楊建 康毅力 王業(yè)眾 郭華璋

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院 3.四川大學(xué)

裂縫性致密砂巖儲層氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)

楊建1,2康毅力1王業(yè)眾2郭華璋3

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院 3.四川大學(xué)

致密砂巖儲層天然氣投產(chǎn)一般需要采取水力壓裂等增產(chǎn)措施。由于天然氣在產(chǎn)出過程中需要通過致密基塊—天然裂縫—水力裂縫等多尺度介質(zhì),故而在滲流中存在多尺度效應(yīng),需要經(jīng)過一系列串聯(lián)耦合過程,其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)都可能影響天然氣的高效產(chǎn)出。為此,通過自行設(shè)計(jì)“串、并聯(lián)”氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)方法及裝置,探討了裂縫寬度、裂縫—基塊的配置關(guān)系等對致密砂巖氣體傳質(zhì)效率的影響?！安⒙?lián)”氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)表明,裂縫寬度是影響氣體傳質(zhì)效率的關(guān)鍵參數(shù),相同數(shù)量級裂縫寬度的天然裂縫傳質(zhì)效率高于人工裂縫。裂縫—基塊巖樣“串聯(lián)”氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)表明,裂縫—基塊多尺度配置關(guān)系中,裂縫—基塊—裂縫的配置關(guān)系最優(yōu),氣體傳質(zhì)效率最高。結(jié)論認(rèn)為,合理開發(fā)致密砂巖氣藏需貫徹“儲層保護(hù)與改造并舉”的方針,實(shí)現(xiàn)致密基塊—天然裂縫—水力裂縫的合理配置,才能有效開發(fā)致密砂巖氣藏。

致密砂巖 儲集層 壓裂 裂縫(巖石) 多尺度 傳質(zhì) 配置關(guān)系

我國致密砂巖天然氣資源豐富,勘探開發(fā)前景廣闊[1]。近年來,隨著勘探開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步,欠平衡鉆井、水平井、大型水力壓裂等技術(shù)的成功運(yùn)用,將致密砂巖天然氣的勘探開發(fā)推向一個(gè)新高潮[2]。但是對致密砂巖天然氣的產(chǎn)出機(jī)理研究目前仍然處在探索階段,已有的研究表明致密砂巖天然氣的產(chǎn)出存在其特殊性,需要通過致密基塊—天然裂縫—水力裂縫等多尺度介質(zhì),氣體在致密儲層中流動存在多尺度效應(yīng)[3],很難用唯一的流動層次來描述流動特征[4-5]。

致密砂巖儲層微裂縫發(fā)育,基塊和裂縫的空間配置關(guān)系是氣體高效產(chǎn)出的關(guān)鍵。致密砂巖氣井一般經(jīng)壓裂改造投產(chǎn),在儲層中形成高輸運(yùn)能力的水力裂縫。致密砂巖儲層滲濾空間由致密基塊孔喉、天然裂縫和水力裂縫組成,表現(xiàn)出多層次性[6]。按尺度分為致密基塊孔隙尺度、天然裂縫尺度、水力縫尺度以及宏觀氣井尺度[7]。致密基塊與天然裂縫配置關(guān)系及傳質(zhì)、天然裂縫與水力裂縫的配置關(guān)系及傳質(zhì),跨尺度之間的傳遞方式將是影響致密天然氣高效產(chǎn)出的決定因素,有必要深入細(xì)致地研究多尺度之間的關(guān)聯(lián)、優(yōu)化配置關(guān)系等對氣體高效產(chǎn)出的影響。筆者通過相似原理,選取典型致密砂巖真實(shí)巖樣,設(shè)計(jì)致密基塊與裂縫巖樣的配置關(guān)系、天然裂縫與人工裂縫的配置關(guān)系,實(shí)驗(yàn)研究致密砂巖天然氣在多尺度條件下的產(chǎn)出機(jī)理。

