海相砂巖水驅(qū)氣藏氣水微觀滲流特征研究

白美麗，秦 峰，洪舒娜，楊 鵬，陳斯宇

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518064）

水驅(qū)氣藏在南海東部氣田占很重比例，因此，如何高效開發(fā)此類氣田對南海東部氣田增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有重要意義。本文以番禺氣田為例，開展水驅(qū)氣藏氣水兩相微觀滲流機理研究，了解氣藏生產(chǎn)過程中氣水的滲流特征，同時定量得到束縛水飽和度及殘余氣飽和度等，為水驅(qū)氣藏的采收率標定提供依據(jù)。通過微觀可視化實驗可直接觀察到流體在孔喉介質(zhì)中發(fā)生的復雜運移過程，還可為定量分析實驗現(xiàn)象提供更為準確的數(shù)據(jù)資料，從中發(fā)現(xiàn)有利于提高氣藏驅(qū)替效率的因素和條件，為類似氣藏的高效開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

番禺氣田位于珠江口盆地番禺低隆起，構(gòu)造位于白云凹陷北坡第二排反向斷裂帶之上，受四條北傾反向大斷層控制，主體構(gòu)造為翹傾半背斜。根據(jù)鉆探成果，研究區(qū)主要含油氣層系為韓江組和珠江組下段，可進一步細分為多個小層。根據(jù)巖心觀察結(jié)合前人研究可知，研究區(qū)沉積類型為辮狀河三角洲前緣，沉積微相以水下分流河道沉積及河口壩沉積為主，夾天然堤沉積及支流間灣沉積。根據(jù)氣田薄片分析結(jié)果，儲集層巖石成分以石英砂巖為主，其次為長石及巖屑，含少量云母。儲層中黏土基質(zhì)含量占1.0%～33.0%，膠結(jié)物含量占1.0%～27.3%，膠結(jié)物以方解石、白云石膠結(jié)為主，主要膠結(jié)類型為孔隙式[1]，儲集空間以原生粒間孔及粒間溶孔為主。其中韓江組砂巖粒度比較粗，為中-粗砂巖，膠結(jié)物很少，孔隙連通性好，整體表現(xiàn)為中-高孔、高-特高滲儲層。珠江組砂巖成巖作用比較強，壓實與膠結(jié)作用都相當強，由于泥質(zhì)含量高及鈣質(zhì)膠結(jié)相對較嚴重，導致孔隙連通性較差，儲層非均質(zhì)性較強，整體屬于低-中孔、中-高滲儲層。

2 氣水兩相滲流實驗

2.1 實驗步驟

選取番禺氣田韓江組及珠江組標準巖心9 塊，巖心絕對滲透率為13.9～636.0 mD，孔隙度為12.1%～18.4%。實驗用氣體為N2（純度為99%），水樣采用PY 氣田實際測試地層水成分配制，總礦化度為36 584 mg/L，水型為CaCl2型。參照行業(yè)標準《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法》，在常溫常壓條件下，利用美國巖心公司的氣液相對滲透率測定儀，對9 塊巖心采用穩(wěn)態(tài)法開展了氣水互驅(qū)條件下相對滲透率曲線的測定。

2.2 實驗結(jié)果

從實驗結(jié)果來看，番禺氣田巖心束縛水飽和度在31.00%～45.25%，殘余氣飽和度在11.6%～26.1%，按孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和曲線形態(tài)特征對氣水相滲分類，同時根據(jù)陳元千的相對滲透率曲線歸一化方法，對水驅(qū)氣相對滲透率曲線進行歸一化，得到可以表征儲層特征的3 類氣水相對滲透率曲線（表1、圖1）。

表1 氣水相滲特征分類

結(jié)果顯示，Ⅰ類氣水相滲曲線對應(yīng)的儲層物性最好，樣品平均孔隙度27.9%，平均滲透率535.0 mD，孔喉大小及分布較均勻且連通性好，束縛水飽和度與殘余氣飽和度均較低，氣水兩相滲流區(qū)比較寬，范圍62.3%。在兩相滲流區(qū)，隨著含水飽和度不斷升高，氣相相對滲透率曲線下降較緩慢[2]，在實際生產(chǎn)中，該類儲層氣井在生產(chǎn)動態(tài)上表現(xiàn)為高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)型，且見水時間較晚，該類儲層主要發(fā)育在韓江組。

