地层含水条件下砂岩储层气相渗流通道大小量化评价方法——以鄂尔多斯盆地苏里格气田储层为例

胡 勇 王继平 王 予 李少辉 周梦飞焦春艳 郭长敏 贾玉泽 江良冀

1. 中国石油勘探开发研究院 2. 中国石油长庆油气田公司 3. 中国科学院大学

0 引言

砂岩储层气相渗流通道大小是决定天然气渗流能力的关键参数[1-5]，但受岩石储集空间赋存水的影响，地层含水条件下真实气相渗流通道大小与室内干燥岩心实验测试结果往往存在较大差异，目前难以实现量化评价，气藏开发评价时难以获得可靠的参数。

关于含水饱和度对砂岩渗透率的影响，国内外学者对不同气田物性条件下含水饱和度和有效应力对渗透率的影响，开展了大量工作，获得了相应的成果和认识[6-26]。如李熙喆、卢德唐、罗瑞兰等在2019年首次提出“主流通道指数”这一概念实现砂岩渗流通道类型定量划分[27]；李熙喆、罗瑞兰、胡勇于2020年进一步对孔隙型砂岩储层主流通道指数及其应用进行了研究[28]。但这些研究均未建立定量的方法，对地层含水条件下砂岩储层气相渗流通道大小进行量化评价。

针对以上问题，笔者利用地层含水条件下气相渗透率与地面干燥岩心气测渗透率比值，定义了“气相渗流通道指数”这一指标，将岩心复杂的孔喉系统简化成单一圆管模型，结合圆管模型的渗透率与圆管半径关系和“气相渗流通道指数”定义，建立地层含水条件下砂岩储层气相渗流通道大小量化评价方法和数学模型，在实验室测得岩心渗透率、孔喉半径等参数时即可实现地层条件下量化评价，为气藏科学开发提供及时可靠参数依据。利用该方法，以鄂尔多斯盆地苏里格气田储层为例，选用不同渗透率砂岩岩心开展评价工作，揭示了地层含水条件下砂岩储层气相渗流通道大小特征，明确了孔喉空间赋存水对气相渗流能力的影响，研究成果和进展对于类似气藏开发具有指导意义。

1 气相渗流通道指数的定义和特征

1.1 定义

利用地层含水条件气相渗透率与地面干燥岩心气测渗透率比值，定义了“气相渗流通道指数”这一指标，即λg，表征的是储层在地层含水条件下的气相渗能力与地面干燥条件下的差异，其计算公式如下：

1.2 实验评价

选用鄂尔多斯盆地苏里格气田不同渗透率砂岩岩心，测试了含水饱和度分别为0%、30%、40%、50%时的气测渗透率，根据定义评价了λg特征，如图1所示；并以含水饱和度Sw=0%作为基准，计算了Sw＝30%、40%、50%条件下λg的下降幅度（图2）。研究表明，λg具有以下特征：①不同渗透率储层的λg差异较大，且与含水饱和度大小关系密切，基质越致密、含水饱和度越大则λg越小；②对于渗透率小于等于0.1 mD的砂岩，λg小于等于0.2，含水饱和度增加导致λg下降45%～90%；对于渗透率介于0.1～1.0 mD的砂岩，λg介于0.2～0.6之间，含水饱和度增加导致λg下降20%～40%；对于地层渗透率大于等于1.0 mD的砂岩，λg大于等于0.6，含水饱和度增加导致λg下降幅度小于等于20%；③当渗透率小于等于1.0 mD时，λg随渗透率下降而快速降低，且含水饱和度越高，λg下降幅度越明显，表明含水饱和度对低渗、致密储层气相渗流能力的影响要远高于中高渗储层。因此，在开展气藏评价尤其是低渗、致密气评价时，要高度关注含水饱和度变化对储层气相渗流的影响。

图1 气相渗流通道指数特征图

图2 含水饱和度对气相渗流通道指数的影响图

1.3 矿场结果与特征

相关文献[27]通过对中国25个大气田储层物性的大数据分析和理论推导，利用试井[29]获取的综合渗透率（代表地层条件下砂岩储层综合渗透率，是裂缝、基质渗流能力的综合表征）与岩心测试或测井解释得到的基质渗透率（代表不含裂缝的基质渗透率）之比值定义了“主流通道指数”。本文中定义的“气相渗流通道指数”主要针对的是不含裂缝的砂岩储层基质，对于裂缝不发育的低渗致密砂岩储层，该参数与上述文献中定义的“主流通道指数”具有同等意义。选取苏6、苏20、苏东、苏西等典型孔隙型砂岩储层为研究对象，将其“主流通道指数”与本文定义的“气相渗流通道指数”进行对比，正负差异均小于等于5%（表1），两者吻合良好，表明实验室测试得到的气相渗流通道指数具有可靠性。

表1 矿场与实验结果表

2 气相渗流通道大小评价方法

2.1 气相渗流通道模型

致密砂岩真实岩心的气相渗流通道由数量众多但大小不一的孔喉组成（图3a），气水在这些孔喉中的流动较为复杂，难以进行量化精细评价。在相同压差条件下，通过真实岩心复杂孔喉的气体体积流量与通过简化后的圆管管道流量相等，将岩心复杂的孔喉系统简化成单一圆管模型；再结合圆管模型的渗透率与圆管半径的关系，按“气相渗流通道指数”定义，建立地层含水条件下砂岩储层气相渗流通道大小的量化评价方法和数学模型，这样在实验室测得岩心渗透率、孔喉半径等参数时，即可实现地层条件下的量化评价。

