火山岩气藏气水动态渗吸效率研究新方法

蒋卫东，晏 军，杨正明

(1.中国石油大学石油工程学院，北京 102249;2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊 065007)

火山岩气藏气水动态渗吸效率研究新方法

蒋卫东1，晏 军2，杨正明2

(1.中国石油大学石油工程学院，北京 102249;2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊 065007)

火山岩气藏孔、缝发育且多为含水气藏，为研究火山岩气藏开发过程中的气水动态渗吸作用及其影响因素，综合运用岩石物理模拟试验、核磁共振及离心试验技术建立一套定量研究火山岩动态渗吸效率的新方法，并应用大庆火山岩气田的实际岩心试验验证方法的可行性。结果表明:动态渗吸效率随驱替速度的增加先增大后减小，在流速为0.04 mL/min时达到渗吸作用和驱替作用的动态平衡，并实现渗吸效率的最大化;渗吸效率随初始含水饱和度的增加而降低;同一岩心在不同状态下的渗吸效率不同，干岩心的静态渗吸效率最大，其动态渗吸效率次之，束缚水条件下岩心的渗吸效率最低。

火山岩;气藏;核磁共振;动态渗吸;渗吸效率

中国火山岩气藏资源丰富，自1957年首次在准噶尔盆地西北缘发现以来，此类油气藏勘探开发已历经50余年。目前已在渤海湾、松辽、准噶尔、二连、三塘湖等11个含油气盆地发现了超过3万亿m3的资源量，其储量超过9 000亿m3［1-3］。火山岩气藏孔、缝发育，且多为含水气藏，生产过程中，水首先进入裂缝，再从裂缝渗吸进入基质，将小孔隙中的气驱出，这就是含水气藏中的动态渗吸过程［4-6］，动态渗吸在火山岩气藏开发中起着重要的作用。早在20世纪50年代，人们已经认识到了润湿相流体在多孔介质中依靠毛管力作用置换非润湿相流体的渗吸驱油机制及规律，Aronofsky J.S等［7］首先导出了渗吸驱油指数关系式;Rapoport L.A等［8］提出渗吸驱油准则;Mttax C.C等［9］进行了底水上升渗吸试验，获得了采收率与无因次时间的关系曲线;Iffly R等［10］用称重法和毛管法完成了淹没渗吸试验，发现淹没渗吸驱油试验结果与底水上升试验结果具有一致性;华北油田和成都地学院较早利用小岩心研究了自发渗吸驱油机制［11-12］;朱维耀等［13］研究得到介质的润湿性对渗吸程度的影响较大;王家禄等［14］研究了低渗油藏裂缝中的动态渗吸模型。上述研究主要集中在裂缝性油藏领域，对于具体渗吸效率定量研究的方法也没有明确说明，针对火山岩气藏气水动态渗吸的研究更是几乎没有相关报道。笔者从火山岩储层的特点出发，在研究火山岩气藏中裂缝与基质交渗流动的物理模型基础上，综合运用岩石物理模拟试验、核磁共振及离心试验技术得到一套定量研究火山岩气藏渗吸效率的新方法，并深入研究驱替速度、初始含水饱和度以及岩心的不同状态对渗吸效率的影响。

1 渗吸研究新方法

由于低渗透裂缝性油气藏中裂缝的导流能力高，流体在裂缝与基质之间产生交渗流动，其物理模型如图1所示。在压差作用下，水在裂缝内流动，同时由于基质中毛细管力所产生的渗吸作用将裂缝中的水渗吸到基质内，将基质中原有的流体替换到裂缝中，并被裂缝中的流体驱替到出口端，这个过程就是裂缝与基质之间流体的交渗流动过程［11-14］，即动态渗吸。对于天然岩心中渗吸量的确定，常规试验技术很难实现，核磁共振则是一种定量研究动态渗吸量的有效手段。图2中给出了应用核磁共振技术研究动态渗吸的原理:核磁共振T2弛豫时间谱客观反映了多孔介质中流体在不同尺度的孔隙空间中的分布状况，孔道小T2弛豫时间短，孔道大T2弛豫时间长［15］。图2中最外层曲线为岩心中饱和水状态时的T2谱，最里层曲线为饱和水岩心离心之后的T2谱，此离心力是指当离心力达到一定值后岩心的含水饱和度不再变化时的临界离心力，通过对比两条谱线的变化可以确定可动流体的T2截止值(图2中竖虚线位置)，小于此T2截止值的图谱反映了驱替中不可动用的流体所占据的孔隙信息，而大于此T2截止值的图谱则反映了驱替中可动用流体所占据的孔隙信息［16-17］。岩心离心之后再进行水驱时，会得到新的T2谱，如图2中中间曲线所示，与离心之后的T2图谱相比，T2截止值前后的谱线幅度均有一定量的增长，这反映了驱替可动孔隙和驱替不可动孔隙中的流体量均有增加，驱替可动用孔隙中流体含量的增加(图2中浅灰色面积，驱替量)由压差作用引起，而驱替不可动用孔隙中流体含量的增加(图2中深灰色面积，渗吸量)则主要由毛管力产生的渗吸作用引起。通过计算水驱前后T2谱线的幅度变化，便可计算渗吸效率和驱替效率，计算公式为

