多孔介质内流体相态特征的研究

多孔介质内流体相态特征的研究

超声检测技术在气田开发过程中，由于储层内的液体流和液体流之间存在相互作用，多孔介质对液体流相态特征的影响不容忽视。为此,近年来,美国、加拿大、俄罗斯等国内外的相关学者借助γ射线、CT、核磁共振、微波和超声波等先进的技术手段,陆续开展了大量多孔介质中相态特征的研究工作。其中,超声波检测技术由于具有穿透性强、受温度压力影响小、检测成本低、检测效率高、无放射性辐射等优点,逐渐在油气相态研究领域得到了应用。本文从多孔介质内天然气水合物、凝析油气等相态特征的超声波探测应用情况入手,对国内外专家学者在该领域的最新研究成果和研究动向进行了追踪调研,同时对该研究目前存在的问题、未来发展的趋势等进行了分析,以期国内同行能从中借鉴。1多孔介质内流体内的波传播20世纪50年代开始,Gassman、Domenico等人就先后通过研究发现多孔介质内流体的存在对其速度有影响。以纵波为例,含水饱和度较低时,纵波速度随含水饱和度的增加而降低;含水饱和度较高时,随着饱和度的增加,岩芯弹性模量增加明显,超过了密度增加对速度的影响,使纵波速度明显增大。而对于横波而言,由于剪切模量和饱和度的关系不大,因此随饱和度增加,密度增大,横波速度降低。1956年,Boit建立和发展了“含饱和流体多孔弹性固体中的波传播理论”。具体来说,多孔介质中的声学参数与介质本身的孔隙度、迂曲度、弹性模量和流体密度等参数有关,是4个弹性参数、固相和液相密度、孔隙度等的函数。因此,根据上述理论,通过对含不同饱和度流体多孔介质的声学参数(如声速、幅度、频率)进行探测,能够实现多孔介质相关物性(如孔隙度、流体饱和度)的反演。此后,在该经典理论的指导上,国内外学者对多孔介质内流体饱和度的超声波探测原理和应用等进行了大量的研究工作。杨金海、李士伦、郭平等人通过推导多孔介质内纵波声速关系式以及相关实验的反复验证,发现多孔介质中声波速度和衰减等声学参数的变化与岩芯中内流体相态特征有着非常好的对应关系。总之,在超声探测理论不断进步的推动下,多孔介质中流体饱和度探测应用技术也随之不断发展,在天然气水合物及凝析油气等领域逐渐得到了应用。2天然气水合物的勘探方向天然气水合物又称可燃冰,是在一定的温度、压力、气体饱和度等条件下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的笼形包合物。它既是维系人类生存的一种新型能源,又是诱发地质灾害、全球气候变化等环境问题的重要因素。因此,在大规模开发水合物为人类所用之前,开展相关研究工作非常必要,也是大势所趋。从美国、加拿大、日本等国大量相关研究工作看,由于各地的地质条件不同,水合物生成及分解机制各异,模拟实验研究依然是世界各国实施天然气水合物勘探开发的首选方案。探测天然气水合物生成和分解的常用方法有光学方法、声学方法和电学方法等。各种探测新技术的相互结合和应用,推动了相关装置向可视化、专门化、精确化方向不断发展,实验结果的可靠性也随之不断提高。针对多孔介质本身的不透明性以及高压低温等条件的限制,在天然气水合物研究过程中,超声检测技术逐渐得到了重视和应用。2.1水合物饱和度测量方法研究的成果Sothcott等人通过研究发现,尽管随着多孔介质中流体含量的变化,波速及衰减等声学参数的变化幅度不尽相同,但总的变化趋势和关系是相似的。因此,理论上讲,超声探测技术能够为水合物相态研究提供基础实验数据。然而,实际模拟实验中遇到的困难比预想的更复杂,更难以克服。