縫洞型碳酸鹽巖儲層氣水兩相微觀滲流機理可視化實驗研究

王璐，楊勝來*，劉義成，王云鵬，孟展，韓偉，錢坤

1 中國石油大學(北京)油氣資源與工程國家重點實驗室，北京 102249

2 中國石油西南油氣田分公司勘探開發研究院，成都 610041

*通信作者, yangsl@cup.edu.cn

石油工程

縫洞型碳酸鹽巖儲層氣水兩相微觀滲流機理可視化實驗研究

王璐1，楊勝來1*，劉義成2，王云鵬1，孟展1，韓偉1，錢坤1

1 中國石油大學(北京)油氣資源與工程國家重點實驗室，北京 102249

2 中國石油西南油氣田分公司勘探開發研究院，成都 610041

*通信作者, yangsl@cup.edu.cn

四川盆地縫洞型碳酸鹽巖氣藏多屬于有水氣藏，氣水兩相滲流機理復雜。目前氣水兩相微觀滲流可視化模型多是基于理想孔隙結構或鑄體薄片圖像制作，無法還原儲層中真實孔、縫、洞分布，且機理研究多集中于孔隙型和裂縫型儲層，缺少對孔洞型和縫洞型儲層的認識。通過將巖心CT掃描與激光刻蝕技術結合，以四川盆地震旦系儲層中裂縫型、孔洞型和縫洞型碳酸鹽巖巖心CT掃描結果為模板，設計并研制了3類巖心的可視化模型，據此研究了氣水兩相微觀滲流機理及封閉氣、殘余水形成機理，通過ImageJ灰度分析法實現了氣水分布的定量表征。研究結果表明：3類模型水驅氣和氣驅水過程中的滲流規律各不相同；繞流、卡斷、盲端和角隅處形成的封閉氣普遍存在于3類模型中，此外還在“H型”孔道處、“啞鈴型”通道處和微裂縫縫網處形成特殊封閉氣；孔道、裂縫壁面上的束縛水膜，溶洞中部的圓潤水團，狹窄喉道處的卡斷水柱和狹長孔道處的滯留水柱是殘余水的主要形式；裂縫型模型水竄最嚴重，無水采收期最短，采出程度最低，而孔洞型模型水驅前緣推進均勻，無水采收期最長，采出程度也最高。該研究實現了對縫洞型碳酸鹽巖不同類型儲層氣水兩相微觀滲流規律的精準刻畫，為類似氣藏的高效開發提供了理論依據。

縫洞型碳酸鹽巖；氣水兩相滲流；可視化；封閉氣；殘余水；灰度分析

0 引言

縫洞型碳酸鹽巖氣藏是經過多期構造運動與古巖溶共同作用形成的一種特殊類型氣藏，其儲集介質由溶洞、溶孔和裂縫組成，具有構造復雜、儲層非均質性強、孔洞縫宏觀發育及氣水兩相滲流規律復雜等特征，是當前最復雜的特殊氣藏之一[1-4]。2013年四川盆地震旦系-寒武系特大型氣田被發現，其中發育著震旦系燈影組碳酸鹽巖縫洞型、寒武系龍王廟組白云巖孔隙型2套主要含氣儲集層，該類復雜氣藏開始引起廣大科研工作者的關注[5]。

長期以來，國內外氣藏的研究主要集中在開采工藝技術和數值模擬方面，對于氣水兩相微觀滲流機理研究較少。常規的氣水兩相滲流數學模型并不能真實反映巖石的孔隙結構分布，也不能反映巖石中的氣水兩相真實滲流特征。2002年周克明等[6]首次提出以巖心樣品的鑄體薄片所代表的孔隙結構為背景，借助激光刻蝕技術，研制了氣水兩相可視化物理模型，并通過該模型研究了水驅氣機理及封閉氣的形成方式，實現了氣水兩相滲流過程的可視化。隨后，可視化模型被廣泛應用到氣水兩相滲流機理的研究上[7-14]。但這些研究仍然存在許多問題：(1)可視化模型都是基于理想孔隙結構或鑄體薄片制作的，無法還原巖心樣品中的真實孔、縫、洞分布，得到的實驗結果與實際情況存在差異。(2)研究主要集中在孔隙型和裂縫型氣藏，而對于更為復雜的孔洞型和縫洞型氣藏尚未進行研究。(3)氣水兩相可視化圖像結果取自于水驅氣實驗完成后，缺少氣水兩相滲流過程中的可視化圖像與機理分析。(4)氣水兩相滲流實驗以模擬氣藏水侵過程的水驅氣為主，而對于氣驅水過程的研究與分析較少。

