胡 勇，徐 軒，郭長(zhǎng)敏，袁 權(quán)，楊小芳

1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司天然氣成藏與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065007；3.中國(guó)石油西南油氣田分公司川中油氣礦，四川 遂寧 629000；4.中國(guó)石油天津大港油田鉆采工藝研究院采油技術(shù)中心，天津 大港 300280

致密砂巖氣藏儲(chǔ)層孔喉中氣體分子運(yùn)動(dòng)特征*

胡 勇1，2，徐 軒1，2，郭長(zhǎng)敏1，2，袁 權(quán)3，楊小芳4

1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司天然氣成藏與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065007；3.中國(guó)石油西南油氣田分公司川中油氣礦，四川 遂寧 629000；4.中國(guó)石油天津大港油田鉆采工藝研究院采油技術(shù)中心，天津 大港 300280

氣藏儲(chǔ)層巖石孔喉細(xì)小，連通關(guān)系極其復(fù)雜，研究氣體分子在其中的運(yùn)動(dòng)特征對(duì)于氣藏開(kāi)發(fā)工程具有重要意義。通過(guò)氣體分子運(yùn)動(dòng)、多孔介質(zhì)孔喉特征和實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：低滲致密儲(chǔ)層巖石孔喉中，氣體分子運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出黏性流和擴(kuò)散流兩種形態(tài)；當(dāng)?shù)貙訅毫^高時(shí)，氣體分子平均自由程遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖石孔喉直徑，表現(xiàn)出黏性流，對(duì)氣井產(chǎn)能貢獻(xiàn)大；當(dāng)?shù)貙訅毫^低時(shí)，氣體分子平均自由程接近甚至大于巖石孔喉直徑，表現(xiàn)出擴(kuò)散流，對(duì)氣井產(chǎn)能貢獻(xiàn)小。在氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，針對(duì)滲流場(chǎng)中某一特定位置，氣體需要特定能量才能產(chǎn)生有效流動(dòng)，這種使氣體產(chǎn)生有效運(yùn)動(dòng)的能量即為氣體滲流啟動(dòng)壓力。采用了兩種實(shí)驗(yàn)方法對(duì)這一參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，一種是經(jīng)典的流量–壓差方法；一種是氣藏衰竭開(kāi)采物理模擬實(shí)驗(yàn)方法；對(duì)該參數(shù)取得了一定程度認(rèn)識(shí)。

致密砂巖；氣藏儲(chǔ)層；氣體分子運(yùn)動(dòng)；啟動(dòng)壓力

胡 勇，徐 軒，郭長(zhǎng)敏，等．致密砂巖氣藏儲(chǔ)層孔喉中氣體分子運(yùn)動(dòng)特征[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，36（4）：101–106．

Hu Yong,Xu Xuan,Guo Changmin,et al．The Molecular Motion of Natural Gas in the Pore and Throat of Tight Sand Rock[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2014，36（4）：101–106．

引言

近年來(lái)，隨著致密砂巖氣、頁(yè)巖氣等非常規(guī)氣投入勘探與開(kāi)發(fā)，在氣體滲流機(jī)理方面面臨眾多難題亟待科研攻關(guān)，比如致密儲(chǔ)層巖石微細(xì)孔喉中的氣體分子運(yùn)動(dòng)、氣體滲流啟動(dòng)壓力、實(shí)驗(yàn)研究方法等[1-8]。本文通過(guò)氣體分子運(yùn)動(dòng)、多孔介質(zhì)孔喉特征和實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行研究，特別是對(duì)于氣藏儲(chǔ)層孔喉中氣體滲流啟動(dòng)壓力的存在基礎(chǔ)及重要意義，實(shí)驗(yàn)測(cè)試新方法等進(jìn)行了研究，得出了一些新的認(rèn)識(shí)和看法，對(duì)于氣藏開(kāi)發(fā)工程應(yīng)用具有一定意義。

1 常見(jiàn)氣體平均有效直徑與巖芯喉道特征

圖1 巖芯喉道尺寸與氣體分子直徑之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between size of core throat and diameter of gas molecule

分析了巖芯喉道尺寸與氣體分子直徑之間的關(guān)系（圖1），結(jié)果表明，即使是致密儲(chǔ)層巖芯，其喉道直徑絕大部分在0.001μm以上，是單個(gè)氣體分子直徑的10倍左右，因此，對(duì)于單個(gè)氣體分子而言，在致密巖芯中也可以暢通無(wú)阻。

