普光气田地层水启动压力梯度实验研究

曾大乾，李继强，张俊法，孙 兵，邓 鹏，杨棽垚

(1.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083；2.重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331；3.中国石油塔里木油田分公司，库尔勒 841000)

全球已开发的气藏中大部分为水驱气藏，准确认识气藏水侵规律是高效开发水驱气藏的重要前提[1-6]。地层水启动压力梯度会增大地层水在储层中的渗流阻力[7-11]，延缓水体侵入气藏，从而影响气藏水侵规律。因此，准确确定地层水启动压力梯度是正确认识气藏水侵规律，进而改善气藏开发效果的重要前提。

目前，中外学者针对地层水启动压力梯度开展了一些研究，建立了一些地层水启动压力梯度计算模型[12-16]，但现有计算模型计算结果差异大，不能有效指导以地层水启动压力梯度为基础的其他相关研究。

现选取普光气田超深层碳酸盐岩储层岩心，开展地层水启动压力梯度实验测试，根据实验测试结果，建立地层水启动压力梯度计算模型，对比分析不同地层水启动压力梯度计算模型的计算结果，分析影响地层水启动压力梯度的主要因素，为准确确定地层水启动压力梯度提供指导。

1 实验原理及方法

采用压差-流量法，在储层温度条件下，测定地层水不同流量对应的稳定压差，根据实验测试结果，通过回归分析，确定岩样的地层水启动压力梯度。实验流程如图1所示，实验步骤如下。

1.1 岩心样品准备

根据行业标准《岩心分析方法》(SY/T 5336—2006)制备、清洗、烘干岩心并抽真空饱和地层水。

图1 地层水启动压力梯度实验流程

1.2 压差流量测定

(1)建立围压：将饱和盐水的岩心样品装入岩心夹持器；设置自动围压泵为自动追踪模式，设置恒定净围压为3.0 MPa并启动(避免应力敏感带来的实验误差)。

(2)设置实验温度：将恒温箱温度稳定到储层温度(120 ℃)。

(3)设置出口回压：打开回压阀，设置回压泵，将出口端回压稳定在1.0 MPa。

(4)设置实验流量：设置高精度恒速恒压泵为恒速模式，设置实验测试流量并启动。

(5)记录驱动压力：每间隔1 h记录1次岩样进出口的高精度压力表的压力数据，直至前后两次压力波动不超过0.04%，且此时注入水体积为孔隙体积的10倍以上，则认为压力稳定，记录稳定的驱动压差。

(6)下一组流量测试：重复(4)～(5)，进行下一组实验流量的测试。

2 实验样品及条件

实验采用高精度恒速恒压泵、高精度数显压力表和高精度回压阀。高精度恒速恒压泵压力精度为0.02%，流量精度0.001 mL·min-1，高精度数显压力表和高精度回压阀压力精度均为0.02%。实验选取四川盆地普光气田飞仙关组超深层碳酸盐岩标准岩心15块(表1)，岩样孔隙度介于2.53%～7.19%，岩样渗透率介于0.018 8×10-3～5.730 4×10-3μm2。实验用水根据地层水矿化度8.5×104mg·L-1配制，实验温度为120 ℃。

表1 实验岩心基础数据表

3 实验结果及分析

根据实验测试数据回归分析得到15块岩心的地层水启动压力梯度，绘制其与岩心渗透率的关系曲线(图2)。从图2来看，地层水启动压力梯度随渗透率的降低而增大；在渗透率相对较高时，随着渗透率的降低，地层水启动压力梯度缓慢增大，在渗透率相对较低时，随着渗透率的降低，地层水启动压力梯度急剧增大。地层水启动压力梯度与渗透率呈现较好的幂函数关系，采用幂函数回归分析，建立地层水启动压力梯度与渗透率关系方程为

λ=0.003 20K-0.662

(1)

式(1)中：λ为地层水启动压力梯度，MPa·m-1；K为渗透率，10-3μm2。

根据储层的渗透率，采用式(1)，可计算得到普光气田超深层碳酸盐岩储层的地层水启动压力梯度。

根据实验岩样的渗透率，采用郝斐模型[17]、朱维耀模型[18]和本文模型(表2)，计算实验岩样的地层水启动压力梯度(表3)，绘制三种模型计算的地层水启动压力梯度与渗透率的关系曲线(图3)。

