深層高壓碳酸鹽巖氣藏孔隙結構特征及衰竭開發規律

陳建勛

(1.中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257015；2.中國石化勝利油田博士后科研工作站，山東 東營 257002)

0 引 言

四川盆地深層碳酸鹽巖氣藏儲量豐富，但儲層內孔隙、孔洞、裂縫并存，非均質性強，層間產能差異大，高效開發和長期穩產面臨技術難題[1]。近年來，中國很多學者針對該氣藏孔隙結構特征和衰竭開發規律開展了大量研究[2-20]，王蓓等[4]、高樹生等[5]對四川盆地龍王廟組碳酸鹽巖氣藏孔隙結構進行了刻畫和分類；胡勇等[8]認為氣藏氣相流動能力主要受地層水和孔喉半徑控制；王璐[9]、陳彥昭[10]通過巖心衰竭實驗發現碳酸鹽巖氣藏衰竭開發初期的供氣能力主要受儲層滲透率影響；孫麗婷[11]、梅青燕等[12]發現碳酸鹽巖氣藏的產氣速度、產氣量和階段采出程度受孔隙結構影響明顯。然而，深層高壓碳酸鹽巖氣藏衰竭開發規律以及孔隙結構對產能差異的作用機理方面鮮有報道。因此，以四川盆地深層高壓碳酸鹽巖氣藏為研究目標，通過二級CT掃描技術刻畫不同孔隙類型儲層的三維孔隙結構，開展地層條件下氣藏衰竭開發規律巖心實驗，定量表征孔隙和喉道的數量和體積等特征參數，總結孔隙結構和地層水對開發的影響規律，為優化氣藏開發方案提供依據。

1 實驗設計

1.1 CT掃描分析

(1) 實驗方案。CT掃描技術在重構三維孔隙結構、表征孔喉特征參數等方面具有優勢，測試結果準確度主要受分辨率影響。深層碳酸鹽巖氣藏儲層孔隙、孔洞和裂縫發育程度差異大，單一分辨率的CT掃描誤差較大[9]。因此，實驗采用低分辨率(7.65 μm)和高分辨率(0.58 μm)2種尺度的CT掃描重構巖心三維孔隙結構，基于“最大球”法提取建立孔隙網絡模型，對比分析孔隙和喉道的大小、數量和體積等參數。實驗儀器為MicroXCT-200型微米CT掃描儀。

(2) 巖心參數。根據地質資料、孔滲參數和巖心表面特征，將儲層和巖心的孔隙結構分為低孔低滲孔隙型、高孔低滲孔洞型、低孔高滲裂縫-孔隙型和高孔高滲裂縫-孔洞型4種。根據四川盆地深層高壓碳酸鹽巖氣藏儲層巖心的實際情況，再將孔洞型巖心分為孔洞型1巖心和孔洞型2巖心。其中，孔洞型2巖心表面無明顯孔洞和裂縫，但發育大孔隙，且孔隙度明顯高于孔隙型巖心，巖心的孔滲參數與孔洞型巖心較接近，初步判定為特殊的孔洞型結構。因此，選取四川盆地深層碳酸鹽巖氣藏孔隙型、孔洞型1、孔洞型2、裂縫-孔隙型和裂縫-孔洞型5組天然巖心進行測試分析，這5組巖心的孔隙度分別為2.33%、6.64%、5.46%、2.50%、6.22%，其滲透率分別為0.070、0.100、0.392、2.410、1.591 mD。

1.2 衰竭開發實驗

(1) 實驗方案。實驗模擬地層條件：溫度為120 ℃，孔隙壓力為75 MPa，圍壓為126 MPa；實驗設備溫度上限為180 ℃、壓力上限為200 MPa的高溫高壓多功能實驗平臺，通過改進的逐級降壓非穩態法進行巖心衰竭實驗；實驗流程與常規一維巖心衰竭實驗流程類似[10]。

(2) 實驗材料。實驗用水為蒸餾水，實驗用氣為純度99.99%的高純氮氣，巖心長度為4.5 cm，巖心直徑為2.5 cm，其他參數見表1(真實孔隙度是孔隙度減去束縛水后的氣相孔隙度)。此外，補充4組干巖心的衰竭實驗，干巖心P45、C45、FP46、FC46的孔隙度和滲透率分別與含水巖心P42、C43、FP43、FC43的孔滲參數相近，對比分析束縛水對氣相流動的影響。

