唐 康,廖新維,閔忠順,李 濱,高旺來,董 鵬

(1.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249;2.遼河油田勘探開發(fā)研究院,遼寧 盤錦 124010)

引 言

截至2018年,我國天然氣表觀消費量已經達到2 830×108m3,盡管如此,天然氣一次能源占比(7.43%)相較于發(fā)達國家(23.87%)仍有很大差距,因此在未來,我國天然氣表觀消費量仍將保持快速增長的趨勢[1-4]。地下儲氣庫是城市天然氣輸配系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié),它可以很好地緩解城市季節(jié)性用氣不均勻及區(qū)域性用氣不均衡的問題[5-6]。相較于其他儲氣方式,地下儲氣庫具有容量大,儲氣成本最低,而且安全可靠等諸多優(yōu)勢,已經被全世界廣泛采用[7-8]。目前,全球已建成715座地下儲氣庫,其中66%的地下儲氣庫分布在北美、歐盟等地區(qū)的發(fā)達國家[9]。我國儲氣庫的建設起步較晚,21世紀初,我國第一座儲氣庫大港油田大張坨儲氣庫才建成投入使用。經過近20年的發(fā)展,到目前為止,我國已經建成了12個大型儲氣庫群,已投入使用的儲氣庫有25座[10-11]。

地下儲氣庫技術理論是建立在常規(guī)油氣藏開發(fā)理論之上的,然而,儲氣庫運行與常規(guī)油氣藏開發(fā)存在諸多差異,油氣藏開發(fā)是一個低速、單向的物質交換過程,而地下儲氣庫具有高速、大排量和多周期的運行特點[12]。常規(guī)的滲流理論并不能完全適用于儲氣庫領域,因此諸多學者對地下儲氣庫系統(tǒng)的高強度多注采周期下流體滲流規(guī)律展開研究[13-14]。在20世紀70年代,Petrusch開展了儲氣庫注采實驗,分析了儲氣庫高速注采氣與常規(guī)注氣的差異[15]。隨后,更多的學者廣泛開展了地下儲氣庫注采過程的物理模擬研究,他們認為儲氣庫運行過程中,非潤濕注采循環(huán)的增加會導致氣水兩相發(fā)生反復剪切,造成水鎖,從而降低采出過程的氣體采收率[16-17]。曾順鵬對儲氣庫多周期注采過程中的滲流機理進行了研究,實驗表明循環(huán)注采過程中,氣水兩相相對滲透率會發(fā)生改變,從而影響到儲氣庫庫容及注采能力[18]。石磊等借助微觀可視化實驗和核磁共振分析,對氣藏型儲氣庫周期性注采過程滲流特征及儲集空間進行了表征,指出氣水互鎖是降低儲氣庫庫容空間的主要因素[19]。此外,一些學者也圍繞儲氣庫多周期注采應力敏感特征、庫容變化、氣體漏失及水體侵入等方面展開了研究,明確了儲氣庫運行過程與常規(guī)油氣藏開發(fā)的區(qū)別[20-25]。

綜上所述,目前許多學者的研究在儲氣庫滲流機理方面已取得了一些進展,但是多側重于氣藏型儲氣庫氣水兩相滲流特征研究,缺乏針對氣頂油環(huán)這類復雜油藏型儲氣庫多周期注采條件下的氣油體系滲流特征研究。為此,本文基于中國東部的氣頂油藏改建的儲氣庫,根據儲氣庫周期性注采的特點,開展了多周期相滲實驗測試,分析了多周期注采過程中氣水、氣油相滲曲線變化特征;建立了儲氣庫多周期注采過程相對滲透率曲線模型,并繪制了相對滲透率曲線圖版。該研究方法及成果可以為復雜類型儲氣庫庫容設計、動態(tài)分析及數值模擬研究提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

不同類型儲氣庫儲層存在較大差異,實驗樣品取自渤海灣盆地某地下儲氣庫。對儲氣庫目的層進行巖心取樣,并對取樣樣品滲透率進行統(tǒng)計分析(圖1)。選取能夠代表儲層特征的巖心樣品(巖心參數見表1)分別開展氣水和氣油相滲實驗。實驗用水為模擬儲氣庫地層水性質,為NaHCO3型,實驗用油為儲氣庫取樣脫水脫氣原油。

