邵長(zhǎng)金 李志航 汪小宇 楊振清 盧貴武

1.中國(guó)石油大學(xué)·北京 2.川慶鉆探工程公司工程技術(shù)研究院

低滲透氣藏相對(duì)滲透率影響因素的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型

邵長(zhǎng)金1李志航2汪小宇2楊振清1盧貴武1

1.中國(guó)石油大學(xué)·北京 2.川慶鉆探工程公司工程技術(shù)研究院

實(shí)驗(yàn)測(cè)量相對(duì)滲透率受許多條件的限制,為了在保持其他控制參數(shù)不變的條件下研究某一變量對(duì)相對(duì)滲透率的影響,采用孔隙網(wǎng)絡(luò)模型模擬的方法,以蘇里格氣田盒8段儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)為參照,構(gòu)造了喉道半徑為0.05～2.50μm的孔隙網(wǎng)絡(luò);研究了孔喉比、潤(rùn)濕性、初始含水飽和度和殘余水飽和度對(duì)氣相相對(duì)滲透率的影響。結(jié)果表明:①孔喉比對(duì)氣相相對(duì)滲透率的影響明顯,隨著孔喉比增大,相同水飽和度下的氣相相對(duì)滲透率降低;②當(dāng)水飽和度大于0.4時(shí),氣體的相對(duì)滲透率按照水濕?弱水濕?弱氣濕?氣濕的順序依次增加,但當(dāng)水飽和度小于0.4時(shí),相對(duì)滲透率增加的次序性被打亂,在弱水濕情況下表現(xiàn)為最小;③隨著初始含水飽和度增加,氣相相對(duì)滲透率總體呈下降趨勢(shì);④殘余水飽和度越大,氣相相對(duì)滲透率曲線越陡,下降越快。這對(duì)用改變巖石潤(rùn)濕性的方法來提高油氣采收率時(shí)具有指導(dǎo)意義。

低滲透油氣藏 孔隙 相對(duì)滲透率 潤(rùn)濕性 含水飽和度 束縛水飽和度 模型

在低滲透氣藏的開發(fā)過程中,相對(duì)滲透率是最重要的基礎(chǔ)資料之一,它既受儲(chǔ)層靜態(tài)參數(shù)(如孔隙結(jié)構(gòu)、均質(zhì)性等)的控制,又受動(dòng)態(tài)滲流參數(shù)(如毛細(xì)管數(shù)、流體飽和度及流體黏度比等)的影響。周克明[1]、張鳳東[2]等進(jìn)行了理論計(jì)算,吳曉東[3]、Narahara[4]、M acallister[5]等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量?？傮w上看,實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較分散,一是由于存在著滑脫效應(yīng)、啟動(dòng)壓差等眾多影響機(jī)理,二是由于實(shí)驗(yàn)樣品千差萬別,許多不容易控制的因素?fù)诫s其中?；谖⒂^物理統(tǒng)計(jì)和逾滲理論的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型,可以在保持其他控制參數(shù)不變的條件下,研究某一變量對(duì)相對(duì)滲透率的影響,筆者利用孔隙網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)低滲透氣藏影響相對(duì)滲透率的因素進(jìn)行研究。

1 孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的建立

孔隙網(wǎng)絡(luò)模型由喉道及其相連的孔隙體構(gòu)成,喉道代表滲流通道,孔隙體代表喉道交接處相對(duì)較大的孔隙空間?？紫扼w和喉道被設(shè)定為一些理想的幾何形狀,并具有相應(yīng)的幾何參數(shù),與一個(gè)孔隙體連通的喉道數(shù)目用配位數(shù)表示。

所使用的模型是由實(shí)際Berea砂巖切片進(jìn)行三維圖像重構(gòu)建立的,由英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的Suicmez博士提供,可以根據(jù)需要產(chǎn)生由三角形、方形和圓形組成的三維孔隙網(wǎng)絡(luò)。該模型基于孔隙滲流規(guī)律,能夠進(jìn)行相滲曲線計(jì)算。

通過控制喉道半徑、喉道長(zhǎng)度及孔喉比等參數(shù),可以產(chǎn)生不同孔隙度和絕對(duì)滲透率的網(wǎng)絡(luò)模型。根據(jù)楊勇等學(xué)者[6-7]的研究成果及低滲透氣藏的儲(chǔ)層特征,筆者取平均喉道半徑為0.05～2.50μm。產(chǎn)生一個(gè)3× 3×3 mm3立方模型,包含12 167個(gè)孔隙和29 827個(gè)喉道,其中方形單元占10%、圓形單元占5%,其余的為不規(guī)則三角形。絕對(duì)滲透率控制在0.5～3.0 mD的范圍內(nèi)。

相對(duì)滲透率的計(jì)算采用Blunt[8]等提出的方法。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)的影響

在孔隙結(jié)構(gòu)中,平均喉道半徑對(duì)滲透率的影響最大,這方面已經(jīng)有許多研究成果。這里主要討論孔喉比(孔隙半徑和與之連通的喉道半徑之比)對(duì)滲透率的影響。在模型中,保持其他條件不變,使孔喉比在2～7間變化,計(jì)算得到的氣相相對(duì)滲透率(Krg)與含水飽和度(Sw)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 孔喉比對(duì)相對(duì)滲透率的影響圖