針對以上問題，筆者首次將巖心CT掃描技術與激光刻蝕技術相結合，以四川盆地震旦系儲層中的裂縫型、孔洞型和縫洞型碳酸鹽巖巖心CT掃描圖像為模板，設計并研制了3類巖心的激光刻蝕透明仿真模型，實現了對實際儲層中孔、縫、洞分布的精準刻畫。通過開展氣水兩相微觀滲流實驗，研究了3類模型的水驅氣、氣驅水微觀機理，封閉氣、殘余水形成機理以及采出方法，并利用ImageJ灰度分析法實現了對氣水兩相微觀分布的定量表征，形成了一套較為完善的縫洞型碳酸鹽巖儲層氣水兩相微觀滲流理論，為該類氣藏的高效開發提供了有效依據。

1 可視化實驗設計及方法

1.1 基于CT掃描的可視化模型設計

油氣儲層的微觀孔隙結構特征與分布規律決定了儲層中流體的微觀分布關系、滲流機理與滲流規律[15-16]。為了完全模擬實際儲層中孔、縫、洞的結構特征和分布規律，利用微米CT對震旦系儲層中具有代表性的裂縫型、孔洞型和縫洞型3塊巖心樣品進行掃描，并對6 000余張CT掃描圖像進行篩選和提取后，借助現代激光刻蝕技術，制作了儲層結構特征明顯的可視化微觀模型(見圖1)。在進行CT掃描圖像抽提時發現，大部分圖像的孔、縫、洞分布規律并不明顯，在單張圖像中往往只存在一種典型結構特征，并不能完全代表該類型儲層，而參照這些圖像制作的可視化模型結構會過于簡單，既無法得到氣水兩相滲流的全部流動特征，也無法對微觀滲流機理、封閉氣和殘余水的形成機理進行系統全面地分析。為此，通過對比最終選取了結構特征明顯，孔、縫、洞分布規律復雜的3類圖像，并以這3類圖像作為母版，在不破壞原始結構的基礎上增加了一些母版缺少的結構，以期通過這些母版制作的可視化模型能夠較為全面地代表儲層的各種典型結構，得到更加系統全面地機理分析與流動特征。其中，孔洞型模型與縫洞型模型在結構特征與研究目的上存在本質差別。在結構特征上，孔洞型模型以孔隙和溶洞這2類空間為主，孔隙作為滲流通道，設計尺寸較小，毛管力較大且分布廣泛；而縫洞型模型以裂縫和溶洞為主，裂縫作為滲流通道，設計尺寸較大，毛管力較小且分布離散。在研究目的上，孔洞型模型主要研究孔隙與溶洞之間的兩相流動規律，縫洞型模型的重點則在裂縫與溶洞之間。由于裂縫的導流能力和通道尺寸遠遠大于孔隙，所以在流動特征與封閉氣、殘余水形成機理上存在較大差異。

1.2 微觀可視化模型制作

設計模型尺寸為8.50 cm×8.50 cm，有效尺寸為6.00 cm×6.00 cm，孔隙直徑為0.099 mm～0.181 mm，裂縫直徑為0.325 mm～0.492 mm，溶洞直徑為1.161 mm～1.657 mm，孔、縫、洞尺寸比例均按照CT掃描結果設計。通過接觸角儀對模型材料與水之間的接觸角進行了測量，結果表明接觸角為36.4°，原始潤濕性為水濕。微觀可視化模型制作流程如下：①依據CT掃描微觀結構圖像，利用Auto CAD軟件繪制出可視化模型藍圖。②根據模型藍圖通過數控銑床加工出掩膜版。③利用紫外光通過掩膜版照射到附有一層光刻膠薄膜的基片表面，使曝光區域的光刻膠發生化學反應。④通過顯影技術溶解去除曝光區域或未曝光區域的光刻膠，使掩膜版上的圖形復制到光刻膠薄膜上。⑤利用刻蝕技術將圖形轉移到基片上。⑥在基片上覆蓋一層玻璃，放入高溫爐中燒結，制得模型。通過測試，可視化模型耐壓超過8 MPa，彌補了微觀實驗模型尺度小(4.00 cm×4.00 cm)和實驗壓力較低(小于0.2 MPa)的缺陷。