地面干燥岩心测试得到的气相渗流通道半径不受孔隙空间赋存水的影响，因此，此时测得的值是最大的，以表示（图3b）；而在地层含水条件下，孔喉中会赋存一定量的水，此时测得气相渗流通道半径小于干燥岩心条件下的值，表示（图3c）。

图3 岩心圆管模型示意图

2.2 评价方法

通过砂岩储层体积流量计算方法如下：

气体流过管道截面体积流量可以表示如下：

对于同一根管道，在相同压差条件下，式（2）和式（3）代表的流量是一致的，因此，可以得出储层气相渗透率与气相渗流通道半径的平方呈正比，即

由此得出地层含水条件气相渗透率为：

干燥岩心气测渗透率为：

在式（5）和（式6）中，地层含水条件下气相渗透率、地面干燥条件下气相渗透率、地面干燥条件下岩心气相渗流通道半径，均可通过实验测试方法直接测得结果，因此，地层含水条件下气相渗流通道半径的计算方法如下：

3 地层含水条件下砂岩储层气相渗流通道大小评价

3.1 地面干燥岩心气相渗流通道大小

地面条件气相渗流通道大小，一般可以通过高压压汞和铸体薄片等实验测得，胡勇、李熙喆等[30]对砂岩储层孔喉大小及组成特征进行了系统测试，建立了不同渗透率砂岩孔喉大小及组成特征图版（图4）。由于砂岩孔喉结构较为复杂，笔者计算时选用中值孔喉半径代表地面干燥岩心气相渗流通道大小。根据测试结果，不同渗透率的干燥砂岩分别对应的中值孔喉半径为：渗透率84.950 0 mD对应4.80 μm；渗透率3.168 0 mD对应0.90 μm；渗透率0.793 0 mD对应0.35 μm；渗透率0.321 0 mD对应0.12 μm；渗透率0.058 0 mD对应0.014 μm；渗透率0.005 5 mD 对应 0.007 5 μm。

3.2 地层含水条件砂岩储层气相渗流通道大小

根据式（6），评价了含水饱和度分别为30%、40%、50%条件下气相渗流通道中值半径大小（图5）；在此基础上，以地面干燥岩心气相渗流通道中值半径为基准，计算了含水饱和度分别为30%、40%、50%时造成的气相渗流通道中值半径减小幅度（图6）。地层含水条件下砂岩储层气相渗流通道中值半径，小于地面干燥岩心实验测试结果，总体上随含水饱和度增加而减小，但不同渗透率砂岩减小幅度有所差异。

图5 气相渗流通道大小评价结果图

图6 含水饱和度增加导致气相渗流通道减小幅度图

1）对于渗透率小于等于0.1 mD的砂岩，地层含水条件下气相渗流通道中值半径小于等于0.05 μm，较地面干燥岩心减小60%～93%。Sw为30%时，气相渗流通道中值半径小于等于0.048 μm，减小60%～87%；Sw为40%时，气相渗流通道中值半径小于等于0.041 μm，减小65%～90%；Sw为50%时，气相渗流通道中值半径小于等于0.031 μm，减小75%～93%。表明对于这类渗流通道小的砂岩储层，孔喉空间赋存水对气相渗流能力存在显著影响。

2）对于渗透率为0.1～1.0 mD的砂岩，地层含水条件下气相渗流通道半径小于等于0.5 μm，较地面干燥岩心减小20%～75%。Sw为30%时，气相渗流通道中值半径为0.048～0.500 μm，减小20%～60%；Sw为40%时，气相渗流通道中值半径为0.041～0.450 μm，减小25%～65%；Sw为50%时，气相渗流通道中值半径均小于等于0.031～0.300 μm，减小45%～75%。表明孔喉空间赋存水对部分储层气相渗流能力存在一定影响。

3）对于渗透率大于等于1.0 mD的砂岩，即使含水饱和度达到50%时，其气相渗流通道中值半径，较地面干燥岩心减小幅度小于等于40%，这类储层气相渗流通道较大，气水均易流动，含水饱和度大小对气相渗流影响不大。

4 结论与认识

1）利用地层含水条件孔隙型砂岩储层气相渗透率与地面干燥岩心气相渗透率比值，定义了“气相渗流通道指数”这一指标，建立了一套地层条件下砂岩储层气相渗流通道大小的量化评价方法和数学模型。

2）揭示了地层含水条件下砂岩储层气相渗流通道大小的变化特征，明确了孔喉空间赋存水对气相渗流能力的影响：地层含水条件下砂岩储层气相渗流通道中值半径小于地面干燥岩心实验测试结果，总体上随含水饱和度增加而减小，但不同渗透率砂岩减小幅度有所差异；孔喉空间赋存水对低渗—致密砂岩气相渗流能力影响十分显著，对揭示开发过程中水对储层的伤害具有重要意义。

符 号 说 明

λg表示气相渗流通道指数，无因次；Q表示单位时间流量，cm3/s；K表示渗透率，mD；r表示渗流通道半径，µm；µ表示流体黏度，mPa·s；Δp表示渗流压差，MPa；L表示渗流路径长度，cm；表示地面常规气相渗透率，mD，代表的是不受应力和含水饱和度作用的干燥岩心的气相渗流能力；表示地层条件气相渗透率，mD，代表的是将岩心恢复至地层真实应力和含水饱和度条件下测得的气相渗流能力；表示地面常规气相渗流通道，µm；表示地层条件气相渗流通道，µm。