圖1 儲氣庫巖心樣品滲透率統(tǒng)計Fig.1 Permeability statistics of core samples of gas storage

表1 實驗巖心樣品基本物性Tab.1 Basic physical properties of experimental cores

1.2 實驗流程

為了研究地下儲氣庫運行過程中油、氣、水滲流機理及多周期運行對油、氣、水滲流能力的影響,分別開展了儲氣庫天然巖心多周期的氣水、氣油相滲實驗。區(qū)別于氣藏型儲氣庫,氣頂油環(huán)邊底水油藏改建的儲氣庫多相流動更為復雜。在儲氣庫注氣周期內,氣體從構造頂部注氣井注入,地層壓力增加,油環(huán)油和邊底水向下移動,表現為氣驅油和氣驅水過程。而在采氣周期內,氣頂內氣體被采出,氣頂區(qū)壓力降低,油環(huán)油和邊底水又會向上侵入含氣孔隙,形成水驅氣、油驅氣的驅替過程。因此對于氣頂油環(huán)邊底水油藏型的儲氣庫來說,周期性注采過程實際上就是多周期的氣水和氣油互驅過程。針對這一特點,分別設計了多周期氣水、氣油互驅實驗來模擬實際儲氣庫的循環(huán)注采過程。氣水互驅順序依次為：巖心飽和地層水—氣驅水—水驅氣,如此完成4個注采周期的互驅過程。多周期氣油相滲實驗步驟與氣水實驗類似,但是需要在氣驅油之前先建立束縛水。測試方法采用非穩(wěn)態(tài)法,也稱為外部驅動法[26]。非穩(wěn)態(tài)法是以Buckley-Leverett的兩相水驅替前緣推進理論為基礎的,測試過程中忽略了毛管力和重力影響,認為油水飽和度在巖心中的分布是驅替時間、驅替距離的二元函數。具體實驗操作依據《GB/T28912—2012巖石中兩相流體相對滲透率測定方法》進行,在實驗過程中記錄各個時刻的流量及壓力,分別繪制多周期氣水、氣油相滲曲線[27-28]。

2 實驗結果與分析

2.1 多周期氣水相滲實驗結果分析

多周期氣水相滲實驗結果如圖2所示。根據不同周期相滲曲線形態(tài)來看,伴隨注采周期的增加,氣相相對滲透率逐漸降低,出現明顯的周期性相滲滯后現象,而水相相對滲透率周期性滯后效應相對較小。這是因為相對滲透率不僅受巖石孔隙結構影響,還受潤濕性、擴張?zhí)卣骱土黧w在孔隙中分布等因素的影響[29]。流體相占據孔隙空間的方式通常不只一種,因此對于相同的流體相,飽和順序和飽和歷史也會影響流體分布和相對滲透率[30-31]。實驗中巖心的強親水性和氣水兩相界面張力使氣體以孤立氣泡形式存在于孔隙中間。伴隨注采周期的增加,飽和度方向的不斷變化造成氣水反復剪切,大量氣相以非連續(xù)狀態(tài)圈閉于水相中,不能對流動做出貢獻,從而降低了氣相滲流能力[32-33]。多周期的氣水相滲曲線特征值也證實了這一點(圖3),伴隨注采周期增加,束縛水飽和度逐漸降低,而殘余氣飽和度逐漸增加,兩相等滲點向左下方移動。因此,在儲氣庫多周期注采建庫過程中,一方面由于束縛水飽和度減小,含氣孔隙體積會增加,儲氣庫總庫容量會增加,另一方面伴隨注采周期增加,殘余氣飽和度增加,可動用含氣孔隙體積在逐漸減小,儲氣庫的有效庫存量降低。

圖2 多周期氣水相滲曲線Fig.2 Multi-cycle gas-water relative permeability curves of cores

圖3 多周期氣水相滲曲線特征值變化Fig.3 Variation of endpoint values of multi-cycle gas-water relative permeability curves