1 致密砂巖儲層多尺度地質(zhì)特征

致密砂巖儲層中自生黏土礦物發(fā)育,含量比常規(guī)儲層高,致密砂巖的極低滲透性很大程度上可直接歸因于黏土礦物的作用。種類豐富的各類黏土礦物充填孔隙空間以及占據(jù)顆粒表面,形成大量的晶間納微孔隙,晶間微孔本身即是孔隙又是喉道。致密砂巖孔隙和喉道的幾何形狀、大小、分布及其相互連通關(guān)系十分復(fù)雜,其納微結(jié)構(gòu)多樣,其喉道類型主要以片狀、彎片狀、管束狀喉道為主。致密儲層天然微裂縫一定程度發(fā)育,構(gòu)造微裂縫、解理縫、層面縫等,裂縫極大地改善了致密儲層的滲流條件,為致密砂巖氣藏的高效開發(fā)提供良好的基礎(chǔ)。致密砂巖儲層滲濾空間由致密基塊孔喉、天然裂縫組成,孔喉半徑10-8～10-4m,距離10-5～10-1m,天然裂縫縫寬 10-6～10-4m,縫長10-2～10 m,空間尺度跨度10-8～10 m。

致密砂巖氣藏多采取壓裂投產(chǎn),通過人工縫改善天然氣的流動條件,因而致密儲層存在致密基塊—天然裂縫—水力裂縫多尺度流動空間(圖1),天然氣產(chǎn)出經(jīng)過多尺度介質(zhì)一系列串聯(lián)耦合過程,氣體在其中的產(chǎn)出過程歷經(jīng)解吸、擴(kuò)散、滲流等方式[5]。

圖1 致密砂巖儲層多尺度地質(zhì)模型圖

2 致密砂巖天然氣傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M

致密砂巖氣在儲層中高效傳質(zhì)離不開裂縫快速通道,而致密基塊是裂縫的有效供氣儲備也是制約致密砂巖氣在儲層中能否高效傳質(zhì)的瓶頸。尋求裂縫網(wǎng)絡(luò)與基塊的一種合理配置,讓致密砂巖氣體在儲層中以最優(yōu)的空間配置關(guān)系產(chǎn)出,將極大地提高致密砂巖氣的開發(fā)效果。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

致密砂巖儲層中裂縫和基塊的滲流能力相差極大,致密砂巖天然氣在致密儲層中的傳質(zhì)將受制于裂縫與基塊在空間上的配置關(guān)系,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了“串、并聯(lián)”兩類基塊—裂縫配置關(guān)系(圖2)。

選取四川盆地中部某典型致密砂巖氣藏實(shí)取巖心,基塊巖樣滲透率級別分別為0.001、0.01、0.1 mD,選用致密巖樣人工造縫,裂縫寬度控制在5～30μm。

圖2 裂縫—基塊巖樣“串、并聯(lián)”氣體傳質(zhì)示意圖

2.2 天然裂縫—人工裂縫巖樣“并聯(lián)”氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示,天然裂縫巖樣裂縫寬度7.55μm,大于天然裂縫寬度的巖樣傳質(zhì)能力強(qiáng)于天然裂縫,但是隨著驅(qū)替壓差的增加,人工裂縫巖樣相對于天然裂縫巖樣傳質(zhì)能力下降,最高降低47.56%。相同數(shù)量級寬度的人工縫與天然縫,人工縫傳質(zhì)能力弱于天然縫,人工縫傳質(zhì)能力是天然縫的82%～89%。

表1 天然裂縫—人工裂縫巖樣“并聯(lián)”氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

2.3 致密基塊—裂縫巖樣“串聯(lián)”氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

致密砂巖氣的高效產(chǎn)出與裂縫的分布、產(chǎn)狀、密度等有著很大的聯(lián)系,開發(fā)實(shí)踐表明,致密儲層天然裂縫發(fā)育則其自然產(chǎn)能高,也為后期的壓裂改造提供了良好的基礎(chǔ)。天然裂縫與致密基塊的配置關(guān)系直接影響致密天然氣的高效產(chǎn)出,基塊與裂縫的配置關(guān)系多樣,根據(jù)致密砂巖儲層多尺度地質(zhì)特征,模擬裂縫—基塊配置中氣體傳質(zhì)過程,設(shè)計(jì)了3種配置關(guān)系:F—F—M、M—F—F、F—M—F(M為基塊巖樣,F為裂縫巖樣)。