美、加、俄等国开展天然气水合物研究较早,相关实验研究成果较多。但由于早期的低温高压实验室比较简陋,测试水平及可视化程度低,实验结果的可靠性并不高。1993年,日本地质调查所建成了日本第一台天然气水合物低温高压实验室,并于1995年对其进行了改进。1998年,为模拟地层实验,又新建了一个实验室,然而,实验结果并没有取得预想的进展。尽管如此,对于水合物超声检测技术本身来说,上述研究工作仍是一次有益的探索。实验中发现,在实验室时间及空间尺度和条件下,由于受系统温度的影响较大,仅依靠声速的变化作为水合物生成和分解的依据,灵敏度较差。1999年,美国地质调查局Winters等人建成了一套水合物沉积物物性参数的实验装置,并对5种样品的声学参数,以及影响沉积物声速的因素等进行了研究,提供了很好的声学数据。然而,实验中只测试了水合物合成后样品的声学特性,忽视了水合物形成过程中声学参数的变化规律,未能建立水合物饱和度与声速之间的关系。2005年,Priest等人测试了含水合物松散沉积物的声波速度和声波衰减变化情况,并采用消耗的甲烷气的量来确定水合物饱和度,实现了水合物饱和度的实时探测。总体而言,随着近年来美、日、加等国在各自海域发现并开采天然气水合物,有关水合物超声探测的研究工作也逐渐向深海水合物方向发展,对压力温度等的要求更加苛刻,模拟实验的困难更多、难度更大。2.2不同水合物的表征1990年开始,中国科学院兰州冰川冻土所、中国石油大学化学工程学院、大庆油田建设设计研究院等单位也对天然气水合物的超声探测做了大量的研究工作,取得了一定的研究成果。2001年,青岛海洋地质研究所自行设计并建立了中国第一个海洋天然气水合物模拟实验室。经过专家鉴定,实验室整体达到国际先进水平,局部达到国际领先水平。此后,实验室相关研究人员结合同济大学声学研究所自行研制的声学检测系统,开展了纯水、松散沉积物和岩芯中天然气水合物的生成和分解、相平衡条件等实验的研究工作。实验结果表明:纯水–甲烷体系中,温度是影响声速变化的主要因素,声波速度对絮状水合物生成的敏感性较弱。加入松散沉积物后,对于体系内水合物的生成和分解,声波速度和系统主频随之变化的灵敏度提高。岩芯条件下,纵波和横波速度随孔隙度的减小而增大;纵波幅度的衰减随孔隙度的减小而减小。2005年,顾轶东等人在此基础上进行了研究。发现天然气水合物相变过程中,声速的变化比较灵敏,而幅度的变化不明显,系统主频有所漂移,但有一定的滞后性,对应水合物的特征频率为107kHz。研究证实了声学参数的变化基本上可以用来预测沉积物中水合物的生成和分解过程。但如何将其推广拓展到天然岩芯领域仍需要进一步研究。2008年,业渝光等人首次利用超声和时域反射联合探测技术,研究了沉积物中水合物饱和度与声学参数的关系,并对时间平均方程、伍德及其修正方程、李权重方程和BGTL(Biot–GassmannTheorybyLee)理论等常用的水合物饱和度估算模型进行了验证。实验结果表明,超声和时域反射联合探测技术能有效地实时获得水合物饱和度和纵、横波速的实验数据,李权重方程和BGTL理论的速度预测值与实验值比较吻合,有广泛的实用性。在此基础上,胡高伟等人对松散沉积物中天然气水合物的生成和分解规律进行了研究。通过实验与等效介质理论计算证实,水合物生成初始阶段,由于胶结了骨架颗粒,使纵波速度急剧增加;饱和度在1%∼90%时,由于水合物的快速生成,在沉积物孔隙中形成了悬浮粒子,导致超声波散射衰减严重,出现信号淬熄现象。