摘要：研究低滲透氣藏的滲流機理，有利于制訂合理、有效的開發(fā)方案。低滲透砂巖氣藏氣體的滲流機理實驗研究主要集中在氣體的滑脫效應(yīng)、啟動壓力梯度、高速非達西流效應(yīng)和含水飽和度影響等4個方面。為此，分析總結(jié)了國內(nèi)外有關(guān)低滲透砂巖氣藏滲流機理的研究成果，并有針對性地進行了大量低滲透砂巖氣體滲流機理的實驗研究，獲得了一些新認(rèn)識：①實際生產(chǎn)過程中，由于低滲透氣藏的廢棄壓力很高，故沒有必要考慮滑脫效摩的影響；②低滲透氣藏氣體滲流過程中存在啟動壓力梯度，與滲透率呈反比；③低滲透氣藏開發(fā)過程中發(fā)生高速非達西流效應(yīng)具有臨界滲透率值；④含水飽和度對低滲透氣藏氣體滲流特征影響很大。上述認(rèn)識對于低滲透致密砂巖氣藏開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：低滲透氣藏；滑脫效應(yīng)；啟動壓力；非達西流；含水飽和度；實驗；現(xiàn)狀；認(rèn)識

    近年來低滲透氣藏儲量在我國天然氣探明儲量中的比重幾乎占到50%，分布也極為廣泛，在鄂爾多斯盆地、川西地區(qū)、大慶深層、塔里木深層、渤海灣地區(qū)深層、柴達木盆地等都有低滲透氣藏的發(fā)現(xiàn)，這些低滲透致密氣藏已成為我國今后重要的天然氣供應(yīng)氣源地。由于低滲透氣藏儲層物性差，儲量豐度低，儲層容易受到傷害，開發(fā)難度大、效益差，因此針對低滲透氣藏自身特征，研究低滲透氣藏的滲流機理對于低滲透氣藏合理、有效的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

    自從20世紀(jì)40年代初，Klinkenberg^[1]在實驗中發(fā)現(xiàn)了氣體在微細毛管孔道中流動時存在滑脫效應(yīng)，并且給出了考慮滑脫效應(yīng)的氣測滲透率數(shù)學(xué)表達式以后，很多學(xué)者對低滲透氣藏氣體的滲流機理進行了大量的研究，并且提出了許多新的認(rèn)識和研究成果。這些觀點和認(rèn)識大部分是一致的，但是也有不少觀點和認(rèn)識存在著很大的分歧，這就導(dǎo)致多年來低滲透氣藏的滲流機理一直存在不確定性^[2～3]。筆者總結(jié)了低滲透砂巖氣藏氣體滲流機理實驗研究現(xiàn)狀，并提出一些新的認(rèn)識。

    考慮滑脫效應(yīng)的氣測滲透率數(shù)學(xué)表達式為：

 

式中：K_g為氣測視滲透率，10^-3μm²；K_e為克氏滲透率，10^-3μm²；為巖心進出口平均壓力，MPa；b為滑脫因子。

滑脫因子(6)是一個與巖石孔隙結(jié)構(gòu)和氣體性質(zhì)及平均孔隙壓力有關(guān)的參數(shù)，其數(shù)學(xué)表達式：

 

式中：C為近似于1的比例常數(shù)；λ為平均壓力下的氣體平均自由程；r為多孔介質(zhì)平均毛細管(孔隙)半徑；d為氣體分子直徑；行為分子密度。

    也可以通過滲透率值來求出滑脫系數(shù)b，其數(shù)學(xué)表達式為：

 

    由于喉道半徑和分子自由程都難以準(zhǔn)確界定，而不同孔隙壓力下的視滲透率和絕對滲透率在實驗中很容易獲得，因此式(3)是實驗過程中求解氣體滑脫系數(shù)的常用方法。