1.3 實驗方法

實驗采用99.99%的高純氮氣作為氣源模擬儲層中的天然氣，實驗用水是根據磨溪204井地層水分析資料配制的等礦化度標準鹽水，并用甲基藍染成藍色，這樣可以與圖像中的無色氮氣進行區分。實驗設備中微量泵的流量精度為0.001 mL/min，壓力精度為0.01 MPa，實驗驅替壓差為0.2 MPa～0.5 MPa，實驗溫度50 ℃，實驗壓力8 MPa。

圖1 不同類型巖心CT掃描結果與可視化物理模型Fig. 1 The CT scan results and visualized physical models of different types cores

1.4 實驗流程與步驟

縫洞型碳酸鹽巖儲層氣水兩相微觀滲流機理可視化實驗系統主要由可視化玻璃刻蝕模型，ISCO微量注入泵，回壓泵，中間容器，壓力傳感器，模型夾持器，氣體收集容器，光源，光學顯微鏡和數據、圖像收集裝置等組成(圖2)。實驗步驟如下：

(1)將可視化模型安放在模型夾持器上，按實驗流程連接好實驗設備并檢查管線是否完好。

(2)對模型抽真空40 min后，調整回壓至6 MPa，圍壓至8 MPa，將模型加熱至50 ℃。

(3)將模型飽和地層水，然后用高純氮氣驅替至可視化模型不出水為止，期間用顯微照相和錄像設備記錄氣驅水動態，并計量出水量和出水速度。

(4)對模型再次抽真空，將殘留的液體抽干凈，用配置的地層水驅替至可視化模型不出氣為止，期間用顯微照相和錄像設備記錄水驅氣動態，并計量出氣量和出氣速度。

(5)實驗完成后處理錄像和圖像，分析微觀驅替過程。

2 水驅氣實驗結果與分析

2.1 水驅氣微觀滲流機理

2.1.1 裂縫型模型水驅氣微觀滲流機理

在裂縫型模型中，裂縫是主要的滲流通道，與孔隙和溶洞相比具有更高的滲流能力。在水驅氣初期，氣水分布及流動方式主要為“水包氣”。由于模型具有親水性，進入模型中的水首先沿著裂縫壁面形成水膜，隨著水膜的逐漸增厚，裂縫中開始形成水流并以連續相的形式沿裂縫壁流動，而氣體以不連續的氣泡或氣柱在裂縫中間流動。最終，水柱將裂縫中的大部分氣體驅出，同時在裂縫褶皺和縮頸部位發生卡斷現象，滯留了部分氣體(圖3)。在水驅氣中期，水竄現象已經發生。隨著水的不斷注入，裂縫型模型中殘余氣柱或氣泡的能量不斷得到補充，當受到的動力大于阻力時，氣柱或氣泡會聚能突破前方的水柱繼續流動(圖4)。當水驅氣進入后期時，殘余的少量氣泡會由于能量不足無法克服賈敏效應而被束縛在微裂縫交叉部位，當后續氣泡流經該位置時會發生合并與能量傳遞，當能量聚集到一定程度后，大氣泡的前端部分會分離出來形成小泡先通過，其余的部分只能繼續滯留，等待聚集更多的能力后才能通過(圖5)。

圖2 氣水兩相微觀滲流可視化實驗流程Fig. 2 The visualization experiment process for gas-water two phase micro-seepage

圖3 裂縫型模型水驅氣初期“水包氣”形成過程Fig. 3 The formation process of “gas in water” in the early stage of water displacing gas

2.1.2 孔洞型模型水驅氣微觀滲流機理

對于孔洞型模型，既存在尺寸較小的孔隙，又存在尺寸較大的溶洞，其滲流能力主要受喉道的大小和分布控制。與裂縫型模型相比，毛管阻力相對較大，驅替壓差也相對較高。水驅氣過程中，由于模型親水，水首先在孔道壁上形成水膜，逐漸變厚形成水柱后與氣柱相互交替前進(圖6(a))。同時由于部分孔隙內前沿水膜在孔道交叉處匯聚形成水流，將中間段氣柱封鎖，形成封閉氣(圖6(b))。當水進入溶洞時，首先將水膜延伸至溶洞壁面四圍，隨著水流的不斷注入，逐漸充填溶洞空間，并沿氣體滲流通道兩側壓縮氣體，最終將滲流通道壓死(圖6(c))。此時溶洞與孔道連接出口處會由于縮頸形成封閉氣。最終，溶洞大部分空間被水占據，孔隙內形成各種類型的封閉氣(圖6(d))。

