低渗透气藏开发机理研究进展

朱华银 朱维耀 罗瑞兰

1.北京科技大学 2.中国石油天然气集团公司天然气成藏与开发重点实验室

低渗透气藏开发机理研究进展

朱华银1,2朱维耀1罗瑞兰2

1.北京科技大学 2.中国石油天然气集团公司天然气成藏与开发重点实验室

我国低渗透气藏处于开发早期,尚有许多机理问题有待研究解决。通过对当前研究较多的气水渗流机理、储层应力敏感性、非均质储层供气机理等进行总结分析后认为:我国低渗透气藏大多是陆相沉积储层,孔隙结构复杂,非均质性强,孔隙内气水分布与渗流机理复杂,存在低速非线性渗流特征;不同地区、不同类型储层岩石应力敏感特征不同,储层应力敏感性对气藏开发的影响及其在实际生产中的表象还需要进一步加强研究;依据储层地质特征建立的非均质储层供气动态物理模拟方法,为研究分析不同渗透性储层区域的供气机理和能力提供了手段,也为研究非均质低渗气层的动用条件,预测低渗透气藏的动用程度以及优化井网部署、气井配产、产能预测等提供了理论基础和技术依据。

低渗透油气藏 开发 渗流 机理 应力敏感 储集层 进展

我国低渗透油气资源丰富,近几年新增探明油气储量中,低渗透比例达到70%,在鄂尔多斯、川渝、塔里木、大庆等地区均有大量分布。在2009年于北京召开的中国低渗透(致密)油气勘探开发技术研讨会上,多位专家提出低渗透资源将是中国未来油气发展的主流[1]。因此,搞好低渗透气藏的开发对天然气工业发展将起到重要的作用。

然而,我国低渗透天然气开发起步较晚,传统的渗流理论和气藏工程方法无法完全满足低渗透气藏开发的需求,低渗透气藏渗流机理与中高渗透气藏存在较大差异,其影响因素多,情况错综复杂,目前对地层条件下的气水渗流规律,储层在开发过程中的变化特征,非均质储层不同区域的供气机理等还不是很清楚,需要加强基础研究,掌握低渗透气藏开发的特点规律,抓准影响开发效果的主要矛盾,才能有针对性地采取措施,形成配套技术,提高气井产量和最终采收率。

1 低渗透气藏开发机理问题探讨

我国大多数低渗透气藏具有低孔隙度、低渗透率、高含水饱和度、高应力敏感性、高毛细管压力、胶结物和泥质含量较高等特点,致使其开发机理与中高渗透气藏具有明显的不同。

1.1 非线性渗流机理

对于低渗透气藏非线性渗流的研究,目前研究较多的是气体滑脱效应和启动压力梯度。早在1941年,克林肯贝格在实验中就发现了气体在微细毛管孔道中流动时存在滑脱效应,滑脱效应的大小受气体分子大小、毛细管大小和气体平均压力等因素影响[2]。对于某一特定的低渗透气藏,开发过程中其气体组分变化不大,滑脱效应影响程度的大小主要由储层岩石孔隙大小(或渗透率)和气藏压力共同决定,岩石越致密,渗透率越低,气藏压力越低,则滑脱效应越显著。2007年,罗瑞兰等人通过实验和计算,分析了滑脱效应对储层渗流的影响程度,认为只有在超低渗透的致密储层中,在低压条件下滑脱效应对气体的渗流流量才会体现出一定的影响[3],例如当储层有效渗透率大于0.1 mD、地层平均压力大于5 M Pa时,滑脱效应对气体渗流量的影响程度小于5%。因此,可以认为,滑脱效应只是一个在室内低压实验时需要注意的参数,而在实际气藏的生产过程中,由于地层压力一般都较高(即使到衰竭开采后期井底压力一般也会在2 M Pa以上),不论是中高渗透还是低渗透气藏,都不需要考虑滑脱效应的影响。