2 氣體分子平均自由程和孔喉尺度（平均孔喉直徑）關(guān)系

氣體分子無(wú)時(shí)無(wú)刻都在做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，一般采用氣體分子平均自由程進(jìn)行描述。

式中：

λ—分子平均自由程，m；

p—壓強(qiáng)，Pa；

T—開(kāi)氏溫度，K，1°C=273.15 K；

K—波爾茲曼常數(shù)，K=1.38066×10?23J/K；

d—分子直徑，m。

儲(chǔ)層巖芯孔隙喉道分布極其散亂，為非均勻多孔介質(zhì)，孔喉關(guān)系復(fù)雜。計(jì)算表明，對(duì)于小于1.0 mD的巖芯，30%～50%的孔喉小于壓力0.1 MPa時(shí)空氣、氮?dú)?、甲烷的分子平均自由程?0%～55%的孔喉小于壓力0.05 MPa時(shí)空氣、氮?dú)?、甲烷的分子平均自由程，在?xì)小的孔喉中，大量分子無(wú)序運(yùn)動(dòng)（圖2）。

圖2 氣體分子平均自由程和孔喉尺度（平均孔喉直徑）關(guān)系Fig.2 Relationship between average free path of gas molecule and scale of pore throat（average diameter of pore throat）

3 巖芯孔、喉中氣體分子運(yùn)動(dòng)與滲流特征

3.1 巖芯模型參數(shù)

巖芯模型的參數(shù)（圖3）：巖芯半徑R，長(zhǎng)度L，孔隙度?，孔喉平均半徑r。

圖3 巖芯模型Fig.3 Core sample

3.2 多孔巖芯中氣體分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律

對(duì)于氣藏來(lái)說(shuō)，原始地層壓力一般都在30 MPa以上，氣體分子平均自由程非常小，在氣藏衰竭開(kāi)采過(guò)程中，隨地層壓力下降，氣體分子平均自由程逐漸增加，因此，在氣藏開(kāi)過(guò)程中，氣體分子平均自由程由小變大，巖芯孔、喉中氣體滲流往往表現(xiàn)出高壓黏性流和低壓擴(kuò)散流兩種狀態(tài)。依據(jù)菲克第一定律和哈根–泊肅葉定律，氣體流過(guò)巖芯截面的體積流量可以表示為

式中：Q—流過(guò)巖芯截面的氣體體積流量，mL/min；T0—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度，K；p0—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力，Pa；R—巖芯半徑，cm；r—巖芯孔喉平均半徑，μm；?—巖芯孔隙度，%；ph—巖芯上游壓力，MPa；pL—巖芯下游壓力，MPa；L—巖芯長(zhǎng)度，cm；μ—?dú)怏w黏度，mPa·s；Te—環(huán)境溫度，K。

4 巖芯孔、喉中氣體滲流啟動(dòng)壓力的定義與存在條件分析

4.1 啟動(dòng)壓力

廣義定義：巖芯孔隙內(nèi)的氣體能夠產(chǎn)生流動(dòng)的最小動(dòng)力。狹隘定義：采用實(shí)驗(yàn)手段無(wú)法檢測(cè)氣體流量時(shí)巖芯孔隙壓力。

4.2 存在條件分析

根據(jù)式（2），巖芯孔、喉中氣體滲流啟動(dòng)壓力產(chǎn)生的條件主要有3個(gè)：

（1）r=0，氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中孔、喉發(fā)生堵塞，引起的原因主要有氣水運(yùn)移過(guò)程中的二次分布滯留，巖石應(yīng)力敏感性。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法及結(jié)果

5.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

傳統(tǒng)的測(cè)試方法為壓差流量法[9-14]，利用測(cè)試流量與測(cè)試壓力關(guān)系進(jìn)行函數(shù)擬合來(lái)確定啟動(dòng)壓力。

