低渗透气藏气水两相渗流物理特征及应用研究(编辑修改稿)

低渗透气藏气水两相渗流物理特征及应用研究(编辑修改稿)内容摘要：

研究的需要，首先从德阳岩心库选取了须二层、须四层的岩心样品。 为了选取有代表性的岩心样品进一步开展应力敏感、可动水饱和度、以及反渗吸水锁启动压力等渗流物理特性实验测试研究，对所取岩心进行了孔隙度、渗透率等基础储渗特性实验测试研究，主要包 括： 1）基质岩样制备及岩心共存水饱和度建立，孔隙度、渗透率等基本储渗特性实验测试； 2）基质岩心气驱水、水驱气气－水两相相对渗透率曲线实验测试； 实验仪器 1) 氦气孔隙度仪 型 号： 3020—168 生产厂家：美国 CORE LABORATORIES 公司 技术指标 岩心尺寸： 1＂直径 1 ＂ —3＂长度 ＂直径 ＂ —3＂长度 工作介质：氦气、氮气、空气 温 度：室温 功 能：岩石孔隙度测定 2) 气体渗透率仪 型 号： 3020—144 生产厂家：美国 CORE LABORATORIES 公司 技术指标 西南石油大学本科毕业论文 6 岩心尺寸： 1＂直径 1 ＂ —3＂长度 工作介质：氦气、氮气、空气 温 度：室温 功 能：岩石气体渗透率测定 图 气体渗透率仪 测试步骤 1）氦气孔隙度仪操作规程 氦气孔隙度仪测试流程如图 － 1 所示。 测试操作规程如下： （ 1）首先将室温调节到 20℃ 左右； （ 2）给仪器通电，并恒温 30min 以上； （ 3）旋转电位器旋钮至 挡，显示为 0 时，再将电位器旋钮分别旋转至READ 挡和 ，并分别用 FINE VOLT ADJ 旋钮和 ZERO 旋钮调零； （ 4）据岩心孔隙度的大小，选择标准室体积，并安装好标准室； （ 5）按程序校标准室体积； （ 6）岩心测试，在岩心测试过程当中记录显示的电压值、从岩心杯中取出的钢盘体积、岩心的几何尺寸； （ 7）实验完毕后，关闭气源阀、高压气瓶阀，关闭电源开关。 低渗透气藏气水两相渗流物理特征及应用研究 7 图 岩石孔隙体积测定流程图 2）气体渗透率仪操作规程 气体渗透率仪流程如图 － 2 所示。 （ 1）打开高压气瓶阀，用压力调节器调节围压 200psi，调节内压 100psi； （ 2）将岩心装入岩心夹持器； （ 3）关 EXHAUST 阀，开 HASSLER 阀施加围压； （ 4）开 GAS SOURCE 阀，根据岩心渗透率的大小，选择高压调节器或低压调节器调节压力； （ 5）选择合适的节流器流量计安装在 ORFICE 口处，测定流量； （ 6）待水柱压差稳定后，记录上流压力、节流器水柱压差和节流器流量值； （ 7）实验结束后，关闭气源阀、高压气瓶阀，取出节流器流量计。 相渗曲线测试 实验仪器为美国 Core Laboratory 公司设计生产的气 － 液相对渗透率测定仪，如图 所示。 实验所用气 体为标准氮气，粘度 s，水样为新场须四地层水，粘度为 s 以及须二地层水，粘度为 s。 分别挑选出渗透率为 10－ 3μm2， 10－ 3μm2， 10－ 3μm2和10－ 3μm2的四块岩芯，分别进行了气驱水、水驱气两相相渗曲线实验测试研究。 图 为实验流程图。 西南石油大学本科毕业论文 8 图 气水相对渗透率测定流程图 依据行业标准 SY/T 5843－ 1997，非稳态法测定气水相对渗透率是以一维两相渗流理论（即贝克莱－列维尔 特前缘推进理论）和气体状态方程为依据，利用非稳态恒压法进行岩样气驱水实验。 实验中，把饱和地层水的岩芯，在一定围压下，以适当的压差，用外部驱动法，向岩芯注气，记录气驱水过程中岩样出口端各个时刻的产气量、产水量和两端压差等数据，用 法计算岩样的气、水相对渗透率和对应的含水饱和度，并绘制气驱水相对渗透率曲线。 同样，在水驱气实验中，把具有束缚水、饱和气的岩芯，在一定围压下，以适当的压差，用外部驱动法，向岩芯注入地层水，在岩芯出口端按要求记录累计的气量、时间、累计水量和驱动压差以及岩芯的基本参数，同样采用上 面的方法计算出气、水相对渗透率和对应的含水饱和度，并绘制水驱气相对渗透率曲线。 