致密气藏束缚水分布规律及含气饱和度研究

2011-11-26孙军昌杨正明唐立根

深圳大学学报（理工版） 2011年5期

孙军昌，杨正明，唐立根，晏军

1)中国科学院渗流流体力学研究所，河北廊坊065007;2)中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007;3)中国科学院研究生院，北京100049

含气饱和度是气藏储量计算、储层评价所需的关键参数之一［1-3］.但由于致密砂岩气藏孔隙度、渗透率较低、孔喉细微及毛管力较大等特点［1-3］，使用常压干馏法、蒸馏抽提法和色谱法等常规方法操作较为复杂和影响因素较多，导致实验结果误差较大［3］.而离心法和压汞法近年来也被广泛用来求取储层原始含气饱和度，但由于压汞实验中进汞压力难以准确控制及对岩样具有破坏性等缺点，因此实验结果也存在一定的误差和局限性［4］.

在离心实验中，非润湿相流体在离心力驱动下克服毛管阻力，将润湿相流体驱替出来，不同大小的离心力会得到大小不同的束缚水饱和度，最终计算的储层含气饱和度也会出现明显差异.因此，优选合适的离心力是应用该技术的关键［4-9］.低渗砂岩油藏选取的离心力一般为0.69 MPa［4-5］，但李海波［6］认为1.38 MPa才是适合低渗油藏的最佳离心力;Rauhul Dastidar等［7］对一低渗浊积岩油藏研究认为，0.69 MPa是适合该油藏的最佳离心力;An Mai等［8］在研究孔洞型碳酸盐储层束缚水变化规律时，发现只有在较高离心力8 000 r/min作用下，岩样中较大孔隙和溶洞中的地层水才能被离心出来.笔者［9］对低渗火山岩气藏进行的研究表明，2.76 MPa是该类储层束缚水饱和度的合适离心力.由于目前对于致密砂岩气藏合适离心力研究较少，直接影响到离心法确定储层原始含气饱和度的准确程度.

本研究首先对致密气藏岩样进行不同离心力气水离心实验，优选出适合该类气藏的合适离心力，结合核磁共振 (nuclear magnetic resonance，NMR)技术给出了储层束缚水分布规律.最后与密闭取芯岩样实验结果进行对比，证明了优选离心力的合理性及原始含气饱和度的准确性.

1 实验

1.1 材料

选取中国某致密砂岩气藏16块岩样进行研究，其中4块岩样取自密闭取芯的全直径岩芯，表1为密闭取芯的4块岩样常规物性资料.16块岩样孔隙度平均值为5.77%，渗透率分布在0.002×10-3～0.139 ×10-3μm2，平均值为 0.057 ×10-3μm2，属于典型的致密砂岩气藏储层.

气水离心实验在PC-1型离心机上进行.为避免高速离心过程中岩样液体蒸发，该离心机离心杯上配有密封盖，且离心腔内设强冷却和温控系统，离心过程中可调控恒温，具有较高实验精度.NMR实验在自制的RecCore04型低磁场核磁共振岩样分析仪上进行.实验中设置的仪器参数为:等待时间tW=3 000 ms，回波间隔tE=0.6 ms，回波个数nE=1 024，扫描次数＞64次.

表1 4块致密气藏岩样常规物性资料Table 1 Physical parameters of four tight gas reservoir samples

1.2 实验步骤

①先从密闭取芯的4块全直径岩芯上快速钻取直径约2.5 cm、长约3 cm的规则柱塞岩样，将两端切平、切齐，用滤纸擦干岩样表面的外来水，用保鲜膜多层包裹.

②对代表储层原始状态的4块岩样进行NMR测量，数学反演得到核磁共振T2谱.

③对16块岩样抽真空、加压饱和模拟地层水，测量重量后进行NMR实验.

④对4块岩样分别进行 0.35、0.69、1.03、1.38、1.73、2.07 和2.42 MPa离心力的离心实验，每次离心后均记录岩芯质量并进行NMR实验.

⑤对其余12块岩样进行优选离心力实验，记录离心后岩样质量并进行NMR实验.

⑥岩样烘干后测量干质量，计算水测孔隙度，测试岩样气测渗透率.

2 结果与讨论

2.2 优选离心实验中离心力

图1为4块岩样在不同离心力离心后含水饱和度变化规律;图2为不同离心力离心后4块岩样含水饱和度减小幅度与离心力的关系.