Ⅱ類氣水相滲曲線對應(yīng)儲層物性相對較好，樣品平均孔隙度16.5%，平均滲透率114.0 mD，束縛水飽和度與殘余氣飽和度均相對Ⅰ類增大，兩相共滲區(qū)變窄，范圍53.0%，等滲點向右下方偏移，且在兩相滲流區(qū)域隨著含水飽和度的增加，氣相相對滲透率曲線的下降幅度較Ⅰ類儲層快，存在一定的氣水兩相干擾；在實際生產(chǎn)中，該類型的氣井初期產(chǎn)能較高，氣井見水比較慢，但見水后水氣比上升較快，產(chǎn)能相對逐漸降低[3]，穩(wěn)產(chǎn)時間較Ⅰ類儲層而言相對較短，也是研究區(qū)較常見的儲層，該類儲層在整個氣田均有發(fā)育。

Ⅲ類氣水相滲曲線對應(yīng)儲層物性相對較差，樣品平均孔隙度14.3%，平均滲透率27.4 mD，束縛水飽和度與殘余氣飽和度相對比較高，兩相共滲區(qū)范圍相對較小，為46.9%，等滲點也處于相對偏右偏低的位置，存在較強的氣水兩相干擾，在整個滲流區(qū)間內(nèi)，隨著含水飽和度不斷增加，氣相相對滲透率曲線下降較快；在實際生產(chǎn)中，該類儲層氣井見水后產(chǎn)能降低，水氣比快速上升，穩(wěn)產(chǎn)時間短，相對Ⅰ類、Ⅱ類而言，有Ⅲ類氣水相滲曲線特征的儲層滲流能力較弱，該類儲層主要發(fā)育在珠江組下段。

3 氣水微觀可視化實驗

與氣水相滲實驗對應(yīng)，通過對番禺氣田多口井巖心鑄體照片資料的對比與挑選，選取韓江組、珠江組上段及珠江組下段的3 塊具有代表性的薄片，制作為激光刻蝕模型進行微觀可視化氣水互驅(qū)實驗，通過氣驅(qū)水實驗來模擬成藏過程中束縛水的大小及分布特征，通過水驅(qū)來模擬氣藏開發(fā)過程中氣水的流動特征及殘余氣分布特征，以期為南海東部同類型氣藏高效開發(fā)提供參考資料與理論依據(jù)。

3.1 氣驅(qū)水實驗

氣驅(qū)水實驗主要用來模擬氣藏束縛水的形成過程。在實驗樣品準備完成后，首先對每個玻璃刻蝕模型進行飽和水，待模型完全飽和水之后，分別用不同驅(qū)替速度進行氣驅(qū)水，在顯微鏡下觀察驅(qū)替過程中的氣水運動規(guī)律及特征。通過本次實驗可知，研究區(qū)儲層氣驅(qū)水過程中其主要特征如下：氣體優(yōu)先進入大孔徑、孔隙中央，且氣驅(qū)前緣發(fā)生跳躍式的轉(zhuǎn)換，存在明顯的黏性指進現(xiàn)象。

氣驅(qū)水過程及非濕相驅(qū)替濕相，在這個過程中毛管力是阻力，當以較低速度驅(qū)替時，氣體優(yōu)先進入阻力較小的大孔徑，由于沿程摩阻導致壓力損失，氣體驅(qū)替前沿處的壓力就會下降，且當其小于小喉道處的毛管阻力時就會停止前進；間隔一段時間后，隨著壓力的升高，當前緣驅(qū)替壓力大于某一孔徑大小的毛管力，則氣體從該個孔徑的孔喉突破后繼續(xù)向前運移，甚至變換方向，如此重復以上過程[4]，氣驅(qū)水過程中的跳躍式運移見圖2。

圖2 氣驅(qū)水過程中的跳躍式運移

同時由于儲層孔喉分布的不均勻，導致氣驅(qū)水過程中毛管力的分布不均，氣驅(qū)水過程中能看到明顯的黏性指進現(xiàn)象，氣驅(qū)水結(jié)束后氣水的分布特征見圖3，從圖中可以看出，殘余水主要分布在小喉道或者狹窄的喉道以及孔隙盲端。

圖3 氣驅(qū)水過程結(jié)束后剩余水的分布

3.2 水驅(qū)氣實驗

氣驅(qū)水實驗結(jié)束后，對模型連續(xù)注水，利用水驅(qū)氣實驗?zāi)M開采過程中水侵動態(tài)及末期殘余氣分布形式。對3 個模型分別選取不同驅(qū)替速度進行水驅(qū)氣，對比末期氣水分布情況及驅(qū)替效率。本次實驗的殘余氣飽和度為14.1%～31.5%，平均為22.1%，最終水驅(qū)氣效率為59.8%～80.8%，平均64.5%。總的來看，隨著水驅(qū)速度的提高，剩余氣逐漸減少，驅(qū)替效率不斷增大。1號模型在實驗過程中氣水分布情況見圖4，可以看到同一時刻在不同驅(qū)替速度下模型中的含氣飽和度變化比較顯著，當水以1×10-3mL/min 的驅(qū)替速度進行水驅(qū)氣時，模型中含氣飽和度明顯低于1×10-5mL/min 下的含氣飽和度。