    從上面的表達式可以看出，同一巖石的氣測滲透率值大于液測滲透率；平均壓力越小，氣測滲透率K_g越大；同一巖石不同氣體所測的滲透率也不同；巖石越致密，孔道半徑越小，滑脫因子(6)越大，滑脫現(xiàn)象越嚴(yán)重。

    氣體在巖石中滲流時發(fā)生滑脫效應(yīng)的主要原因是氣體分子在多孔介質(zhì)中運動的結(jié)果，氣體分子在多孔介質(zhì)中存在兩種運動形式：一種是分子之間相互碰撞的運動形式，另一種是分子與孔隙固壁之間相互碰撞的運動形式。這兩種碰撞作用的物理機制是不同的，一種是能量在氣體分子內(nèi)部的傳遞，另一種則是氣體分子受外部力量作用能量增加，體現(xiàn)在宏觀的氣體滲流規(guī)律上就是在一定條件下氣體滑脫效應(yīng)的產(chǎn)生，即視滲透率大于絕對滲透率。

目前，氣體滑脫效應(yīng)的研究成果及認(rèn)識都是基于室內(nèi)實驗條件的基礎(chǔ)上，與真實氣藏氣體的滲流過程相比，存在很大的局限性。在這一點上筆者比較贊同郭平教授的觀點：“氣體在多孔介質(zhì)中的滑脫效應(yīng)是在低壓下產(chǎn)生的現(xiàn)象，而實際低滲透致密氣藏的廢棄壓力很高，在這一壓力范圍內(nèi)氣體在儲層中不會發(fā)生滑脫現(xiàn)象，因此在低滲透氣藏的實際生產(chǎn)過程中沒有必要考慮滑脫效應(yīng)的影響^[4]。實驗也證實了這一觀點。

 

   圖1是須家河低滲透致密砂巖儲層一組巖心的實驗結(jié)果，表明不同巖心的視滲透率變化主要發(fā)生在孔隙平均壓力很低的區(qū)域，可以看到當(dāng)孔隙壓力大于1MPa后，巖心的氣測滲透率變化明顯減小而且逐漸趨于穩(wěn)定。由此可見，氣體在多孔介質(zhì)中的滑脫效應(yīng)確實只存在于低壓狀態(tài)下，在實際的低滲透氣藏開發(fā)過程中可以完全不予考慮其對氣體滲流能力及開發(fā)效果的影響。

    在低滲透油藏開發(fā)過程中，啟動壓力梯度存在并且會對低滲透油藏的開發(fā)效果產(chǎn)生影響這一觀點已經(jīng)被油氣藏工程師們廣泛接受，而且近年來滲流所在低滲透油藏領(lǐng)域成功地開發(fā)出了低滲透油藏的非線性滲流模型^[5]，很好地解決了由于啟動壓力的存在對油藏開發(fā)效果模擬計算的影響，使得目前的數(shù)值計算結(jié)果更加符合低滲透油藏開發(fā)的實際情況。

    但是就低滲透氣藏氣體滲流的過程中是否存在啟動壓力梯度這一問題，國內(nèi)外的油氣田開發(fā)工作者們還存在很大爭議。為此，對低滲透氣藏氣體滲流是否存在啟動壓力梯度進行了室內(nèi)測試，其測試結(jié)果見圖2。

 

    從圖2中可以看出，曲線與縱坐標(biāo)的交點不為0，這一實驗結(jié)果表明：與低滲透油藏一樣，低滲透氣藏氣體滲流過程中確實存在啟動壓力梯度。

    需要注意的是，在直角坐標(biāo)系中一般難以觀察到啟動壓力梯度存在，過去很多學(xué)者都是在直角坐標(biāo)系中得到了氣體滲流不存在啟動壓力梯度的結(jié)論^[4]，而在半對數(shù)直角坐標(biāo)中可以非常清楚地看到氣體滲流存在啟動壓力梯度。存在這啟動壓力梯度是造成低滲透致密氣藏開發(fā)過程中產(chǎn)量小，最終采出程度較低的原因之一。

