低渗透致密气藏水锁空间特征及伤害程度研究

低渗透致密气藏水锁空间特征及伤害程度研究

水压是影响气藏生产的主要因素。尤其是对于低渗透致密砂岩的气藏，水压现象是影响其开发效果的突出问题。针对水锁程度的大小及其影响因素,前人已经进行了很多宏观方面的岩心驱替实验及相关分析,张振华等认为,界面张力、气测渗透率和储集层的水饱和度是影响水锁损害程度的主要因素;李淑白等认为,岩心渗透率、岩心孔隙度、孔隙半径是影响水锁损害程度的主要因素;钟新荣等认为,油水界面张力和储集层的水饱和度是影响水锁损害程度的主要因素。然而从微观角度的研究涉及甚少,因此,笔者将通过恒速压汞、核磁共振、气水相渗、铸体薄片、扫描电镜、X衍射等多种实验分析手段,对微观孔喉分布特征及开发过程中气水的分布空间开展理论分析,对水锁效应及水锁伤害程度进行深入研究,从而为制定合理的解决方案解除低渗透致密气藏水锁效应,提高开发效果提供坚实的物质基础。1层序地层水的残留形式致密砂岩气藏的喉道被认为是毛细管束型。由于受界面吸附、毛细管力的影响,地层岩石中或多或少残留有地层水,残留的地层水以束缚水和自由水的形式存在。束缚水又以水膜水和毛细管水的形式存在。岩石表面水膜的厚度与油气藏的驱动压力、地层温度、地层水矿化度和岩石的亲水性有关。1.1储层水膜厚度式(1)为室温条件下、气体环境中无离子水在强亲水性矿物表面形成水膜的计算公式(视低渗透致密砂岩储层为强亲水条件),其计算值被视为气藏储层中水膜厚度的上限。式中:h为水膜厚度(μm);p为驱动压力(MPa)。将研究区原始地层压力30.5MPa代入,计算出原始条件下储层中水膜的厚度为0.002μm。因此,可以认为原始地层条件下,孔喉半径在0.002μm以下的储集空间全被水膜形式的地层水占据。1.2束缚水空间的概念毛细管水主要受毛细管半径和毛细管力的影响,式(2)为毛细管压力的理论公式,通过该式可以计算地层条件下毛细管水存在的孔喉半径的上限。式中:pc为毛细管压力(MPa);r为毛细管半径(μm);σ为气水界面张力(N/m)。在气藏原始地层压力条件下,视储层为极亲水的极限条件,取地层条件下σ值为3.95×10-2N/m,并将其代入式(2),得到原始条件下毛细管水存在于孔喉半径小于0.003μm的孔喉空间。结合水膜的厚度,可将孔喉半径低于0.003μm的空间称为原始条件下的束缚水空间。原始地层条件下,孔喉半径在0.003μm以下的空间为束缚水占据的空间,而孔喉半径在0.003μm以上的储层连通空间则被天然气占据。1.3水膜厚度对水锁效应的影响随着气藏开发时间的延长,地层的压力将逐渐降低,此时对应的水膜厚度和毛细管水存在空间也将发生变化。图1为不同驱替压差下毛细管水和水膜水的分布空间。开发过程中地层压力由30MPa降至5MPa时,水膜的厚度由0.002μm增至0.006μm,故水膜厚度引起的水锁效应在开发中可以忽略。生产压差为2~15MPa时,毛细管水存在的孔喉半径的上限为0.003~0.04μm,此时水锁现象将表现为地层水堵塞半径为0.003~0.04μm的孔喉空间,称其为水锁空间。该空间造成的水锁效应是影响开发效果的最主要因素之一。2束缚水饱和度利用气藏平均相对渗透率曲线可以研究一个地区的平均水锁伤害程度。为此,对21块相渗测试样品进行了标准化,做出了平均的标准化相对渗透率曲线,进而绘制出整个气藏平均相对渗透率曲线,以深入分析低渗透致密气藏的水锁伤害程度。计算过程如下:依据以下公式对每一块岩心样品的实验数据进行标准化处理,并绘制标准化后的气水相对渗透率曲线。式中:Sw为含水饱和度;Swi为束缚水饱和度;Sgr为残余气饱和度;Krg(Sw)、Krw(Sw)分别为气相和水相相对渗透率;Krgmax、Krwmax分别是最大气相和水相相对渗透率;Sw*为标准化含水饱和度;K*rg(Sw*)、K*rw(Sw*)分别为标准化气相和水相相对渗透率。在标准化曲线上,将横坐标从0到1进行20等分,求取各分点的Sw*、K*rg(Sw*)和K*rw(Sw*),从而做出平均的标准化相对渗透率曲线。对各样品的Swi、Swmax、Krgmax、Srwmax等特征值分别进行算术平均,并将平均值作为气藏平均相对渗透率曲线特征值。将平均的标准化相对渗透率曲线上各分点的Sw*、K*rg(Sw*)和K*rw(Sw*)分别进行如下换算:根据上述公式,绘制整个气藏的平均相对渗透率曲线(图2),结果束缚水饱和度为46.67%;残余气饱和度为88.19%;残余气时水相相对渗透率为0.479;束缚水时气相相对渗透率为0.425;利用式(9)计算出整个气藏的水锁伤害率为61.5%。