圖4 1 號模型在不同驅(qū)替速度下氣水分布圖

同時在水驅(qū)氣實驗過程觀察到，當驅(qū)替速度較低時，氣水的分布方式主要為“水包氣”，水膜主要以連續(xù)相分布在孔道壁，氣體以不連續(xù)的氣泡形式在孔道中央流動[5]。由于整個玻璃刻蝕模型是親水的，這時毛管力是滲流主要動力，當驅(qū)替速度較低時，水以較快的速度進入小孔道，從而到達整個模型的各個壁面與小孔徑，而在較大的孔喉中滲流速度比較慢，從而產(chǎn)生強烈指進現(xiàn)象（圖5）。并且當水一旦突破形成優(yōu)勢通道后，該通道能夠通過的流量大于驅(qū)替流量時，剩余氣基本不再被驅(qū)出。

圖5 低流速下水驅(qū)氣第10 min 氣水分布圖

當驅(qū)替速度增大時，毛管指進現(xiàn)象逐漸減弱，此時氣體會沿小孔道快速的突破，而當原來的優(yōu)勢通道不滿足流量時，會產(chǎn)生新的分支，水會流向大孔徑[6]，當流速增大到一定值時基本看不到指進現(xiàn)象，這時驅(qū)替壓力占據(jù)主導，孔徑尺寸不再影響水的前進方向，水能夠同時進入各個大小的孔徑中，使得水驅(qū)前緣均勻推進（圖6）。這表明對于物性較好的海相砂巖均質(zhì)的水驅(qū)氣藏，適當加快開采速度可以提高氣藏無水期采出程度。

圖6 高流速下水驅(qū)氣過程末氣水分布圖

實驗結(jié)果表明，卡段和繞流是封閉氣的形成方式。卡段形成的封閉氣主要原因是受賈敏效應(yīng)影響，當水沿著孔道表面流動時形成水膜，導致滲流阻力顯著增大，當氣體經(jīng)過較窄的孔道時必須收縮變形后才可通過，而其他部分留在孔道中，這就使得原本連續(xù)流動的氣體發(fā)生卡段。前人研究結(jié)果表明提高驅(qū)替壓差，在水動力作用下，卡段形成的封閉氣可以進一步采出[7]。

繞流形成的封閉氣是受到毛管力及水動力共同作用影響，當驅(qū)替壓力較小時，水最先沿著孔隙壁面到達各個小孔徑，在小孔道中的氣體會快速被驅(qū)替出，而大孔道中的毛管力較小，水的滲流速度較慢，因此，當小孔道中的水發(fā)生突破后，大孔道中的氣就被封閉起來。而當驅(qū)替壓力逐漸提高時，水動力起主要作用時，水優(yōu)先在大孔道中突破，從而將小孔道中的氣封閉起來[8]，由此可見，在實際開發(fā)中繞流是氣水兩相滲流的主要特征。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)儲層孔隙結(jié)構(gòu)及氣水相對滲透率曲線形態(tài)，番禺氣田儲層可以分為3 類，Ⅰ類氣井氣水兩相滲流呈較均勻，氣井產(chǎn)能高，Ⅱ類氣井產(chǎn)能初期較高，但見水后水氣比上升較快，產(chǎn)能下降幅度較大，Ⅲ類氣井見水后產(chǎn)能迅速降低，水氣比快速上升，穩(wěn)產(chǎn)時間較短。

（2）微觀可視化實驗表明，在低速流時，氣驅(qū)水和水驅(qū)氣過程中都存在明顯的指進現(xiàn)象，在氣驅(qū)水過程中殘余水主要分布在小喉道或者狹窄的喉道以及孔隙盲端，而在水驅(qū)氣過程中，卡段和繞流是形成封閉氣的主要原因。

（3）在水驅(qū)氣過程中，提高驅(qū)替速度，有利于增大氣體的驅(qū)替效率，當驅(qū)替壓差提高到一定程度時，水能夠同時進入各個大小的孔徑中，使得水驅(qū)前緣均勻推進，這表明對于物性較好的海相砂巖均質(zhì)的水驅(qū)氣藏，適當加快開采速度可以提高氣藏無水期采出程度。