由圖1可見,隨著孔喉比增大,相同水飽和度下的氣相相對(duì)滲透率降低。原因是:孔喉比越大,意味著和孔隙相連通的喉道半徑相比越小,孔隙和喉道間的毛細(xì)管力變化就越大,容易發(fā)生卡斷堵塞。對(duì)水濕情況,氣相將以孤立氣泡形式存在孔隙中,無法形成連續(xù)的氣體滲流通道,導(dǎo)致其滲透率下降。

2.2 潤(rùn)濕性的作用

通過改變前進(jìn)接觸角范圍的辦法,對(duì)驅(qū)替和吸滲過程進(jìn)行了一系列模擬計(jì)算。所用的接觸角可反映水濕、弱水濕、弱氣濕和氣濕等系統(tǒng)的情況(表1)。

表1 反映不同潤(rùn)濕情況的接觸角表 (°)

圖2給出了不同潤(rùn)濕條件下的氣相相對(duì)滲透率曲線。在每一飽和度下,水濕巖樣的氣相相對(duì)滲透率總比氣濕巖樣的氣相相對(duì)滲透率低很多,這給出了一個(gè)可在油田應(yīng)用的潛在方法:對(duì)致密氣藏,改變近井地帶的潤(rùn)濕性,使其由水濕變?yōu)闅鉂?可以增加氣體的滲流能力,提高產(chǎn)量或注入量。值得注意的是,當(dāng)水飽和度大于0.4時(shí),氣體的相對(duì)滲透率按照水濕?弱水濕?弱氣濕?氣濕的順序依次增加;但當(dāng)水飽和度小于0.4時(shí),相對(duì)滲透率增加的次序性被打亂,在弱水濕情況下表現(xiàn)為最小。

2.3 初始含水飽和度的影響

以蘇里格氣田為例,其初始含水飽和度(Swi)范圍為0.09～0.60。在模擬計(jì)算中,使用同一個(gè)孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),但在驅(qū)替時(shí),改變其初始含水飽和度范圍,取Swi=0.05～0.60,計(jì)算不同氣相相對(duì)滲透率。分別對(duì)水濕、混合濕和氣濕3種情況進(jìn)行了計(jì)算,但為了清楚地顯示曲線,圖3僅繪出水濕情況下 Swi=0.05～0.40范圍內(nèi)的結(jié)果。

圖2 不同潤(rùn)濕情況下的氣相相對(duì)滲透率圖

圖3 不同初始含水飽和度下的氣相相對(duì)滲透率圖

由圖3可見,隨初始含水飽和度增加,氣相相對(duì)滲透率總體呈下降趨勢(shì)。這是可以理解的,初始含水飽和度越高,在毛細(xì)管壓力和界面張力等作用下,孔隙、喉道中吸附的水量就越多,氣體通過孔喉的滲流通道減小得越厲害,導(dǎo)致氣體有效滲流能力下降。

2.4 殘余水飽和度與相對(duì)滲透率的關(guān)系

用砂巖微觀孔隙模型所做的研究表明,殘余水飽和度(Swr)與滲透率二者之間具有較好的線性相關(guān)性[9],但由于殘余水飽和度在實(shí)驗(yàn)中不容易控制,因此,低滲透氣藏殘余水飽和度與相對(duì)滲透率關(guān)系的實(shí)驗(yàn)非常少。利用同一種孔隙網(wǎng)絡(luò)骨架,使殘余水飽和度在0.02～0.20之間改變,采用相同的驅(qū)替條件,得到了殘余水飽和度與相對(duì)滲透率的關(guān)系(圖4)。

由圖4可見,殘余水飽和度對(duì)氣相相對(duì)滲透率有著明顯的影響,殘余水飽和度越大,氣相相對(duì)滲透率曲線越陡,下降越快。

對(duì)氣藏,殘余水是在氣驅(qū)水的過程中形成的,其形式包括:孔隙角隅水、微細(xì)孔隙及其包圍的大孔隙中的殘余水和繞流形成的殘余水。殘余水飽和度越大,表明氣驅(qū)水過程結(jié)束得越早,在后續(xù)水驅(qū)氣的過程中水的影響就顯現(xiàn)得越早。在殘余水飽和度下,水是不流動(dòng)的,即水沒有形成連續(xù)相,但殘余水飽和度越大,水形成連續(xù)相就越容易,速度也越快,一旦水飽和度大于殘余水飽和度,水就形成連續(xù)相,使氣的滲流通道大大縮小,而且氣體滲流的阻力加大,導(dǎo)致氣相相對(duì)滲透率大幅度下降。

圖4 不同殘余水飽和度下的氣相相對(duì)滲透率圖

3 結(jié)論

1)孔喉比對(duì)氣相相對(duì)滲透率有明顯的影響,隨著孔喉比增大,相同水飽和度下的氣相相對(duì)滲透率降低。

2)當(dāng)水飽和度大于0.4時(shí),氣體的相對(duì)滲透率按照水濕?弱水濕?弱氣濕?氣濕的順序依次增加;但當(dāng)水飽和度小于0.4時(shí),相對(duì)滲透率增加的次序性被打亂,在弱水濕情況下表現(xiàn)為最小。

