致密低渗气藏启动压力梯度实验研究

章 星，杨胜来，张 洁，张 俊，王一晗

(中国石油大学，北京 昌平 102249)

致密低渗气藏启动压力梯度实验研究

章 星，杨胜来，张 洁，张 俊，王一晗

(中国石油大学，北京 昌平 102249)

致密低渗气藏具有低孔、低渗等特征，导致渗流过程中存在启动压力梯度，无法进行常规开发。通过室内物理模拟实验，研究其启动压力梯度及影响因素。实验研究表明，在致密低渗岩心中，当气体流量小于一定值时，气体在岩心中为非达西流动。气体的启动压力梯度随岩心围压的增加而增大，但其增加幅度逐渐减小。温度对气体的启动压力梯度有明显影响，气体分子质量的大小也是影响气体启动压力梯度的重要因素。

致密低渗气藏;启动压力梯度;围压;温度;克氏效应;实验研究

引 言

近年来，国内外对油气资源需求量日益增大，非常规天然气藏的研究也越来越受到人们的关注，致密低渗气藏已成为我国天然气勘探与开发的重要领域之一［1－5］。致密低渗气藏在开发过程中，由于启动压力梯度、克氏效应、应力变化等因素，使得气体流动呈现非线性，表现出不同于常规气藏的渗流规律和开发动态［6－10］。要实现致密低渗气藏的有效开发，需要对其启动压力梯度有一个清楚、准确的认识。研究致密低渗气藏的启动压力梯度及其影响因素，对于分析气藏渗流规律、指导开发方案设计、预测气井产能具有一定的指导意义。

1 实验过程

实验采用致密低渗气藏的全直径岩心，对所取岩心进行孔隙度和渗透率的测定，基础物性测定参照行业标准［11］执行，主要实验装置为从美国引进的GPP－1型高压孔渗仪，压力计量精度可达到7×10－5MPa。岩心参数如表1所示。

表1 岩心基础物性数据

不同驱替条件下的启动压力梯度－气体流量实验分别为方案①、方案②、方案③。

方案①为变围压实验。实验温度为80℃，实验气体为天然气。依次改变实验围压为10、20、30、40、50 MPa，观察压力梯度和气体流量的变化。

方案②为变温度实验。实验围压为5 MPa。实验气体为天然气。分别在80、140℃实验条件下，观察压力梯度和气体流量的变化。

方案③为变气体实验。实验温度为20℃，实验围压为5 MPa。依次更换实验气体为二氧化碳、天然气、氮气，观察压力梯度和气体流量的变化。

2 实验结果与分析

2.1 围压的影响

研究发现，随着气体流量的增加，不同围压条件下的压力梯度变化趋势相同(图1)。在低流量条件下，气体在岩心孔隙中呈现非线性流动特征，不符合气体流动的达西定律;而当气体流量增加到一定值时，压力梯度与流量呈线性变化，此时气体流动符合达西定律。当气体流量一定时，岩心围压越大，其压力梯度越大。

图1 不同围压下压力梯度与气体流量的关系曲线

随着岩心围压的增加，压力梯度与流量线性段的斜率逐渐增大，斜率增加的幅度是逐渐减小的，并且，围压越大压力梯度与流量线性段交于压力梯度坐标轴的值越大(2.5～3.0 MPa/m)，也就是说，气体在岩心中的启动压力梯度越大。这是因为致密低渗岩心具有孔径小、比表面积大等特点，随着围压的增大，岩心受到压缩从而物理参数发生变化，造成气体在岩心中流动困难，启动压力梯度增大;而随着围压的继续增大，岩心的物理特征变化减小，其启动压力梯度的增加幅度减小。

2.2 温度的影响

从图2可以看出，在实验温度分别为80、140℃条件下，压力梯度随着气体流量增大而增大。岩心中气体的启动压力梯度分别为3.7、3.5 MPa/m，高温条件下的气体启动压力梯度略低。

图2 不同温度下压力梯度与气体流量的关系曲线

在高压力梯度条件下(大于2 MPa/m)，140℃条件下的气体流量要大于80℃条件下的气体流量;在低压力梯度条件下(小于2 MPa/m)，情况则相反。这表明，在高压条件下，温度越高，气体的黏度越小，越利于气体在岩心孔隙中流动，气体流量越大;在低压条件下，情况则相反。这就解释了为什么在同一流量下，80℃时气体流动所需要的压力梯度要大于140℃时气体流动所需要的压力梯度。

