低渗气层气体的渗流特征实验研究.docx

低渗气层气体的渗流特征实验研究the exper im en ta l study of cha ra c ter ist ic s of ga s f low in t igh t form a t ion任晓娟1)张敏渝2)阎庆来何秋轩1) 西安石油学院, 西安, 710065; 2) 长庆石油勘探局, 甘肃庆阳, 745100 1 第一作者: 女, 讲师, 硕士摘要通过大量的岩心实验, 研究了陕甘宁中部低渗气田某储层岩心中存在残余水时气体的渗流规律 1 研究表明, 低渗岩心中气体的流动存大多种渗流形态, 这与低渗岩心的渗透率、 含 水饱和度以及压力梯度的大小有关 1 当含水饱和度较低时 (小于 30% ) , 仅在一定的压力梯度范围内存在达西渗流 1 当含水饱和度较高时 (大于 30% 至束缚水饱和度以下) , 气体的渗流存在非达西渗流的现象 1 这种非达西流动表现为在较低的压力梯度下为非线性流动, 而在较高的压力梯度下 为线性流动, 即气体的视渗透率随压力梯度的增加而增加, 至一定值后, 视渗透率基本保持不变, 但此时气体的流动规律同达西线性流相比, 气体的流动存在附加压力损失 1 文中还初步分析了低渗岩心中气体流动存在多种渗流形态的原因及其存在的范围 1主题词/ 自由词 低渗透油气藏,非达西流, 渗流, 特征中图资料分类法分类号t e 31236 块 1引言112实验流体低渗透油气田的开发,在我国油气田开发中起实验采用蒸馏水作为模拟地层水 1 这样做主要是由于以下两个原因: 由于地层水的矿化度高, 在 实验过程中易出现盐析堵塞孔道, 有可能给实验结果造成误差; 使用的储层岩心属弱水敏、 且粘度 含量低 1 因此, 本实验用蒸饱水代替实际地层水进 行了实验, 使用氮气做为模拟天然气的实验气体 1着越来越重要的作用 1 然而, 低渗储层孔隙度、 渗透率低(1) , 流体在其中的流动表现出了一些特性 1 前人的研究结果表明(2 3) , 在一定的条件下, 气体通 过低渗干岩心渗流时, 会受到滑脱效应的, 在一定程度上表现出非达西渗流特征 1 由于低渗气层喉细 小, 气水分异差, 在低渗气层中或多或少都存在一 定程度的地层水 1 这些地层水尽管处于不流动状态, 但对气体的流动产生了一定程度的影响(4 6) 1本文通过对陕甘宁中部气田低渗储层岩心的实验研 究, 初步探讨了低渗气导中存在残余水时气体的渗流规律 1113实验步骤气测岩心渗透率; 抽空饱和蒸饱水; 气驱至无流动水产出, 然后通过蒸发, 反复气驱至所 要求的含水饱和度; 测渗流曲线, 即恒定压力, 待 气体流量稳定后测该点的流量值 1 然后改变压力, 直至得到一条渗曲线 1本 实 验 控 制 最 高 实 验 压 力围 压1m p a,1 实验方法415m p a, 出口压力为大气压 1 实验最小压力梯度10- 4m p a/cm , 控制岩心含水饱和度, 试验前后饱和 度变化为 1% 左右 1 岩心含水饱和度控制在束缚水饱和度以下 1111实验岩心实验岩心为陕甘宁中部气田某储层岩心,渗透率分布范围在 0100945 51810- 3 m 2;岩心孔隙度分布在 2192% 14. 43% 范围内 1 实验岩心总计22西安石油学院学报1997 年 5 月第 12 卷第 3 期 (j. of x ian pe tro. in st. m ay 1997 vo l. 12 no. 3)从这些图中可以看出, 在本实验范围内, 渗流速度与压力平方梯度不呈线性关系 1 对实验结果进 行分析表明, 在整个实验范围内气体的流动可划分为三个区, 即受滑脱效应影响的非达西流动区、 达 西流动区及气体高速紊流区 1 随着压力平方梯度的 增加, 气体的渗流形态从受滑脱效应影响的非达西 流动区转变到达西流动区, 又逐渐过渡至气体高速 紊流区 1 在本文中将达西流动区所对应的最低压力梯度称为达西渗流下限值; 而将达西流动区所对应 的最高平方压力梯度称为达西渗流上限值 1实验结果及分析2通过大量的岩心渗流试验表明, 在不同的含水饱和度条件下, 低渗岩心气体渗流表现出了不同的 渗流特征 1 其渗流特征本文主要从以下两个方面进 行分析 1211较低含水饱和度条件下气体的渗流特征本文中的较低含水饱和度是指岩心中的含水饱和度低于 30% 以下 1 此时, 不同渗透率岩心气体的22( p -p 0 )渗流速度(v )与压力平方梯度之间的l关系, 反映在对数坐标下如图 1, 2, 3 所示 1 由于在直角坐标系中难以直观描述出整个范围内气体的渗流规律,因此,在本文使用了双对数坐标 1图 3 较低含水饱和度时不同渗透率岩心气体的渗流曲线实验表明, 达西流动区的范围与岩心的绝对渗 透率及压力梯度有关 1 表 1 列出了几块典型渗透率 岩心达西流动时所对应的压力平方梯度范围 1 从图 表中可以明显看出, 随着渗透率的降低, 在本实验 范围内, 达西渗流区的上下限值均呈现增加趋势 1 当岩心绝对渗透率从 51810- 3 m 2 下降至 01094210- 3 m 2 时,其达西渗流压力平方梯度下限值从10- 6m p a2 /cm 增加至 01001m p a2 /cm ;而达西渗流压力平方梯度上限值从 01002 增加至 014m p a2 /cm 1 以上规律表明, 当压力梯度低于达西渗流下限 值时, 由于气体滑脱效应的影响, 气体的渗流不能完全符合达西渗流规律; 然而随着渗透率的增加, 意 味着岩石平均孔隙喉道的增加, 气体滑脱效应有所 减小, 所以其达西渗流下限值减小; 当压力梯度高 于达西渗流上限值时, 气体高速紊流造成附加压力损失, 然而随着渗透率减小, 渗流速度相应减小, 因 而附加压力损失减小, 所以随着渗透率的降低达西 渗流上限值增加 1图 2 较低含水饱和度时不同渗透率岩心气体的渗流曲线任晓娟等: 低渗气层气体的渗流特征实验研究23界限值从图中可以看出与岩心渗透率和含水饱和度有较大的关系, 总的趋势是随着岩心渗透率的增加 及含水饱和度的降低, 流态变化时所对应的压力梯 度界限值降低 1以上实验结果表明, 在较高含水饱和度下, 气 体的渗流能力不仅与岩石的渗透率有关, 而且在一 定的条件下与岩石的含水饱和度及承受的压力梯度 有关 1 尤其是表现出了在一定的压力梯度范围内,气体的有效渗透率随压力梯度的增加而增加 1 造成 现象的产生可能是: 对于低渗岩心, 当含水饱和度表 1 不同渗透率岩心达西渗流范围达西渗流时压力 平方梯度范围(m p a2/cm )序 号渗透率10- 3 m 2孔隙度( % )10- 6 0. 