(3) 實驗步驟。衰竭實驗的具體步驟為：①測定巖心孔隙度、滲透率，抽真空、高壓飽和水；②連接實驗流程，入口端注水，同步升高溫度、孔隙壓力和圍壓至地層條件；③以75 MPa恒定壓力改注氮氣，降低出口端壓力進行氣驅水，建立束縛水飽和度，無水產出后，升高出口端壓力至75 MPa；④關閉入口端注氣閥門，每5～10 min降低下游壓力(出口壓力)1 MPa，記錄各階段的上游壓力(入口壓力)、下游壓力和產氣量；⑤當下游壓力降至45 MPa時停止實驗；⑥考慮溫度、壓力、壓縮系數和死體積的影響，結合壓力、產氣量和儲氣量分別計算各階段采出程度。干巖心衰竭實驗參照上述步驟進行。

表1 實驗巖心參數Table 1 The test core parameters

2 孔隙結構特征分析

2.1 孔隙度分析

圖1～4為二級CT掃描分析結果。統計圖1～4相關數據得到二級CT掃描孔隙度及孔隙連通比例(表2)。由表2可知：孔隙型巖心在低分辨率下的CT孔隙度和連通孔隙比例較低，而高分辨率下對應數值明顯提高，表明低分辨率有效識別程度低。孔洞型1巖心在低分辨率下孔洞數量多、孔隙度略低、連通性差，而高分辨率下孔洞數量減少，CT孔隙度降低，小孔隙和喉道增加、孔隙連通性增強，表明高分辨率更適用于分析孔隙連通性。孔洞型2巖心的孔喉半徑相對均勻，分辨率對孔隙度和連通孔隙的影響小，整體的孔隙度和連通孔隙比例高。裂縫-孔隙型和裂縫-孔洞型巖心與孔洞型2巖心的連通孔隙比例接近，但裂縫-孔隙型和裂縫-孔洞型巖心內的裂縫特征明顯，裂縫呈片狀分布貫穿巖心兩端，2種巖心滲透率明顯高于孔洞型2巖心。整體上，滲透率與連通孔隙比例正相關，連通孔隙比例對滲透率的影響程度低于裂縫特征。2種分辨率的CT掃描結果對比反映了孔喉半徑的差異，對于孔喉半徑小、孔洞不發育的孔隙型和裂縫-孔隙型孔隙結構，高分辨率分析結果更為準確；對于孔洞發育、非均質性強的孔洞型和裂縫-孔洞型結構，高分辨率適用于分析孔隙連通性和小孔隙分布，低分辨率則更側重于分析孔洞和裂縫的分布特征。

圖1 三維孔隙結構(分辨率為7.65 μm)Fig.1 The 3D pore structure (resolution: 7.65 μm)

圖2 三維孔隙網絡球棍模型喉道分布(分辨率為7.65 μm)Fig.2 The throat distribution of ball and stick model of 3D pore network (resolution: 7.65 μm)

圖3 三維孔隙結構(分辨率為0.58 μm)Fig.3 The 3D pore structure (resolution: 0.58 μm)

圖4 三維連通孔隙網絡球棍模型(分辨率為0.58 μm)Fig.4 The ball and stick model of 3D connected pore network (resolution: 0.58 μm)

表2 二級CT掃描孔隙度對比Table 2 The porosity comparison by secondary CT scanning

2.2 孔喉數量與體積分布

圖5為低分辨率下5組巖心的孔喉數量與體積分布特征(高分辨率和低分辨率的孔喉數量和體積分布相似)。由圖5a、b可知，低分辨率下，5組巖心孔隙數量累積比達到90%所對應的孔隙體積累積比分別為58.83%、38.80%、41.22%、43.11%、35.07%。而高分辨率下，所對應的孔隙體積累積比分別為71.39%、49.34%、58.44%、68.83%、53.24%。由此可見，大孔隙、孔洞數量雖然少，但為深層碳酸鹽巖氣藏的主要儲集空間，裂縫和一般孔隙是次要的儲集空間。同時，孔隙型和裂縫-孔隙型巖心的孔隙半徑遠小于其他3組巖心，裂縫-孔洞型巖心的孔隙數量和體積分布介于兩孔洞型巖心之間，表明孔隙半徑與滲透率的相關性不明顯。由圖5c、d可知：孔洞型1巖心的喉道半徑最大，滲透率最低，說明孔洞發育的巖心滲透率與喉道半徑相關性弱；孔隙型巖心的喉道半徑相對較小，裂縫-孔隙型巖心的喉道半徑和體積明顯更大，在孔洞不發育的孔隙結構中滲透率與喉道半徑有一定的相關性。