2.3 气体的影响

图3为不同驱替条件下岩心中气体流量与压力梯度的关系曲线。从图3可以看出，二氧化碳的压力梯度－流量曲线与天然气、氮气的压力梯度－流量曲线明显不同，而后两者的变化趋势相同，岩心中气体启动压力梯度分别为3.2、3.0 MPa/m。

图3 不同气体的压力梯度与气体流量的关系曲线

上述现象可以用气体的克氏效应来解释。在相同压力梯度条件下，岩心孔隙中气体分子的分子质量越小，气体分子间的相互碰撞就越小，使得气体更容易流动，气体滑脱现象就越严重，气体流量也就越大。二氧化碳的分子质量大，与天然气、氮气分子质量相差较多，所以二氧化碳的启动压力梯度要大于天然气、氮气的启动压力梯度。

3 结论

(1)在致密低渗岩心中，当气体流量小于一定值时，气体在岩心中为非达西流动;气体流量大于此值时，压力梯度－流量曲线呈线性变化，气体流动符合达西定律。

(2)气体的启动压力梯度随着岩心围压的增加而增大，但是其增加幅度是逐渐减小的，这是由致密低渗岩心自身的物理性质所决定的。

(3)温度对压力梯度－流量曲线有明显影响，140℃条件下气体启动压力梯度要低于80℃条件下气体启动压力梯度。

(4)气体分子质量的大小也是影响气体启动压力梯度的重要因素，二氧化碳的启动压力梯度明显大于天然气和氮气的启动压力梯度。

［1］姚广聚，彭红利，熊钰，等.低渗透砂岩气藏气体渗流特征［J］.油气地质与采收率，2009，16(4):104－108.

［2］何学文，杨胜来，唐嘉.深层火山岩油气藏滑脱效应及启动压力梯度研究［J］.特种油气藏，2010，17(5):100－102.

［3］闪从新，王道成.流体启动压力梯度实验研究［J］.油气田地面工程，2010，29(4):30 －32.

［4］刘曰武，丁振华，何凤珍.确定低渗透油藏启动压力梯度的三种方法［J］.油气井测试，2004，13(3):1－4.

［5］吕成远，王建，孙志刚.低渗透砂岩油藏渗流启动压力梯度实验研究［J］.石油勘探与开发，2002，29(2):86－89.

［6］邓玉珍，刘慧卿.低渗透岩心中油水两相渗流启动压力梯度试验［J］.石油钻采工艺，2006，28(3):37－40.

［7］郝斐，程林松，李春兰，等.特低渗透油藏启动压力梯度研究［J］.西南石油学院学报，2006，28(6):29－32.

［8］王杨，杨胜来，吴彬，等.大庆特低渗砂岩单相水启动压力梯度实验研究［J］.复杂油气藏，2010，3(1):62－65.

［9］刘刚，张国忠.人工神经网络预测热油环道启动压力［J］.天然气与石油，2002，20(3):1－3.

［10］杨学云，张学婧，蒋国斌，等.启动压力梯度影响下低渗透气藏水平井产能模型的建立［J］.特种油气藏，2010，17(1):85 －87.

［11］油气田开发专业标准化委员会.SY/T 5336－1996岩心常规分析方法［S］//中华人民共和国石油天然气行业标准.中国石油天然气总公司，1999.

Experimental study on threshold pressure gradient of tight and low permeability gas reservoirs

ZHANG Xing，YANG Sheng－lai，ZHANG Jie，ZHANG Jun，WANG Yi－han
(China University of Petroleum，Beijing102249，China)

Tight and low permeability gas reservoirs can not be developed conventionally due to the presence of threshold pressure gradient caused by low porosity，low permeability and other properties．Threshold pressure gradient and its influencing factors are studied through physical simulation experiment．The experiment indicates that gas flow behaves like non－Darcy flow in tight and low permeability core when the flow rate is less than a certain value．The threshold pressure gradient of gas increases with the increasing of confining pressure，but the increasing magnitude slows down gradually．Temperature has a significant effect on the threshold pressure gradient of gas，so does gas molecular weight．

tight and low permeability gas reservoir;threshold pressure gradient;confining pressure;temperature;Klinkenberg effect;experimental study

TE33

A

1006－6535(2011)05－0103－02

20110417;改回日期20110610

国家重点基础研究发展规划项目“温室气体提高石油采收率的资源化利用及地下埋存”(2006CB705800)

章星(1984－)，男，2008年毕业于中国石油大学(北京)石油工程专业，现为该校石油工程专业在读博士研究生，主要从事油气田开发研究工作。

编辑 周丹妮