低滲透致密氣藏水鎖空間特征及傷害程度研究

低滲透致密氣藏水鎖空間特征及傷害程度研究

水壓是影響氣藏生產(chǎn)的主要因素。尤其是對(duì)于低滲透致密砂巖的氣藏，水壓現(xiàn)象是影響其開發(fā)效果的突出問題。針對(duì)水鎖程度的大小及其影響因素,前人已經(jīng)進(jìn)行了很多宏觀方面的巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)及相關(guān)分析,張振華等認(rèn)為,界面張力、氣測滲透率和儲(chǔ)集層的水飽和度是影響水鎖損害程度的主要因素;李淑白等認(rèn)為,巖心滲透率、巖心孔隙度、孔隙半徑是影響水鎖損害程度的主要因素;鐘新榮等認(rèn)為,油水界面張力和儲(chǔ)集層的水飽和度是影響水鎖損害程度的主要因素。然而從微觀角度的研究涉及甚少,因此,筆者將通過恒速壓汞、核磁共振、氣水相滲、鑄體薄片、掃描電鏡、X衍射等多種實(shí)驗(yàn)分析手段,對(duì)微觀孔喉分布特征及開發(fā)過程中氣水的分布空間開展理論分析,對(duì)水鎖效應(yīng)及水鎖傷害程度進(jìn)行深入研究,從而為制定合理的解決方案解除低滲透致密氣藏水鎖效應(yīng),提高開發(fā)效果提供堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。1層序地層水的殘留形式致密砂巖氣藏的喉道被認(rèn)為是毛細(xì)管束型。由于受界面吸附、毛細(xì)管力的影響,地層巖石中或多或少殘留有地層水,殘留的地層水以束縛水和自由水的形式存在。束縛水又以水膜水和毛細(xì)管水的形式存在。巖石表面水膜的厚度與油氣藏的驅(qū)動(dòng)壓力、地層溫度、地層水礦化度和巖石的親水性有關(guān)。1.1儲(chǔ)層水膜厚度式(1)為室溫條件下、氣體環(huán)境中無離子水在強(qiáng)親水性礦物表面形成水膜的計(jì)算公式(視低滲透致密砂巖儲(chǔ)層為強(qiáng)親水條件),其計(jì)算值被視為氣藏儲(chǔ)層中水膜厚度的上限。式中:h為水膜厚度(μm);p為驅(qū)動(dòng)壓力(MPa)。將研究區(qū)原始地層壓力30.5MPa代入,計(jì)算出原始條件下儲(chǔ)層中水膜的厚度為0.002μm。因此,可以認(rèn)為原始地層條件下,孔喉半徑在0.002μm以下的儲(chǔ)集空間全被水膜形式的地層水占據(jù)。1.2束縛水空間的概念毛細(xì)管水主要受毛細(xì)管半徑和毛細(xì)管力的影響,式(2)為毛細(xì)管壓力的理論公式,通過該式可以計(jì)算地層條件下毛細(xì)管水存在的孔喉半徑的上限。式中:pc為毛細(xì)管壓力(MPa);r為毛細(xì)管半徑(μm);σ為氣水界面張力(N/m)。在氣藏原始地層壓力條件下,視儲(chǔ)層為極親水的極限條件,取地層條件下σ值為3.95×10-2N/m,并將其代入式(2),得到原始條件下毛細(xì)管水存在于孔喉半徑小于0.003μm的孔喉空間。結(jié)合水膜的厚度,可將孔喉半徑低于0.003μm的空間稱為原始條件下的束縛水空間。原始地層條件下,孔喉半徑在0.003μm以下的空間為束縛水占據(jù)的空間,而孔喉半徑在0.003μm以上的儲(chǔ)層連通空間則被天然氣占據(jù)。1.3水膜厚度對(duì)水鎖效應(yīng)的影響隨著氣藏開發(fā)時(shí)間的延長,地層的壓力將逐漸降低,此時(shí)對(duì)應(yīng)的水膜厚度和毛細(xì)管水存在空間也將發(fā)生變化。圖1為不同驅(qū)替壓差下毛細(xì)管水和水膜水的分布空間。開發(fā)過程中地層壓力由30MPa降至5MPa時(shí),水膜的厚度由0.002μm增至0.006μm,故水膜厚度引起的水鎖效應(yīng)在開發(fā)中可以忽略。生產(chǎn)壓差為2~15MPa時(shí),毛細(xì)管水存在的孔喉半徑的上限為0.003~0.04μm,此時(shí)水鎖現(xiàn)象將表現(xiàn)為地層水堵塞半徑為0.003~0.04μm的孔喉空間,稱其為水鎖空間。