    礦場試驗研究結(jié)果表明，低滲透氣藏開發(fā)過程中由于近井地帶生產(chǎn)壓差大，氣體流速過高，導(dǎo)致氣體發(fā)生紊流，產(chǎn)生高速非達西流效應(yīng)，從而造成近井儲層的附加阻力，不利于低滲透氣田的開發(fā)。

    由于高速非達西流效應(yīng)的影響，近井地帶儲層視滲透率可表示為：

 

式中：K_a為高速非達西流下的氣測滲透率，10^-3μm²；β為非達西紊流因子；v為氣體滲流速度，cm/s；ρ為氣體密度，g/cm³；μ為氣體黏度，mPa·s。

    由此可知，氣體滲流速度越高，非達西紊流(β)因子越大，儲層的視滲透率就越低，附加阻力也就越大。

    室內(nèi)低滲透巖心實驗結(jié)果表明：低滲透氣藏發(fā)生高速非達西效應(yīng)時存在臨界條件，當(dāng)?shù)蜐B透氣藏儲層滲透率太低(小于0.1×10^-3μm²)時，由于氣體的滲流速度受到限制，一般很難達到發(fā)生紊流需要的速度(圖3)，因此氣體滲流一般不會產(chǎn)生高速非達西流效應(yīng)。但是當(dāng)儲層滲透率大于0.1×110^-3μm²或者更大，那么氣體在儲層的滲流過程中，在較大的生產(chǎn)壓差下容易發(fā)生紊流，產(chǎn)生高速非達西流效應(yīng)(圖4)。因此，對于滲透率大于0.1×10^-3μm²的低滲透氣藏，在氣藏開發(fā)的模擬計算過程中，必須考慮高速非達西效應(yīng)對氣體滲流能力及開發(fā)效果的影響。

 

    根據(jù)克氏理論，低滲透巖心含束縛水時氣體滑脫效應(yīng)隨含水飽和度的增加而增加。而Rose和Fulton等人卻給出了與克氏理論相矛盾的研究結(jié)論^[6～7]。Rose是第一個對含水飽和度影響滑脫效應(yīng)進行研究的人，他分別對人造巖心和天然巖心進行了氣體相對滲透率的實驗研究，其研究得到的結(jié)果與克氏理論是相矛盾的。Rose發(fā)現(xiàn)砂巖巖心氣體滑脫因子隨含水飽和度的增加而降低。Fulton的實驗研究得到了和Rose同樣的結(jié)論，不過這兩個實驗都是在含水飽和度低于30%的條件下進行的。后來許多學(xué)者都得到了與Rose一樣的研究結(jié)論^[8]，但是對形成這一現(xiàn)象的原因一直沒有明確的解釋。

    筆者的實驗研究結(jié)果與Rose得到的結(jié)論完全一致，就是氣體在低滲透巖心中的克氏效應(yīng)隨含水飽和度的增加而明顯減弱，其實驗結(jié)果見圖5、6。

 

    圖5是滲透率為0.3×10^-3μm²的低滲透巖心在不同含水飽和度下(62%～23%)克氏曲線的分布規(guī)律。可以看到當(dāng)含水飽和度大于60%時，氣體的克氏曲線特征表現(xiàn)為液相滲流的特征，即隨驅(qū)替壓力增加，巖心滲透率有減小的趨勢，曲線的斷點是由于高含水飽和度下，含水飽和度難以控制、變化較大的結(jié)果；當(dāng)含水飽和度降到50%時，克氏曲線變化幅度很小，整個滲流過程中滲透率幾乎不發(fā)生變化；當(dāng)含水飽和度降到40%左右，氣體滲流的克氏曲線開始表現(xiàn)出不含水的單相氣體滲流特征，滲透率隨平均壓力降低而增加，開始表現(xiàn)出滑脫效應(yīng)；當(dāng)含水飽和度降低到30%左右時，氣體滲流過程中的滑脫效應(yīng)更加明顯；當(dāng)含水飽和度降到20%左右時，氣體滲流的克氏曲線接近于不含水的單相氣體滲流特征，而且在低壓下出現(xiàn)強滑脫現(xiàn)象，高壓下還表現(xiàn)出了高速非達西流效應(yīng)，而且隨含水飽和度增加，啟動壓力梯度增大，高速非達西流效應(yīng)減弱，但是其滲流特征與不含水單相氣體的滲流特征已經(jīng)非常相近。

