碳酸盐岩气藏气体单相渗流特征实验研究

郑鑫平 郭 平 汪周华 汪 强

(西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室， 成都 610500)



碳酸盐岩气藏气体单相渗流特征实验研究

郑鑫平 郭 平 汪周华 汪 强

(西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室， 成都 610500)

针对碳酸盐岩气藏含水条件下的渗流机理与常规气藏相比表现出的不同的非线性渗流特征问题，以X气藏4块全直径岩心为研究对像，以渗流理论为基础，在常温常压条件下开展渗流机理实验测试及分析，掌握碳酸盐岩气藏的非线性渗流特征及影响因素。研究结果表明：碳酸盐岩含水气藏气体渗流普遍存在4种渗流特征：阈压效应、滑脱效应、达西渗流和高速非达西渗流；随岩心含水饱和度增加，气体渗流表现出阈压效应增强、滑脱效应减弱、高速非达西流效应增强的特点。

碳酸盐岩气藏； 非线性渗流； 含水饱和度； 渗流曲线； 渗流实验

随着全球经济快速发展，全世界对油气资源的需求量不断增加。由于碳酸盐岩储层蕴藏的油气资源储量巨大，因而近年来对该类气藏的勘探开发越来越受到各国的重视[1-3]，然而碳酸盐岩气藏储层结构复杂，非均质性强，其渗流规律与常规气藏相比有较大的区别。目前国内外学者针对常规气藏的渗流机理开展了大量的实验研究，得到了描述该类气藏渗流机理的新认识[4-15]。本次研究以X碳酸盐岩气藏全直径岩心为研究对象，深入了解X气藏中气体非线性渗流特征。

1 碳酸盐岩储层特殊渗流机理实验

此次研究选取4块X气藏全直径岩样进行常温常压渗流机理实验测试，岩心物性参数见表1。分别对4块岩心进行干燥，并开展不同含水饱和度岩样渗流机理实验研究。本次实验装置与气测渗透率实验装置类似，实验用水为室内复配地层水，实验用气为高纯氮气。在不同含水饱和度岩样单相气体流动实验过程中，严格控制实验压差和含水饱和度的变化，实验前后对岩样称重，控制其含水饱和度变化不超过5%，以保证测试过程中气体处于单相流动状态。

表1 实验岩心基本物性参数

2 不同实验条件下单相气体渗流特征

长期以来，国内外学者针对岩心内气体渗流规律研究做过大量的相关性实验，并根据实验现象及结果建立了不同的气体渗流特征数学关系表达式。2008年，冯曦等人[6]以大量实验数据为基础，根据单相气体不同渗流运动方程推导并建立了气体非线性渗流特征诊断方法和相关非线性参数的确定方法，大大提高了不同渗流效应特征诊断精度。本次研究以上述方法为依据，诊断分析4块全直径岩样不同实验条件下的渗流特征。

2.1 干燥岩样渗流特征

典型的干燥岩样渗流特征诊断见图1。从图中可以看出，随着岩心压力梯度逐渐增加，岩样中气体渗流特征依次表现为滑脱效应、达西渗流及高速非

达西渗流。在较低压力梯度下，岩心视渗透率随岩心中平均压力的增加而减小(图1b)，表现出气体滑脱效应的影响；同时由于低压下滑脱效应的影响，造成达西渗流段曲线为不过原点的直线(图1c)；在较高压力梯度下，岩样气体渗流表现为高速非达西渗流占主导地位的非线性渗流特征(图1a)，由于惯性效应的影响，岩心视渗透率随压力梯度的增加会逐渐降低。

图1 10-3745号样渗流特征

常温常压小压力梯度条件下，不同含水饱和度岩样单相气体渗流特征表现出2种类型：(1)低压下阈压效应影响占主导地位的渗流特征；(2)阀压效应和滑脱效应的影响依次占主导地位的渗流特征。典型常温常压下含水岩样渗流特征见图2 — 图3。

含水岩样由于储层物性、孔喉、含水饱和度以及水膜厚度的影响，其气体渗流特征与干燥岩样相比存在较大差异，主要表现在小压力梯度渗流段。气体首先要克服岩石表面或孔喉处水膜引起的附加毛细管阻力才能流动，即表现为阈压效应。随着压力梯度的增加，更多气体参与流动，岩心视渗透率逐渐增大。

对于图2所示岩样，含水饱和度相对较高，小压

力梯度渗流段主要表现为阈压效应占绝对主导地位的渗流特征；图3所示岩样，含水饱和度相对较小，在小压力梯度条件下，气体必须首先克服由于水相的存在而引起的附加阻力后才能流动(图3(c))，即存在阈压效应。随着压力梯度增加，含水岩样依次表现出不同渗流段特征，其规律与干燥岩样类似。

图2 2-1052号岩样渗流特征(Swi=38.12%)

图3 2-3452号岩样渗流特征(Swi=27.27%)

