(jì)算的壓力梯度非常小,這也說明采用長巖心衰竭開采實(shí)驗(yàn)檢測各測壓點(diǎn)壓力進(jìn)行擬合計(jì)算得到的壓力梯度更能滿足氣藏工程應(yīng)用和氣藏開發(fā)實(shí)際需求;另一方面,由于各測壓點(diǎn)之間壓力非常接近,因此,對于低滲致密儲(chǔ)集層,該壓力可以近似地看成是遠(yuǎn)井區(qū)突破阻流帶向近井區(qū)供氣的啟動(dòng)壓力。在氣藏實(shí)際開發(fā)中,當(dāng)?shù)貙訅毫λソ咧猎搲毫r(shí),剩余氣儲(chǔ)量幾乎無法再動(dòng)用,因此,在預(yù)測氣藏儲(chǔ)量動(dòng)用程度時(shí),可以引入啟動(dòng)壓力概念。3.3不同水處理模型中氣體的滲透特征3.3.1儲(chǔ)集層滲透率及壓力巖心孔隙含水對氣相滲流影響非常大。不同滲透率含水模型中氣藏衰竭開采物理模擬實(shí)驗(yàn)的邊界壓力下降特征見圖4。對于滲透率為1.13×10-3μm2的模型,當(dāng)含水飽和度為65.6%時(shí),衰竭開采3914min,檢測不到氣流量,此時(shí)邊界壓力為0.04MPa;當(dāng)含水飽和度為74.8%時(shí),衰竭開采1654min,檢測不到氣流量,此時(shí)邊界壓力為0.22MPa。由此,當(dāng)巖心滲透率大于1.13×10-3μm2時(shí),即使含水飽和度較高,氣相在一定壓力下也能流動(dòng)。因此,對砂巖氣藏,滲透率大于1.13×10-3μm2時(shí),含水飽和度小于65%的儲(chǔ)集層都可作為有利儲(chǔ)集層。對于滲透率為0.32×10-3μm2的模型,當(dāng)含水飽和度為55.2%時(shí),衰竭開采4136min,檢測不到氣流量,此時(shí)邊界壓力為0.73MPa;當(dāng)含水飽和度為59.9%時(shí),衰竭開采5837min,檢測不到氣流量,邊界壓力1.03MPa。由此,當(dāng)巖心滲透率為0.32×10-3μm2左右時(shí),含水飽和度對氣相滲流會(huì)產(chǎn)生明顯影響,含水飽和度達(dá)到55%左右時(shí),氣體需要在較大的驅(qū)動(dòng)壓差下才能產(chǎn)生流動(dòng),即氣體滲流存在啟動(dòng)壓力,因此,對于該滲透率級(jí)別的砂巖氣層,有效開發(fā)的條件是含水飽和度不高于55%。對于中間阻流帶滲透率為0.021×10-3μm2的非均質(zhì)模型,當(dāng)阻流帶端面5cm(阻流帶長20cm)完全飽和水時(shí),實(shí)驗(yàn)初期配產(chǎn)4000mL/min,衰竭開采4371min,巖心出口端氣流量30mL/min,邊界剩余壓力3.24MPa;當(dāng)阻流帶端面10cm(阻流帶長20cm)完全飽和水時(shí),實(shí)驗(yàn)初期配產(chǎn)4000mL/min,衰竭開采3968min,巖心出口端氣流量45mL/min,邊界剩余壓力11.74MPa;在實(shí)驗(yàn)后期,阻流帶以外遠(yuǎn)井區(qū)壓力下降非常緩慢,各測壓點(diǎn)壓力非常接近(見圖5中巖心長度1m以外的測壓點(diǎn)壓力)。從這組實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,當(dāng)?shù)蜐B阻流帶含水后,對阻流帶以外的遠(yuǎn)井區(qū)氣層動(dòng)用能力會(huì)產(chǎn)生較大影響,當(dāng)阻流帶端面10cm完全飽和水時(shí),衰竭開采實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)遠(yuǎn)井區(qū)氣層壓力從20.6MPa只下降到11.74MPa,按物質(zhì)平衡計(jì)算,相當(dāng)于遠(yuǎn)井區(qū)還有57%的儲(chǔ)量未得到動(dòng)用。