3)初始含水飽和度對(duì)氣相相對(duì)滲透率有明顯的影響,隨著初始含水飽和度增加,氣相相對(duì)滲透率總體呈下降趨勢(shì)。

4)殘余水飽和度對(duì)氣相相對(duì)滲透率的影響表現(xiàn)為,殘余水飽和度越大,氣相相對(duì)滲透率曲線越陡,下降越快。

[1]周克明,張清秀,王勤,等.利用分形模型計(jì)算氣水相對(duì)滲透率[J].天然氣工業(yè),2007,27(10):88-89.

[2]張鳳東,康毅力.致密氣藏開發(fā)氣水相對(duì)滲透率的逾滲計(jì)算[J].鉆采工藝,2008,31(6):63-65.

[3]吳曉東,潘新偉,王金勛.利用微觀模型研究孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)氣藏水束縛堵塞的影響規(guī)律[J].天然氣工業(yè),2004,24(4): 60-61.

[4]NARAHARA G M,HOLD ITCH S A,MOORE K R.A new method fo r themeasurementof gas relative permeability and water saturation simultaneously in low-permeability cores[C]∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition,2-5 October 1988,Houston,Texas.SPE,1988:SPE 18318.

[5]MACALL ISTERD J,M ILLER K C,GRAHAM,et al.App lication of X-ray CT scanning to determine gas/water relative permeabilities[J].SPE Fo rmation Evaluation,1993,8 (3):184-188.

[6]楊勇,達(dá)世攀,徐曉蓉.蘇里格氣田盒8段儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)研究[J].天然氣工業(yè),2005,25(4):50-52.

[7]王學(xué)武,楊正明,李海波,等.核磁共振研究低滲透儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)方法[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,32 (2):69-72.

[8]BLUNT M J,JACKSON M D,PIRIM,et al.Detailed physics,p redictive capabilities and macroscopic consequences fo r po re-netwo rk models of multiphase flow[J]. Advances in Water Resources.2002,25:1069-1089.

[9]劉孔章,賈紅育.低滲透油藏殘余水形成機(jī)理試驗(yàn)研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2003,23(6):114-116.

Pore network modeling for the investigation of factorsaffecting relative permeability of low-permeability reservoirs

Shao Changjin1,Li Zhihang2,Wang Xiaoyu2,Yang Zhenqing1,Lu Guiw u1
(1.China University of Petroleum,Beijing 102249,China;2.Engineering&Technology Institute of Chuanqing D rilling&Exp loration Engineering Com pany,CN PC,Chengdu,Sichuan 610051,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 7,pp.36-38,7/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Experimentalmeasuring of relative permeability is affected by many parameters.To study the influence of a single parameter w ith the other parameters remaining unchanged,taking the po re structureof the He-8 reservoir(the eighth member of the Lower Shihezi Fo rmation)at the Sulige Gas Field as a reference,amethod of po re netwo rk sim ulation is adop ted and po re netwo rks are constructed w ith the throat radius varying from 0.05 to 2.50μm.The studies on the influences of pore-throat ratio,rock wettability, initial water saturation and residual water saturation on the relative permeability are carried out.The results indicate that the po rethroat ratio show s a notable influence on the relative permeability.A s the pore-throat ratio increases,the gas-phase relative permeability decreases under the circum stancesof the samewater saturation.When water saturation is higher than 0.4,the gas relative permeability increasesw ith water-wet,weakly water-wet,weakly gaswet and gaswet sequentially.However,w hen water saturation is lower than 0.4,the above o rder w ill be shuffled with a minimum relative permeability obtained under the circum stances of weakly water wet.A long w ith the increase of initial water saturation,the gas-phase relative permeability takes on a dow ntrend on the w hole.The higher the residual water saturation,the steeper(i.e.the faster the decrease)the curve of the relative permeability becomes.The results w ill help imp rove the recovery w ith the method of changing the rock wettability.

low-permerbility reservoir,po re,relative permeability,wettability,water saturation,residual water saturation,model DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.009

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(編號(hào):2008ZX05054)。

邵長(zhǎng)金,1964年生,教授,博士;主要從事油氣藏滲流與提高采收率研究工作。地址:(102249)北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)。電話:(010)89731553。E-mail:physics@cup.edu.cn

邵長(zhǎng)金等.低滲透氣藏相對(duì)滲透率影響因素的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型.天然氣工業(yè),2010,30(7):36-38.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.009

(修改回稿日期 2010-05-14 編輯 韓曉渝)

Shao Changjin,p rofesso r,was born in 1964.He holds a Ph.D degree,being mainly engaged in research of flow rules and measures on the enhanced oil recovery of oil and gas reservoirs.

Add:No.18.Fuxue Rd.,Changping District,Beijing 102249,P.R.China

Tel:+86-10-8973 1553E-mail:physics@cup.edu.cn