0020100001 010040. 0001 0. 010. 0004 0. 40. 001 0. 41234551811170. 790. 3850. 09428134716710. 48. 157. 61较高含水饱和度条件下气体的渗流特征212较高时, 水做为润湿相占据了较多细小的喉道,成敏感效应的存在, 结果使气体流动能力下降,体的渗流规律发生变化 1造气本文中较高含水饱和度条件下是指含水饱和度大于 30% 以上, 但岩心中不含有可流动水, 岩心中 的水仍处于束缚水状态 1 图 4 为双对数坐标下不同 渗透率岩心较高含水饱和度条件下气体的渗流曲线1 从图中可以看出, 双对数坐标系下气体的渗流速 度与压力平方梯度的关系在本实验范围内与前述情 况一样不呈线性关系 1图 4 双对数坐标下较低含水饱和度时气体渗流特征实验结果分析表明, 在此种含饱和度条件下, 气 体的流动形态可划分为两个区, 即非线性流动区和 线性流动区 1 随着压力梯度的增加, 气体的渗流形 态由非线性区逐渐过渡至线性区 1 在非线性区内气 体的视渗透率表现出随着压力梯度的增加而增加的 趋势, 当气体的流动形态过渡到线性区时, 气体的 视渗透率随压力梯度的继续增加基本保持不变 1 图5 为直角坐标系下较高含水饱和度时不同渗透率岩 心中气体的渗流曲线 1 从该图可以更明显地看出,在较低压力梯度时, 渗流曲线表现为一向上弯曲的 曲线 1 当压力梯度增至一定压力梯度范围时, 气体 的渗流曲线的形状基本表现为一条直线, 此时气体 的渗流规律与达西线性流相比为一具有附加压力损 失的线性流动 1 该条件下气体渗流流态变化压力梯图 6 较高含水饱和度时不同渗透率岩心气体的渗流曲线以上实验结果及分析表明, 对于低渗气层, 气 体的渗流规律在不同的条件下有可能表现出不同的 流态, 与低渗气层的渗透率、 含水饱和度及压力梯 度的大小有关 1 因此, 在低渗气层的开发过程中, 应西安石油学院学报 (jxa p i) 1997 年24尽可能考虑到气体在地层中渗流时的流态变化 1越高, 气体渗流非线性段越长 1文中符号说明v 气体的渗流速度 (cm /s) ;s w 含水饱和度 (% ) ;p 进口压力 (m p a) ;p 0 出口压力 (m p a) ;k g 岩心克氏渗透率 (10- 3 m 2 ) ;结论3(1) 低渗岩心中气体的渗流规律在不同的条件下有可能表现出不同的流态, 这与岩心渗透率、 含 水饱和度及压力梯度密切相关 1(2) 在本试验条件下, 当岩心含水饱和度低于30% 时, 气体的达西渗流范围受渗透率的影响 1 随 着渗透率的增加, 达西渗流压力平方梯度下限值减 小; 同时达西渗流上限值也相应减小 1 当压力梯度 低于达西渗流下限值时, 气体所表现出的流态为受滑脱效应影响的渗流形态; 当压力梯度高于达西渗 流上限值时, 气体渗流表现出存在气体高速紊流损 失的渗流形态 1l 岩心长度(cm )1参考文献中国石油天然气总公司开发生产局 1 低渗透油田开发技术 1 北京: 石油工业出版社, 1994薛定鄂 a 1e 著 1 多孔介质中的渗流物理 1 北京: 石油工 业出版社, 1982闫庆来等 1 低渗透多孔介质中气体渗流的非达西特征 1力学研究与实践 1 西安: 西北工业大学出版社, 1994 叶敬东等译 1 低渗透油气田开发译文集 (中册) 1 北京: 石油工业出版社, 1992r exd t hom a s, d o nc. w a rd. e ffec t o f o ve rbu rden p re s2su re and w a te r sa tu ra t io n o n ga s p e rm eab ility o f t igh t sand sto ne co re s. j p t. 1972: 120 126jo ne s f o , dw en s w w . a l abo ra to ry study o f low1234(3) 当岩心含水饱和度大于 30% ,但岩心中不存在可流动水时, 气体渗流表现出了非达西渗流特征, 表现为在一定的压力梯度下, 气体的视透率随 压力梯度的增加而增加, 气体的渗流曲线为一上凹 的曲线, 即气体的流动为非线性流动; 当压力梯度 高于一定值后, 与达西线性流相比, 气体的流动为 存在附加压力损失的线性流动 1 在该条件下, 气体 渗流流态的变化与岩心渗透率、 含水饱和度及压力561980: 1631 1637p e rm eab ility ga s sand s.j p t.