3.3.2點(diǎn)壓力測定結(jié)果在中間阻流帶滲透率為0.021×10-3μm2的非均質(zhì)模型上(方案12、13、14),檢測了衰竭開采物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)各測壓點(diǎn)壓力分布情況(見圖5)。對于近井區(qū)滲透率為0.157×10-3μm2的不含水氣層,實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)各測點(diǎn)壓力非常低。阻流帶以外遠(yuǎn)井區(qū)氣層滲透率為0.102×10-3μm2,阻流帶含水不同對遠(yuǎn)井區(qū)壓力影響較大,在方案13中,衰竭開采4371min,遠(yuǎn)井區(qū)平均壓力3.2MPa,各測壓點(diǎn)檢測到的壓力相差不大,擬合計(jì)算的壓力梯度為0.0736MPa/m;在方案14中,衰竭開采3968min,遠(yuǎn)井區(qū)平均壓力11.7MPa,各測壓點(diǎn)檢測到的壓力相差不大,擬合計(jì)算的壓力梯度為0.0329MPa/m。在該組實(shí)驗(yàn)中用于計(jì)算壓力梯度的巖心與表5中巖心相同,但計(jì)算出的值卻明顯低于“流量-壓差”法的計(jì)算結(jié)果,其原因主要在于該組實(shí)驗(yàn)中各測壓點(diǎn)均部署在巖心上,離實(shí)驗(yàn)出口較遠(yuǎn),不受末端效應(yīng)的影響,因此,從實(shí)驗(yàn)研究的角度,采用長巖心多測壓點(diǎn)實(shí)驗(yàn)對井控半徑的預(yù)測應(yīng)更為準(zhǔn)確。3.3.3阻流帶含水對采出程度的影響在中間阻流帶滲透率為0.021×10-3μm2的非均質(zhì)模型上,測試了衰竭開采過程中氣流量變化并計(jì)算了采出程度(見圖6)。衰竭開采物理模擬實(shí)驗(yàn)初期配產(chǎn)均為4000mL/min,阻流帶端面含水會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)產(chǎn)期縮短,方案14和方案12相比,穩(wěn)產(chǎn)期縮短了16.1%;穩(wěn)產(chǎn)期后,產(chǎn)氣量快速遞減,相同實(shí)驗(yàn)時(shí)間時(shí),阻流帶含水時(shí)的產(chǎn)氣量明顯低于不含水時(shí)的產(chǎn)氣量;生產(chǎn)后期,隨著壓差的逐漸增加,遠(yuǎn)井區(qū)的氣體會(huì)突破阻流帶內(nèi)水的封堵,產(chǎn)氣量會(huì)緩慢回升,當(dāng)遠(yuǎn)井區(qū)壓力下降到一定程度后,氣體無法突破水的封堵,因此,產(chǎn)氣量回升幅度有限。阻流帶含水不同對采出程度影響較大,不含水時(shí),采出程度上升速度快,最終采出程度可達(dá)98%左右;阻流帶端面5cm(阻流帶長20cm)完全飽和水時(shí),采出程度上升速度明顯變緩,最終采出程度為93%左右;阻流帶端面10cm(阻流帶長20cm)完全飽和水時(shí),最終采出程度為76%左右,遠(yuǎn)井區(qū)儲(chǔ)量動(dòng)用受到較大影響。4改性砂巖中的項(xiàng)目壓力不同滲透率級(jí)別的砂巖,其孔喉結(jié)構(gòu)特征差異明顯。對于致密砂巖,納米孔喉、微