2.2 多周期氣油相滲實驗結果分析

多周期氣油相滲實驗結果如圖4所示。整體來看,無論是氣相還是油相,同樣出現周期性滯后現象。伴隨周期增加,油相相對滲透率整體向右上方移動,氣相的相對滲透率曲線整體向下移動。這是因為在后續(xù)的循環(huán)注采過程中部分的氣體被困在巖心中,這一部分氣體不會對氣相流動做出貢獻,同時伴隨注采周期的增加,被困的氣體飽和度逐漸增加,因此氣相相對滲透率逐漸降低,而部分原始被油占據的微小孔隙在周期注采過程中被注入氣體逐步取代,越來越多的微小孔隙參與了油相滲透率的貢獻,從而導致了油相相對滲透率的增加。從不同周期來看,其中在第二個周期形態(tài)變化最大,這是因為在前一個周期互驅過程中氣體大量捕獲導致的,而在第三和第四周期中,無論是氣相還是油相,其相滲曲線變化幅度都逐漸減小。從氣油相滲曲線特征值來看(圖5),伴隨注采周期增加,束縛水和殘余氣飽和度逐漸增加,殘余油飽和度持續(xù)降低。束縛水和殘余氣飽和度下對應的油相相對滲透率以及殘余油飽和度下對應的氣相相對滲透率都略微降低,油氣等滲點向右下移動。這說明多周期注采有利于儲氣庫排液擴容,但是運行周期增加會造成氣體損失,有效庫存量會減少。

圖5 多周期氣油相滲曲線特征值變化Fig.5 Variation of endpoint values of multi-cycle injection-production gas-oil relative permeability curves

3 多周期相滲曲線變化模型及圖版分析

3.1 多周期相滲曲線特征值變化模型

(1)多周期氣水相滲特征值模型

以實驗中4個周期氣水相滲實驗數據為基礎,統(tǒng)計不同周期束縛水飽和度及其對應的氣相相對滲透率,以及殘余氣飽和度及其對應的水相相對滲透率。并利用數學回歸進行擬合,確定注采周期與相滲曲線特征值的對數關系,建立多周期氣水相滲曲線特征值模型如下：

Krg(Swi)=-0.083lnx+0.365 5,

(1)

Krw(Sgr)=-0.203lnx+0.707 1,

(2)

Swi=-3.346lnx+55.501,

(3)

Sgr=6.605 5lnx+9.969 1。

(4)

式中：Krg(Swi) 為束縛水飽和度下氣相相對滲透率;Krw(Sgr) 為殘余氣飽和度下水相相對滲透率;Swi為束縛水飽和度,%;Sgr為殘余氣飽和度,%。

(2)多周期氣油相滲特征值模型

以實驗中4個周期氣油相滲驅替實驗數據為基礎,統(tǒng)計不同驅替周期束縛水和殘余氣飽和度及其對應的油相相對滲透率,以及殘余油飽和度及其對應的氣相相對滲透率。確定注采周期與相滲曲線特征值間的關系,建立多周期氣油相滲曲線特征值模型如下：

Krg(Sor)=-0.021lnx+0.267 5,

(5)

Kro(Swi+Sgr)=-0.038lnx+0.536 2,

(6)

Swi+Sgr=2.992 7lnx+54.963,

(7)

Sor=-3.102lnx+21.138。

(8)

式中：Krg(Sor)為殘余油飽和度下的氣相相對滲透率;Kro(Swi+Sgr)為束縛水和殘余氣飽和度下油相相對滲透率;Sor為殘余油飽和度,%。

3.2 多周期注采相滲曲線模型

(1)氣水相滲曲線模型

根據多周期氣水相滲實驗結果,氣水相滲曲線皆為下凹型曲線,相對滲透率與飽和度存在較好的冪函數關系,因此建立了氣水相滲曲線冪函數計算模型：

Krw(Sw)*=Krw/Krw(Sgr)=(Sw*)m,

(9)

Krg(Sw)*=Krg/Krg(Swi)=(1-Sw*)n,

(10)

其中：

Sw*=(Sw-Swi)/(1-Swi-Sgr)。

(11)

式中：Krw(Sw)*為標準化后的水相相對滲透率;Krg(Sw)*為標準化后的氣相相對滲透率;Sw*為標準化后的水相飽和度;m為水相相對滲透率曲線指數;n為氣相相對滲透率曲線指數。