該空間造成的水鎖效應(yīng)是影響開發(fā)效果的最主要因素之一。2束縛水飽和度利用氣藏平均相對(duì)滲透率曲線可以研究一個(gè)地區(qū)的平均水鎖傷害程度。為此,對(duì)21塊相滲測試樣品進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化,做出了平均的標(biāo)準(zhǔn)化相對(duì)滲透率曲線,進(jìn)而繪制出整個(gè)氣藏平均相對(duì)滲透率曲線,以深入分析低滲透致密氣藏的水鎖傷害程度。計(jì)算過程如下:依據(jù)以下公式對(duì)每一塊巖心樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,并繪制標(biāo)準(zhǔn)化后的氣水相對(duì)滲透率曲線。式中:Sw為含水飽和度;Swi為束縛水飽和度;Sgr為殘余氣飽和度;Krg(Sw)、Krw(Sw)分別為氣相和水相相對(duì)滲透率;Krgmax、Krwmax分別是最大氣相和水相相對(duì)滲透率;Sw*為標(biāo)準(zhǔn)化含水飽和度;K*rg(Sw*)、K*rw(Sw*)分別為標(biāo)準(zhǔn)化氣相和水相相對(duì)滲透率。在標(biāo)準(zhǔn)化曲線上,將橫坐標(biāo)從0到1進(jìn)行20等分,求取各分點(diǎn)的Sw*、K*rg(Sw*)和K*rw(Sw*),從而做出平均的標(biāo)準(zhǔn)化相對(duì)滲透率曲線。對(duì)各樣品的Swi、Swmax、Krgmax、Srwmax等特征值分別進(jìn)行算術(shù)平均,并將平均值作為氣藏平均相對(duì)滲透率曲線特征值。將平均的標(biāo)準(zhǔn)化相對(duì)滲透率曲線上各分點(diǎn)的Sw*、K*rg(Sw*)和K*rw(Sw*)分別進(jìn)行如下?lián)Q算:根據(jù)上述公式,繪制整個(gè)氣藏的平均相對(duì)滲透率曲線(圖2),結(jié)果束縛水飽和度為46.67%;殘余氣飽和度為88.19%;殘余氣時(shí)水相相對(duì)滲透率為0.479;束縛水時(shí)氣相相對(duì)滲透率為0.425;利用式(9)計(jì)算出整個(gè)氣藏的水鎖傷害率為61.5%。表1為各樣品的水鎖傷害率。式中:Dk為束縛水飽和度時(shí)的水鎖傷害率(%);Kt為絕對(duì)滲透率(10-3μm2);Kg為氣體的有效滲透率(10-3μm2);Krg為束縛水飽和度時(shí)氣相的相對(duì)滲透率。3影響水鎖損傷程度的因素分析3.1圈閉滲透率造成傷氣藏初始含水飽和度與束縛水飽和度存在差異,差值越大,不利的相對(duì)滲透率效應(yīng)越明顯,水相圈閉滲透率造成傷害的可能性就越大。在相同驅(qū)替壓力梯度下,氣藏含水飽和度上升后,其氣體滲透率下降越大,水鎖傷害越嚴(yán)重。水鎖效應(yīng)所造成的傷害程度與含水飽和度之間呈非線性關(guān)系,主要表現(xiàn)為:隨含水飽和度的增大,水鎖效應(yīng)所造成的傷害程度上升并逐漸趨于平緩(圖3)。3.2水鎖傷害率降低研究區(qū)可動(dòng)流體飽和度與水鎖傷害率呈明顯的冪函數(shù)關(guān)系,是影響水鎖傷害程度的主要因素,隨著可動(dòng)流體飽和度的增大,水鎖傷害率逐步減小?？蓜?dòng)流體飽和度對(duì)研究區(qū)水鎖傷害程度的拐點(diǎn)為49.5%時(shí),隨著可動(dòng)流體飽和度的不斷增大,水鎖傷害程度逐漸減弱,且影響程度的遞減速率也同樣減小,當(dāng)可動(dòng)流體飽和度達(dá)到49.5%時(shí),其對(duì)水鎖傷害率的影響呈近似線性關(guān)系,隨著可動(dòng)流體飽和度的不斷增大,水鎖傷害程度依然逐漸減弱,但影響程度的遞減速率趨于穩(wěn)定(圖4)。3.3水鎖傷害率與喉道特征參數(shù)的相關(guān)性分析對(duì)相滲實(shí)驗(yàn)中的6塊巖樣(表2中的1~6號(hào)樣品分別對(duì)應(yīng)表1中的4,7,8,16,21,3號(hào)樣品)同時(shí)也做了恒速壓汞、高壓壓汞、鑄體薄片、掃描電鏡和X衍射等分析。