高溫高壓致密氣藏巖石擴散系數測定及影響因素

王曉波,陳踐發,李 劍,王東良,

李志生2,3,柳廣弟1,謝增業2,3,孫明亮1

(1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室,北京102249;2.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發研究院廊坊分院,河北廊坊065007;3.中國石油天然氣集團公司天然氣成藏與開發重點實驗室,河北廊坊065007)

高溫高壓致密氣藏巖石擴散系數測定及影響因素

王曉波1,2,3,陳踐發1,李 劍2,3,王東良2,3,

李志生2,3,柳廣弟1,謝增業2,3,孫明亮1

(1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室,北京102249;2.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發研究院廊坊分院,河北廊坊065007;3.中國石油天然氣集團公司天然氣成藏與開發重點實驗室,河北廊坊065007)

根據氣體在濃度梯度下通過巖樣自由擴散的原理,利用建立的高溫高壓致密氣藏巖石擴散系數測定方法,對四川盆地須家河組、鄂爾多斯盆地上古生界致密氣藏巖石樣品開展試驗分析,并探討物性、溫度、注氣平衡壓力、圍壓、飽和介質等因素對致密氣藏巖石擴散系數的影響。研究表明:物性是致密氣藏巖石擴散能力的基礎,對其具有重要控制作用,二者呈正冪函數相關關系;溫度對致密氣藏巖石擴散系數具有促進作用,二者呈指數相關關系;孔隙流體壓力、上覆地層壓力對致密氣藏巖石擴散能力均具有抑制作用,呈負冪函數相關關系,且上覆地層壓力的影響與巖性密切相關(泥巖大于砂巖);飽和介質條件致密氣藏巖石干樣、濕樣擴散系數總體相差2～3個數量級。

高溫高壓;致密氣藏;擴散系數;影響因素;孔隙流體壓力;上覆地層壓力;飽和介質條件

擴散是指烴類氣體在濃度梯度作用下,從高濃度區通過各種介質向低濃度區自由遷移達到平衡的一種物理過程。擴散是油氣運移的重要機制之一[1-4],尤其對于天然氣的運移、聚集、成藏、保存和破壞起至關重要作用。前蘇聯學者Antonov[5]最早測定了輕烴(C1-C8)在不同巖性沉積巖中的擴散系數,Stklyanin等[6-7]進一步對擴散在初次運移中作用、輕烴擴散系數的試驗測定開展了深入研究。國內肖無然[8]首次測試了巖石甲烷的擴散系數;90年代以來,許多學者在擴散系數試驗、擴散研究方法、擴散散失量評價、封蓋保存條件評價、天然氣擴散的地質應用等方面開展了大量研究工作[9-15]。擴散系數是評價天然氣通過巖石擴散速度快慢的重要參數。目前,常規巖石擴散系數測定受試驗溫壓及地質時間等限制,不能真實反映實際地層條件下地質歷史時期巖石真正擴散能力。因此,筆者依據氣體在濃度梯度下通過巖樣自由擴散的原理,通過對現有儀器的改進,建立高溫高壓下致密氣藏巖石擴散系數測定方法,并對典型致密氣藏巖石樣品進行擴散系數測定,重點對物性、溫度、注氣平衡壓力、圍壓、飽和介質條件等對擴散系數的影響進行詳細分析。

1 致密氣藏巖石擴散系數測定

1.1 試驗裝置

對常規擴散系數測定裝置及條件(室溫、注氣平衡壓力0.2 MPa,圍壓3 MPa)進行改進,采用耐高溫高壓巖心夾持器以及溫控箱等組件進行替換及管線改造,以實現高溫(大于90℃)、高壓(注氣平衡壓力可超過3 MPa,圍壓可高于20 MPa)條件下致密氣藏巖石擴散系數測定。改進后的裝置主要由耐高溫高壓巖心夾持器、溫控箱、加壓泵、樣品、左擴散室、右擴散室、CH4氣源、N2氣源、色譜檢測儀和計算機控制系統組成(圖1),還包括精密電子稱、巖石飽和水裝置、真空泵、精密壓力表、檢漏水、記錄本等輔助部件和材料。