本文建立了長(zhǎng)巖芯多點(diǎn)測(cè)壓實(shí)驗(yàn)方法[15]，主要實(shí)驗(yàn)方法和步驟如下：（1）將實(shí)驗(yàn)巖芯裝入巖芯夾持器中，加圍壓至40 MPa（模擬上覆巖層壓力）；（2）連接氣源，向巖芯飽和氣至壓力平衡在20 MPa左右（模擬氣藏原始儲(chǔ)層壓力），飽和氣完畢即關(guān)閉氣源；（3）設(shè)置一定流量模擬氣藏進(jìn)行定容衰竭開(kāi)采，記錄流量、邊界壓力、時(shí)間等參數(shù)，分析相關(guān)參數(shù)；（4）實(shí)驗(yàn)檢測(cè)不到氣流量或巖芯各測(cè)點(diǎn)壓力基本保持不變時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)結(jié)束各測(cè)點(diǎn)壓力即為對(duì)應(yīng)位置的滲流啟動(dòng)壓力。

5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

5.2.1 傳統(tǒng)方法數(shù)據(jù)處理

圖4 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試的氣流量與氣驅(qū)壓力的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between gas flow rate and drive pressure measured by traditional experimental method

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)處理方法是根據(jù)壓力與氣流量的關(guān)系進(jìn)行函數(shù)擬合求取，實(shí)驗(yàn)初始?jí)毫υ降?，得到的值越接近于真?shí)的啟動(dòng)壓力。針對(duì)一塊巖芯，其巖芯長(zhǎng)度是固定的，因此在一次實(shí)驗(yàn)中只能求取一個(gè)值。圖4給出了一組巖芯實(shí)驗(yàn)實(shí)例，巖芯滲透率為0.061 mD，孔隙度為7.30%，測(cè)試在含水飽和度Sw分別為48.9%，41.8%，36.4%，22.2%時(shí)的氣流量與氣驅(qū)壓力關(guān)系，通過(guò)該關(guān)系曲線可以進(jìn)行函數(shù)擬合，求取氣相滲流啟動(dòng)壓力。長(zhǎng)巖芯多點(diǎn)測(cè)壓實(shí)驗(yàn)方法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)各測(cè)點(diǎn)壓力直接確定對(duì)應(yīng)位置處的啟動(dòng)壓力。圖5給出了一組衰竭開(kāi)采實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)用巖芯滲透率0.061 mD，孔隙度5.87%，含水飽和度分別為71.1%，53.6%，31.6%時(shí)開(kāi)展了衰竭開(kāi)采物理模擬實(shí)驗(yàn)，記錄衰竭開(kāi)采末期巖芯不同位置的孔隙壓力，根據(jù)該壓力可以確定巖芯不同位置氣相滲流的啟動(dòng)壓力。

圖5 衰竭開(kāi)成物理模擬實(shí)驗(yàn)方法Fig.5 Experiment method for physical simulation of depletion drive

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)3塊不同滲透率巖芯在不同含水飽和度下進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出：氣相滲流啟動(dòng)壓力與巖芯滲透率、含水飽和度大小存在密切關(guān)系，巖芯滲透率越低，含水飽和度越高，則氣相滲流啟動(dòng)壓力越大。如表1中滲透率為0.061 mD的巖芯，氣相滲流啟動(dòng)壓力均在0.1 MPa以上，隨含水飽和度增加而增加；滲透率為4.03 mD的巖芯，氣相滲流啟動(dòng)壓力均在0.01 MPa以下，表明氣相在這類(lèi)巖芯中滲流能力比較強(qiáng)。

表1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results by traditional experimental method

采用長(zhǎng)巖芯多點(diǎn)測(cè)壓實(shí)驗(yàn)方法對(duì)4組不同滲透率巖芯在不同含水飽和度下進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可以看出：對(duì)于滲透率為1.63 mD的巖芯，含水飽和度等于或小于38.9%時(shí)，在巖芯長(zhǎng)度0.52 m的范圍內(nèi)難以測(cè)到氣相滲流啟動(dòng)壓力，含水飽和度55.0%時(shí)，可以檢測(cè)到不同位置的氣相滲流啟動(dòng)壓力；對(duì)于滲透率為0.58，0.175 mD的巖芯，在含水飽和度大于30.0%的時(shí)均能檢測(cè)到氣相滲流啟動(dòng)壓力，且隨含水飽和度增加而增加。

表2 長(zhǎng)巖芯多點(diǎn)測(cè)壓實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results by long core with multi-point pressure measurement