图1 不同离心力离心后岩样含水饱和度Fig.1 Water saturation corresponding to different centrifugal forces

图2 不同离心力离心后岩样含水饱和度减小幅度Fig.2 The decrease extent of water saturation reduction corresponding to different centrifugal forces

从图1和图2可见，随离心力增大，4块岩样含水饱和度不断减小，减小幅度呈明显下降趋势.离心力从0增至0.69 MPa时，4块岩样含水饱和度平均减小18.25%;当离心力从0.69 MPa增至1.38 MPa时，4块岩样含水饱和度平均减小14.63%.表明0.69 MPa离心力并不适合致密砂岩气藏储层岩样，因为该离心力离心后4块岩样中至少还有14.63%的可动水未被离心出来.而当离心力从1.38 MPa增至2.07 MPa后，4块岩样含水饱和度平均减小了4.32%.表明适合于低渗砂岩油藏的1.38 MPa离心力也不适用于致密砂岩气藏.但当离心力从2.07 MPa增至2.42 MPa后，4块岩样含水饱和度平均仅减少0.77%.因此，对于实验研究的低渗致密砂岩气藏储层岩样，室内离心实验确定储层束缚水饱和度的合适离心力应为2.07 MPa.

从图3不同离心力离心后岩样核磁共振T2谱变化特征可以看出，在离心力增大的初期，首先是较大孔隙中的水被离心出来，而较小孔隙中的水基本保持不变.当离心力增大到一定程度后 (如1.38 MPa)，较小孔隙中的水才被离心出来.但T2驰豫时间最小的黏土束缚水 (T2＜1 ms)基本保持不变［11-12］.对应的核磁共振T2谱左侧曲线完全重合，表明不同气驱压力下 (离心力)仍然是较大孔隙中的水被驱替出来.岩样不同离心状态核磁共振T2谱变化特征从微观上进一步证明了较小离心力(0.69 MPa和1.38 MPa)离心后致密气藏岩样中仍含有大量的可动水未被离心出来.

图3 1#岩样不同离心力离心后核磁共振T2谱Fig.3 NMR T2spectrum corresponding to different centrifugal forces of sample 1#

2.3 致密气藏有效渗流喉道半径下限

其中，P为毛管力;σ为表面张力;θ为润湿角;rt为喉道半径.对于气水离心σ =72.8 mN/m，θ=0°，将以上参数代入式 (1)即得气水离心实验中离心力与岩样喉道半径的对应关系.

对于致密砂岩气藏储层，根据式 (1)计算可知，2.07 MPa离心力对应的喉道半径约为 0.07 μm.根据离心实验原理可知，实验研究的致密砂岩气藏储层有效渗流喉道半径下限约为0.07 μm.半径小于0.07 μm的孔隙，以及由半径小于0.07 μm喉道所控制的孔隙空间中主要为束缚水，而由半径大于0.07 μm喉道所控制的孔隙空间中的流体在气体运移过程中被驱走，成为致密气藏主要的有效储集空间.

经典油层物理中一般将半径小于0.1 μm的孔隙定义为微毛细管孔隙［3］，认为在该类孔隙中液体分子之间及液固分子之间的引力很大，油层条件下的压力梯度一般无法使原油在此类孔隙中移动［3］.因此，通常将半径0.1 μm作为流体能否在孔隙中流动的分界线［13］.但由于气体分子直径和黏度均远小于原油，使气体的流动力远大于原油［1］，这是致密气藏储层有效渗流喉道半径下限降低的根本原因;而离心实验确定的致密气藏储层有效渗流喉道半径下限的减小，则是该类储层物性下限降低的直接原因［1］.

2.4 束缚水微观分布规律

图4为表1中1#和4#岩样饱和水状态、2.07 MPa离心后及密闭取芯岩样初始状态核磁共振T2谱对比图.

图4 2块岩样饱和度、原始状态及离心后核磁共振T2谱对比Fig.4 NMR T2spectrum corresponding to different state of two samples

从图4可见，离心后岩样T2谱对应较大孔隙空间的右峰并未完全消失，且不同渗透率岩样T2谱右峰减小幅度具有一定差异，表明致密气藏束缚水并不完全分布在微孔隙中，离心与气藏原始状态T2谱的高度吻合也证明了这个观点.实际上，为进一步确认研究结果的准确性，在将离心与密闭取芯的原始状态岩样实验结果对比之前，对从密闭取芯的全直径岩芯表面及内部分别钻取的岩石颗粒也进行了核磁共振实验.结果表明，4块岩芯表面岩石碎颗粒获取的原始含气饱和度与内部岩石碎颗粒获取的原始含气饱和度非常接近，对应的含气饱和度平均值分别为62.87%和62.50%，两者对应的核磁共振T2谱也基本一致.由于全直径岩芯内部颗粒在钻进和取芯等过程中受到的影响和扰动相对较小，因此研究的密闭取芯的全直径岩芯较好地保存了原始地层流体信息，实验结果可信度很高.