图2 地层水启动压力梯度与渗透率的关系

表2 地层水启动压力梯度计算模型

表3 实验岩样地层水启动压力梯度计算结果

从图3来看，不同模型计算的地层水启动压力梯度随渗透率的变化趋势基本一致，但数值差异很大，不同模型计算得到的同一块岩心的地层水启动压力梯度数值最大可相差10倍以上。

研究表明[19-22]，流体在细小孔道中流动具有一定的非牛顿特征，流体的黏度越高，其非牛顿特征就越明显，宏观表现为启动压力梯度越大。影响地层水黏度的因素有压力、温度和矿化度，其中压力和矿化度对地层水黏度的影响较小，而温度对地层水黏度影响较大(图4)，温度越高，地层水黏度越小。因此，在地层水启动压力梯度实验测试中，实验温度会对测试结果造成较大影响。

图3 不同模型计算结果对比

图4 地层水黏度随温度变化曲线

从表2和图3来看：郝斐模型是基于实验温度为25 ℃的实验测试结果建立的，地层水黏度最大，计算的地层水启动压力梯度最大；朱维耀模型是基于实验温度为60 ℃的实验测试结果建立的，地层水黏度相对较小，计算的地层水启动压力梯度相对也较小；本文模型是基于实验温度为120 ℃的实验测试结果建立的，地层水黏度最小，计算的地层水启动压力梯度最小。

从以上分析来看，地层温度影响地层水黏度，从而改变地层水在细小孔道中流动时的非牛顿特征，进而影响地层水启动压力梯度的大小，基于特定温度实验测试结果建立的启动压力梯度计算模型仅适用于该温度条件下地层水启动压力梯度的预测。不同气藏的地层温度不同，则地层水黏度不同，相应地地层水启动压力梯度也就不同，在不同地层水黏度启动压力梯度实验测试基础上建立的综合考虑渗透率和黏度的启动压力梯度计算模型才具有普适性。

4 实例计算

根据普光气田完钻井测井解释结果，采用文献[17-18]和本文建立的地层水启动压力梯度计算模型，计算普光气田气藏分类储层的地层水启动压力梯度(图5)。

图5 普光气田分类储层地层水启动压力梯度

从图5来看，采用不同模型计算的地层水启动压力梯度差异很大，郝斐模型计算结果最大可达14.0 MPa·m-1，朱维耀模型计算结果最大可达7.0 MPa·m-1，而本文模型计算结果最大为0.2 MPa·m-1。计算结果差异大的主要原因是三种模型是基于不同实验温度的测试数据建立的，不同实验温度对应的地层水黏度不同，导致地层水在细小孔道中的非牛顿特征不同，最终在宏观上表现为地层水启动压力梯度不同。若采用基于其他实验温度下的地层水启动压力梯度测试数据建立的模型计算普光气田储层的地层水启动压力梯度会带来极大误差。采用本文模型计算的普光气田各分类储层的地层水启动压力梯度计算结果差异较大。Ⅰ类储层地层水启动压力梯度较小，其数量级在10-4MPa·m-1级别，Ⅱ类储层较Ⅰ类储层明显增大，最大可达0.02 MPa·m-1，Ⅲ类储层地层水启动压力梯度较大，最大可达0.2 MPa·m-1。普光气田开发井钻遇气层中Ⅰ类储层占9.6%，Ⅱ类储层占32.9%，Ⅲ类储层占57.5%，物性较差的Ⅱ类、Ⅲ类储层占比较大。普光气田Ⅱ、Ⅲ类储层地层水启动压力梯度较大，会对气藏的水侵规律造成较大的影响。因此，要准确描述气藏水侵规律，进而准确预测气藏开发指标，需考虑储层的地层水启动压力梯度。

5 结论

(1)地层水启动压力梯度随渗透率的降低而增大；在渗透率相对较高时，随着渗透率的降低，地层水启动压力梯度缓慢增大，在渗透率相对较低时，随着渗透率的降低，地层水启动压力梯度急剧增大。

(2)地层温度影响地层水黏度，从而改变地层水在细小孔道中流动时的非牛顿特征，进而影响地层水启动压力梯度的大小。地层温度越高，地层水黏度就越小，相应地地层水启动压力梯度就越小。

(3)储层渗透率和地层水黏度是影响地层水启动压力梯度的主要因素，而地层水黏度受地层温度影响很大，基于特定温度实验测试结果建立的启动压力梯度计算模型仅适用于该温度条件下地层水启动压力梯度的预测。

(4)普光气田Ⅱ、Ⅲ类储层地层水启动压力梯度较大，要准确描述气藏水侵规律，进而准确预测气藏开发指标，需考虑储层的地层水启动压力梯度。