松南氣田火山巖氣藏單相滲流機理研究

洪 艷

中國石油化工股份有限公司東北油氣分公司松南采氣廠，吉林 長春 130062

0 引言

火山巖氣藏儲層特征極其復雜,具有復雜的儲滲空間,滲透性差異大，非均質性嚴重，氣水分布不均衡，孔隙結構復雜，組成巖石類型繁多，具有同于常規氣藏開發的困難性和挑戰性[1]。隨著油氣勘探開發技術的發展與進步，我國在二連、準格爾、松遼等盆地發現了火山巖儲層[3-8],作為非常規氣藏發現的可能性越來越大，而且近年作為油氣勘探新領域，引起了石油行業學者們的關注。但目前國內對于火山巖儲層的滲流機理和特征研究不多，如何描述火山巖氣藏滲流特征,從而建立其儲層的滲流數學模型,對儲層滲流的影響因素進行準確的分析,是火山巖氣藏儲層研究的難題[9-10]。本文通過氣藏滲流特征，建立滲流物理模型，通過單相氣體非線性滲流實驗，得出了不同滲透率的火山巖氣藏在不同孔隙壓力下的滑脫效應大小，為氣藏的工作制度選擇和產能評價提供了一定的參考。

1 火山巖氣藏儲層滲流特征

在火山噴發過程中一般具有多個噴發旋回，在一個旋回內部一次相對集中的噴發而形成的一套火山巖組合為一個噴發期次。由火山噴發旋回特征可知，火山巖氣藏一般呈層狀分布，具有多層的特征。松南氣田火山噴發旋回由3個噴發期次組成，第一、二期均為溢流相，第三期為爆發相，不同的期次具有不同的物性分布特征。

根據火山機構的形態規模，當井布在火山機構的不同部位時，具有不同的流動特征。當井布在火山機構中心部位，靠近火山口時,同時打開多層，在不考慮層間竄流的情況下，每層流體各自流入井筒。火山巖氣藏的各層滲透率、厚度等參數可認為僅在徑向上變化，均為距井半徑r的函數。儲層物性參數一般可認為沿井周向上具有對稱的性質，儲層厚度變薄，滲透性變差，如圖1，2。

當井布在遠離火山機構中心部位時，同時打開多層，在不考慮層間竄流的情況下，每層流體亦各自流入井筒。火山巖氣藏的各層滲透率、地層厚度等隨地層位置變化而變化，在徑向坐標系統下，隨徑向半徑和角度變化而變化，儲層物性參數一般可認為沿井周向上具有不對稱的性質，如圖3，4。

2 滲流物理模型建立

根據火山巖氣藏儲層儲集空間復雜多樣以及多層滲流的特點，基于目前的均質、等厚氣藏的滲流模型無法對其進行準確的描述。

2.1 物理模型描述

如圖所示（圖5），假設氣井布于火山機構的中心部位，在單層開采的情況下，每區的滲透率以及厚度沿井徑方向是變化的，在一個區內也是不斷變化的。

氣藏多層合采時，每層的滲透率以及厚度各不相同；每層之間分為多區，每區的滲透率以及厚度沿井徑方向是變化的，在一個區內也是不斷變化的；各層之間不存在竄流的影響，氣體各自流入井筒。

2.2 模型假設條件

基于前文論述，假設條件如下所示：

（1）不等厚、圓形地層，流體與孔隙介質間無相互作用；

（2）等溫流動，服從達西定律；

（3）不考慮巖石的壓縮性，忽略重力和毛管力的影響；

（4）多層，無層間流動，層厚度每不同，滲透率不同，具有相同的初始壓力；

（5）每層分為多區，各區厚度不同，滲透率不同；

（6）定產量生產。

圖 1 中心部位布井儲層厚度變化示意圖Fig.1 Schematic diagram of thickness variation of well spacing reservoir in central part

圖 2 中心部位布井儲層滲透率變化示意圖Fig.2 Schematic diagram of permeability variation of well spacing reservoir in central part

圖 3 遠離中心部位布井儲層厚度變化示意圖Fig.3 Schematic diagram of thickness variation of well spacing reservoir far away from central part

圖 4 遠離中心部位布井儲層滲透率變化示意圖Fig.4 Schematic diagram of permeability variation of well spacing reservoir far away from central part

圖 5 火山巖氣藏多層多區滲流模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of Multi zone percolation model for volcanic gas reservoir

