粒灰岩中气水两相驱替实验研究

粒灰岩中气水两相驱替实验研究

中国在油气藏开发中开展了大量的两相渗透试验，主要包括水驱油实验和气水两相驱油试验。在开展实验的过程中,各个油田针对具体的实际情况和研究目的,研制了相应的物理模型。在这些物理模型中,微观激光刻蚀模型由于其可以观察到油水或气水两相的微观分布特征和两相接触方式而广泛应用于各种驱替实验。在“气水两相渗流可视化实验模型的建立与应用研究”和“九五”科技攻关项目“有水气藏提高采收率实验室评价方法研究”项目中激光刻蚀模型实验的基础上,笔者以龙岗地区储层鲕粒岩心薄片图像为微观激光刻蚀模型的模板,进行了气驱水和水驱气两相可视化实验。1实验数据及模型实验流程是在一定压力下将驱替相注入模型中,跟踪驱替相从进口流至出口时的流动情况并观察记录驱替的过程。整个过程用700万像素的数码照相机拍摄记录。通过对龙岗地区10口井礁滩储层岩心铸体照片资料的对比与挑选,选取了以龙岗地区下三叠统飞仙关组具有代表性的1块铸体薄片(如图1所示,亮晶含豆粒粗鲕含云灰岩)为激光刻蚀模型的模板,进行可视化气水两相实验研究。激光刻蚀鲕粒模型是以鲕粒薄片为底板制作的玻璃激光刻蚀模型。模型主要部分为1颗鲕粒(如图2中箭头所示)。1.1孔道大小对驱气的影响实验用染为红色驱替液在一定的压力下将水注入到模型中,跟踪水相从进口流至出口时的流动情况并观察记录驱替的过程。图3是驱替结束后,水相在模型中的分布情况(红色部分为水相)。在水驱气实验过程中,当驱替压差较小时,气水分布及流动方式主要为“水包气”,水以连续相的形式沿孔道内壁流动,气体以不连续的气泡形式在孔道中间流动。由于模型(岩石)具有亲水性,毛细管力是驱动力,孔径越小毛细管力越大。水在较小的孔隙和毛细管中流动的速度较快,在较大的孔隙和喉道中渗流速度较慢。这反映出水驱气过程中视野宏观上不同大小孔道中的“指进”现象。但是鲕粒模型在实验中的“指进”现象并不明显,这可能是由于鲕粒模型的孔道大多比较狭长,孔道内孔径并不均匀。在小孔道变小时,气相在通过细小喉道受到毛细管的阻力,停滞在喉道处,减小了渗流的通道,降低了水相驱替整个孔隙中气体的速度。因此从宏观上看小孔道中水流动的速度并不比大孔道中快很多,而且小孔道中的水驱气的速度也不比大孔道中快很多,这样的“指进”并不能形成封闭气。实验中观察到的封闭气的形成方式有3种类型。1.1.1采出盲端中的气体盲端形成的封闭气如图3的A处所示。孔隙盲端、角隅形成的封闭气是由于孔隙相互间的不连通造成的,在多孔介质中,盲端、角隅是大量存在的。尽管模型具有亲水性,但是由于没有形成有效的渗流通道,很难将盲端中的气体驱出。实验表明:要采出盲端中的封闭气,只有降低驱替压差,当盲端中的气体发生膨胀后,气相才能重新占据部分流动通道,在水的驱替作用下可以驱出部分气体。同时孔隙内气体膨胀能逐渐消耗,压力降低,当与流动通道的压力处于平衡时,气体就不能再进一步驱替出来。对应到气藏的开发中来看,降低气藏压力或在气藏产能衰减时,才能将盲端等死孔隙中的气体采出。从这一点来看,关井复压会使孔隙通道内压力增加,也有可能会形成封闭气。1.1.2气体在喉道处的表达实验过程中,卡断形成的封闭气以不连续的气泡的形式分布在孔道中央,如图3的C处所示。实验表明:卡断也是形成封闭气的一个主要原因,当气水两相流经狭窄喉道时,由于贾敏效应产生的阻力,气体以气泡的形式滞留在喉道处。另一方面由于模型(岩石)具有亲水性,水相以水膜的形式沿孔喉壁面流动,在喉道易产生水锁现象,进一步使喉道缩小,加剧贾敏效应,增大气相流动阻力,这迫使连续流动的气相流经喉道时发生收缩形变才能通过。