图5为16块岩样微孔隙空间束缚水所占比例与渗透率的关系，其中微孔隙以Schlumberger公司推荐的T2驰豫时间小于10 ms为界限计算所得.从图5可见，致密气藏储层中绝大多数束缚水分布在T2弛豫时间小于10 ms的黏土孔隙 (T2＜1ms)和微孔隙 (1 ms＜T2＜10 ms)中［14-15］.统计表明，16块岩样微孔隙束缚水所占比例为83.61%.随着岩样渗透率的增大，微孔隙束缚水所占比例呈递减趋势.图5中渗透率小于0.01×10-3μm2的5块岩样中87.41%的束缚水分布在黏土孔隙和微孔隙中;而渗透率大于0.1×10-3μm2的3块岩样中约有80.30%的束缚水分布在微孔隙中.本研究的低渗砂岩属于胶结致密的细粒砂岩，扫描电镜结果显示，该类储层岩石孔隙连通性较差，黏土含量较高.岩样渗透率越小，则孔隙连通性越差，尤其是粒间胶结物发育较多，导致岩石比表面较大，大量的束缚水分布在微孔隙中［5］.而渗透率相对较大的储层黏土含量较少，微孔隙所占比例和岩石比表面相对减小，而被细微喉道控制的较大孔隙中的束缚水比例增加.

从图6可见，致密气藏储层束缚水饱和度随渗透率增加呈明显递减趋势，两者呈较好的对数关系.当渗透率小于0.03×10-3μm2时束缚水饱和度随渗透率的增加急剧减小，但当渗透率大于0.03×10-3μm2时束缚水饱和度随渗透率的增加变化不明显.统计表明，16块岩样束缚水饱和度平均值为73.24%，高于低渗砂岩气藏束缚水饱和度［10］.

图5 微孔隙束缚水比例与渗透率的关系Fig.5 Relationship between micro-pore irreducible water ratio and permeability

图6 束缚水饱和度与渗透率的关系Fig.6 Relationship between irreducible water saturation and permeability

2.5 离心与原始状态含气饱和度对比

图7为4块密闭取心岩样原始含气饱和度与离心力为2.07 MPa时计算的含气饱和度对比结果.从图7可见，离心力2.07 MPa时计算的含气饱和度与储层原始含气饱和度非常接近.4块岩样原始含气饱和度分布在30.49% ～41.61%，平均值为37.50%.离心力2.07 MPa时计算的含气饱和度分布在32.19% ～43.55%之间，平均值为 37.23%，两者相差仅0.27%.而使用0.69 MPa和1.38 MPa离心力计算的储层含气饱和度分别为18.28%和32.91%，明显小于气藏原始实际含气饱和度，误差分别为19.22%和4.59%.表明离心实验优选的2.07 MPa离心力对于致密砂岩气藏储层岩样具有很好的适用性，室内使用离心实验求取束缚水饱和度时应当以2.07 MPa进行离心实验.

图8为使用2.07(本研究优选)、0.69(经典推荐)和1.38 MPa(适用于低渗油藏岩样)3种离心力计算的低渗致密气藏储层含气饱和度对比结果.由图8可见，0.69 MPa与1.38 MPa离心力计算的储层原始含气饱和度分别为 18.28%和32.91%，比致密气藏实际原始含气饱和度分别减少19.22%和4.59%.数据统计表明，通过较小离心力获取的储层含气饱和度会明显小于实际气藏地质储量，这对气藏储量计算、开发方案的制定及经济效益分析均会造成较大误差，而本研究优选的2.07 MPa离心力对于准确获取低渗致密气藏原始含气饱和度客观重要.

图7 4块岩样离心与原始含气饱和度对比图Fig.7 Relationship between initial gas saturation and centrifugal gas saturation of four samples

图8 不同离心力计算含气饱和度实验结果对比Fig.8 Gas saturations corresponding to different centrifugal forces

从图4还可看出，2.07 MPa离心力离心后岩样束缚水微观分布规律与气藏原始状态一致，即较小的微孔隙中基本为束缚水，同时部分束缚水也分布在较大的孔隙空间中.图4中1#和4#岩样离心后T2谱右峰稍低于气藏原始状态T2谱右峰，但其左峰又稍高于原始状态T2谱左峰.引起这种微小差别的原因可能是成藏过程中，气体运移时将部分孔隙壁面的薄膜束缚水排挤出来，以及由于储层非均质性导致的气体运移不充分，部分较大孔隙并未被气体所占据而含有少量可动水的缘故［1-2，16-18］，相关结论尚需进一步验证.

结语

综上研究可知:① 采用不同离心力实验，优选出适合致密砂岩气藏岩样离心法，获取储层含气饱和度的离心力为2.07 MPa，与密闭取心岩样原始含气饱和度对比表明，2.07 MPa离心力计算的含气饱和度具有很高的准确性;② 结合毛管压力方程，确定致密气藏储层有效渗流喉道半径下限为0.07 μm，解释了致密气藏储层物性下限降低的储层内在原因，为进一步储层评价奠定了理论基础;③结合低磁场核磁共振技术，发现致密气藏储层束缚水分布在T2弛豫时间小于10 ms的黏土孔隙、微孔隙中及被小喉道所控制的较大孔隙空间中，微孔隙束缚水所占比例随储层渗透率增大而减小;④ 致密砂岩气藏储层束缚水饱和度普遍较高，初始含气饱和度仅为26.76%，核磁共振T2谱表明，气驱过程中提高驱替压力仍是较大孔隙中的水被驱替出来，而较小孔隙中的地层水基本保持不变.

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