2.3 滲流模型的建立

（1）氣體狀態方程：由于氣體的可壓縮性，表現為氣體體積和密度明顯受到壓力和溫度等因素的影響，氣體這一性質可由氣體狀態方程來描述。

實際氣體，最簡單狀態方程：

PV=nZRT

（2）運動方程：與液體的滲流相似，當氣體在滲流過程中處于層流狀態時，其流動規律仍可由達西定律來描述：

用數學公式描述為：

（4）微分方程：根據以上方程，可得火山巖氣藏單層、多層多區的微分方程如下所示：

①單層多區

在分層開采的情況下，假設地層中存在n個巖石性質不同的環形區域，每區的儲層厚度、滲透率等都是變化的，為距井距離r的函數，則單層多區氣體滲流的微分方程為：

（3）連續性方程：氣體滲流過程中的連續性方程也稱為質量守恒定律，即在地層中任取一微小的單元體，單元體內液體質量變化應等于同一時間間隔內液體流入質量與流出質量之差，即表示為：

液體質量變化量=流入的質量-流出的質量

圖 6 滲流單元體示意圖Fig.6 Schematic diagram of seepage element

②多層多區

在多層合采的情況下，假設地層中存在m層、n個巖石性質不同的環形區域，每層、每區的儲層厚度、滲透率等都是變化的，為距井距離r的函數，每層可以有不同的n值，則多層多區氣體滲流的微分方程為：

3 滲流實驗

3.1 試驗樣品選擇

本次試驗所用樣品均取自松南火山巖氣藏，共6塊（均為火山巖），孔隙度范圍為2.45%~17.41%，空氣滲透率范圍是（0.001~0.922）×10-3μm2。測試樣品基礎物性參數見表1。

3.2 試驗流程和方法設計

試驗流程圖如圖7所示，試驗溫度約為20°，設置不同圍壓，實驗氣體為N2，實驗用水為模擬地層水，模擬地層水的礦化度為10 000mg/L。

表 1 實驗巖心基礎數據Table 1 Basic data of experimental core

圖 7 巖心氣測滲透率流程Fig.7 Core gas test permeability process

實驗步驟如下:

（1）按流程安裝設備，并檢查儀器工作狀況，并記錄壓力傳感器和熱式流量計的零點；

（2）將巖心放入巖心夾持器中，用手搖泵為巖心夾持器提供一個穩定的環壓20 MPa；

（3）打開氣源；

（4）調節調壓閥，用較低壓力驅替巖心，保持一定的時間，直到壓力和流量不再變化，記下流量和壓力，當流量大于0.3 mL/min時用與電腦連接的熱式流量計計量流量，當流量小于0.3 mL/min時用滿刻度為0.5 mL的皂沫流量計進行精確計量；

（5）增大巖心進口壓力(如果是含水巖心則減小進口壓力)，重復步驟(5)；

（6）關氣源，卸環壓，取出巖心(如果是含水巖心的滑脫效應，則要對巖心進行稱重)；

（7）改變巖心和實驗條件，重復步驟(2)~(6)；（8）整理實驗數據，得出結論。

3.3 實驗結果分析

（1）不同圍壓下滲透率的變化規律，實驗所得數據如表1所示。

由實驗結果(表1，圖8～13)可看出：巖石滲透率隨著圍壓的增大，滲透率下降，尤其是加大圍壓的初始階段滲透率呈非線性下降趨勢。曲線擬合結果表明，巖石滲透率與水平應力呈冪函數關系。在圍壓小于8 MPa時，隨著圍壓的增加急劇下降；在圍壓大于8 MPa時，滲透率下降變化較為平緩。表明隨水平應力的增加，巖心滲透率降低，大于一定的臨界應力后，變化趨勢趨于平緩并下降幅度極小。

表 2 6組巖心不同圍壓下的滲透率Table 2 Six groups core permeability under different confi ning pressures

圖 8 巖心5-1滲透率隨圍壓變化曲線Fig.8 Changing curve of core 5-1 permeability with confi ning pressure

圖 9 巖心5-2滲透率隨圍壓變化曲線Fig.9 Changing curve of core 5-2 permeability with confi ning pressure

圖 10 巖心6-1滲透率隨圍壓變化曲線Fig.10 Changing curve of core 6-1 permeability with confi ning pressure