启动压力梯度定义为作用在流体上的压差达到一定程度时,流体克服黏滞力开始流动时的压力梯度。在低渗透气藏中,气体渗流是否存在启动压力梯度以及启动压力梯度产生的条件一直是石油工作者研究和争论的焦点之一。持肯定观点的学者认为天然气在高温高压条件下与孔隙界面会产生一定的界面效应,或因为孔隙中水的存在而致使气体渗流存在一定的启动压力梯度。持否定观点的研究人员认为天然气分子小,易于流动,在孔隙介质中流动不存在启动压力梯度,如果说因为孔隙中含有一定饱和度的水而致使气体在某些条件下不流动,应归于两相渗流的问题。笔者认为:启动压力梯度概念能较好的反映气体流动的动态特征,综合反应了储层物性、含水及驱动压力对气体渗流的影响,在渗流方程中引入启动压力梯度,能更好地描述低渗储层的渗流特征,确定气井的有效动用范围,为低渗气藏开发井距的确定和井网优化部署提供依据。根据实验分析,同一物性岩样,含水饱和度越大,启动压力梯度越大;岩石物性越差,启动压力梯度越大,并且受含水饱和度影响更显著(图1)。

图1 岩心测试启动压力梯度图

1.2 储层孔隙中水的可流动性

我国低渗透砂岩气藏含水饱和度较高,如苏里格气田大多在40%～80%之间,广安须家河组气藏多在50%～75%之间(岩心分析数据统计)。对于开发过程中地层水是否会流动,开展了一系列的实验研究。一种方法是选取钻井取心的新鲜岩样,运用核磁测试确定其含水饱和度,该方法能区分出其中的束缚水和可动水[4]。通过苏里格气田2口井的岩心分析表明,其可动水饱和度多在1%～5%之间。再就是将岩样饱和水后进行不同压差气驱实验,结果表明,随着气驱压力的逐步增大,岩样中的含水饱和度逐渐减小,表明孔隙中的残余水饱和度与气驱压差存在一定关系,气流速度的增大将带动水的流动。另外从微观玻璃可视化模型的驱替实验可清晰地观测到,当气驱水的驱替压力较小时(气流速度小),首先驱动的是相对大孔隙中的水,随着气驱压力的增大,逐渐将小一些孔隙中的水驱动。气驱水实验结束后孔隙中的残余水主要是由于卡断和绕流现象形成,赋存在喉道、盲孔和细小喉道包围的孔隙中[5],低渗储层由于孔隙吼道细小、孔喉比大,卡断和绕流现象将更为明显,形成的残余水饱和度更高。

1.3 储层应力敏感性

低渗透储层岩石孔隙结构复杂,吼道细小,应力的变化致使其孔喉细微的变化,就可能引起其渗透率相对值的较大变化,产生较强的应力敏感性。对于不同类型储层由于岩石矿物与孔隙结构的差异,其孔隙度和渗透率随有效压力的变化特征有所不同,总的来说,低渗透储层开发过程中的渗透率随有效压力的变化均可用幂函数表达,初始渗透率越低,下降速率越快,下降幅度越大。但不同类型储层又有很大的差异,除裂缝型储层和孔隙型差别很大外,不同地区不同岩类的渗透率随有效压力变化也有很大的不同。研究中选取常规渗透率相近(K=0.3～0.6 mD)的不同气藏岩样进行实验,结果如图2所示。随着有效压力的增大,大庆火山岩的渗透率下降慢,下降幅度小;苏里格气田渗透率下降速率最快。在相同有效压力下的渗透率下降幅度大小依次是:苏里格砂岩>川渝上三叠统须家河组砂岩>塔里木迪那砂岩>大庆火山岩。

图2 不同地区岩样应力敏感性比较图

对于储层应力敏感性的研究,重点还要分析其对气藏开发的影响,目前很多研究者通过在产能方程中引入一个考虑应力敏感的系数,评价储层应力敏感性对气井产能的影响,进而分析其对气藏开发的影响。但是,对于该系数的确切定义和取值范围还没有一个统一的标准,很多都是假设一组数据来评价应力敏感性对气井产能的影响,不能解决实际生产的问题。近年来中国石油勘探开发研究院廊坊分院在这方面做了一些研究性的探索,其一是通过岩心实验分析求取应力敏感系数,其二是通过试井分析方法确定应力敏感系数,在此基础上再分析应力敏感性对气井产能和开发动态的影响[6-7],初步将室内实验分析、理论研究和生产应用进行了有机的结合。