2.3 三維孔隙分布特征

根據上述分析，結合圖1～4可知：孔隙型巖心的孔隙半徑小，分選性好，分布較分散，連通孔隙比例低，表現為低孔低滲特征；孔洞型1巖心的孔隙半徑差異大，孔隙連通性差，孔喉半徑小，局部與孔洞連接的孔喉半徑較大，受小孔隙和喉道的制約性強，表現為高孔低滲特征；孔洞型2巖心沒有明顯的孔洞和裂縫，孔隙數量多，連通性強，孔喉半徑相對均勻，部分孔隙半徑大，滲透率高于孔洞型1巖心；裂縫-孔隙型巖心以小孔隙為主，喉道半徑相對均勻，孔喉比低，裂縫呈片狀分布，滲透率較高；裂縫-孔洞型巖心的孔隙分布較分散，片狀裂縫連通性強，喉道的分布和半徑差異較大，滲透率較高。總結發現，巖心滲透率與裂縫和孔隙連通性密切相關，而孔洞發育的巖心孔隙度相對較高。

研究結果表明，裂縫特征、孔隙連通性、喉道半徑和孔隙半徑對滲透率的影響依次降低。深層碳酸鹽巖氣藏非均質性強主要有2個因素：一是孔隙發育差異大，孔隙、孔洞和裂縫共存；二是孔喉半徑、分布差異大，孔洞和裂縫分布不均勻。

圖5 孔喉數量與體積分布特征(分辨率為7.65 μm)Fig.5 The number and volume distribution of pore throats (resolution: 7.65 μm)

3 氣藏衰竭開發特征分析

3.1 瞬時衰竭特征

圖6為氣藏衰竭開發初始階段開發特征。由圖6可知：無水條件下，裂縫-孔隙型巖心(FP46)、裂縫-孔洞型巖心(FC46)開發初期上游壓力迅速下降并趨于穩定，開發300 s接近完全衰竭(上下游壓差小于0.05 MPa)，階段采出程度為0.93%左右；孔洞型巖心(C45)和孔隙型巖心(P45)開發初期上游壓力下降相對滯后，開發500 s后，上游壓力逐漸穩定但仍未完全衰竭(上下游壓差大于0.10MPa)，階段采出程度約為0.83%。束縛水條件下，受毛細管阻力影響氣相流動能力大幅下降，裂縫-孔隙型巖心(FP43)、裂縫-孔洞型巖心(FC43)在開發360 s后接近完全衰竭，階段采出程度略低于無水條件；孔隙型巖心(P42)和孔洞型巖心(C43)在衰竭開始80 s后上游壓力才開始下降，表現出明顯的“衰竭滯后”，階段采出程度僅為0.55%左右。因毛細管阻力產生的臨界啟動壓力而造成的難以開采的儲量為不可采儲量，孔喉半徑小、連通性弱的儲層臨界啟動壓力大、衰竭滯后明顯，不可采儲量相對更高。研究結果表明：碳酸鹽巖氣藏的衰竭開發速度整體表現為先快速遞減，后逐漸趨于平穩的規律；不同孔隙結構和含水飽和度氣藏的衰竭開發速度差異較大，裂縫儲層的衰竭開發速度更快、采出程度更高，且裂縫可有效降低束縛水對開發的影響。

圖6 衰竭開發初始階段開發特征Fig.6 The development characteristics in the initial stage of natural depletion

3.2 整體衰竭特征

3.2.1 衰竭速度

圖7為衰竭開發過程中的殘余壓差(上下游壓差)與下游壓力關系曲線。由圖7可知：殘余壓差與儲層滲透率呈負相關，衰竭速度與儲層滲透率呈正相關；衰竭開發初期，不含裂縫的巖心(P41、C41、C42、P44)內氣相流動啟動壓力大，殘余壓差增速較快，“衰竭滯后”較為明顯；對于裂縫發育、滲透率較高的巖心，殘余壓差增幅小，短時間接近完全衰竭。