3 含水饱和度对渗流特征的影响

3.1 启动压力梯度

本次室内渗流机理实验研究表明：当含水饱和度达到一定程度时，碳酸盐岩储层普遍存在阈压效应。阈压效应表现为在较小压力梯度时，气体不发生流动，渗流速度为零，当压力梯度达到某一值时，气相才能保持连续流动状态，这一压力梯度被称为启动压力梯度。从图4可以看出：当岩心含水饱和度较小时，其渗流特征与不含水时单相气体的渗流特征非常相似，渗流曲线表现为上凸型，滑脱效应作用明显，阈压效应减弱；当岩心含水饱和度较大时，渗流曲线表现为上凹型，且随着岩心含水饱和度的增加，气体渗流特征曲线逐渐向压力平方梯度轴靠近，气体渗流速度逐渐减小，启动压力梯度增加，即表现为阈压效应占主导地位的渗流特点。

图4 2-1052号岩样渗流曲线

根据克氏理论可知，随孔喉直径减小，岩心中低压气体的滑脱效应增强。岩心含水条件下，孔喉直径会减小，气体滑脱效应应随岩心含水饱和度的增加而增加。本次实验结果却不符合克氏理论。从图5可以看出，随着岩心含水饱和度的增加，克氏曲线的斜率不断减小，气体视渗透率下降幅度减缓；在较高含水饱和度下，克氏回归曲线趋于接近一条直线。实验结果表明气体在含水岩样中滑脱效应的影响随含水饱和度的增加而明显减弱。分析认为滑脱效应是气体分子与岩心孔隙内壁碰撞产生的结果。在低压条件下，气固分子间引力小，更多气体分子由于热运动参与到多孔介质的流动中，使得岩心中气体的视渗透率增加，结果表现为气体滑脱现象。对于含水岩心，由于多孔介质的孔喉壁面附着水膜，在岩心渗流过程中气体分子主要和附着水膜的孔喉壁面发生碰撞，气水分子间的作用力比气固之间的大得多，最终导致岩心在较高含水饱和度下，气体在岩心中渗流时滑脱效应减弱甚至消失。当岩心含水饱和度降低时，气固分子间的碰撞又逐渐增多，气体滑脱效应又明显增强。

图5 2-3452号岩样克氏回归曲线

多孔介质气体渗流普遍存在高速非达西流效应。当生产压差较大时储层中容易发生紊流现象，导致在近井处产生高速非达西渗流，气体渗流能力降低从而影响气井产能。通过实验研究发现，当实验渗流速度增大到某一值后，岩心渗流表现出高速非达西渗流特征(图6)。

图6 10-3745号岩样高速非达西渗流诊断图

从图6可以看出：随着岩心含水饱和度的增加，在气体流量较高条件下，高速非达西渗流诊断图中线性回归直线表现为曲线斜率增加，说明岩心孔喉壁面附着的水膜影响气体高速非达西渗流程度。随着岩心含水饱和度的增加，孔喉直径进一步减小，气体高速非达西渗流特征越明显。将图6中线性回归直线的截距和斜率代入非线性特征参数诊断公式，计算得到岩样的紊流系数(表2)。

表2 10-3745号岩样紊流系数求取参数及计算结果

表2 10-3745号岩样紊流系数求取参数及计算结果

含水饱和度∕%直线斜率直线截距∕(MPa2·cm-4·s)紊流系数∕(m-1)18．3512．340．62841．25E+1724．8513．280．70221．34E+1738．5431．771．01743．22E+17

4 结 语

(1)随压力梯度增加，碳酸盐岩含水气藏储层普遍存在4种渗流特征：阈压效应、滑脱效应、达西渗流及高速非达西渗流。

(2)随含水饱和度增加，岩心启动压力梯度增加，阈压效应越明显；在较低含水饱和度条件下，随压力梯度的增加，气体渗流表现为阈压效应和滑脱效应依次占主导地位的渗流特征。

(3)随含水饱和度增加，岩心中气体渗流受滑脱效应的影响而减弱，气体高速非达西流效应越明显，紊流系数越大。

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An Experimental Study on the Percolation Characteristics of Single Phase Gas in Carbonate Gas Reservoirs

ZHENGXinpingGUOPingWANGZhouhuaWANGQiang

(State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Carbonate gas reservoirs with water saturation have different non-linear flow characteristics when compared with conventional gas reservoirs. With percolation theory diagnosis technique, four full-hole core examples of X gas reservoirs are used to test and analyze percolation characteristics through percolation theory experiments at normal pressures and temperatures. The results show that gas flow in carbonate gas reservoirs generally exists four flow effects as follows: threshold pressure effect, slippage effect, Darcy flow effect and high-speed non-Darcy flow effect; with increasing water saturation, gas flow has features of higher threshold pressure effect, lower slippage effect and higher high-speed non-Darcy flow effect.

carbonate gas reservoirs; non-Darcy flow; water saturation; seepage curve; percolation experiment

2015-01-16

国家自然科学基金项目“基于密度泛函理论研究页岩气藏气固吸附微观机理”(51204141)

郑鑫平(1989 — )，男，四川成都人，西南石油大学在读硕士研究生，研究方向为注气提高采收率、低渗致密及非常规气藏渗流机理等。

TE312

A

1673-1980(2015)05-0027-04