1.4 非均质储层供气机理

我国油气储层以陆相碎屑岩为主,具有砂体规模小,平面上连通性差,非均质性强的特点。因此,在气田开发中通常将储层划分为好(Ⅰ类)、中(Ⅱ类)、差(Ⅲ类)和非有效(Ⅳ类)四类,其中Ⅰ、Ⅱ类为较好的产层,Ⅲ类为低产层,Ⅳ类为难动用储层。但实际生产和研究表明,低渗透储层中随着生产压差的增大和流动状况的改善,部分低效层(Ⅲ、Ⅳ类层)将逐步动用[8-14]。如何评价低效层的动用条件与供气能力,目前国内外开展的研究都不多,主要根据矿场生产资料或数值模拟方法进行了研究,认为非均质低渗透气藏低效储层的动用能力与其自身渗透率和含气饱和度以及储层应力敏感性、井附近渗透率、气井初期产量、气井工作制度等多种因素有关[10-15]。为了更直观地研究低渗透储层的供气机理与供气能力,我们结合低渗透气藏地质特征与生产条件,利用现代物理模拟技术,建立了平面非均质储层供气机理物理模型,开展室内物理模拟实验,对非均质低渗气藏的产量、压力、动用程度等参数进行模拟分析和研究。物理模型的建立主要考虑渗透率相似与过岩心截面的流量相似的准则,采用两个岩心夹持器串联,装入不同渗透率岩样,分别代表高渗透区和低渗透区,实验流程如图3所示。通过不同方案的实验分析得到以下几点认识。

1)实验能较好地模拟不同渗透率岩心组合模型衰竭开采时的压力、流量变化规律,对同一组模型在不同配产条件下模拟生产,分析不同时间高、低渗透区的压力变化特征,随着气体的采出,高、低渗透区压力都随时间下降,生产初期,压力下降很快,且高渗区压力下降速率比低渗区的要快,生产后期压力下降速率趋缓。随配产增大,高渗透区压力下降增快非常明显,尤其是生产初期,压力迅速下降;低渗区压力也随着配产的增大压力下降速率加快,但当配产增大到一定程度时,其压力下降速率趋缓。这一现象说明,低渗透区存在动用极限,配产高至一定程度后再增大,对外围低渗透区的影响程度已到极限。

图3 平面非均质储层供气机理模型和实验流程示意图

2)开采初期,以高渗透区供气为主,高渗透区产量远大于低渗透区产量;开采后期即稳产期结束后,高渗透区产量递减很快,而低渗透区产量递减比较缓慢,且低渗透区产量贡献率逐渐增大,即生产后期小产量生产时以低渗透区供气为主(图4)。低渗透区渗透率越高,则产量贡献率越大。

图4 不同渗透率区产量曲线图

3)单井外围低渗透区渗透率大小对高渗透区采收率影响不大,对低渗透区的采收率影响显著,随着低渗透区渗透率的降低,其采收率也降低,说明低渗透储层存在渗透率下限,当渗透率低于下限值时,采出气量有限。

2 低渗透气藏开发机理研究发展方向

随着我国低渗透油气藏开发的规模化发展,开发机理方面的研究也随之蓬勃发展,通过调研分析,笔者认为在基础理论和生产实际应用中,还需要加强以下几个方面的研究。

1)地层条件下水的赋存状态与开发过程中的流动特征研究,宏观上低渗透气藏的气水分布关系复杂,微观上孔隙内含水多少和水的赋存状态对气体渗流影响显著,需要通过生产测试和实验分析进行深入研究。

2)对于储层应力敏感性的研究需要进一步结合生产实际,目前这方面在实验室的研究较多,在实际生产中储层应力敏感性是如何表现的,通过什么方法或哪些参数可以识别,它对气藏开发的影响具体如何体现等一系列的问题尚不清楚。

3)低渗透储层有效动用的渗透率下限与动用条件问题,国外有些致密气藏的储层有效渗透率低至0.001 mD也能有效开发,而我国大多数低渗透气藏的有效储层下限确定为0.1 mD,对于渗透率低于该界限的储层是否可动用,具有多大的潜力,需要哪些技术条件才能有效开发,目前这方面的研究还不多。

