海相砂岩水驱气藏气水微观渗流特征研究

2023-11-05白美丽洪舒娜陈斯宇

石油化工应用 2023年9期

白美丽，秦峰，洪舒娜，杨鹏，陈斯宇

（中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳 518064）

水驱气藏在南海东部气田占很重比例，因此，如何高效开发此类气田对南海东部气田增产稳产有重要意义。本文以番禺气田为例，开展水驱气藏气水两相微观渗流机理研究，了解气藏生产过程中气水的渗流特征，同时定量得到束缚水饱和度及残余气饱和度等，为水驱气藏的采收率标定提供依据。通过微观可视化实验可直接观察到流体在孔喉介质中发生的复杂运移过程，还可为定量分析实验现象提供更为准确的数据资料，从中发现有利于提高气藏驱替效率的因素和条件，为类似气藏的高效开发提供理论依据。

1 地质概况

番禺气田位于珠江口盆地番禺低隆起，构造位于白云凹陷北坡第二排反向断裂带之上，受四条北倾反向大断层控制，主体构造为翘倾半背斜。根据钻探成果，研究区主要含油气层系为韩江组和珠江组下段，可进一步细分为多个小层。根据岩心观察结合前人研究可知，研究区沉积类型为辫状河三角洲前缘，沉积微相以水下分流河道沉积及河口坝沉积为主，夹天然堤沉积及支流间湾沉积。根据气田薄片分析结果，储集层岩石成分以石英砂岩为主，其次为长石及岩屑，含少量云母。储层中黏土基质含量占1.0%～33.0%，胶结物含量占1.0%～27.3%，胶结物以方解石、白云石胶结为主，主要胶结类型为孔隙式[1]，储集空间以原生粒间孔及粒间溶孔为主。其中韩江组砂岩粒度比较粗，为中-粗砂岩，胶结物很少，孔隙连通性好，整体表现为中-高孔、高-特高渗储层。珠江组砂岩成岩作用比较强，压实与胶结作用都相当强，由于泥质含量高及钙质胶结相对较严重，导致孔隙连通性较差，储层非均质性较强，整体属于低-中孔、中-高渗储层。

2 气水两相渗流实验

2.1 实验步骤

选取番禺气田韩江组及珠江组标准岩心9 块，岩心绝对渗透率为13.9～636.0 mD，孔隙度为12.1%～18.4%。实验用气体为N2（纯度为99%），水样采用PY 气田实际测试地层水成分配制，总矿化度为36 584 mg/L，水型为CaCl2型。参照行业标准《岩石中两相流体相对渗透率测定方法》，在常温常压条件下，利用美国岩心公司的气液相对渗透率测定仪，对9 块岩心采用稳态法开展了气水互驱条件下相对渗透率曲线的测定。

2.2 实验结果

从实验结果来看，番禺气田岩心束缚水饱和度在31.00%～45.25%，残余气饱和度在11.6%～26.1%，按孔隙结构参数和曲线形态特征对气水相渗分类，同时根据陈元千的相对渗透率曲线归一化方法，对水驱气相对渗透率曲线进行归一化，得到可以表征储层特征的3 类气水相对渗透率曲线（表1、图1）。

表1 气水相渗特征分类

结果显示，Ⅰ类气水相渗曲线对应的储层物性最好，样品平均孔隙度27.9%，平均渗透率535.0 mD，孔喉大小及分布较均匀且连通性好，束缚水饱和度与残余气饱和度均较低，气水两相渗流区比较宽，范围62.3%。在两相渗流区，随着含水饱和度不断升高，气相相对渗透率曲线下降较缓慢[2]，在实际生产中，该类储层气井在生产动态上表现为高产、稳产型，且见水时间较晚，该类储层主要发育在韩江组。

Ⅱ类气水相渗曲线对应储层物性相对较好，样品平均孔隙度16.5%，平均渗透率114.0 mD，束缚水饱和度与残余气饱和度均相对Ⅰ类增大，两相共渗区变窄，范围53.0%，等渗点向右下方偏移，且在两相渗流区域随着含水饱和度的增加，气相相对渗透率曲线的下降幅度较Ⅰ类储层快，存在一定的气水两相干扰；在实际生产中，该类型的气井初期产能较高，气井见水比较慢，但见水后水气比上升较快，产能相对逐渐降低[3]，稳产时间较Ⅰ类储层而言相对较短，也是研究区较常见的储层，该类储层在整个气田均有发育。

Ⅲ类气水相渗曲线对应储层物性相对较差，样品平均孔隙度14.3%，平均渗透率27.4 mD，束缚水饱和度与残余气饱和度相对比较高，两相共渗区范围相对较小，为46.9%，等渗点也处于相对偏右偏低的位置，存在较强的气水两相干扰，在整个渗流区间内，随着含水饱和度不断增加，气相相对渗透率曲线下降较快；在实际生产中，该类储层气井见水后产能降低，水气比快速上升，稳产时间短，相对Ⅰ类、Ⅱ类而言，有Ⅲ类气水相渗曲线特征的储层渗流能力较弱，该类储层主要发育在珠江组下段。

