鄂爾多斯盆地致密砂巖氣藏啟動壓力梯度實驗研究

白慧芳，施里宇，張 磊，辛翠平，王永科，王少征.

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710065；2.承德石油高等?？茖W校，河北承德 067000)

延長氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部，B井區構造上為一西傾單斜，斷裂、背斜等構造不發育，僅在局部發育低幅度的鼻狀隆起。氣藏圈閉類型主要為海陸過渡相和河流—三角洲相沉積形成的巖性圈閉群[1-2]。氣藏橫向連續性差，呈準連續分布，天然氣的分布主要受儲層非均質性控制。儲層致密，非均質性強，礦物成分復雜，填隙物含量高，其孔隙度、滲透率、含氣飽和度均較小[3-4]。

與常規天然氣藏相比較，本區致密砂巖儲層巖石孔隙結構復雜、儲層致密、流體呈現非線性(非達西)滲流特征[5-7]，存在啟動壓力梯度。只有當驅動壓力大于某個附加壓力時，流體才能夠發生流動[8-10]，該附加壓力梯就是啟動壓力梯度。從具體的物理模擬實驗著手，對啟動壓力梯度進行實驗研究，揭示致密氣藏的非線性滲流規律及其影響因素，這對于氣田開發具有重要的指導意義[11-13]。

1 實驗原理

當儲層不存在啟動壓力梯度時，氣體滲流滿足如下關系[14-15]：

(1)

(2)

令v=0，則巖樣的啟動壓力為：

(3)

根據公式(3)，巖樣的啟動壓力梯度為：

(4)

式中v——氣體通過巖心的流速，cm/s；

q——氣體通過巖心的流量，cm3/s；

A——巖心的橫截面積，cm2；

K——巖心的滲透率，μm2；

p1——巖心進口端的壓力，MPa；

p0——實驗條件下的大氣壓力，MPa；

pλ——啟動壓力，MPa；

μ——氣體的黏度，mPa·s；

L——巖心的長度，cm；

a、b——直線系數的常數項；

λ——啟動壓力梯度，MPa/cm。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

實驗選取了延安氣田B井區上古生界盒8段、山1段、山2段、本溪組4個層位共20塊巖心，其物性情況見表1。

表1 樣品物性參數表Table 1 Physical property parameters table of experimental core samples

2.2 實驗方法

本次實驗采用KS-VI型孔滲聯測儀，儀器由高壓巖心夾持器、巖心進樣、氣體調壓、溫度壓力測量、定容器、數據采集處理、支架面板等系統組成。整體設計科學合理，實現自動控制與采集，便于操作，準確性、穩定性高。實驗裝置如圖1所示，流程如圖2所示。

實驗采用與氣體滲透率測定類似的穩態法[18-19]，實驗溫度為20 ℃左右，實驗所用的驅替氣體為氮氣。測量不同驅替壓差下的流量，每塊巖心測量10～16組數據，逐漸緩慢升高巖心入口端壓力，每個壓力點待流動穩定后，測定各壓力下氣體的流量[20]。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental device diagram

圖2 實驗流程圖Fig.2 Experimental flow diagram

為保證含水致密巖樣中氣體的單相流動，需考慮巖樣含殘余水的情況，根據巖樣滲透率的不同，采用盡可能小的實驗壓差，控制其含水飽和度變化不超過3%。飽和流體為根據實際地層水分析資料所配的地層水樣。

3 實驗結果及分析

3.1 啟動壓力梯度計算

從圖4和表2可以看出，當延安氣田上古生界巖心滲透率大于0.1 mD時，不存在啟動壓力梯度；當滲透率小于0.1 mD時，巖心存在啟動壓力梯度，其變化范圍在0.000 21～0.001 04 MPa/cm之間。對比4個層位啟動壓力梯度的平均值可知，山1段啟動壓力梯度最大，本溪組啟動壓力梯度最小。

3.2 敏感性因素分析

根據延安氣田B井區14塊巖樣的實驗數據及計算結果(表2)，分析啟動壓力梯度與滲透率、含水飽和度之間的關系(圖5、圖6)。

圖3 巖心克氏回歸曲線Fig.3 Core Klinkenberg regression curves

表2 啟動壓力梯度計算結果Table 2 Calculation results of actuating pressure gradient

圖4 不同層位的平均啟動壓力梯度Fig.4 Average actuating pressure gradient of different formations

圖5 啟動壓力梯度隨滲透率的變化關系Fig.5 Relationship between actuating pressure gradient and core permeability

滲透率增大，巖心的啟動壓力梯度隨之減小，這是由于致密儲層孔隙和喉道較為狹窄，流體在流動過程的滲流阻力要比常規儲層高得多，啟動壓力梯度也較大。擬合啟動壓力梯度與巖心滲透率關系曲線，發現二者呈現較好的冪指數關系，曲線擬合形式為Y=abx。從圖5的曲線上可以看出，當滲透率在0～0.04 mD范圍內時，隨著滲透率的增加，啟動壓力梯度急劇下降；在0.04～0.10 mD范圍時，隨滲透率增加，啟動壓力梯度下降較小。當滲透率大于0.10 mD以后，不存在啟動壓力梯度。

圖6 啟動壓力梯度隨含水飽和度的變化關系Fig.6 Relationship between actuating pressure gradient and water saturation

含水飽和度增大，巖心的啟動壓力梯度也隨之增大，這主要是由于液體的黏滯阻力大于氣體，阻礙了氣體的流動。同時在孔隙喉道中束縛水飽和度越大，氣水兩相毛管力越大，氣相的滲流阻力越大，導致啟動壓力梯度也增大。擬合啟動壓力梯度與巖心含水飽和度關系曲線，發現二者呈現很好的指數關系，曲線擬合形式為Y=abx。從圖6的曲線上可以看出，當含水飽和度小于45%時，隨飽和度的增加，啟動壓力梯度上升緩慢；當含水飽和度大于45%時，啟動壓力梯度迅速上升。

4 結論

(1)基于鄂爾多斯盆地延安氣田致密氣藏的特征，選取20塊延安氣田B井區上古生界巖心，采用穩態法測量不同驅動壓差下的氣體流量，研究啟動壓力梯度與滲透率、含水飽和度的關系。

(2)實驗結果顯示14塊巖樣滲透率小于0.1 mD，此時存在啟動壓力梯度，進一步研究發現，山1段啟動壓力梯度最大，本溪組啟動壓力梯度最小。

(3)啟動壓力梯度隨滲透率的增大而減小，兩者呈冪指數關系，當滲透率小于0.04 mD時，啟動壓力梯度急劇下降。啟動壓力梯度隨含水飽和度的增大而增大，兩者呈指數關系，當含水飽和度大于45%時，啟動壓力梯度迅速上升。