圖7 衰竭過程中殘余壓差變化規律Fig.7 The variation pattern of residual pressure difference during depletion

3.2.2 階段產氣量

圖8為不同衰竭壓差下巖心孔隙度與產氣量關系曲線。由圖8可知，相同衰竭壓差下，產氣量與孔隙度呈正相關，高孔隙度巖心的階段產氣量相對更高，孔洞發育的儲層是優勢儲集空間。圖9為下游壓力與階段產氣量的關系曲線。由圖9可知：衰竭開發初始階段，滲透率高、孔隙度低的巖心(FP44、FC44)階段產氣量要高于孔隙度高、滲透率低的巖心(P41、C43)；衰竭開發中后期，孔隙度高的巖心階段產氣量逐漸超過孔隙度低的巖心。研究結果表明：裂縫-孔隙型儲層產氣速度快、穩產周期短、階段產氣量相對較低；高孔隙度儲層衰竭時間相對更長；孔洞型儲層產氣速度低，但具有較高的開發潛力。

圖8 巖心產氣量與孔隙度的關系Fig.8 The relationship between the gas production and porosity of the core

圖9 巖心產氣量與下游壓力的關系 Fig.9 The relationship between the gas production and downstream pressure of the core

3.2.3 階段采出程度

圖10為衰竭開發過程中階段采出程度與滲透率、下游壓力的關系曲線。由圖10可知：隨著巖心滲透率的增大，階段采出程度逐漸增加并趨于穩定，階段采出程度與滲透率呈近對數關系。隨著下游壓力的不斷降低，不同類型巖心的階段采出程度差值逐漸增大，含有裂縫巖心的階段采出程度大幅高于不含裂縫巖心；當下游壓力降至45 MPa時，巖心的平均階段采出程度分別為21.99%、22.61%、27.65%、28.57%，最大差值為6.58個百分點；當下游壓力降至15 MPa時，巖心的預測階段采出程度平均值分別為47.43%、48.21%、59.90%、62.14%，最大差值增至14.71個百分點。

圖10 衰竭開發過程中的階段采出程度特征Fig.10 The recovery characteristics in natural depletion

綜上所述，孔洞和裂縫的發育與分布不均勻以及含水飽和度差異是導致深層碳酸鹽巖氣藏產能差異大的關鍵原因；裂縫發育的儲層產氣速度快、階段采出程度高，低滲儲層衰竭滯后明顯，不可采儲量大；高孔隙度儲層產氣量高，穩產周期更長。

4 結論和建議

(1) 深層碳酸鹽巖氣藏儲層中，孔洞和裂縫的發育與分布不均是造成儲層非均質性強的主要原因；孔洞是該類型氣藏主要的儲集空間，裂縫和孔隙是次要的儲集空間；滲透率主要受裂縫特征和孔隙連通性的影響，其次是喉道半徑的影響；雖然局部孔喉半徑較大，但受整體孔隙連通性弱和孔喉半徑小的制約，部分孔洞發育的儲層表現出“高孔低滲”特征。

(2) 深層碳酸鹽巖氣藏產氣量主要受孔隙度控制，其次受滲透率影響。相同生產壓差下，氣藏階段采出程度與滲透率呈近對數關系；下游壓力不斷降低，不同類型巖心的階段采出程度差值逐漸增大，當下游壓力降至15 MPa時，孔隙型、孔洞型、裂縫-孔隙型和裂縫-孔洞型儲層的預測最終階段采出程度平均為47.43%、48.21%、59.90%、62.14%。

(3) 裂縫-孔洞型儲層的儲量、產氣量、階段采出程度均相對較高，是深層碳酸鹽巖氣藏的優勢儲層；孔洞型儲層的儲量高、產氣速度低，“高孔低產”特征明顯，是開發潛力較高的有利儲層；裂縫-孔隙型儲層的儲量低、產氣速度快，穩產周期較短，需合理控壓生產延長穩產周期；孔隙型儲層的儲量和產氣速度均比較低，需通過酸化壓裂等儲層改造提高開發效益。