高溫高壓低滲氣藏可動水飽和度及水氣比定量評價方法*

王雯娟 魯瑞彬 雷 霄 張喬良 胡 琳

(中海石油(中國)有限公司海南分公司 海南海口 570311)

近年來隨著中國油氣對外依存度的不斷攀升[1]，南海西部油田不斷加大勘探開發(fā)力度，在鶯瓊盆地發(fā)現(xiàn)大量(超)高溫高壓、低滲天然氣藏，氣藏最高溫度達220 ℃，最高壓力達100 MPa(壓力系數(shù)1.7～2.3)，滲透率0.3～33.7 mD，高溫高壓低滲氣藏是南海西部未來產(chǎn)能接替的主力[2-4]。南海西部高溫高壓低滲氣藏探井測試及生產(chǎn)井生產(chǎn)過程中產(chǎn)水現(xiàn)象普遍，嚴重影響開發(fā)效果[5-6]。該類氣藏初始含水飽和度高，可動水是該類氣藏氣井產(chǎn)水的主要來源之一[7-9]。高溫高壓低滲氣井可動水飽和度及其水氣比的定量計算，對指導該類氣藏合理開發(fā)具有重要意義[10-13]。

常用的可動水飽和度評價方法多是基于室內(nèi)驅(qū)替、離心和核磁共振等實驗數(shù)據(jù)，建立靶區(qū)經(jīng)驗公式(圖版)，進而評價靶區(qū)可動水飽和度，具有較強的靶區(qū)適用性，在南海西部油田使用受限，且如何利用可動水飽和度計算結(jié)果，評價氣井生產(chǎn)過程中由于可動水造成的生產(chǎn)水氣比變化，相關研究較少，在南海西部高溫高壓低滲氣藏難以應用借鑒[14-16]。

依據(jù)靶區(qū)核磁共振實驗結(jié)果，建立南海西部高溫高壓低滲氣藏不同壓力梯度下可動水飽和度預測模型，結(jié)合氣水相滲曲線及滲流理論，建立生產(chǎn)水氣比和可動水飽和度關系，實現(xiàn)可動水飽和度到生產(chǎn)水氣比的精細計算，進而指導高溫高壓低滲氣藏合理開發(fā)。

1 可動水飽和度評價實驗

依據(jù)GB/T29172—2012《巖心分析方法》、SY/T5345—2007《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法》，通過室內(nèi)驅(qū)替、離心和核磁共振實驗，分析可動水產(chǎn)出機理，研究可動水飽和度變化規(guī)律。

1.1 可動水產(chǎn)出機理

隨著氣藏壓力的降低，壓力降傳導到孔隙內(nèi)的氣體時會導致氣體膨脹，對孔隙表面水相進行擠壓并產(chǎn)生推動力，當推動力大于某一細孔喉處的毛細管力時，這部分毛細管處及其控制的孔隙內(nèi)的殘余水就會被推動，變?yōu)榭蓜铀?，隨氣體一起產(chǎn)出。另一方面，由于開發(fā)過程中的壓力梯度遠大于成藏過程，故成藏過程中的部分未被驅(qū)替出的殘余水可以在開發(fā)過程被驅(qū)替出來，成為可動水隨氣體一起產(chǎn)出[17-20]。

氣藏開發(fā)過程中可動水飽和度通常用以下公式計算：

Sw動=Swi儲-Swi

(1)

式(1)中：Sw動為可動水飽和度，%；Swi儲為儲層原始含水飽和度，%；Swi為束縛水飽和度(某一驅(qū)替壓力下巖心含水飽和度，通常通過驅(qū)替實驗、核磁共振實驗等確定。本文利用核磁共振實驗方法確定)，%。

1.2 可動水評價實驗原理

可動水實驗評價主要是測試不同驅(qū)替壓力下巖心含水飽和度的變化，進而計算不同驅(qū)替壓力下巖心的可動流體飽和度。一般利用核磁共振實驗結(jié)合氣驅(qū)水、離心實驗完成。

1) 不同驅(qū)替壓力巖心實驗。

不同驅(qū)替壓力巖心實驗主要是通過驅(qū)替實驗和離心實驗來實現(xiàn)，驅(qū)替實驗可以實現(xiàn)高驅(qū)替壓差，但在低壓差下計量誤差較大，而離心實驗在低壓差下精度較高，高壓差對設備要求高，實現(xiàn)難度大。本次通過離心和驅(qū)替實驗相結(jié)合的方式，模擬生產(chǎn)過程中的不同生產(chǎn)壓差。

2) 可動水飽和度實驗。

核磁共振實驗是利用原子核和磁場之間的相互作用原理，核磁共振技術(shù)已廣泛應用于油氣田儲層參數(shù)的研究，應用核磁共振技術(shù)結(jié)合離心技術(shù)、驅(qū)替技術(shù)可測量巖心可動水飽和度。測量不同離心力P(驅(qū)替壓力)后的巖心T2譜曲線(圖1)。