1.2 試驗樣品

本次研究挑選了四川盆地須家河組和鄂爾多斯盆地上古生界12塊致密氣藏巖石樣品(表1)?？紫抖取B透率測定依據石油天然氣行業標準《巖心分析方法》(SY/T 5336-2012),樣品氦孔隙度分布在0.2%～6.8%,樣品空氣滲透率分布在(0.001 4～0.671)×10-3μm2。擴散系數測定樣品規格為直徑2.5 cm、長度0.5～0.6 cm的小圓柱體。

圖1 高溫高壓條件下致密氣藏巖石擴散系數測定裝置組成示意圖Fig.1 Sketch map of diffusion coefficient measuring device of tight gas reservoir under high temperature and pressure condition

表1 四川盆地須家河、鄂爾多斯盆地上古生界致密氣藏巖石樣品基本參數Table 1 Physical parameters for tight gas reservoir rock samples of Xujiahe Formation in Sichuan and Upper Paleozoic in Ordos Basin

1.3 試驗方法、流程及結果

試驗具體方法及流程如下:①將巖心樣品放入烘箱,80℃條件下烘干;②干樣樣品放入空錐形瓶抽真空6 h以上,飽和水樣品單獨裝入含水錐形瓶抽真空使之充分飽和水直至無氣泡溢出;③將巖心樣品放入夾持器,通過加壓泵設定圍壓;④打開左右兩側擴散室進氣閥,通入CH4和N2氣源,對巖心夾持器兩端、擴散室兩端及管線接口處進行試漏,確保不存在滲漏;⑤設定溫控箱的試驗溫度;⑥測定干樣樣品,對巖心夾持器、兩擴散室及管線抽真空(飽和水樣品不需要);⑦兩擴散室分別設定相同壓力CH4和N2氣源;⑧利用氣相色譜間隔0.5～2 h測量并記錄干樣兩室甲烷和氮氣濃度(飽和水樣品間隔2～12 h);⑨每個樣品試驗大于12 h且完成6組以上記錄停止試驗;⑩按上述③～⑨的方法,完成剩余樣品分析及數據記錄;?根據菲克第二定律,計算巖石烴類擴散系數

式中,D為烴類氣體在巖石中擴散系數,cm2/s;t0為初始時刻;ti為i時刻;ΔCi為i時刻烴類氣體在擴散室中濃度差,%;ΔC0為初始時刻烴類氣體在擴散室中濃度差,%;A為巖樣的截面積,cm2;L為巖樣的長度,cm;V1和V2分別為左擴散室和右擴散室的容積,cm3。

按上述方法開展以下試驗:①圍壓10 MPa,注氣平衡壓力3 MPa,溫度分別30、50、70、90℃;②圍壓10 MPa,注氣平衡壓力0.2 MPa,溫度分別為30、50、70、90℃;③圍壓3 MPa,注氣壓力0.2 MPa,溫度分別為30、40、50、60℃等不同溫壓下多組試驗。試驗結果見圖2～7及表2。

圖2 注氣平衡壓力0.2 MPa,圍壓3 MPa,60℃下致密氣藏巖石干樣擴散系數與物性關系Fig.2 Relationship between diffusion coefficient with physical properties of dry tight gas reservoir rock samples under 60℃,0.2 MPa injecting balance pressure and 10 MPa surrounding pressure

圖3 圍壓10 MPa、注氣平衡壓力3 MPa下致密氣藏巖石干樣擴散系數與溫度之間關系Fig.3 Relationship between diffusion coefficient and different temperature of dry tight gas reservoir samples under 3 MPa injecting balance pressure and 10 MPa surrounding pressure

2 致密氣藏巖石擴散系數影響因素

2.1 物 性

天然氣在巖石中的擴散主要是在連通孔道中進行,受孔道數量、孔徑、彎曲程度、孔隙連通性等影響[5-7,11-12]。根據氣體在多孔介質中的擴散機制[16-17],可以用表示孔隙直徑d和分子運動平均自由程λ之比的諾森數Kn,將擴散分為Fick型擴散(Kn≥10)、Knudsen型擴散(Kn≤0.1)和過渡型擴散(0.1＜Kn＜10)?？傮w上,從Fick型擴散、過渡型擴散到Knudsen型擴散,巖石的擴散能力在不斷減弱。