2.1.3 縫洞型模型水驅氣微觀滲流機理

對于縫洞型微觀模型，在水驅氣初期，水先沿裂縫壁形成水膜(圖7(a))，隨后再聚集形成水柱，同時氣體在裂縫中央形成氣體心子或氣體段塞并隨水柱流動(圖7(b))。由于裂縫的導流能力和通道尺寸遠遠大于孔洞模型中的孔道，所以水不僅以水膜的形式進入溶洞壁面，還會直接以水柱形式進入溶洞中部，并以近似活塞式的方式將溶洞內的氣體快速驅出(圖7(c))。當氣水界面到達出口處裂縫時，會先沿主流線上的高滲裂縫突破，隨后再進入與溶洞相連的微裂縫或低滲孔道(圖 7(d))。

圖4 裂縫型模型水驅氣中期氣柱聚能突破過程Fig. 4 The breakthrough process of gas column in the medium stage of water displacing gas

圖5 裂縫型模型水驅氣后期氣泡克服賈敏效應突破過程Fig. 5 The breakthrough process of overcoming Jamin effect in the later stage of water displacing gas

圖6 孔洞型模型水驅氣過程Fig. 6 The water displacing gas process for the hole type model

圖7 縫洞型模型水驅氣過程Fig. 7 The water displacing gas process for the fracture-cave type model

2.2 水驅氣封閉氣的形成機理

2.2.1 盲端、角隅處形成的封閉氣

無論是孔隙、溶洞還是裂縫，其盲端或角隅處總會形成一定數量的封閉氣[17](表1)。盡管模型具有親水性，但是由于沒有形成有效的滲流通道，很難將其中的氣體驅出，特別是當流動通道上的壓力高于孔、洞、縫內氣體壓力時。實驗結果表明，只有降低驅替壓差才能將該封閉氣部分采出。這是因為當壓差降低時，封閉氣發生膨脹后重新占據優勢滲流通道，在后續水動力的作用下被部分驅出，同時氣體的能量被逐漸消耗，壓力降低，當與流動通道的壓力達到平衡時，氣體又一次被封閉。因此，在氣藏開發時只有降低氣藏壓力或在產能衰減時才能將這部分封閉氣采出，同時應避免關井復壓操作,以免這部分封閉氣徹底被壓死。

2.2.2 繞流形成的封閉氣

繞流形成的封閉氣受毛管力和水動力共同作用的影響，并與驅替壓差密切相關。3類模型中都存在該種形式的封閉氣，但是機理并不相同(表1)。對于孔隙型和孔洞型模型，當驅替壓差較低時，毛管力為氣水流動的主要動力，此時封閉氣的形成主要來自繞流現象。當水進入多個孔徑不同的孔道后，在毛管力的作用下，水以較快的速度進入較小的孔道[18]，由于小孔道中水的滲流速度較快，氣體體積較小，水在模型出口處先于其他大孔道發生突破，隨后將大孔道中還未來得及驅出的氣體封閉起來形成封閉氣。當驅替壓差較大時，水動力起主要作用時，氣水兩相滲流機理與毛管力作主要動力時正好相反。由于大孔道滲流阻力較小，水在水動力的作用下優先進入大孔道，并且先于小孔道在模型出口處突破，隨后將小孔道中的氣體封閉起來，形成封閉氣。對于裂縫型和縫洞型模型，由于裂縫具有很高的滲流能力，毛管阻力很小，無論驅替壓差大小，注入水都會優先進入較大的裂縫并以較快的速度發生水竄，將部分孔隙和微裂縫中的氣體封閉起來，降低了主裂縫的補給能力和氣相滲透率，使實際氣藏的采氣速度和采出程度降低。