6 結(jié) 論

（1）氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，隨著地層壓力下降，氣體分子平均自由程和儲(chǔ)層巖石孔喉均在發(fā)生變化，當(dāng)?shù)貙訅毫^高時(shí)，氣體分子平均自由程遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖石孔喉半徑，表現(xiàn)出黏性流，對(duì)氣井產(chǎn)能貢獻(xiàn)大；當(dāng)?shù)貙訅毫^低時(shí)，氣體分子平均自由程與接近甚至大于巖石孔喉半徑，表現(xiàn)出擴(kuò)散流，對(duì)氣井產(chǎn)能貢獻(xiàn)小。

（2）致密砂巖氣藏儲(chǔ)層孔、喉中氣體分子運(yùn)動(dòng)與孔喉尺寸、長(zhǎng)度、氣體能量等密切相關(guān)。

（3）滲流場(chǎng)針對(duì)某一特定位置氣體需要特定能量才能產(chǎn)生有效流動(dòng)，這一特定能量即為氣體滲流啟動(dòng)壓力。采用兩種方法對(duì)這一參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)處理方法是根據(jù)壓力與氣流量的關(guān)系進(jìn)行函數(shù)擬合求取，實(shí)驗(yàn)初始?jí)毫υ降?，得到的值越接近于真?shí)的啟動(dòng)壓力，針對(duì)一塊巖芯，其巖芯長(zhǎng)度是固定的，因此在一次實(shí)驗(yàn)中只能求取一個(gè)值；采用長(zhǎng)巖芯多點(diǎn)測(cè)壓實(shí)驗(yàn)方法可以一次性測(cè)試不同位置的壓力值。

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編輯：牛靜靜

編輯部網(wǎng)址：http：//zk.swpuxb.com

The Molecular Motion of Natural Gas in the Pore and Throat of Tight Sand Rock

Hu Yong1，2,Xu Xuan1，2,Guo Changmin1，2,Yuan Quan3,Yang Xiaofang4
1.Research Institute of Exploration and Development，PetroChina，Langfang，Hebei 065007，China 2.The Key Laboratory of Gas Reservoir Formation and Development，PetroChina，Langfang，Hebei 065007，China 3.Central Sichuan Division of Southwest Oil&Gasfield Company，PetroChina，Suining，Sichuan 629000，China 4.Drilling&Production Technology Research Institute of Dagang Oilfield Company，PetroChina，Dagang，Tianjin 300280，China

As the pore and throat of tight sand rock are very thin and connection relation is especially complex，studying the molecular motion of natural gas is very important for gas reservoir exploitation.So we did many experimental tests and get some useful results which show that there are two kind of shapes for gas flow in tight sand rock.Under high reservoir pressure，the gas molecular mean free path is much smaller than the pore diameter so it is viscous flow and is good for gas production. Under low reservoir pressure，the gas molecular mean free path is close to or even bigger than the pore diameter，and it is diffusive flow and is bad for gas production.The gas in the vadose region can flow effectively only with enough energy.The energy is the kickoff pressure that make gas flow.The kickoff pressure is different in different position，and there is a function between the kickoff pressure and the vadose region.Two experimental methods have been used to test the function.

tight sandstone；gas formation；the molecular motion of gas；kickoff pressure

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11885/j.issn.1674-5086.2012.10.25.01.html

胡勇，1978年生，男，重慶人，高級(jí)工程師，博士研究生，主要從事石油天然氣開(kāi)發(fā)與實(shí)驗(yàn)研究工作。E-mail：huy69@petrochina.com.cn

徐軒，1984年生，男，漢族，湖北荊門(mén)人，工程師，博士，主要從事油氣藏滲流實(shí)驗(yàn)與開(kāi)發(fā)研究工作。E-mail：xuxuan69@petrochina.com.cn

郭長(zhǎng)敏，1976年生，女，漢族，河南潢川人，工程師，碩士，主要從事油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)方面的研究。E-mail：guochangm69@petrochina.com.cn

袁權(quán)，1982年生，男，漢族，四川南充人，工程師，碩士，主要從事油氣田開(kāi)發(fā)方面的研究。E-mail：yuanquan01@petrochina.com.cn

楊小芳，1979年生，女，漢族，浙江新昌人，工程師，主要從事試油采油方面的研究。E-mail：yeyxf@163.com

10.11885/j.issn.1674-5086.2012.10.25.01

1674-5086（2014）04-0101-06

TE37

A

2012–10–25 < class="emphasis_bold"> 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2014–07–02

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“致密砂巖氣有效開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)技術(shù)”（2011ZX05013–002）；黑龍江省自然科學(xué)基金（ZD201312）。