從致密氣藏巖石擴散系數與物性關系可以發現(圖2):樣品擴散系數與物性呈較好的正冪函數相關關系。此外,巖石擴散系數總體與孔隙度具有更好的相關性。根據天然氣在多孔介質的擴散機制進行分析,當天然氣分子在致密氣藏巖石孔隙介質中擴散時,物性提高意味著分子擴散孔隙直徑d增大,在分子擴散的主體CH4及平均自由程λ保持相對不變的情況下,反映巖石擴散類型的諾森數Kn相對增大,分子擴散類型總體向較好方向發展,巖石擴散能力不斷增強;最終表現為隨著物性增大巖石擴散系數呈冪函數關系增加。

2.2 溫 度

從致密氣藏巖石干樣擴散系數與溫度關系可以看出:隨著溫度從30℃增加到50、70、90℃,二者呈較好的指數相關關系增加;在30～70℃,擴散系數增加幅度相對較小,總體提高約1～1.4倍;在70～90℃,擴散系數相對快速增大,總體提高約2.6～2.9倍(圖3)。從微觀機制上進行分析,分子擴散是分子熱運動的結果,溫度對氣體分子擴散的影響,主要改變了氣體分子的均方根速度和平均自由行程[18]。在分子擴散空間保持相對不變情況下,隨著溫度不斷升高,氣體分子活動性增強,分子運動速度加快,氣體分子均方根速度顯著增加,而平均自由行程緩慢增加,二者共同作用,使氣體分子擴散能力顯著增強,表現出巖石擴散系數與溫度呈指數關系增加的特征。此外,溫度的提高也有利于改變孔隙結構,使孔隙中微孔隙和微裂隙發生擴張,對于提高巖石擴散能力也起了一定作用。

2.3 注氣平衡壓力

常規擴散系數測定設定相同注氣平衡壓力一般較小(約為0.2 MPa),沒有考慮到氣藏中天然氣不僅受濃度梯度控制,同時還具有較高的孔隙流體壓力。為弄清其對樣品擴散能力的影響,本次設計了不同注氣平衡壓力(0.2、3 MPa)、相同圍壓(10 MPa)和溫度系列的兩組試驗(圖4)。研究表明:在圍壓和溫度相同情況下,隨著注氣平衡壓力從0.2 MPa提高到3 MPa,致密氣藏巖石擴散系數減小為原來的0.13～0.2倍(平均0.16倍),整體降低約1個數量級。進一步對2塊致密砂巖樣品開展不同注氣平衡壓力系列、相同溫度30℃和圍壓10 MPa下擴散系數測定試驗(圖5),隨著注氣平衡壓力增大,擴散系數呈冪函數關系遞減。從分子動力學和擴散機制角度進行分析:根據理想氣體狀態方程,保持溫度不變,增大注氣平衡壓力,相當于減小氣體分子擴散空間體積,分子擴散主體CH4且平均自由程保持相對不變情況下,分子擴散的諾森數Kn相對減小,表明擴散方式由較好的Fick擴散型擴散向較差的Knudsen型擴散轉化,巖石擴散能力總體不斷減弱,因此宏觀上表現為隨著注氣平衡壓力增大,巖石擴散系數呈冪函數關系遞減。

圖4 相同圍壓(10 MPa)和溫度系列、不同注氣平衡壓力(0.2、3 MPa)下干樣擴散系數對比Fig.4 Comparison on diffusion coefficient between 0.2 and 3 MPa gas injecting pressure of dry tight gas reservoir rock samples under the same surrounding pressure of 10 MPa and temperature series

圖5 圍壓10 MPa、溫度30℃、不同注氣平衡壓力與干樣擴散系數之間關系Fig.5 Relationship between gas different injecting pressure and diffusion coefficient of dry tight gas reservoir rock samples under the same surrounding pressure of 10 MPa and temperature of 30℃