圖1 低滲透儲層巖樣的T2弛豫時間示意圖Fig.1 T2 relaxation time diagram of low permeability reservoir rock sample

圖1中從上到下依次為飽和水巖心T2譜圖、P1、P2、P3離心力(驅(qū)替壓力)后的T2譜圖，各壓力下對應的T2譜與橫軸包圍的面積代表巖心含水飽和度信息，兩次驅(qū)替壓力下的T2譜與橫軸圍成的面積差即代表該驅(qū)替壓力下巖心可動水飽和度信息，由此可計算出實驗巖心可動水飽和度[21-23]。

1.3 靶區(qū)實驗設計及實驗結(jié)果

依據(jù)南海西部高溫高壓低滲氣藏物性分布范圍，充分考慮離心、驅(qū)替實驗設備能力，設計26塊巖心不同壓差下驅(qū)替實驗(140 ℃、50 MPa)，巖心基礎數(shù)據(jù)見表1。依據(jù)物性可將其分為3組，第1組巖心滲透率小于1 mD，共5塊巖心，平均滲透率為0.21 mD；第2組巖心滲透率在1～10 mD，共有13塊巖心，平均滲透率為6.12 mD；第3組巖心滲透率大于10 mD，共有8塊巖心，平均滲透率為14.95 mD。

表1 實驗巖心基礎數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果Table 1 Basic data and experimental results of experimental core

離心實驗設計的離心機轉(zhuǎn)速依次為500、1 000、2 000、5 000 r/min，對應的驅(qū)替壓差依次為0.032、0.130、0.510、3.20 MPa，受限于離心機能力，在高壓差實驗時采取滲流驅(qū)替實驗，設計驅(qū)替壓差為5 MPa，因此本次實驗對應的壓差共計5組，巖心長度約為5 cm，計算得到本次驅(qū)替實驗對應的壓力梯度為0.64、2.60、10.20、64、100 MPa/m，驅(qū)替壓力梯度范圍較大，足以涵蓋實際氣藏生產(chǎn)壓力梯度，實驗設計較為合理。由于礦場尺度和巖心尺度差異較大，采用驅(qū)替壓力進行對比分析指導意義不強，為了使實驗結(jié)果更好地指導礦場應用，在結(jié)果分析等方面均采用驅(qū)替壓力梯度數(shù)據(jù)。

利用核磁共振實驗測試不同驅(qū)替壓力下巖心含水飽和度，結(jié)果見表1，從表中可以看出，隨著驅(qū)替壓力的增加，巖心含水飽和度逐漸降低。

2 可動水飽和度及水氣比精細計算

依據(jù)靶區(qū)核磁共振實驗結(jié)果，建立不同物性巖心可動水飽和度隨壓力梯度計算模型，結(jié)合氣水相滲曲線及滲流理論，建立生產(chǎn)水氣比和可動水飽和度關系，實現(xiàn)可動水飽和度到生產(chǎn)水氣比的精細計算。

2.1 可動水飽和度計算模型建立

依據(jù)核磁共振實驗結(jié)果，將3組不同物性巖心做平均化處理，得到實驗結(jié)果(圖2)。從圖2中可以看出，在同一物性下，隨著驅(qū)替壓力梯度(驅(qū)替壓力)的增加，條件束縛水飽和度(含水飽和度)逐漸降低；隨著巖心滲透率K增加，相同驅(qū)替壓力梯度下條件束縛水飽和度逐漸降低。

圖2 靶區(qū)巖心實驗結(jié)果Fig.2 Experimental results of target core

進一步分析可以看出，在某一物性下，條件束縛水飽和度與驅(qū)替壓力梯度呈現(xiàn)對數(shù)關系，可以用如下通式表示。

Swit=mlnPm+n

(2)

式(2)中：m、n為系數(shù)，無量綱；Pm為驅(qū)替壓力梯度，MPa/m。

對于靶區(qū)3組不同物性的巖心，其條件束縛水飽和度與驅(qū)替壓力梯度關系式見式(3)。

(3)

式(3)中：K為滲透率，mD。

利用式(1)和式(3)，考慮氣藏開發(fā)實踐，可得到南海西部高溫高壓低滲氣藏可動水飽和度計算公式，即

(4)

從式(4)可以看出，當在某一生產(chǎn)壓力梯度下，利用式(3)計算出來的條件束縛水飽和度大于儲層原始含水飽和度時，說明該生產(chǎn)壓力梯度下，儲層沒有可動水，即此時可動水飽和度為0；隨著生產(chǎn)壓力梯度的增大，當在某一生產(chǎn)壓力梯度下，利用式(3)計算出來的條件束縛水飽和度小于儲層原始含水飽和度時，此時儲層部分束縛水轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓜铀S氣體一起被采出，此時可動水飽和度為原始含水飽和度與計算得到的條件束縛水飽和度之差(可用式(4)計算)。