2.2.3 卡斷形成的封閉氣

實驗結果表明，卡斷形成的封閉氣以不連續氣泡或氣柱的形式分布在孔道或裂縫中央(表1)，造成該種形式封閉氣的原因是賈敏效應。賈敏效應又稱氣阻效應，由于地層孔隙結構復雜，滲流通道尺寸存在較大差異，當氣泡或者油滴通過細小孔隙喉道或裂縫褶皺變形部位時，由于通道的前后半徑差使得氣泡或油滴兩端的弧面毛管力表現為阻力，若要通過半徑較小的通道必須拉長并改變自身形狀，這種變形將消耗部分能量，從而減緩和限制氣泡或油滴的運動，增加額外的阻力，這種阻力實質是一種微毛管力效應。對于孔隙型和孔洞型模型，當氣水兩相流經狹窄喉道時，賈敏效應的存在會產生附加阻力；同時由于模型親水，水相在喉道處使水膜增厚，易產生水鎖現象，使喉道直徑進一步縮小，加劇了賈敏效應，增大了氣相流動阻力，連續流動的氣相必須收縮變形才能通過喉道。但是氣泡的收縮變形需要消耗自身能量，而原有能量只能使氣泡前端分離出來，形成小泡先行通過，其余部分只能滯留在喉道處，等待與后續氣泡碰撞聚能后，才能再次通過。而對于裂縫型和縫洞型模型，在比較粗糙的裂縫表面或者裂縫褶皺變形部位，同樣會因為賈敏效應使連續流動的氣體發生卡斷形成封閉氣柱或封閉氣泡。實驗結果表明，可以通過提高驅替壓差來增大水動力的方法采出卡斷封閉氣，也可以通過降低模型出口壓力的方法使卡斷封閉氣發生膨脹和聚集，利用自身的膨脹能力將其采出。

2.2.4 “H型”孔道形成的封閉氣

在孔隙型或孔洞型模型中還會形成“H型”孔道

封閉氣(表1)。該種類型封閉氣形成的主要機理有兩方面：一方面是由于水的毛管指進優先通過孔隙的兩條“邊路”向前突破，從而繞過了連接兩條“邊路”的“橋”；另一方面是由于當水突破后，水會進一步依靠模型的親水性進入“H型”孔道的“橋”，壓縮“橋”上的氣體形成封閉氣。此類封閉氣也可以通過兩種方法將其采出：一是通過降低氣藏壓力使“橋”上的氣體膨脹到“邊路”上，在水動力的作用下被帶出；二是通過增加驅替壓差來打破兩條“邊路”的壓力平衡，從而使“橋”上的氣體采出。“H型”孔道形成的封閉氣是繞流的一種特殊形式。

表1 水驅氣過程封閉氣形成方式分類Table 1 Classi fi cation of con fi ned gas in the process of water displacing gas

2.2.5 “啞鈴型”通道形成的封閉氣

在縫洞型模型中會形成一種獨特的“啞鈴型”通道封閉氣(表1)。該種類型封閉氣的形成主要是由于注入水進入溶洞時，會優先充填溶洞空間，同時將氣體沿出口端裂縫驅出，當僅有一條裂縫同時作為2個溶洞的出口通道時，兩部分氣體會同時向裂縫內壓縮形成封閉氣。由于裂縫兩端溶洞內的水體能量較大，很難通過改變驅替壓差的途徑將這部分封閉氣采出。

2.2.6 微裂縫縫網形成的封閉氣

對于裂縫型和縫洞型模型，會在微裂縫縫網中封閉一部分氣柱(表1)。這是由于大裂縫具有更高的導流能力和極低的毛管阻力，注入水會優先進入大裂縫并以較快的速度突破，這使得被大裂縫切割的微裂縫被水包圍，堵塞了氣流通道，使原本統一的壓力系統被分割成多個，在微裂縫處形成“氣死區”[19]。該部分封閉氣只能通過降低模型出口壓力，利用自身的膨脹能力進入主裂縫后被采出。6種類型封閉氣的形成機理與主要影響因素如表2所示。

2.3 水驅氣實驗氣水分布定量表征與開發建議

水驅氣實驗模擬的是有水氣藏在開發過程中水侵對氣井生產規律的影響，對實驗過程中不同模型的氣水分布進行定量表征對該類氣藏的有效開發具有指導意義。由于氣水兩相微觀滲流可視化實驗持續時間很短，期間很難對不同時刻的出氣量和出水量進行計量，也很難利用常規方法對不同時刻下模型內的氣水分布進行定量表征。為了解決這一問題，決定采用ImageJ灰度分析法，首先利用視頻處理軟件截取水驅氣視頻中不同時刻下的可視化圖像，并利用Photoshop軟件進行預處理，主要是對圖像的亮度進行均勻調整。在此基礎上利用ImageJ軟件的圖像識別功能對圖像的灰度值進行區分，通過調整閾值先識別出模型初始條件下的儲集空間和玻璃顆粒，再統計像素點求出儲集空間所占的總面積，進而計算出孔隙度。之后利用Photoshop軟件區分不同時刻下的氣水分布，分離出注入水，最后再利用ImageJ軟件計算含水飽和度和含氣飽和度。