2.4 圍 壓

圍壓主要用于模擬上覆地層壓力,常規設定值只要求保證樣品與加持器接觸之間不漏,而對圍壓與上覆地層壓力是否接近(或一致)及其對樣品擴散系數的影響未開展深入討論。本次設計了不同圍壓下(10和3 MPa)、相同注氣平衡壓力(0.2 MPa)和溫度(50℃)的兩組試驗,對比研究圍壓對致密氣藏巖石擴散系數的影響(圖6)。由圖6可知:在相同注氣平衡壓力及溫度下,致密氣藏巖石干樣擴散系數隨著圍壓增大整體呈減小趨勢,10 MPa圍壓下的擴散系數減小為3 MPa的3%～83%,平均為44%;其中,泥巖減小為3%～43%,平均為16%,整體降低約1個量級;砂巖減小為65%～83%,平均73%,整體降低約1/4;降低程度與樣品巖性密切相關。進一步設計了相同室溫和注氣平衡壓力、不同圍壓系列的多組試驗,研究發現(圖7):致密氣藏巖石擴散系數與圍壓呈負冪函數關系。從擴散微觀機制角度分析,在上覆地層壓力作用下,巖石骨架和孔隙結構受到壓縮發生變化;顆粒與顆粒接觸更加緊密,孔隙及喉道空間變小,部分喉道甚至閉合,分子擴散空間變小;在擴散分子平均自由程保持相對不變情況下,諾森數Kn相對減小,巖石擴散能力發生明顯下降;最終宏觀上表現為巖石擴散系數隨著上覆地層壓力增加呈負冪函數關系減小,并且泥巖的降幅較大,砂巖降幅較小。

圖6 0.2 MPa注氣平衡壓力、溫度50℃條件下圍壓與致密氣藏巖石干樣擴散系數之間關系Fig.6 Relationship between surrounding pressure and diffusion coefficient of dry tight gas reservoir rock samples under temperature of 50℃and gas injecting pressure of 0.2 MPa

圖7 0.2 MPa注氣平衡壓力、室溫條件下不同圍壓與致密氣藏巖石干樣擴散系數之間關系Fig.7 Relationship between surrounding pressure and diffusion coefficient of tight gas reservoir rock samples under room temperature and gas injecting pressure of 0.2 MPa

2.5 飽和介質條件

同一巖樣飽和不同介質擴散系數也不同,甲烷通過飽和空氣(即干樣)巖樣擴散系數最大,其次是飽和淡水,而飽和鹽水的最小[6-7,13]。前人研究認為人造石英粉砂巖巖心干樣與濕樣擴散系數比為4.64～7.27,平均約為6.06倍[13]。考慮到人造巖心可能無法反映真實巖心的實際情況,本次選取多個致密砂巖巖心樣品,孔隙度分布在0.9%～6.8%,滲透率為(0.004 3～0.177)×10-3μm2,實測室溫條件下巖石干樣和飽和水濕樣擴散系數(表2),得到干濕比為149～381,平均值為267。研究表明:實測致密氣藏巖石干、濕樣擴散系數大約相差2～3個數量級,遠大于通常所認為的一個數量級。

表2 注氣平衡壓力0.2 MPa、3 MPa圍壓、室溫條件下致密氣藏巖石干、濕樣擴散系數測定結果Table 2 Dry and wet sample diffusion coefficient comparison of tight gas reservoir under gas injecting pressure of 0.2 MPa,surrounding pressure of 3 MPa and room temperature

3 地層條件校正

由于泥巖樣品不易飽和水、天然氣擴散通過飽和水巖樣需要時間太長、長時間高溫易使飽和水蒸發等原因,導致飽和水巖樣擴散系數分析試驗周期長、效果差且不易獲取,因此實驗室通常測試巖石干樣擴散系數,但實際地層條件既含水又具有高溫、高壓,本次測得高溫高壓巖石干樣擴散系數與實際地層條件地質歷史時期巖樣古擴散系數存在著飽和介質、古地溫和地層壓力差異,必須進行飽和介質條件轉化和地質歷史時期古地溫和壓力恢復與校正(巖石物性差異主要由地面和實際地層條件下溫壓場變化引起,不用重復考慮)。

3.1 飽和介質條件轉化

利用本次試驗實測的多個致密氣藏巖石干濕樣品擴散系數平均值267,對實測巖石干樣擴散系數進行飽和介質條件轉化(表3)。

3.2 地質歷史時期古地溫恢復及校正

由于試驗溫度依據現今地溫梯度及地層溫度設定,與樣品實際地質歷史時期地層條件下古地溫梯度及古地溫仍存在一定差異,必須進行地質歷史時期古地溫恢復和校正。四川盆地川中地區須家河組現今地溫梯度大約為2.31℃/100 m,伍大茂等[19]推算川中隆起古地溫梯度約為3.38℃/100 m,現今地表溫度和古地表溫度相同大約為20℃。任戰利等[20]認為鄂爾多斯盆地古生代到中生代早期地溫梯度都較低,為2.2～3.0℃/100 m,與現今平均地溫梯度2.89℃/100 m相近。若古地溫梯度按3.0℃/100 m,古地表溫度也按15℃考慮,則巖樣古地溫To=15+3H/100。古地溫恢復和校正后的樣品擴散系數見表3。