表1为各样品的水锁伤害率。式中:Dk为束缚水饱和度时的水锁伤害率(%);Kt为绝对渗透率(10-3μm2);Kg为气体的有效渗透率(10-3μm2);Krg为束缚水饱和度时气相的相对渗透率。3影响水锁损伤程度的因素分析3.1圈闭渗透率造成伤气藏初始含水饱和度与束缚水饱和度存在差异,差值越大,不利的相对渗透率效应越明显,水相圈闭渗透率造成伤害的可能性就越大。在相同驱替压力梯度下,气藏含水饱和度上升后,其气体渗透率下降越大,水锁伤害越严重。水锁效应所造成的伤害程度与含水饱和度之间呈非线性关系,主要表现为:随含水饱和度的增大,水锁效应所造成的伤害程度上升并逐渐趋于平缓(图3)。3.2水锁伤害率降低研究区可动流体饱和度与水锁伤害率呈明显的幂函数关系,是影响水锁伤害程度的主要因素,随着可动流体饱和度的增大,水锁伤害率逐步减小。可动流体饱和度对研究区水锁伤害程度的拐点为49.5%时,随着可动流体饱和度的不断增大,水锁伤害程度逐渐减弱,且影响程度的递减速率也同样减小,当可动流体饱和度达到49.5%时,其对水锁伤害率的影响呈近似线性关系,随着可动流体饱和度的不断增大,水锁伤害程度依然逐渐减弱,但影响程度的递减速率趋于稳定(图4)。3.3水锁伤害率与喉道特征参数的相关性分析对相渗实验中的6块岩样(表2中的1~6号样品分别对应表1中的4,7,8,16,21,3号样品)同时也做了恒速压汞、高压压汞、铸体薄片、扫描电镜和X衍射等分析。其中6号样品(对应表1中的3号样品)裂缝发育,因此,选择另5块裂缝不发育样品进行了水锁伤害率与孔喉结构参数相关性分析,结果见图5和表2。分析表明,整体上,随着孔隙度、渗透率值增大,水锁伤害率有减小的趋势。然而,此次样品中,4号样品(对应表1中的16号样品),其孔隙度为10.94%,渗透率为0.425×10-3μm2,储层物性相对较好,水锁伤害率相对较高,为71.1%,而5号样品(对应表1中21号样品),孔隙度为9.31%,渗透率为0.231×10-3μm2,储层物性相对较差,水锁伤害率相对较低,为64.8%,因此水锁伤害率除了与孔隙度、渗透率等物性参数有关外,还与其他参数具有一定的相关性。由图5的分析表明,水锁伤害率与孔隙特征参数的相关性明显好于与喉道特征参数的相关性。水锁伤害率与单位体积有效孔隙体积、孔隙进汞饱和度、孔隙半径加权平均值等孔隙特征参数的相关性较强,相关系数分别为0.8556,0.7402,0.5122。水锁伤害率与单位体积有效喉道体积、喉道进汞饱和度、喉道半径加权平均值等喉道特征参数的相关性较弱,相关系数分别为0.1377,0.0826,0.3331,说明喉道的发育程度对水锁伤害程度的影响较小,水锁伤害程度的强弱主要受孔隙特征参数的控制,其中喉道特征参数中的喉道半径加权平均值对水锁伤害程度的影响相对较强,孔隙特征参数中单位体积有效孔隙体积对水锁伤害程度的影响最大,是影响水锁伤害程度的主要因素。水锁伤害率与孔喉半径比具有一定相关性,而与孔喉体积比相关性不大,说明孔喉配置关系对水锁伤害程度的影响相对较小。3.4孔隙发育特征由图6可知,水锁伤害率与黏土矿物含量、填隙物含量有一定的正相关性,随着黏土矿物含量和填隙物含量的增加,水锁伤害程度也在增加。黏土矿物类型中高岭石与伊利石相对含量较高,分别占到总量的53.07%和31.02%。扫描电镜下,伊利石呈毛发状、卷曲片状在孔隙中形成网络状分布,使砂岩原来的粒间孔隙被肢解切割,变得迂回曲折,从而形成黏土矿物之间的微细孔隙,高岭石发育极微小的晶间孔,两者均使孔喉半径减小,导致越来越多的微小孔喉达到水锁空间孔喉半径上限的范围,从而增强了水锁伤害程度。6号样品(对应表1中的3号样品)孔隙特征参数与喉道特征参数相对较差,单位体积有效孔隙体积为0.006mL/cm3、孔隙进汞饱和度为8.77%、孔隙半径加权平均值为145.93μm,单位体积有效喉道体积为0.025mL/cm3、喉道进汞饱和度为34%、喉道半径加权平均值为0.517μm;黏土矿物及填隙物含量相对较多,wB分别为13.5%和4.03%,然而受微裂缝发育的影响,水锁伤害率反而相对较小(42.1%)。这说明水锁伤害程度受储层物性、微观孔隙结构、填隙物含量、黏土矿物含量及微裂缝发育程度等因素的综合影响。4水锁伤害程度结果(1)研究区残留的地层水以水膜水、毛细管水和自由水的形式存在。水膜厚度为0.002μm。水锁空间为0.003~0.04μm的孔喉空间,水锁伤害率平均为61.5%。(2)水锁