    圖6是滲透率為0.013×10^-3μm²的特低滲透巖心在不同含水飽和度下(65.2%～27.8%)克氏曲線的分布規(guī)律。其克氏曲線分布特征與圖5基本一致，同樣是在高含水飽和度下氣體的滲流特征表現(xiàn)出液相滲流特征，隨含水飽和度的降低，出現(xiàn)單相氣體的克氏曲線滲流特征。氣體滲流的克氏效應(yīng)隨含水飽和度的降低而逐漸增強。

   筆者認(rèn)為在不同含水飽和度下氣體的滲流特征其實與克氏理論并不矛盾，雖然克氏理論強調(diào)，巖心的喉道半徑越小，就越容易發(fā)生滑脫效應(yīng)，但那是就固定的多孔介質(zhì)而言的，對于越致密的儲層，喉道半徑越小，越容易發(fā)生滑脫效應(yīng)，這種說法是完全正確的；但是對于由于含水飽和度的增加而造成的喉道半徑減小是否會增加其滑脫效應(yīng)，克氏理論未作進一步解釋。

   氣體之所以能夠產(chǎn)生滑脫效應(yīng)，最關(guān)鍵的原因是氣體分子與孔隙固壁碰撞的結(jié)果，由于低壓下氣固之間分子的引力很小，所以就產(chǎn)生了滑脫效應(yīng)，但是對于喉道壁面附著水的多孔介質(zhì)，氣體在滲流過程中氣體分子主要與附著水的喉道壁面碰撞，而氣水分子間的引力與氣固之間相比要大得多，因此在巖心含水飽和度很高時，氣體在巖心中滲流不會發(fā)生滑脫效應(yīng)，隨著含水飽和度降低，氣固之間的分子碰撞增多，滑脫效應(yīng)又逐漸表現(xiàn)出來。

    1) 氣體在多孔介質(zhì)中的滑脫效應(yīng)是在低壓下產(chǎn)生的現(xiàn)象，而實際低滲透致密氣藏的廢棄壓力很高，在這一壓力范圍內(nèi)氣體在儲層中不會發(fā)生滑脫現(xiàn)象，因此在低滲透氣藏的實際生產(chǎn)過程中沒有必要考慮滑脫效應(yīng)的影響。

    2) 低滲透氣藏氣體滲流過程中存在啟動壓力梯度，而且滲透率越低啟動壓力梯度就越大，氣體的滲流能力就越小，開發(fā)效果也就越差。

    3) 低滲透氣藏開發(fā)過程中發(fā)生高速非達西流效應(yīng)具有臨界滲透率值。當(dāng)?shù)蜐B透氣藏儲層有效滲透率小于0.1×10^-3μm²時，開發(fā)過程中一般不會發(fā)生高速非達西流現(xiàn)象；但是當(dāng)儲層有效滲透率大于0.1×10^-3μm²后，開發(fā)過程中容易產(chǎn)生高速非達西流現(xiàn)象，而且滲透率越大，高速非達西流效應(yīng)越明顯，近井地帶儲層附加阻力也就越大。

    4) 低滲透氣藏含水飽和度對于氣體的滲流特征影響很大。隨含水飽和度增加，氣體滲流過程中的克氏效應(yīng)減弱，啟動壓力梯度增加，高速非達西流效應(yīng)減弱。

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(本文作者：高樹生^1，2 熊偉² 劉先貴² 胡志明² 薛惠² 1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院)