3 气水微观可视化实验

与气水相渗实验对应，通过对番禺气田多口井岩心铸体照片资料的对比与挑选，选取韩江组、珠江组上段及珠江组下段的3 块具有代表性的薄片，制作为激光刻蚀模型进行微观可视化气水互驱实验，通过气驱水实验来模拟成藏过程中束缚水的大小及分布特征，通过水驱来模拟气藏开发过程中气水的流动特征及残余气分布特征，以期为南海东部同类型气藏高效开发提供参考资料与理论依据。

3.1 气驱水实验

气驱水实验主要用来模拟气藏束缚水的形成过程。在实验样品准备完成后，首先对每个玻璃刻蚀模型进行饱和水，待模型完全饱和水之后，分别用不同驱替速度进行气驱水，在显微镜下观察驱替过程中的气水运动规律及特征。通过本次实验可知，研究区储层气驱水过程中其主要特征如下：气体优先进入大孔径、孔隙中央，且气驱前缘发生跳跃式的转换，存在明显的黏性指进现象。

气驱水过程及非湿相驱替湿相，在这个过程中毛管力是阻力，当以较低速度驱替时，气体优先进入阻力较小的大孔径，由于沿程摩阻导致压力损失，气体驱替前沿处的压力就会下降，且当其小于小喉道处的毛管阻力时就会停止前进；间隔一段时间后，随着压力的升高，当前缘驱替压力大于某一孔径大小的毛管力，则气体从该个孔径的孔喉突破后继续向前运移，甚至变换方向，如此重复以上过程[4]，气驱水过程中的跳跃式运移见图2。

图2 气驱水过程中的跳跃式运移

同时由于储层孔喉分布的不均匀，导致气驱水过程中毛管力的分布不均，气驱水过程中能看到明显的黏性指进现象，气驱水结束后气水的分布特征见图3，从图中可以看出，残余水主要分布在小喉道或者狭窄的喉道以及孔隙盲端。

图3 气驱水过程结束后剩余水的分布

3.2 水驱气实验

气驱水实验结束后，对模型连续注水，利用水驱气实验模拟开采过程中水侵动态及末期残余气分布形式。对3 个模型分别选取不同驱替速度进行水驱气，对比末期气水分布情况及驱替效率。本次实验的残余气饱和度为14.1%～31.5%，平均为22.1%，最终水驱气效率为59.8%～80.8%，平均64.5%。总的来看，随着水驱速度的提高，剩余气逐渐减少，驱替效率不断增大。1号模型在实验过程中气水分布情况见图4，可以看到同一时刻在不同驱替速度下模型中的含气饱和度变化比较显著，当水以1×10-3mL/min 的驱替速度进行水驱气时，模型中含气饱和度明显低于1×10-5mL/min 下的含气饱和度。

图4 1 号模型在不同驱替速度下气水分布图

同时在水驱气实验过程观察到，当驱替速度较低时，气水的分布方式主要为“水包气”，水膜主要以连续相分布在孔道壁，气体以不连续的气泡形式在孔道中央流动[5]。由于整个玻璃刻蚀模型是亲水的，这时毛管力是渗流主要动力，当驱替速度较低时，水以较快的速度进入小孔道，从而到达整个模型的各个壁面与小孔径，而在较大的孔喉中渗流速度比较慢，从而产生强烈指进现象（图5）。并且当水一旦突破形成优势通道后，该通道能够通过的流量大于驱替流量时，剩余气基本不再被驱出。

图5 低流速下水驱气第10 min 气水分布图

当驱替速度增大时，毛管指进现象逐渐减弱，此时气体会沿小孔道快速的突破，而当原来的优势通道不满足流量时，会产生新的分支，水会流向大孔径[6]，当流速增大到一定值时基本看不到指进现象，这时驱替压力占据主导，孔径尺寸不再影响水的前进方向，水能够同时进入各个大小的孔径中，使得水驱前缘均匀推进（图6）。这表明对于物性较好的海相砂岩均质的水驱气藏，适当加快开采速度可以提高气藏无水期采出程度。

图6 高流速下水驱气过程末气水分布图

实验结果表明，卡段和绕流是封闭气的形成方式。卡段形成的封闭气主要原因是受贾敏效应影响，当水沿着孔道表面流动时形成水膜，导致渗流阻力显著增大，当气体经过较窄的孔道时必须收缩变形后才可通过，而其他部分留在孔道中，这就使得原本连续流动的气体发生卡段。前人研究结果表明提高驱替压差，在水动力作用下，卡段形成的封闭气可以进一步采出[7]。

绕流形成的封闭气是受到毛管力及水动力共同作用影响，当驱替压力较小时，水最先沿着孔隙壁面到达各个小孔径，在小孔道中的气体会快速被驱替出，而大孔道中的毛管力较小，水的渗流速度较慢，因此，当小孔道中的水发生突破后，大孔道中的气就被封闭起来。而当驱替压力逐渐提高时，水动力起主要作用时，水优先在大孔道中突破，从而将小孔道中的气封闭起来[8]，由此可见，在实际开发中绕流是气水两相渗流的主要特征。