利用式(4)對南海西部高溫高壓低滲氣藏不同物性儲層可動水飽和度進行計算，得到可動水飽和度在25%以內(nèi)。

2.2 可動水水氣比計算方法

水氣比(WGR)定義為氣井每產(chǎn)出104m3天然氣所產(chǎn)出的水量，井底含水率定義為井底產(chǎn)出自由水量與井底總流量之比。通過氣井水氣比及井底含水率的定義，可得到如下水氣比與井底含水率關系式[24-25]。

(5)

式(5)中：Bw為地層條件下水的體積系數(shù)，m3/m3；WGR為氣井水氣比，m3/104m3；Bg為天然氣體積系數(shù)，m3/m3。

另外，根據(jù)相對滲透率曲線中的相對滲透率與含水率關系，可以得到含水率的另外一種表達式，如式(6)所示。

(6)

式(6)中：Krg為氣相相對滲透率，小數(shù)；Krw為水相相對滲透率，小數(shù)；μw為水相黏度，mPa·s；μg為氣相黏度，mPa·s。

聯(lián)立式(5)和式(6)，即可得到可動水水氣比計算公式為

(7)

利用式(4)即可得到南海西部高溫高壓低滲氣藏可動水飽和度，結(jié)合地層條件下水驅(qū)氣相滲曲線，即可得到式(7)中各參數(shù)值，進而計算可動水飽和度造成的氣井水氣比。

3 實例應用

南海西部F氣田位于鶯歌海盆地中央泥底辟構(gòu)造帶，主力氣組為黃流組一段Ⅱ氣組，地層溫度為140 ℃，地層壓力為54 MPa，壓力系數(shù)為1.9，滲透率在10 mD以下，是一個高溫高壓低滲氣藏。按照氣水相滲測試行業(yè)標準，開展地層條件下水驅(qū)氣相滲實驗，結(jié)果如圖3所示。

圖3 靶區(qū)相滲實驗結(jié)果Fig.3 Experimental results of target phase permeability curve

結(jié)合實驗結(jié)果，采用氣水相對滲透率與飽和度指數(shù)式經(jīng)驗公式(式(8)～(12))對相滲曲線進行標準化處理，獲取相滲曲線的水相系數(shù)和氣相系數(shù)(表2)。

(8)

(9)

其中

(10)

(11)

(12)

利用式(3)和式(4)計算結(jié)果，得到南海西部高溫高壓低滲氣藏可動水飽和度，代入下式即可得到該驅(qū)替壓力梯度下含水飽和度。

Sw=Swi+Sw動

(13)

利用式(13)得到任意驅(qū)替壓力梯度下的含水飽和度后，結(jié)合相滲曲線水相系數(shù)a和氣相系數(shù)b后，即可利用式(8)～(12)計算任意含水飽和度下的水相相對滲透率和氣相相對滲透率，利用式(7)即可得到此時水氣比。經(jīng)計算得到南海西部高溫高壓低滲氣藏開發(fā)過程中可動水飽和度在25%以內(nèi)變化，可動水造成的水氣比在2.3 m3/104m3以下(表2)。以F氣田探井4井DST測試數(shù)據(jù)為基礎對計算結(jié)果進行了驗證，該井在井底流壓14.238 MPa，生產(chǎn)壓差39.562 MPa時(外推壓力53.8 MPa)，測試日產(chǎn)氣為8.306 5×104m3，日產(chǎn)水為17.3 m3，水氣比為2.07 m3/104m3，與計算相比誤差僅為8.47%(計算水氣比為2.26 m3/104m3)，本文計算結(jié)果與生產(chǎn)實踐認識較為一致。

表2 南海西部高溫高壓低滲氣藏不同可動水飽和度下水氣比計算結(jié)果Table 2 Calculation results of water gas ratio caused by movable water in high temperature, high pressure and low permeability gas reservoirs in western South China Sea

高溫高壓低滲氣藏由于可動水造成的氣井水氣比的計算受可動水飽和度、氣水相滲實驗結(jié)果影響較大，具體靶區(qū)可參考該方法，結(jié)合靶區(qū)實際參數(shù)進行計算。

4 結(jié)論

1) 利用室內(nèi)驅(qū)替、離心和核磁共振實驗，明確了南海西部高溫高壓低滲氣藏可動水飽和度變化規(guī)律，并建立了可動水飽和度隨驅(qū)替壓力梯度變化計算公式；南海西部高溫高壓低滲氣藏開發(fā)過程中層內(nèi)可動水飽和度在25%以內(nèi)變化。

2) 基于可動水飽和度研究成果，結(jié)合水驅(qū)氣相滲實驗，建立可動水飽和度造成水氣比變化預測模擬，得到高溫高壓低滲氣藏在25%以內(nèi)的可動水造成的水氣比變化在2.3 m3/104m3以內(nèi)。

3) 建立的高溫高壓低滲氣藏可動水飽和度及水氣比計算模型，實現(xiàn)了可動水及水氣比的精細評價，評價結(jié)果與生產(chǎn)實踐認識較為一致，同時為氣藏開發(fā)過程中產(chǎn)能、廢棄壓力、采收率等的研究奠定了理論基礎，在南海西部高溫高壓低滲氣藏應用效果較好。