式中，η1为渗吸效率，%;η2为驱替效率，%;v1为饱和含水量;v2为渗吸量;v3为驱替量;v4为离心后剩余含水量。

图1 裂缝与基质交渗流动物理模型示意图Fig.1 Sketch map of physical model of fluid flow between fracture and matrix

图2 渗吸过程核磁共振图谱Fig.2 NMRspectrums in the course of imbibition

2 试验步骤

利用核磁共振研究火山岩动态渗吸效率的具体试验步骤如下:

(1)岩心选取。本试验共选取大庆徐深气田火山岩气藏岩心17块，气测渗透率为(0.01～0.92)× 10－3μm2，孔隙度为4.47% ～10.20%。

(2)人工造缝。含天然裂缝的岩心难以获得，为此采用人工压裂方式造缝。使用C型CARVERLABORATORY PRESS仪器为岩心施压至10.4～17.3 MPa以使岩心压裂，将压裂后的岩心沿缝对合并置于岩心夹持器内，外加30 MPa围压放置10 h。

(3)将岩心烘干，并抽真空饱和水。

(4)将饱和岩心放入离心机中加以不同的离心力，并测量不同离心力作用后的核磁图谱。

(5)将离心后的岩心烘干，并抽真空饱和水。

(6)测量饱和岩心的核磁共振T2谱。

(7)将岩心置于夹持器内并外加5 MPa围压，用加湿氮气驱替岩心至束缚水状态，驱替压差为1 MPa。

(8)测量束缚水状态下的核磁共振T2谱。

(9)用防水胶布封堵岩心两端的基质部分而只保留裂缝，将处理后的岩心置于夹持器内，并用模拟地层水以一恒定的流速驱替岩心，模拟动态渗吸过程。

(10)测量不同注入体积倍数下的核磁共振T2谱。

(11)对每种状态下的T2谱进行分析，计算渗吸效率。

3 试验结果分析

3.1 渗吸效率的定量分析

饱和水岩心的离心试验表明，随着离心力的增大，岩心的含水饱和度会降低，但当离心力达到一定值时，含水饱和度变化幅度会很小甚至不再变化，称此离心力值为下限离心力。选取的12块不同类型的火山岩岩心在不同离心力下的含水饱和度变化规律基本一致，如图3所示。当离心力大于2.76 MPa时，各不同岩心岩样含水饱和度基本趋于恒定而不再随离心力的增大而降低，由此确定饱和水火山岩岩心的下限离心力为2.76 MPa，通过测量此离心力下的核磁共振T2谱，可确定各自岩心的T2截止值。

图3 含水饱和度与离心力关系Fig.3 Relationship between water saturation and centrifugal force

图4为试验岩心在饱和水状态、气驱之后(渗吸前状态)和水驱之后(渗吸后状态)的核磁共振T2图谱。由前述新方法的分析可知，动态渗吸发生后含水量的增加由驱替和渗吸两种机制产生，由T2截止值则可确定各自贡献量。通过测量下限离心力下的核磁共振T2图谱，可确定此岩心的T2截止值为19.07 ms，通过计算动态渗吸结束后核磁共振T2图谱的变化则可以分别计算得到试验岩心动态渗吸过程中的渗吸效率为7.52%，驱替效率为37.25%。

图4 试验岩心渗吸结果Fig.4 Imbibition results of experimental core

3.2 驱替速度的影响

图5 驱替速度与岩石含水饱和度及渗吸效率的关系Fig.5 Relationship among core water saturation，imbibition efficiency and displacement rate