收稿日期1996211226高建强编辑梯度的大小均有关 1 岩心渗透率越低,含水饱和度任晓娟等: 低渗气层气体的渗流特征实验研究25a bstracts o f the present issue (j xa p i is sn100125361)p a la e o h ig hs in c ra to n b a s in o f t a lim u a nd the exp lo ra t io n o b je c t iv e sa bstra c t: t h e p a laeo zo ic p ro to typ e b a sin in t a lim u is a c ra to n b a sin p ilin g up o n p recam b ra in c ry s2 ta llin e m e tom o rp h ic ro ck sy stem. d iffe ren t k in d s o f p a laeo h igh s deve lop ed in th e b a sin. t h ey a re t azho n g stab le p a laeo h igh , t ab e i re sidu a l p a laeo h igh , t ado n g re sidu a l p a laeo h igh , b ach u ac t ive p a laeo h igh an d t ; an an ac t ive p a laeo h igh. t h ey h ave d iffe ren t tec to n ic evo lu t io n h isto r ie s an d fo rm in g co n d it io n s fo r o il an d ga s re se rvo ir. a lo t o f o il an d ga s is accum u la ted in th e se p a laeo h igh s. it is e st im a ted th a t th e ir re se rve is abo u t h a lf o f th e to ta l re se rve in th e b a sin. t o loo k fo r la rge an d m id ium sized f ie ld s in th e b a sin , th e f ir st exp lo ra t io n o b jec t ive s sho u ld b e t azho n g stab le p a laeo h igh an d it s no r th e rn slop e, t ab e i re sidu a l p a laeo 2 h igh an d it s no r th so u th e rn slop e. t h e exp lo ra t io n o b jec t ive st ra ta o f th e fo rm e r a re c a rbo n ife ro u s, o rdo v i2 c ian , s ilu r ian an d d evo n ian sy stem s, an d tho se o f th e la t te r a re c a rbo n ife ro u s, o rdo v ic ian , c am b ra in , s in i2 an , t r ia ssic, j u ra ssic, c ra taceo u s an d t e r t ia ry sy stem s. t h e seco n d exp lo ra t io n o b jec t ive s a re b ach u ac t ive p a laeo h igh an d it s so u th e rn slop e, t ado n g re sidu a l p a laeo h igh an d it s w e ste rn slop e, t an an ac t ive p a laeo 2 h igh an d it s so u thw e ste rn slop e. t h e ir m a jo r exp lo ra t io n o b jec t ive st ra ta a re c a rbo n ife ro u s, ju ra ssic, o r2 do v ic ian , s ilu r ian an d t e r t ia ry sy stem s.subjec t hea d in g s: t a lim u b a sin , up lif ted zo n e, o il an d ga s exp lo ra t io n , c ra to nz h a n g z on gm in g , e t a l (x ian p e t ro leum in st itu te, x ian 710065. c h ina) jxa p i 1997 v12 n 3 p 8dd e v e lo pm e n t o f h ig h ene rg y g a s f ra c tu r ing (heg f ) in the p a s t t e n ye a rsa bstra c t: t h is p ap e r rev iew s th e deve lopm en t o f h e gf in o u r in st itu te in th e p a st ten yea r s, an d in t ro 2 du ce s th e ach ievem en t s an d th e p re sen t tech n ica l leve ls in th e stu dy o f f rac tu r in g m ech an ism , ga s gen e ra to r w ith so lid p rop e llan t an d liqu id p rop e llan t f rac tu r in g, th e te st in g o f sp ik e p re ssu re an d p 2t cu rve, th e m e tho d o f f rac tu r in g de sign , th e f rac tu r in g co n st ru c t