通過ImageJ灰度分析法得到的裂縫型、孔洞型和縫洞型模型在不同時刻下的含氣飽和度如圖8所示。裂縫型模型由于存在裂縫這一高滲通道，水驅氣初期產氣速度很快，含氣飽和度快速下降，此時驅替的都是裂縫和大孔道中的氣體，同時水竄現象嚴重，無水采收期較短，無水采出程度較低，只有51.3%。模型見水后被裂縫和大孔道封鎖的低滲區域內氣體很難被采出，封閉氣大部分分布在盲端、角隅處以及微裂縫縫網內，最終采出程度只有63.5%。為了提高裂縫型儲層的采出程度，在進行氣井配產時需要嚴格控制生產壓差，不僅能減緩水侵速度，延長無水采收期，還可以提高波及效率。而在氣井見水后，可以采取逐級降低生產壓差的方式，使盲端、角隅和微裂縫縫網內的封閉氣發生膨脹后重新占據優勢滲流通道，在后續水動力的作用下被驅出；同時也要避免關井復壓操作，以免這部分封閉氣徹底被壓死。

表2 封閉氣主要影響因素及形成機理Table 2 In fl uencing factors and forming mechanisms of trapped gas

圖8 水驅氣實驗氣水飽和度分布曲線Fig. 8 The saturation distribution curves of water and gas in water displacing gas experiment

孔洞型模型由于滲流通道較小，滲流阻力較大，孤立的溶洞主要在局部影響水侵的流動規律，而整體水侵前緣推進和孔隙型儲層類似，近似均勻推進，因此溶洞的存在主要為氣藏提供了儲集空間，對整體水侵前緣的推進影響不大，這使得初期產氣速度相對較慢，無水采收期較長，無水采收程度較高，達到65%，模型見水后主要形成繞流、卡段形式的封閉氣，采出程度最終為68.4%。為了提高孔洞型儲層的采出程度，建議采用逐級加壓的方式進行開發，既可以在低壓差時利用毛管力采出小孔道中的氣體，又可以在高壓差時利用水動力采出因繞流封閉在大孔道中的氣體，還可以使卡斷形成的封閉氣泡聚能克服賈敏效應，使得采出程度進一步提高。

對于縫洞型模型，氣水飽和度變化規律與裂縫型模型相似，因此封閉氣類型與開發方式也與裂縫型模型相同。水體會沿著裂縫快速向前推進，通過溶洞時由于其較大的儲氣空間減緩了水侵的進度，這使得無水采出程度和最終采出程度較裂縫型高一些，無水采收期也稍長一些。

3 氣驅水實驗結果與分析

3.1 氣驅水微觀滲流機理

氣驅水實驗主要用來模擬氣藏的形成過程和地層水的流動過程，對于本文研究的3類微觀模型，由于表面張力和毛細管力的共同作用，在飽和水過程中水會優先占據大通道壁面和細小孔喉，最終完全充滿裂縫、溶洞、孔隙與喉道，但在盲端和角隅處只能部分飽和(圖9(a)、圖10(a)與圖11(a))。

3.1.1 裂縫型模型氣驅水微觀滲流機理

在氣驅水實驗中，氣體的性質決定了其能夠進入極小空間進行驅替。對于裂縫型模型，氣體很快便將裂縫中間部位的水驅出(圖9(b))，隨后將裂縫褶皺、角隅、盲道等位置的水驅出(圖9(c))。在氣驅水的后期，隨著氣體不斷注入，帶走裂縫壁面上的殘余水，使水膜逐漸變薄，并在裂縫交叉處匯聚成水珠被驅出，最后僅在裂縫壁上留下一層薄薄的水膜(圖9(d))，可以通過增大驅替壓差的方式使該部分殘余水膜進一步變薄。