基于氣水相滲實驗數據,進一步計算不同注采周期下相滲曲線氣相指數和水相指數,并利用線性回歸方法推導了注采周期與氣相、水相指數的關系如下：

m=0.634 2lnx+3.116 1,

(12)

n=0.297 9lnx+2.720 8。

(13)

(2)氣油相滲曲線模型

根據多周期氣油相滲實驗結果,選擇冪函數對氣油相滲曲線進行表征,建立多周期氣油相滲曲線計算模型。

Kro(Sg)*=Kro/Kro(Sgr+Swi)=(1-Sg*)p,

(14)

Krg(Sg)*=Krg/Krg(Sor+Swi)=(Sg*)q,

(15)

其中：

Sg*=(Sg-Sgr)/(1-Sgr-Sor-Swi)。

(16)

式中：Kro(Sg)*為標準化后的油相相對滲透率;Krg(Sg)*為標準化后的氣相相對滲透率;Sg*為標準化后的氣相飽和度;p為油相相對滲透率曲線指數;q為氣相相對滲透率曲線指數。

基于氣油相滲曲線數據,分別計算油相和氣相指數,并利用對數關系進行回歸分析,建立注采周期與油相、氣相指數關系如下：

p=-0.87lnx+4.166 2,

(17)

q=0.859 6lnx+2.310 6。

(18)

3.3 多周期相滲曲線圖版

(1)多周期氣水相滲曲線圖版

根據相滲曲線指數與注采周期數的關系,進一步預測不同注采周期的水相和氣相相滲曲線指數,并利用相滲曲線計算模型得到不同注采周期的標準化相滲曲線,結合相滲曲線特征值計算模型,計算出不同周期對應的相滲曲線特征值,再通過端點標定得到真實的兩相相滲曲線。筆者預測了10個注采周期后的氣水相滲曲線圖版(圖6),從中可以看出,伴隨注采周期增加,氣相相對滲透率明顯降低,但是降幅逐漸減少,而水相相對滲透率略有增加,整體變化不大,兩相等滲透點向左下方移動。

圖6 多周期氣水相滲曲線圖版Fig.6 Multi-cycle injection-production gas-water relative permeability curve chart

(2)多周期氣油相滲曲線圖版

同理,預測了10個注采周期后的氣油相滲曲線圖版(圖7)。從相滲曲線來看,伴隨注采周期增加,油相相對滲透率逐漸增加,其增幅隨周期增加逐漸減少,而氣相相對滲透率則呈現相反的變化趨勢,兩相等滲透點向右下方移動。同氣水相滲圖版類似,其中第二個周期,油相和氣相的相滲曲線變化幅度最大,在后續(xù)的周期運行過程中,其偏移程度逐漸減小。

圖7 多周期氣油相滲曲線圖版Fig.7 Multi-cycle injection-production gas-oil relative permeability curve chart

4 結 論

(1)多周期氣水相滲實驗表明,伴隨注采周期增加,氣相相對滲透率逐漸降低,呈現出明顯的周期性滯后現象,說明相對滲透率不光是飽和度的函數,也與飽和順序和飽和歷史相關,而水相相對滲透率略微增加,周期性滯后效應較小。此外,伴隨周期增加,殘余氣飽和度逐漸增加,束縛水飽和度緩慢降低。

(2)多周期氣油相滲實驗中,伴隨注采周期增加,油相和氣相相對滲透率均呈現出不同程度的周期性滯后現象,其中油相相對滲透率逐漸增加,而氣相相對滲透率顯著降低,但是整體來看油相和氣相的周期性滯后效應影響隨注采周期的增加逐漸減小,并且殘余油飽和度隨周期增加逐漸降低。

(3)基于多周期氣水和氣油相滲實驗,分別建立了相滲曲線特征值模型和相滲曲線模型,并繪制了多周期氣水、氣油相滲曲線圖版,對10個注采周期氣水、氣油相滲曲線進行了預測。結果表明多周期注采有利于儲氣庫排液擴容,但是同時伴隨著氣體損失,油相滲流能力會增加,但是氣相滲流能力會顯著降低。