io n tech no lo gy fo r ca sed w e lls, safe ty regu la t io n s in th e p ro ce ss o f f rac tu r in g, an d th e labo ra to ry co n st ru c t io n. som e p ro b lem s to b e stu dy tho ro u gh ly h e re af te ra re a lso p u t fo rw a rd.subjec t hea d in g s/ free word s :p rop e llan t rev iew , ga s gen e ra to r/ h igh en e rgy ga s f rac tu r in g,liqu idq in f a d on g , e t a l (x ian p e t ro leum in st itu te, x ian 710065. c h ina) jxa p i 1997 v12 n 3 p 14es ta b lis hm e n t a nd a p p lic a t io n o f a f u ll c om p o s it io na l t h re e 2p ha s e 3d m o d e la bstra c t: o n th e b a sis o f th eo ry o f ch em ica l en g in ee r in g th e rm o dyn am ic s, a fu ll com po sit io n a l th ree2 p h a se 3d m o de l w a s e stab lish ed b y th e f in ite d iffe rn ce m e tho d so a s to m ee t th e n eed s o f th e deve lopm en t in co n den sa te f ie ld s, m isc ib le f loo d in g f ie ld s an d imm isc ib le f loo d in g f ie ld s. in th e m o de l, th e fu n c t io n s o f v isco u s fo rce, g rav ity an d cap illa ry fo rce a re tak en in co n side ra t io n. t h e m o de l w a s u sed fo r th e sim u la t io n ca lcu la t io n o f th e reco ve ry b y ga s re in jec t io n in a co n den sa te f ie ld an d fo r th e reco ve ry fea sib ility re sea rch o f th e fo u r th re se rve b y ga s in jec t io n in p in gq iao a rea o f a n sa i o ilf ie ld. t h e ca lcu la t io n re su lt s show th a t th e m o de l is rea so n ab le, it s fu n c t io n s a re com p le te, it s accu racy an d eff ien cy o f ca lcu la t io n a re h igh , an dits co n ven ien t to u se.subjec t hea d in g s/ free word s :m o de l, co n den sa te f ie ld, m isc ib le f loo d in g/ imm isc ib le f loo d in g l i l iu ren , e t a l (x ian p e t ro leum in st itu te, x ian 710065. c h ina) jxa p i 1997 v12 n 3 p 18t he exp e r im e n ta l s tud y o f c ha ra c te r is t ic s o f g a s f low in t ig h t f o rm a t io na bstra c t: t h is p ap e r stu d ie s th e ch a rac te r ist ic s o f ga s f low in low p e rm eab ility co re s w h ich w e re ge t f rom th e m idd le d ist r ic t o f sh aan 2gan 2n in g an d in w h ich th e re ex ist s re sidu a l w a te r. a lo t o f exp e r im en ta l re su lt s show th a t: (1) t h e re ex ist m an y f rom s o f ga s f low in low p e rm eab ility co re s. t h is h a s som e th in g to do w ith th e p e rm eab ility, w a te r sa tu ra t io n an d p re ssu re g rad ien t o f th e co re s. 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