3.1.2 孔洞型模型氣驅水微觀滲流機理

對于孔洞型模型，氣體進入后首先沿優勢通道快速推進，隨著注氣量的增多，氣體逐漸占據大部分孔道空間，并將其中大部分水驅出(圖10(b))。當氣體流經溶洞時，會先在溶洞水體外圍形成一圈細小的氣流通道，并隨著氣體的進入逐漸擴大通道，將邊部水驅出，最終在溶洞中央形成一個相對圓潤的水體團，當水體團被驅替到一定程度后，形狀不再發生變化，此時氣體無法再將水體團驅出(圖10(c))。氣驅水后期，注入的氣體將孔隙壁上的水膜聚集，當達到一定厚度時被驅替而出，最終在細長孔道處、狹窄喉道處和溶洞中部形成殘余水(圖10(d))。

3.1.3 縫洞型模型氣驅水微觀滲流機理

在縫洞型模型氣驅水開始后，氣體迅速將裂縫中部的水驅出，形成氣流通道(圖11(b))。當氣體流經溶洞時，會優先驅替溶洞外圍的水，形成氣體的滲流通道，并把中部的水體包圍起來(圖11(c))。隨著氣體的不斷注入，不斷剝蝕中部水體，并在出口裂縫處匯聚成水珠后被驅出，使溶洞內水體逐漸縮小至一定程度后不再發生變化，形成殘余水團，也有一部分溶洞由于被多條裂縫溝通，水被全部驅出，僅在孔洞壁上形成束縛水膜(圖11(d))。

3.2 氣驅水殘余水形成機理

3.2.1 孔道、裂縫壁面上的殘余水膜

對于裂縫型和縫洞型模型，裂縫是主要的滲流通道。氣驅水過程中，裂縫中的水首先被驅出，由于毛管阻力很小，殘余水主要以“薄水膜”形式賦存在連通性較差的裂縫壁面(圖12(a))，對氣相滲流影響較小。而對于孔洞型模型，孔道中的殘余水在高毛管力的作用下，以“厚水膜”形式賦存，殘余水飽和度較高，這會使得氣相滲流通道變窄并增大流動阻力，要將此種類型殘余水驅替出需要較大的驅替壓差和較長的驅替時間。

3.2.2 溶洞中部的殘余水團

溶洞中部的殘余水是孔洞型和縫洞型模型中殘余水的主要形式之一。這是因為當氣體流經溶洞時，會優先沿溶洞水體外圍突破，形成并逐漸拓寬滲流通道，剝蝕中部水體并在出口通道處匯聚成水珠后被驅出。當水體團被驅替到一定程度后，優勢滲流通道已經完全形成，此時形狀不再發生變化，滯留在溶洞中部形成殘余水(圖12(b))，該部分殘余水可以通過增大驅替壓差的方式將其驅出。

3.2.3 狹窄喉道處、狹長孔道處的殘余水柱

由于殘余水在喉道處受到的毛管阻力非常大，在氣驅水過程中容易發生卡斷，以“水柱”的形式滯留在整個喉道處(圖12(c))，堵塞滲流通道，這也是儲層發生水侵后氣相滲透率大幅下降的主要原因。在多條孔道同時存在的情況下，狹長孔道的毛管阻力比較寬、較短的孔道要大得多，需要耗費較多的能量才能將水驅出，所以在狹長孔道處也容易形成殘余水。3種類型殘余水的形成機理與影響因素如表3所示。

圖9 裂縫型模型氣驅水過程Fig. 9 The gas displacing water process for the fracture type model

圖10 孔洞型模型氣驅水過程Fig. 10 The gas displacing water process for the hole type model

圖11 縫洞型模型氣驅水過程Fig. 11 The gas displacing water process for the fracture-cave type model

圖12 氣驅水實驗殘余水形成模式Fig. 12 The formation mode of residual water in gas displacing water experiment

表3 殘余水主要影響因素及形成機理Table 3 In fl uencing factors and forming mechanisms of irreducible water

4 結論

(1)通過將巖心CT掃描技術與激光刻蝕技術相結合，以四川盆地震旦系儲層中的裂縫型、孔洞型和縫洞型3類碳酸鹽巖巖心CT掃描圖像為模板，設計并研制了3類巖心的激光刻蝕透明仿真模型，實現了對實際儲層中孔、縫、洞分布的精準刻畫。通過開展氣水兩相微觀滲流實驗，得到了3類模型水驅氣、氣驅水過程中的微觀可視化圖像，并通過進一步分析得到了縫洞型碳酸鹽巖儲層氣水兩相滲流過程中的機理與特征規律。