图5是初始状态为束缚水条件时，不同驱替速度下的岩心含水饱和度及渗吸效率。由图5可以看出，最终含水饱和度和渗吸效率都随驱替速度的增大先增大后减小，在0.04 mL/min时最终含水饱和度和渗吸效率都达到最大值，分别为 93%和11.93%。发生此现象的原因在于在低驱替速度下被挤出的气体得不到充分的驱替，而在高流速下没有足够的液体被毛管力渗吸入小喉道，小孔道中气体不能得到充分地渗吸替换，所以在过低或过高的流速下渗吸作用都得不到充分发挥，只有在某一最佳流速下渗吸作用和驱替作用达到平衡时才能实现驱替和渗吸的最大化。但从图6还可以看出:在进水初期(0～5倍注入体积)驱替速度越慢，岩心含水率上升越快，因为在初期进水过程中，液体首先填充的是大孔道，在低的驱替速度下液体能充分填充，此时主要发生的是驱替作用;随着注入倍数的增加，流体在裂缝与基质之间发生交渗流动的时间增加，渗吸作用才慢慢增强。

图6 注入体积倍数与含水饱和度关系Fig.6 Relationship between water saturation and injected times pore volume

3.3 初始含水饱和度的影响

图7为同一岩心不同驱替速度下初始含水饱和度与最终渗吸效率之间的关系。由图7可以看出，随着初始含水饱和度的增加渗吸效率逐渐降低，在低含水阶段(含水饱和度为0～40%)，渗吸效率相对较高而且下降缓慢，当含水饱和度达到80%后，渗吸效率较低而且呈急速下降的趋势。因为初始状态的含水饱和度越低，被束缚水占据的小孔道越少，留给后期进水过程中发生渗吸作用的空间则越大，所以最终渗吸效率也越大;当初始状态的含水饱和度较高时小孔道已经被束缚水占满，留给后期进水过程中发生气液交换的空间变小，渗吸作用弱，所以初始状态的含水饱和度越高时其最终渗吸效率则越低。

图7 初始含水饱和度与最终渗吸效率的关系Fig.7 Relationship between final imbibition efficiency and initial water saturation

3.4 不同渗吸状态的影响

图8为4块不同岩性的岩心在不同渗吸状态下渗吸效率对比。从图8中可以看出，同一岩心的不同渗吸状态中干岩心的静态渗吸效率最大，其动态渗吸效率次之，束缚水条件下岩心的渗吸效率最低。在实际的气藏开发过程中几乎没有静态渗吸作用，因此干岩心的动态渗吸可以看成实际条件下的渗吸作用上限值。

图8 不同岩性岩心的渗吸效率Fig.8 Imbibition efficiency in different kinds of cores

4 结论

(1)动态渗吸效率随驱替速度的增大呈先增大后减小的趋势，在最佳流速时达到渗吸作用和驱替作用的动态平衡，并实现渗吸效率的最大化;渗吸效率随含水饱和度的增加而降低，在低含水阶段下降缓慢，在高含水阶段下降较快。

(2)同一岩心中的不同渗吸状态下，干岩心的静态渗吸效率最大，其动态渗吸效率次之，束缚水条件下岩心的渗吸效率最低。干岩心的动态渗吸可以看成实际条件下的渗吸效率的上限值。

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A new method of researching gas-water dynamic imbibition efficiency in volcanic gas reservoir

JIANG Wei-dong1，YANJun2，YANG Zheng-ming2

(1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Beijing102249，China; 2.Research Institute of Petroleum Exploration＆Development，Langfang Branch，Langfang065007，China)

Most of volcanic gas reservoirs are water-bearing gas reservoirs with holes and fractures.In order to find out the degree and influencing factors of the gas-water dynamic imbibition in the development of volcanic gas reservoir，a new method was established to quantitatively study the dynamic imbibition efficiency using petrophysical simulations，NMRand centrifugal experiment technology.The feasibility of this method was proved by experiments using real cores from Daqing volcanic gas reservoir.The results show that the efficiency of dynamic imbibition rate increases at the beginning and then declines with the increase of the displacement rate.The imbibition and the displacement reach dynamic balance at a flow rate of 0.04 mL/ min，and the maximum imbibition efficiency is achieved at this rate.The imbibition efficiency decreases with the increase of initial water saturation.The imbibition efficiency of the same core is different in different imbibition states.The static imbibition efficiency of dry core is the highest，the dynamic imbibition of dry core takes the second place，and the imbibition efficiency of core with bound water is the lowest.

volcanic rocks;gas reservoir;nuclear magnetic resonance;dynamic imbibition;imbibition efficiency

TE 311

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.01.017

1673-5005(2012)01-0101-05

2011－12－05

国家“973”重点基础研究发展规划项目(2007CB209500)

蒋卫东(1969－)，男(汉族)，河北昌黎人，高级工程师，博士研究生，从事油气田开发工程研究。

(编辑 李志芬)