其中6號(hào)樣品(對(duì)應(yīng)表1中的3號(hào)樣品)裂縫發(fā)育,因此,選擇另5塊裂縫不發(fā)育樣品進(jìn)行了水鎖傷害率與孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)性分析,結(jié)果見圖5和表2。分析表明,整體上,隨著孔隙度、滲透率值增大,水鎖傷害率有減小的趨勢。然而,此次樣品中,4號(hào)樣品(對(duì)應(yīng)表1中的16號(hào)樣品),其孔隙度為10.94%,滲透率為0.425×10-3μm2,儲(chǔ)層物性相對(duì)較好,水鎖傷害率相對(duì)較高,為71.1%,而5號(hào)樣品(對(duì)應(yīng)表1中21號(hào)樣品),孔隙度為9.31%,滲透率為0.231×10-3μm2,儲(chǔ)層物性相對(duì)較差,水鎖傷害率相對(duì)較低,為64.8%,因此水鎖傷害率除了與孔隙度、滲透率等物性參數(shù)有關(guān)外,還與其他參數(shù)具有一定的相關(guān)性。由圖5的分析表明,水鎖傷害率與孔隙特征參數(shù)的相關(guān)性明顯好于與喉道特征參數(shù)的相關(guān)性。水鎖傷害率與單位體積有效孔隙體積、孔隙進(jìn)汞飽和度、孔隙半徑加權(quán)平均值等孔隙特征參數(shù)的相關(guān)性較強(qiáng),相關(guān)系數(shù)分別為0.8556,0.7402,0.5122。水鎖傷害率與單位體積有效喉道體積、喉道進(jìn)汞飽和度、喉道半徑加權(quán)平均值等喉道特征參數(shù)的相關(guān)性較弱,相關(guān)系數(shù)分別為0.1377,0.0826,0.3331,說明喉道的發(fā)育程度對(duì)水鎖傷害程度的影響較小,水鎖傷害程度的強(qiáng)弱主要受孔隙特征參數(shù)的控制,其中喉道特征參數(shù)中的喉道半徑加權(quán)平均值對(duì)水鎖傷害程度的影響相對(duì)較強(qiáng),孔隙特征參數(shù)中單位體積有效孔隙體積對(duì)水鎖傷害程度的影響最大,是影響水鎖傷害程度的主要因素。水鎖傷害率與孔喉半徑比具有一定相關(guān)性,而與孔喉體積比相關(guān)性不大,說明孔喉配置關(guān)系對(duì)水鎖傷害程度的影響相對(duì)較小。3.4孔隙發(fā)育特征由圖6可知,水鎖傷害率與黏土礦物含量、填隙物含量有一定的正相關(guān)性,隨著黏土礦物含量和填隙物含量的增加,水鎖傷害程度也在增加。黏土礦物類型中高嶺石與伊利石相對(duì)含量較高,分別占到總量的53.07%和31.02%。掃描電鏡下,伊利石呈毛發(fā)狀、卷曲片狀在孔隙中形成網(wǎng)絡(luò)狀分布,使砂巖原來的粒間孔隙被肢解切割,變得迂回曲折,從而形成黏土礦物之間的微細(xì)孔隙,高嶺石發(fā)育極微小的晶間孔,兩者均使孔喉半徑減小,導(dǎo)致越來越多的微小孔喉達(dá)到水鎖空間孔喉半徑上限的范圍,從而增強(qiáng)了水鎖傷害程度。6號(hào)樣品(對(duì)應(yīng)表1中的3號(hào)樣品)孔隙特征參數(shù)與喉道特征參數(shù)相對(duì)較差,單位體積有效孔隙體積為0.006mL/cm3、孔隙進(jìn)汞飽和度為8.77%、孔隙半徑加權(quán)平均值為145.93μm,單位體積有效喉道體積為0.025mL/cm3、喉道進(jìn)汞飽和度為34%、喉道半徑加權(quán)平均值為0.517μm;黏土礦物及填隙物含量相對(duì)較多,wB分別為13.5%和4.03%,然而受微裂縫發(fā)育的影響,水鎖傷害率反而相對(duì)較小(42.1%)。這說明水鎖傷害程度受儲(chǔ)層物性、微觀孔隙結(jié)構(gòu)、填隙物含量、黏土礦物含量及微裂縫發(fā)育程度等因素的綜合影響。4水鎖傷害程度結(jié)果(1)研究區(qū)殘留的地層水以水膜水、毛細(xì)管水和自由水的形式存在。水膜厚度為0.002μm。水鎖空間為0.003~0.04μm的孔喉空間,水鎖傷害率平均為61.5%。(2)水鎖