而气泡的收缩变形是一个能量消耗的过程,气泡原有的能量只能支持其中一部分发生变形收缩以通过喉道,这使得气相在喉道处易发生卡断。大气泡的前端部分分离出来形成小泡先通过,其余的部分只能滞留在喉道处等待聚集更多的能量才能通过。1.1.3孔隙水膜的形成水驱气时水在大的孔隙内流动会出现绕流现象。因为模型(岩石)的亲水性,水首先在孔壁流动形成水膜。水膜在驱替压力作用下,沿孔壁流动,绕过大孔隙中的气。水膜前沿流动到较为狭窄处时易发生闭合,形成“水包气”形式的封闭气。封闭气以气泡的形式存在于孔隙中央,如图3所示的B处。1.2气驱水初始分布水驱气结束后,又改变驱替介质,进行了气驱水实验。图4为气驱水结束后模型中气和水的分布情况。从图中可看到,残余水多分布在细长孔道中或狭窄喉道附近。残余水的存在形式主要有以下几种。1.2.1孔道阻力驱替由于模型(岩石)的亲水性,水相是润湿相,气相为非润湿相,因此毛细管力对于气驱水过程表现为阻力。在多条孔道存在的情况下,较为细长的孔道内气驱水所受到的阻力比之较宽、较短的孔道要大得多,要将此处的水驱替出来,则需要多耗费驱替的能量。所以在气驱水时,在细长孔道中易形成残余水,如图4中的A、C等处。1.2.2狭窄的喉咙由于狭窄喉道处的贾敏效应,气驱水需克服更多的阻力,更易于使水滞留而形成残余水(图4中的B处)。1.2.3水膜断裂产生残余水的机理机制由于气相为非润湿相,气驱水时水相以水膜形式在孔道壁处流动,气相在孔道中间流动,气泡之间为孔道中间的水膜所阻断,易于形成非连续相。当水膜较厚时,气驱水所受到阻力较大,进而使气体膨胀挤压孔壁,使孔壁处的水膜变薄,水相更向气泡之间集中,造成孔道中部气泡间水膜更厚。水膜越集越厚,当气相的能量无法突破水膜的间隔时,气相不再从此处的通道流通,水膜最终形成残余水。图4中D处就是卡断形成的一处残余水。2封闭气的形成从实验结果来看,鲕粒模型水驱气时由于模型的亲水性,绕流、卡断是形成封闭气的主要原因。孔隙盲端和连通性较差的孔隙也会形成大量的封闭气,因此,在采气过程中尽量少进行关井复压的操作。卡断、绕流形成的封闭气可以通过提高驱替压差将其驱替出来,而盲端、角隅处形成的封闭气只能通过降低驱替压差才能将其驱出。在连通性较差的孔隙中的气很难通过改变驱替压差将其驱出。关井复压也会压死部分气体而形成封闭气。此外激光刻蚀的玻璃模型在制作时同样存在光滑程度的差异,在流体流动过程中使得其受到的阻力不同。这会造成在湿相流体在相同孔径的孔道中流动时也存在速度上的差异,绕流形成封闭气。另外孔隙形状的不光滑,如棱角、尖端等,也会延滞湿相流体流动的速度。鲕粒模型中的孔隙内壁与实际的岩心相比,仍然要光滑得多。真实岩心水驱气时水相要通过粗糙孔隙,其形成的水膜厚度会比光滑表面孔隙的水膜要大得多。这进一步减少了孔隙内的有效渗流通道孔径,提高了气相通过孔喉的阻力,形成更多的封闭气。关井复压也会压死部分气体而形成封闭气。同样是因为模型的亲水性,气驱水时残余水形成的主要原因有:①细长孔道内形成的残余水;②狭窄喉道处形成的残余水;③卡断形成的残余水。这些残余水滞留孔道,延滞了气驱水的速度,甚至使孔道关闭,减少了渗流的通道,降低了气驱水的效率。由于鲕粒模型中鲕粒占据了模型的大部分,渗流通道较为细长且数量又少,渗流通道一旦发生阻塞,对气水两相流动的影响较之均质模型等其他模型要大得多。另外在渗流实验中出现的“指进”现象并没有其他模型的实验明显,也不是形成封闭气的主要原因。3气驱水