研究结果揭示了松散沉积物中水合物生成时与颗粒间接触机制,也为海上地球物理勘探中地震信号的解释提供了新的思路,对水合物的探测和资源评价具有重要意义。此外,张卫东等人在考虑水合物的胶结作用对声速的影响的基础上,对不同水合物饱和度下的填砂模型进行了声速测量。研究中引入了表观岩石骨架速度的概念,建立了威利时均方程在水合物层的修正模型。实验结果表明,水合物在形成过程中填充了地层沉积颗粒之间的孔隙,增强了地层的胶结质量,导致水合物地层中声速提高,实验与理论模型吻合较好,为水合物沉积层的声波测井解释提供了依据。3多孔介质表面质量的相态特性多孔介质中流体相态特征的研究是油气田开发工程的重要基础。对于特定多孔介质而言,当孔隙内部流体的相态参数改变时,多孔介质的声学性质,如声速和衰减等也将随之改变。20世纪80年代以来,在岩石声学特征研究的基础上,超声波检测技术在多孔介质流体相态特征领域逐渐开展。目前多集中在声时研究和衰减理论研究两个方面。然而,由于衰减理论研究的不足,目前对多孔介质中超声波衰减的研究远落后于声时的研究。3.1超声检测技术凝析油临界流动饱和度是表征凝析油流动能力的重要参数,也是确定凝析气藏合理开发方式的重要依据,因此,一直以来,有关凝析油临界流动饱和度的研究从未间断。然而,现有研究成果显示,对凝析油临界流动饱和度的认识目前仍存在较大差异。有人认为其值较高,可达30%以上,也有人认为它小于甚至远小于10%。此外,关于束缚水饱和度以及油气界面张力对其的影响也存在诸多争议。为此,凝析气藏开发工作者对储层多孔介质中凝析油气相态特征,及其与PVT筒中凝析油气相态特征的差异进行了大量的研究工作。然而,相关实验装置的缺乏极大地影响了研究工作的开展。为此,1999年,杨金海等人将常规油气藏PVT实验测试方法与超声波测试技术相结合,建立了用于多孔介质中凝析油气相态测试的超声波测试装置。由于未能解决超声波探头的耐温问题,只能将探头置于岩芯夹持器外部,造成了声波透射界面增多、特征波检测难度加大,误差较高。2002年,苏畅等人初步建立了基于传播速度的地层条件下多孔介质饱和度测试装置,但在分辨率、精确性、减少界面干扰和耦合影响等方面仍存在诸多问题。2006年,孙风景等人在现有装置基础上通过换能器频率优选,超声探头重新设计等研究改进了超声波饱和度测试装置,使其进一步适合于推广应用;同时探索了利用超声波测定岩芯径向的流体饱和度,为岩芯中凝析油饱和度分布的测试提供方法基础。但由于该研究是在常温常压下进行的,因此应用于地层条件下的测试还需要解决探头安装位置的密封问题、多点超声波信号接收装置的设计问题等。在不断改进超声探测实验装置的基础上,2001年,郭平等人建立了超声波测试高温高压条件下岩芯内凝析油临界饱和度的直接测试方法,并对人造岩芯中真实多组分凝析气定容衰竭临界饱和度进行了探测。研究结果表明:多孔介质中声波时差和流体饱和度呈线性关系变化;有介质存在时的凝析油饱和度较高。同时,实验中还发现,低于露点压力情况下,岩芯中凝析油饱和度迅速上升并很快达到临界流动饱和度。因此对于高含凝析油的凝析气藏来说,早期注气开发非常重要。2006年,姜贻伟等人采用超声波测试技术,选取中原桥口气藏真实岩芯和流体,对低渗凝析气藏凝析油临界流动饱和度进行了实验研究,并将测试结果和中国其他中高渗凝析气藏的凝析油临界流动饱和度进行了对比。研究表明超声波测试技术对研究深层高温高压条件下低渗凝析气藏的凝析油临界流动饱和度具有较好的适应性。