低渗透气藏气水两相渗流物理特征及应用研究 9 3 非线性渗流特征实验研究 在一定的条件下，气体通过低渗岩心渗流时，由于气体分子的滑流和扩散效应，产生一个附加动力，即滑脱效应，在一定程度上表现出非达西渗流特征；而当低渗气层含束缚水时，气藏中气体的渗流特征与油藏的渗流特征一样存在 “启动压差 ”和 “临界压力梯度 ”，岩样渗流偏离达西定律。 低渗致密气藏中，滑脱效应与启动压力梯度效应哪一个占主导地位，取决于水在孔隙喉道处是否会形成堵塞而阻碍气体流动。 低渗纯气藏的特殊渗流机理主要是滑脱效应，而没有启动压力梯度效应。 低渗致密气藏普遍含水饱和度较高，气体渗流过程中受水影响产生启动压力梯度效应的可能性较大，一旦出现这种情况，滑脱效应所产生的作用就可以大体忽略。 因此含水饱和度对气藏微观渗流特征有明显影响。 可动水饱和度为地层中原始含水饱和度与束缚水饱和度之间的差值，表征开采压力下地层产水的潜力。 低渗气藏普遍具有高含水饱和度的特点，在气井实际生产过程中，地层可动水的产出将影响气井携液能力和井底积液情况，从而存在水锁的潜在威胁，因此有必要对可动水饱和度进行研究。 实验仪器设备 该岩心流动实验 装置由氮气瓶，压力计、岩心夹持器、手动压力泵和流量计、计时器等仪器组成。 氮气瓶作为实验用气源，手动压力泵用于提供围压。 测试装置和流程图如图 、 所示。 图 岩心流动实验测试装置 西南石油大学本科毕业论文 10 图 岩心流动实验测试流程 实验测试方法和步骤 首先将实验岩心饱和 100%的地层水，整个实验过程岩心夹持器出口端放空为一个大气压。 打开氮气瓶并控制在预定的压力值 1p 上，由氮气驱替岩心中的地层水，直至不出水为止，计量出水量，可算出此驱替压差下的 可动水饱和度（初始含水饱和度与此点（ 1p ）含水饱和度的差值），也可测出在此点（ 1p ）含水饱和度下岩心的渗透率值。 然后将氮气瓶压力调低至预定值 ap （ ap 一般为 0，对低渗透岩心，可适当调大），根据实际的实验状况，逐级增压至原先的预定压力值 1p ，记录在此束缚水饱和度（即此点 1p 含水饱和度）下，不同驱动压差时的气体流量，做完这组测试之后，将氮气瓶压力增大到另一个预定值 2p （ 2p 1p ）。 做下一个束缚水饱和度下的渗流实验，重复以上操作，直至一个足够大的压力值为止。 测试结果分析 驱替压差对可动水饱和度的影响 为了更利于发现可动水饱和度和含水饱和度与驱替压差（压力平方梯度）的变化趋势，我们将上表的数据绘成曲线图，如下图 所示。 低渗透气藏气水两相渗流物理特征及应用研究 11 0204060801000 2 4 6 8驱动压差，MPa饱和度，%38/1303剩 余含水饱和度 398/1301剩 余含水饱和度101/521剩 余含水饱和度 109/523剩 余含水饱和度38/1303累 计可动水饱和度 398/1301累 计可动水饱和度101/521累 计可动水饱和度 109/523累 计可动水饱和度 图 剩余含水饱和度、累计可动水饱和度与驱替压差的关系图 从图 可以看到，随着驱替压差 (压力平方梯度 )的增大， 4 块岩心的剩余含水饱和度逐渐降低。 对新场 21 井，在压差 4MPa 的情况下，由于岩心 100%的饱和水，其剩余含水饱和度随压差增大其下降幅度逐渐增大，对应的，累计可动水饱和度随驱动压差增大而明显增大，说明在驱替压差作用下，此时可以很容易的将水驱出。 这是因为一开始是较大孔道中的水先被驱出；相反随着驱替压差的增大到 4 MPa 以上时，剩余含水饱和度下降的幅度有所减缓，这是由于气驱水已开始发 生于孔径相对较小的孔道中。 特别的，在压差 2 MPa 时，剩余含水饱和度下降并不是很急剧，但当压差 2 MPa 后，含水饱和度下降明显。 对新场 11 井两块岩心，在较小压差（ 2 MPa）情况下，其剩余含水饱和度下降幅度很大，说明在很小驱替压差作用下，可以很容易的将水驱出，且可驱出 20%以上的含水，但随驱替压差的增大（ 2 MPa），剩余含水饱和度下降幅度明显变缓。 这说明相对新场 11 井的岩心而言，新场 21 井岩心大孔道相对较少，但中大孔道所占比例较大，孔隙均一性更好，故其绝对孔隙度也明显大于新场 11 井岩心，但因新场 21 井岩心水敏较新场 11 井岩心严重，故其渗透率反而更低。 