基塊物性不變,變換裂縫—基塊配置關(guān)系,對比各個(gè)配置關(guān)系傳質(zhì)效率,表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:F—F—M配置關(guān)系傳質(zhì)效率最低,以F—M—F配置關(guān)系傳質(zhì)效率最優(yōu)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明:F—M—F配置傳質(zhì)效率是F—F—M配置的10～16倍,M—F—F配置傳質(zhì)效率是F—F—M配置的1～13倍。

3 分析討論

“并聯(lián)”傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)中,裂縫寬度是影響致密砂巖天然氣傳質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù),裂縫寬度越大其傳質(zhì)效率越高。在天然裂縫—人工裂縫并聯(lián)傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)中,裂縫寬度相近的兩類裂縫,人工裂縫傳質(zhì)效率低于天然裂縫。分析認(rèn)為,由于人工裂縫縫面屬于新鮮斷面,有較多的可動微粒,隨著驅(qū)替壓差的增加,氣體流速增大,參與運(yùn)移的微粒增多,部分微粒在縫面狹窄處沉積、堵塞,使得裂縫滲流能力大幅降低;另外實(shí)驗(yàn)過程是采取的連續(xù)變驅(qū)替壓力,圍壓不變的方式,在長時(shí)間的圍壓(3 M Pa)條件下,由于有效應(yīng)力的時(shí)間效應(yīng)[8],無支撐的人工裂縫寬度相應(yīng)降低,而天然裂縫經(jīng)過漫長的地質(zhì)演化,天然縫縫面間有膠結(jié)物、顆粒支撐,抗應(yīng)力敏感能力強(qiáng)于天然縫,裂縫寬度變化相應(yīng)較小,其滲流能力降低幅度小。

致密砂巖天然氣產(chǎn)出需要經(jīng)歷基塊孔喉—天然裂縫—水力裂縫一系列串聯(lián)耦合過程,其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)都可能影響致密砂巖天然氣的高效產(chǎn)出,各個(gè)尺度的耦合對致密砂巖氣的產(chǎn)出起到控制作用。由于致密基塊是天然氣的“儲氣庫”,為天然氣產(chǎn)出提供物質(zhì)保障;天然縫與“儲氣庫”連通,致密砂巖氣將及時(shí)有效的傳輸至人工縫;人工縫與井筒的有效勾通,又極大地提高了致密砂巖氣產(chǎn)出效率。多尺度介質(zhì)的合理有效配置將是致密砂巖氣高效產(chǎn)出的決定因素。“串聯(lián)”傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)中,F—M—F配置關(guān)系傳質(zhì)效率最高。M—F—F配置關(guān)系中,雖然傳質(zhì)效率也比較高,但是由于致密砂巖氣在裂縫中傳質(zhì)和基塊中傳質(zhì)是數(shù)量級的差別,基塊中致密砂巖氣主要以擴(kuò)散、滲流的方式首先向裂縫傳質(zhì),而基塊的供氣速度遠(yuǎn)達(dá)不到裂縫的傳質(zhì)能力,供氣不足造成其傳質(zhì)效率仍然不高。

4 結(jié)論

1)裂縫性致密砂巖儲層存在致密基塊—天然裂縫—水力裂縫等多尺度介質(zhì),天然氣產(chǎn)出需要經(jīng)歷基塊孔喉—天然裂縫—水力裂縫等一系列串聯(lián)耦合過程,合理有效的基塊—裂縫配置關(guān)系將是致密砂巖氣高效產(chǎn)出的決定因素。