2007年,李明秋等人建立了超声波测试高温高压岩芯中凝析油饱和度的直接测试方法和模拟软件,实验发现束缚水对凝析气藏开发的影响不可忽视。3.2超声探测结果对比分析1989年,Soucemarianadln等人利用超声波探测方法和γ射线方法对有/无多孔介质条件下混相/非混相驱替进行了对比分析。结果表明:随着驱替流体饱和度的增加,声速呈线性增加。超声波探测结果优于γ射线方法,能够对多孔介质中的流体饱和度的二维分布进行量化。1990年,M.Aas等人在此基础上设计了多孔介质内流体三维饱和度扫描装置。该装置具有精度高(1%),穿透性强,成本低,无需其他辅助材料,易对大型样品进行扫描等优点,尤其适用于高温高压条件下的检测。3.3超声检测研究1998年,Sivaraman等人利用声波共振技术,借助超声波波形与气体露点压力的对应关系,对地层条件下多孔介质中纯乙烷的相变特征进行了探测,取得了较好的实验结果。1999年,杨金海等人利用超声波探测方法,对多孔介质内CO2气体相态变化特征进行了研究,并分析了多孔介质存在对CO2相态特征的影响。研究发现CO2相态改变时,超声波声速和衰减变化明显;多孔介质的存在对CO2的相态特征有影响,能够改变饱和蒸汽压,减缓相变的突变程度。2004年,谭茂森基于超声波测试技术,建立了一套可用于多孔介质中相态研究的测试装置,对多孔介质条件下CO2的露点压力进行了研究。实验中选用石英砂作为多孔介质,结果表明多孔介质的存在对露点压力有影响,离临界点越远,这种影响越大。此外,基于流体中声波传播速度与流体性质的关系理论,阎向宏提出了用超声波声速法测量油品含水率的方法。实验结果表明:油品内声速与油品的温度及含水率成线性关系,通过测量油品的温度及声速,结合声速温度系数能够确定油品的含水率。2004年,胡学红等人借助声波技术研究了气驱水过程中低孔隙度低渗透率砂岩的纵横波速度、纵横波速比、弹性模量等参数与含气饱和度的变化关系。研究发现:纵波主频、带宽、品质因子在判断岩芯是否含气体方面比借助纵波速度和纵横波速比效果更好。2011年,Goncalves等人对PVT筒中的纯油、油气砂和油气水混合物的相态特征进行了超声波检测。实验发现在油气混合情况下,声波衰减随孔隙度变化而变化。随着孔隙度的增加,信号衰减明显,主频对应的能量衰减最大。在油砂混合情况下,尽管规律性较差,但声波衰减对于砂浓度变化仍具有很强的敏感性。油水混合时,声波衰减对于含水率的增加并不敏感。但利用声时方法可以测得含水率的变化。4技术可靠性验证对于水合物超声检测来说,在纯水–甲烷体系实验中,可通过摄像和测量光通过率等对水合物的生成与分解进行准确地判断。同时,将超声波探测得到的声波速度的变化规律与之对比,既能分析水合物的生成与分解对声波速度的影响,又能实现对超声探测技术可靠性的验证。在纯水–松散沉积物(或岩芯)–甲烷体系实验中,利用天然气水合物相平衡研究常用的“温压法”确定水合物的生成和分解,并与超声参数的变化进行对比,取得了很好的对应关系。此外,将超声探测技术和TDR技术结合,能够准确地测定沉积物孔隙中不同水合物饱和度下的声学特征。对于凝析油气超声探测而言,要用超声波声时确定岩芯中的凝析油饱和度,首先必须通过标定实验,得到束缚水下的超声波时差及束缚水下完成饱和油时的时差。而凝析油饱和度达到临界饱和度的时间可由岩芯出口端观察窗见到第一滴油来确定,其数值可根据此时的超声波时差结合预先测定的声波时差–凝析油饱和度标定曲线来确定。此外,可通过向装在夹持器中的岩芯逐步注入定量的油来验证实验