鄂尔多斯盆地致密砂岩气藏启动压力梯度实验研究

白慧芳，施里宇，张 磊，辛翠平，王永科，王少征.

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710065；2.承德石油高等专科学校，河北承德 067000)

延长气田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部，B井区构造上为一西倾单斜，断裂、背斜等构造不发育，仅在局部发育低幅度的鼻状隆起。气藏圈闭类型主要为海陆过渡相和河流—三角洲相沉积形成的岩性圈闭群[1-2]。气藏横向连续性差，呈准连续分布，天然气的分布主要受储层非均质性控制。储层致密，非均质性强，矿物成分复杂，填隙物含量高，其孔隙度、渗透率、含气饱和度均较小[3-4]。

与常规天然气藏相比较，本区致密砂岩储层岩石孔隙结构复杂、储层致密、流体呈现非线性(非达西)渗流特征[5-7]，存在启动压力梯度。只有当驱动压力大于某个附加压力时，流体才能够发生流动[8-10]，该附加压力梯就是启动压力梯度。从具体的物理模拟实验着手，对启动压力梯度进行实验研究，揭示致密气藏的非线性渗流规律及其影响因素，这对于气田开发具有重要的指导意义[11-13]。

1 实验原理

当储层不存在启动压力梯度时，气体渗流满足如下关系[14-15]：

(1)

(2)

令v=0，则岩样的启动压力为：

(3)

根据公式(3)，岩样的启动压力梯度为：

(4)

式中v——气体通过岩心的流速，cm/s；

q——气体通过岩心的流量，cm3/s；

A——岩心的横截面积，cm2；

K——岩心的渗透率，μm2；

p1——岩心进口端的压力，MPa；

p0——实验条件下的大气压力，MPa；

pλ——启动压力，MPa；

μ——气体的黏度，mPa·s；

L——岩心的长度，cm；

a、b——直线系数的常数项；

λ——启动压力梯度，MPa/cm。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

实验选取了延安气田B井区上古生界盒8段、山1段、山2段、本溪组4个层位共20块岩心，其物性情况见表1。

表1 样品物性参数表Table 1 Physical property parameters table of experimental core samples

2.2 实验方法

本次实验采用KS-VI型孔渗联测仪，仪器由高压岩心夹持器、岩心进样、气体调压、温度压力测量、定容器、数据采集处理、支架面板等系统组成。整体设计科学合理，实现自动控制与采集，便于操作，准确性、稳定性高。实验装置如图1所示，流程如图2所示。

实验采用与气体渗透率测定类似的稳态法[18-19]，实验温度为20 ℃左右，实验所用的驱替气体为氮气。测量不同驱替压差下的流量，每块岩心测量10～16组数据，逐渐缓慢升高岩心入口端压力，每个压力点待流动稳定后，测定各压力下气体的流量[20]。

图1 实验装置图Fig.1 Experimental device diagram

图2 实验流程图Fig.2 Experimental flow diagram

为保证含水致密岩样中气体的单相流动，需考虑岩样含残余水的情况，根据岩样渗透率的不同，采用尽可能小的实验压差，控制其含水饱和度变化不超过3%。饱和流体为根据实际地层水分析资料所配的地层水样。

3 实验结果及分析

3.1 启动压力梯度计算

从图4和表2可以看出，当延安气田上古生界岩心渗透率大于0.1 mD时，不存在启动压力梯度；当渗透率小于0.1 mD时，岩心存在启动压力梯度，其变化范围在0.000 21～0.001 04 MPa/cm之间。对比4个层位启动压力梯度的平均值可知，山1段启动压力梯度最大，本溪组启动压力梯度最小。

3.2 敏感性因素分析

根据延安气田B井区14块岩样的实验数据及计算结果(表2)，分析启动压力梯度与渗透率、含水饱和度之间的关系(图5、图6)。

图3 岩心克氏回归曲线Fig.3 Core Klinkenberg regression curves

表2 启动压力梯度计算结果Table 2 Calculation results of actuating pressure gradient

图4 不同层位的平均启动压力梯度Fig.4 Average actuating pressure gradient of different formations

图5 启动压力梯度随渗透率的变化关系Fig.5 Relationship between actuating pressure gradient and core permeability

渗透率增大，岩心的启动压力梯度随之减小，这是由于致密储层孔隙和喉道较为狭窄，流体在流动过程的渗流阻力要比常规储层高得多，启动压力梯度也较大。拟合启动压力梯度与岩心渗透率关系曲线，发现二者呈现较好的幂指数关系，曲线拟合形式为Y=abx。从图5的曲线上可以看出，当渗透率在0～0.04 mD范围内时，随着渗透率的增加，启动压力梯度急剧下降；在0.04～0.10 mD范围时，随渗透率增加，启动压力梯度下降较小。当渗透率大于0.10 mD以后，不存在启动压力梯度。

图6 启动压力梯度随含水饱和度的变化关系Fig.6 Relationship between actuating pressure gradient and water saturation

含水饱和度增大，岩心的启动压力梯度也随之增大，这主要是由于液体的黏滞阻力大于气体，阻碍了气体的流动。同时在孔隙喉道中束缚水饱和度越大，气水两相毛管力越大，气相的渗流阻力越大，导致启动压力梯度也增大。拟合启动压力梯度与岩心含水饱和度关系曲线，发现二者呈现很好的指数关系，曲线拟合形式为Y=abx。从图6的曲线上可以看出，当含水饱和度小于45%时，随饱和度的增加，启动压力梯度上升缓慢；当含水饱和度大于45%时，启动压力梯度迅速上升。

4 结论

(1)基于鄂尔多斯盆地延安气田致密气藏的特征，选取20块延安气田B井区上古生界岩心，采用稳态法测量不同驱动压差下的气体流量，研究启动压力梯度与渗透率、含水饱和度的关系。

(2)实验结果显示14块岩样渗透率小于0.1 mD，此时存在启动压力梯度，进一步研究发现，山1段启动压力梯度最大，本溪组启动压力梯度最小。

(3)启动压力梯度随渗透率的增大而减小，两者呈幂指数关系，当渗透率小于0.04 mD时，启动压力梯度急剧下降。启动压力梯度随含水饱和度的增大而增大，两者呈指数关系，当含水饱和度大于45%时，启动压力梯度迅速上升。