(2)通過水驅氣可視化實驗發現，繞流、卡斷、盲端和角隅處形成的封閉氣普遍存在于裂縫型、孔洞型和縫洞型3類模型中。“H型”孔道形成的封閉氣只存在于孔洞型模型中，“啞鈴型”通道形成的封閉氣只存在于縫洞型模型中，而微裂縫縫網形成的封閉氣存在于裂縫型和縫洞型2類模型中。上述形式的封閉氣通過改變驅替壓差或降低出口壓力的方法只能部分采出。

(3)通過氣驅水可視化實驗發現，孔道、裂縫壁面上的束縛水膜，溶洞中部的圓潤水團，狹窄喉道處的卡斷水柱和狹長孔道處的滯留水柱是3類模型殘余水的主要形式，這些形式的殘余水均可通過增大驅替壓差的方法部分采出。

(4)通過ImageJ灰度分析法對氣驅水實驗不同時刻下的氣水分布進行了定量表征。研究結果表明，裂縫型模型水竄最嚴重，無水采收期最短，無水采出程度和最終采出程度最低。縫洞型模型由于存在溶洞減緩了水侵的進度，使得采出程度稍高于裂縫型模型。孔洞型模型由于滲流阻力最大，水驅前緣推進均勻，無水采收期最長，無水采出程度和最終采出程度也最高。

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AbstractMost fracture-cavity carbonate reservoirs in the Sichuan Basin are water-bearing gas reservoirs and the gas-water two phase seepage mechanism is complex. However, the existing visual micromodels of gas-water two phase micro seepage are based on an ideal porous structure or casting sheet image, which cannot describe the distribution of pores, fractures and cavities in actual reservoirs. In addition, the research into mechanism is focused on the pore type and fracture type reservoirs, and there is a lack of the understanding of the cavity type and fracture-cavity type reservoirs. By combining the CT scanning technology and laser etching techniques, the CT scan images of fracture type, cavity type and fracture-cavity type carbonate cores in the Sinian system of the Sichuan Basin are used as the template to design and develop the three types of visual micromodels. Then the mechanism of gas-water two phase micro seepage and the formation mechanisms of trapped gas and irreducible water were studied. The quantitative characterization of gas-water distribution was also obtained by the gray scale analysis. The results show that the seepage mechanisms of three models are different in process of gas fl ooding and water fl ooding. The trapped gas caused by circum fl uence, cut off phenomenon and blind corners is prevalent in three types of models. In addition, the special trapped gas is also remains in “H” channels, “dumbbell-shaped” channels and micro-fracture channels. The irreducible water fi lms on the channel walls, the round water group in the middle of the cavities, the water columns into the narrow throats are the main forms of residual water. The fracture type model has the most serious water channeling phenomenon, the shortest water-free production period and the lowest recovery ef fi ciency, while the cavity type model has a uniform water drive front, the longest water-free production period and the highest recovery ef fi ciency. This study provides an accurate description of gas-water two phase micro-seepage mechanisms of different formations in fracture-cavity carbonate reservoirs. This provides a theoretical basis for the ef fi cient development of similar gas reservoirs.

Keywordsfracture-cavity carbonate reservoirs; gas-water two-phase fl ow; visual micromodels; trapped gas; irreducible water;gray intensity analysis

(編輯 馬桂霞)

Visual experimental investigation of gas-water two phase micro seepage mechanisms in fracture-cavity carbonate reservoirs

WANG Lu1, YANG Shenglai1, LIU Yicheng2, WANG Yunpeng1, MENG Zhan1, HAN Wei1, QIAN Kun1
1 State Key Laboratory of Petroleum Resource and Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China
2 Exploration and Development Research Institute of Southwest Oil & Gas Field Company, PetroChina, Chengdu 610041, China

2016-12-22

國家科技重大專項“深層碳酸鹽巖氣藏高效開發技術” (2016ZX05015-003)和國家重點基礎研究發展計劃(“973”計劃)(2015CB250900)聯合資助

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10.3969/j.issn.2096-1693.2017.03.034

doi:10.3969/j.issn.2096-1693.2017.03.034