3.3 地層條件下壓力校正

如果四川盆地須家河組、鄂爾多斯盆地上古生界氣藏儲層的上覆地層壓力分別按25、40 MPa計算,孔隙流體壓力均按10 MPa計算,分別利用建立的致密氣藏巖石樣品注氣平衡壓力、圍壓與擴散系數關系對孔隙流體壓力和圍壓的影響進行校正(表3)。

表3 致密氣藏巖石擴散系數地層條件校正后匯總數據Table 3 Revised diffusion coefficient of tight gas reservoir rock samples under geological condition

4 結 論

(1)物性是致密氣藏巖石擴散能力的基礎,對其具有重要控制作用,二者具有較好的正冪函數相關關系,且與孔隙度具有更好的相關性。

(2)溫度對致密氣藏巖石擴散能力具有積極促進作用,二者呈較好的指數相關關系遞增。

(3)孔隙流體壓力對致密氣藏巖石擴散能力具有明顯抑制作用,二者呈負冪函數關系遞減。

(4)上覆地層壓力對致密氣藏巖石擴散能力具有顯著抑制作用,二者呈負冪函數關系遞減;且降低程度與巖性密切相關,泥巖降幅大,砂巖降幅小。

(5)飽和介質條件對致密氣藏巖石擴散能力也具有重要影響,致密砂巖干樣、濕樣擴散系數大體相差2～3個數量級,遠大于通常所認為的一個量級。

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(編輯 徐會永)

Rock diffusion coefficient measuring and its effecting factors of tight gas reservoir under high temperature and high pressure

WANG Xiao-bo1,2,3,CHEN Jian-fa1,LI Jian2,3,WANG Dong-liang2,3, LI Zhi-sheng2,3,LIU Guang-di1,XIE Zeng-ye2,3,SUN Ming-liang1
(1.State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting,China University of Petroleum,Beijing 102249,China; 2.Langfang Branch of PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration&Development,Langfang 065007,China; 3.The Key Laboratory of Gas Reservoir Formation and Development,CNPC,Langfang 065007,China)

Based on the assumption that gas free diffusion is controlled by concentration gradient in rock samples,the typical tight gas resevoir rock samples from Xujiahe Formation in Sichuan Basin and upper Paleozoic in Ordos Basin were studied by establishing a method measuring the tight gas reservoir rock diffusion coefficients under high temperature and high pressure. Then,the influences of physical properties,temperature,gas injecting pressure,surrounding pressure and saturated media conditions on diffusion coefficient of tight gas reservoir rock samples were intensively discussed.The results show that rock physical properties are the governing factor and have the dominant controlling effects on rock diffusive abilities,and have a positive power function relationship with tight gas reservoir rock diffusion coefficients.Temperature has large positive promoting effects on rock diffusive abilities,and a positive exponential relationship with rock diffusion coefficients.Both porous fluid pressure and overlying rock pressure have suppressing effects and have negative power function relationships with tight gas reservoir rock diffusion coefficients,especially overlying rock pressure which has great relationship with lithology,e.g.mudstone is larger than sandstone.The difference of rock diffusion coefficients between saturated media and dry samples is generally about 2-3 orders of magnitude.

high temperature and high pressure;tight gas reservoir;diffusion coefficient;effecting factors;porous fluid pressure;overlying rock pressure;saturated media condition

TE 122

:A

1673-5005(2014)03-0025-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.03.004

2013-12-20

國家重大科技專項(2011ZX05007);國家“973”項目(2007CB209503);國家自然科學基金項目(41102086)

王曉波(1982-),男,工程師,博士研究生,主要從事天然氣地質、地球化學、成藏及稀有氣體實驗技術開發與應用研究。E-mail:Wangxb69@petrochina.com.cn。