从图中取 6MPa 的压差点上观测剩余含水饱和度的大小，得出结论：在相同压差下，渗透率大的岩心（ 101/521 岩样）其累计可动水饱和度更大、束缚水饱和度更低，这是由于大渗透率的岩心，其岩石有效孔道半径更大，边界效应更加不明显，更利于水在孔道中的渗流。 因此在天然气采出过程中，物性好的地层即便发生水锁或者水淹，地层可动水可较容易的被气流携带出井底，水体阻碍天然气渗流的效应不是那么明显，换句话说，高渗地层相对于低渗地层不那么容易发生水锁效应，即便发 生了，驱替可动水至井筒的气体压力损失也不会那么大。 西南石油大学本科毕业论文 12 不同束缚水饱和度下渗透率随压力平方梯度变化规律 为了更利于发现不同含水饱和度条件下渗透率随压力梯度的变化趋势，我们也将渗透率随压力平方梯度的变化关系用曲线图表示 ,如图 、 所示。 00 2 4 6 8 10压力平方梯度，MPa2/cm渗透率，103μm238/1303398/1301 图 新场 21井岩样渗透率 压力平方梯度关系图 00 2 4 6 8 10 12压力平方梯度，MPa2/cm渗透率，103μm2101/521109/523 图 新场 11 井 1号岩样渗透率 压力平方梯度关系图 从图 、 可以直观的看到，随着压力平方梯度的变大，渗透率逐渐增大，这是和含水饱和度相关的。 因为驱替 压差的增大过程中，从岩心中不断的驱替出可动水，导致剩余含水饱和度的减小，气相渗透率随剩余含水饱和度的减小而逐渐增大。 并且渗透率随压力平方梯度增大而增加的这个过程，均经历了急剧增大随后增长放缓，持续增加的阶段，这说明含水饱和度减小使渗透率增大，其对渗透率的影响也是先大后逐渐变小的。 低渗透气藏气水两相渗流物理特征及应用研究 13 4 反渗吸水锁效应及解除水锁启动压差实验测试 本章是在岩心内平衡共存水饱和度条件下，模拟井筒积液反渗吸水锁效应，测定反渗吸水锁效应驱动压差及渗透率变化，为 新场须二、须四 低渗 气藏气井合理配产及改善难动用储量有效动用技术对策研究提供更 全面的实验评价基础。 针对新场须二、须四低渗气藏难动用储量开发与开采技术对策研究的需要，本次研究在长岩心中开展了反渗吸水锁启动压差等与低渗气藏难动用储量开采密切相关的反渗吸水锁效应实验测试及解除水锁启动压差实验测试研究。 实验设备及流程 须二、须四低渗气藏气井反渗吸水锁启动压差实验是在加拿大 Hycal 长岩心驱替装置上完成的，实验装置见图 － 1。 长岩心驱替实验装置内有一个 1 米长的三轴长岩心夹持器。 长岩心夹持器是长岩心驱替装置中的关键部分，其结构示意图见图 － 2。 三轴长岩心夹持器主要由长岩心外筒 、胶皮套和轴向连接器组成。 图 美国产 RUSKA长岩心驱替设备 长岩心驱替设备包括驱替泵，长岩心夹持器，烘箱，观察窗，回压阀，中间容器等主要部件构成。 能满足长度为 5～ 100cm 的岩心的常规驱替、水锁启动压差测试、注气驱、注醇及活性水吞吐实验测试等研究工作。 此外，还包括用于对实验过程中的水相、气相组分分析的美国 HP、日本岛津产气相、油相色谱仪，以及进口的密度测试仪。 整套流程主要由注入泵系统、长岩心夹持器、回压调节器、压差表、控温系统、液体馏分收集器、气量计和气相色谱仪组成。 该套装置中，岩心中的 凝析气衰竭速度由出口端压降速度控制，出口端压降速度由回压调节器的压降速度控制，回压调节器的压降速度由控制回压的泵的退泵速度控制，所以在以后的论述中均采用泵速（ ccm = ml/minute）来表征岩心中凝析气的衰竭速度。 西南石油大学本科毕业论文 14 回压阀 进口 环压表 出口 破胶液 压裂液 地层水 天然气 ① ② ③ ④ 回压阀 气量计 三相分离 ⑤ ①岩心夹持器 ②胶皮筒 ③岩心 ④压力表 ⑤ RUSKA 驱动泵 ⑥中间容器 ⑦带毛细管的观察窗 ⑧恒温箱 吞方向 吐方向 观察窗 ⑥ ⑦ 进口压力表 出口压力表 回压表 ⑧ 图 水锁启动压差实验测试流程图 低渗透气藏气水两相渗流物理特征及应用研究 15 长岩心的排列方式 对于长岩心驱替，如果要采用 1 米。