2)通過建立致密砂巖儲層多尺度地質(zhì)模型,根據(jù)相似原理,創(chuàng)建“串、并聯(lián)”基塊—裂縫巖樣的配置關(guān)系模型,實(shí)驗(yàn)?zāi)M了致密砂巖天然氣的產(chǎn)出過程,為深入研究致密砂巖天然氣產(chǎn)出機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。

3)裂縫巖樣“并聯(lián)”氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)表明,裂縫寬度是影響氣體傳質(zhì)效率的關(guān)鍵參數(shù),天然裂縫傳質(zhì)效率高于人工裂縫;裂縫—基塊巖樣“串聯(lián)”氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)揭示出,裂縫—基塊多尺度配置關(guān)系中,F—M—F配置關(guān)系最優(yōu),氣體傳質(zhì)效率最高。

4)致密砂巖儲層天然裂縫不同程度地發(fā)育,表現(xiàn)出宏觀—微觀多尺度結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,建議氣藏開發(fā)以“儲層保護(hù)與改造并舉”的方針,實(shí)現(xiàn)致密基塊—天然裂縫—水力裂縫合理配置,經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)該類氣藏。

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An experimental study of gasmass-transfer for fractured tight sand gas reservoirs

Yang Jian1,2,KangYili1,Wang Yezhong2,Guo Huazhang3
(1.State Key Laboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exp loitation,Chengdu,Sichuan 610500,Chi2 na;2.Gas Production Engineering Research Institute,Southw est Oil&Gasfield Com pany,PetroChina, Guanghan,Sichuan 618300,China;3.Sichuan University,Chengdu,Sichuan 610011,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 10,pp.39-41,10/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Stimulation measures like hydraulic f racturing are usually required fo r high yields in tight sand gas reservoirs.During its output,natural gas has to get across amulti-scalemedium,i.e.,tightmatrix,natural fractures,and hydraulic fractures,w hich results in amulti-scale effect during the seepage.Mo reover,natural gas has to go through a p rocess of coup lings reaction in series, during w hich a high yield w ill be possibly influenced by any segment.Therefo re,by use of self-designed methods and laborato ry equipments for gasmass-transfer experimentsof series and parallel connections,the influencesof fracture w idth and the configuration between matrix and fracture are discussed on the gasmass-transfer efficiency in tight sand gas reservoirs.In the parallel connection case,the experiments show that fracture width is the key parameter influencing the gas transfer efficiency;w hile w ith fracturew idth of the same order of magnitude,the transfer efficiency of natural fractures is higher than thatof artificial fractures.In the series connection case of matrix and f racture,the experiments show that the fracture -matrix - fracture is the best among the multi-scale configurations,and its co rresponding gas transfer efficiency is the highest.From an integrated study,we suggest that the strategy of both reservoir transfo rmation and p rotection should be taken to achieve reasonable configuration of tight matrix,natural fractures, and hydraulic fractures,thus leading to the efficient development of tight sandstone gas reservoirs.

tight sandstone,reservoir,fracturing,fracture(rock),multi-scale,mass transfer,configuration relations

楊建等.裂縫性致密砂巖儲層氣體傳質(zhì)實(shí)驗(yàn).天然氣工業(yè),2010,30(10):39-41.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.009

博士后基金(編號:20090451422)、國家科技重大專項(xiàng)(編號:2008ZX05022-004-04HZ,2008ZX05045-003-01)、四川省杰出青年學(xué)科帶頭人培養(yǎng)基金項(xiàng)目(07ZQ026-113)。

楊建,1978年生,博士,在站博士后;主要從事非常規(guī)天然氣開發(fā)研究工作。地址:(618300)四川省廣漢市中山大道南二段。電話:13778217039。E-mail:y2000w@sina.com

(修改回稿日期 2010-08-18 編輯 韓曉渝)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.009

Yang Jian,born in 1978,ismainly engaged in postdocto ral research of unconventional gas development.

Add:South Sec.2,Zhongshan Rd.,Guanghan,Sichuan 618300,P.R.China

Mobile:+86-13778217039 E-mail:y2000w@sina.com