圖 11 巖心6-2滲透率隨圍壓變化曲線Fig.11 Changing curve of core 6-2 permeability with confi ning pressure

圖 12 巖心301-1滲透率隨圍壓變化曲線Fig.12 Changing curve of core 301-1 permeability with confi ning pressure

不同孔隙壓力下滲透率的變化規律:表2、3、4為六組巖心在不同空隙壓力下巖心滲透率。平均孔隙壓力p為巖心入口壓力p1與巖心出口壓力p0的平均值。

圖 13 巖心301-2滲透率隨圍壓變化曲線Fig.13 Changing curve of core 301-2 permeability with confi ning pressure

繪制了巖心滲透率隨壓差變化曲線圖14、巖心滲透率隨壓差倒數變化曲線圖15。

由圖14、15可知，6塊巖心的滲流曲線在滲透率低的情況下都是下凹曲線型，隨著孔隙壓力的增加，出現直線型，而且對于相同的巖心采用不用的平均孔隙壓力測量時候，所得的滲透率不同，這主要受氣體的滑脫效應的影響。氣測滲透率時，由于氣-固間的分子作用力遠比液-固間的分子作用力小，在管壁處的氣體分子仍處于運動狀態；另一方面，相鄰層的氣體分子由于動量交換，連同管壁處的氣體分子一起沿管壁方向做定向流動，管壁處流速不為零，形成了“氣體滑脫效應”。由于氣體滑脫效應的影響，氣測滲透率所測出的巖石滲透率更能真實反應巖石的滲透性。

表5 巖心301-1/301-2滲透率測試結果Table 5 Permeability test results of core 301-1/core301-2

表3 巖心5-1、5-2滲透率測試結果Table 3 Permeability test results of core 5-1, core5-2

表4 巖心6-1、6-2滲透率測試結果Table 4 Permeability test results of core 6-1, core6-2

圖 14 巖心滲透率隨壓差變化曲線圖Fig. 14 Curves chart of variation of core permeability with pressure difference

圖 16 巖心滲透率隨平均孔隙壓力變化曲線圖Fig. 16 Curves chart of variation of core permeability with average pore pressure

由圖15可知，滲透率隨著平均孔隙壓力的增加而增加。平均孔隙壓力是巖石孔隙中的氣體分子對單位管壁面積上的碰撞力，它取決于氣體分子本身的動量和氣體密度。平均孔隙壓力越小，氣體分子間的相互碰撞就越少。這就使得氣體更易流動，氣體滑脫現象就越明顯。隨著平均孔隙壓力的增加，氣體滑脫效應逐漸消失，滲透率越來越小；如果壓力增至無窮大，氣體性質已經接近液體性質，此時的滲透率就接近液測滲透率。

由此圖16可知，滲透率越低，滑脫效應越強，火山巖的滲流曲線分為三個區域：紊流區、過渡區和滑脫區。在較低孔隙壓力下，氣體滲流主要受滑脫效應影響，氣測滲透率隨平均孔隙壓力倒數的增加而呈直線關系增加，稱其為滑脫區；在較高的驅替壓差下，氣體滲流曲線也基本上是一條直線，這時氣體在巖心中所有滲流通道內的流動都已發展成為紊流，滑脫效應對滲流的影響不再重要，稱其為紊流區；巖心中滲流通道內的流動都已發展成為紊流的情況很少見，但這樣的就是火山巖氣體單相滲流時的滲流形態。

4 結論

（1）火山巖是裂縫型儲層，基質的滲透率較低，裂縫起了主要的導流能力，具體表現為巖心分析的滲透率往往很低，而試井解釋的有效滲透率較高，常常高出巖心分析滲透率的數倍至數十倍，反映裂縫承擔了主要的滲流作用，儲層的非均質性嚴重。

（2）單相氣體非線性滲流實驗表征了不同滲透率的火山巖氣藏在不同孔隙壓力下的滑脫效應大小，為氣藏的工作制度選擇和產能評價提供了一定的參考。

（3）巖石滲透率隨著圍壓的增大，滲透率下降，在圍壓小于8 MPa時，隨著圍壓的增加急劇下降；在圍壓大于8 MPa時，滲透率下降變化較為平緩。

（4）滲透率越低，滑脫效應越強；在較低孔隙壓力下，氣體滲流主要受滑脫效應影響大。在較高的孔隙壓力下，氣體的流動成為紊流，滑脫效應減弱。

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