4)在低渗储层有效动用范围与采收率评价方面,对于苏里格这类非均质性较强的储层,有效砂体叠置多样,横向上和纵向上的连通性都十分复杂,如何确定单井的有效动用范围,单井控制范围的采收率与整个气田(或区块)的采收率如何评价等都需要深入研究。

5)对于机理研究成果的应用还需要结合实际地质条件,通过气藏工程和其他工程技术的应用,才能为提高气田的开发效益服务。具体来说还需要在气井的合理配产、井网井距优化与部署、提高气田采收率等方面如何进一步应用开发机理等基础研究得到的规律性认识。

3 结束语

1)低渗透气藏储层中气水渗流复杂,影响因素多,应加强气水两相渗流机理研究。

2)低渗透储层岩石在实验分析中均表现出应力敏感特征,不同地区和不同岩石类型具有差异性,在实际生产中的储层应力敏感性表现形式及其对开发的影响还需要深入研究。

3)平面非均质低渗透气藏外围低渗区对气井生产具有一定补给作用,越到生产后期(气井低压小产期),其产气贡献率越来越大,但补给作用的大小受储层渗透率影响。

4)开发机理研究成果需要进一步通过气藏工程和其他工程技术的应用,才能更好地为气田开发生产服务。

[1]中国石油新闻中心.低渗透油气藏成为勘探开发主战场——中国低渗透油气勘探开发的现状与未来[EB/OL]. (2009-04-03).http:∥www.oilnew s.com.cn/zgsyb/system/2009/04/03/001231694.shtm l.

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Research progress in the developmen tmechan ism of low-permeability gas reservoirs

Zhu Huayin1,2,Zhu Weiyao1,Luo Ruilan2
(1.Beijing University of Science&Technology,Beijing 100083,China;2.Key L aboratory of Gas Reservoir Form ation and Development,CN PC,Langfang,Hebei 065007,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 11,pp.44-47,11/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

In China,the development of low-permeability gas reservoirs is still at the early stage.Therefo re,many issues of mechanisms await solutions.After summarizing and analyzing the gas/water flow,stress sensitivity and seepagemechanism of heterogeneous reservoirs,we have draw n the follow ing conclusions:the low-permeability gas reservoirs in China are featured mostly by continental sedimentary,complex pore structuresand distribution of gas/water,strong heterogeneity,and non-linear seepage.Characteristics of stress sensitivity are different in different districts and w ith different typesof rocks.The influenceof stress sensitivity on the development of gas reservoirs and its rep resentations in p ractice need further study.Dynamic physical simulation of gas supp ly in a heterogeneous reservoir based on its geological features p rovidesmethods fo r studying and analyzing themechanism s and capability of gas supp ly at different-permeability strata of a gas reservoir.Meanw hile,it also p rovides theo retical and technical foundations fo r studying the development conditions of heterogeneous gas reservoirs,p redicting the gas p roducing reserves w ith low permeability, and op timizing the gas well networks,p roduction p roration and p roductivity p rediction,etc..

low-permeability gas reservoir,development,seepage mechanism,stress dependent,reservoir gas supp ly,formation, p rogress

国家科技重大专项“低渗、特低渗透油气田经济开发关键技术”(编号:2008ZX05013)。

朱华银,1967年生,高级工程师,博士,北京科技大学在站博士后;主要从事天然气开发与实验研究工作。地址: (100083)北京市学院路30号。电话:(010)69213134。E-mail:zhy88503@sina.com

朱华银等.低渗透气藏开发机理研究进展.天然气工业,2010,30(11):44-47.

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.11.011

(修改回稿日期 2010-08-27 编辑 韩晓渝)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.11.011

Zhu Huayin,senior engineer,bo rn in 1967,isworking at the postdoctoral station of Beijing University of Technology,being mainly engaged in natural gas development and experimental research.

Add:No.30,Xueyuan Rd.,Haidian District,Beijing 100083,P.R.China

Tel:+86-10- 6921 3134 E-mail:zhy88503@sina.com