微裂缝—孔隙型碳酸盐岩气藏改建地下储气库的渗流规律
丁云宏1, 张倩2,3, 郑得文1,3, 王皆明1,3, 石磊1,3, 李春1, 胥洪成1
1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院
2.中国科学院渗流流体力学研究所
3.中国石油天然气集团公司油气地下储库工程重点实验室

作者简介:丁云宏,1962年生,教授级高级工程师,博士;中国石油天然气集团公司高级技术专家,现任中国石油勘探开发研究院廊坊分院副院长;主要从事油气藏增产改造技术研究及科研管理工作。电话:(0316)6010095。E-mail :18672115606@163.com

摘要

微裂缝—孔隙型碳酸盐岩气藏储层非均质性强,边底水选择性水侵,渗流规律复杂,为了提高地下储气库的建库效率,需要研究储层在改建地下储气库多周期强注强采过程中的多相流体渗流规律。在获取有代表性的裂缝发育碳酸盐岩岩心较为困难的条件下,通过对天然岩心进行剪切造缝和多轮次气水互驱实验,研究了地下储气库气水过渡带在注采过程中的多相渗流规律,分析了裂缝含气空间贡献率以及储气库含气空间动用效果。结果表明:裂缝模型的相渗曲线近似于“X”形,多次气水互驱后相渗曲线基本没有变化,基质岩心模型相渗曲线经多次气水互驱后气水两相共渗区间变窄,共渗点降低;微裂缝对储层含气空间贡献率较高,微裂缝发育储层的含气空间利用率保持在较高水平,微裂缝不发育储层的含气空间利用率逐渐降低并趋向稳定。因此,在微裂缝—孔隙型碳酸盐岩气藏改建地下储气库过程中可以在微裂缝不发育储层布置生产井,同时通过控制边底水运移范围降低注入气损失,从而提高地下储气库的建库效率。

关键词: 微裂缝—孔隙型; 碳酸盐岩气藏; 地下储气库; 渗流规律; 气水互驱; 裂缝贡献率; 含气空间利用率
Seepage laws in converting a microfissure-pore carbonate gas reservoir into a UGS
Ding Yunhong1, Zhang Qian2,3, Zheng Dewen1,3, Wang Jieming1,3, Shi Lei1,3, Li Chun1, Xu Hongcheng1
1.Langfang Branch of Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Langfang, Hebei 065007, China
2.Institute of Porous Flow and Fluid Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Langfang, Hebei 065007, China
3.CNPC Key Laboratory of Oil & Gas Underground Storage, Langfang, Hebei 065007, China
Abstract

The seepage laws of a microfissure-pore carbonate reservoir are very complex because of its complex pore-throat structures, strong heterogeneity and different degrees of water invasion. To improve the injection-withdrawal efficiency of a microfissure-pore carbonate underground gas storage (UGS), it is necessary to study the characteristics of gas-water percolation mechanism in the process of repeated intensive injection and production. It was so difficult to obtain the representative core of microfissure-pore carbonate reservoirs that shear fractures were induced on the cores without cracks. On this basis, we conducted many water-gas mutual flooding experiments. And we studied the gas-water seepage laws in the process of repeated intensive injection and production as well as the contribution of the induced fractures to the UGS storage space and the changing rules of the availability of reservoir pore space. Finally we obtained the following findings. (1) The relative permeability curve of the fractured model is similar to "X" and remained unchanged after several times of gas-water mutual flooding;the two-phase region of core model curve becomes narrower after several times of gas-water mutual flooding. (2) The contribution rate of the micro-fissures is high in the reservoir storage space which is highly utilized to a high level, but the storage space of those reservoirs without micro-fissures becomes obsolete and tends to be stable. In order to improve the efficiency of the UGS projects rebuilt on the microfissure-pore carbonate reservoirs, we suggest that production wells be allocated in the reservoirs without micro-fissures and the edge and bottom water migration area be controlled to reduce the loss of injected gas volume.

Keyword: Microfissure-pore; Carbonate gas reservoir; UGS; Seepage law; Water-gas mutual flooding; Contribution rate of microfissure; Utilization effect of the reservoir storage space

目前, 关于碳酸盐岩气藏型地下储气库周期注采运行规律的研究较少[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16], 笔者针对微裂缝— 孔隙型碳酸盐岩储层复杂的基础物性, 在获取有代表性的微裂缝— 孔隙型裂缝发育碳酸盐岩岩心较为困难的条件下, 通过剪切造缝和多轮次气水互驱实验, 研究了微裂缝— 孔隙型碳酸盐岩气藏在改建地下储气库过程中过渡带的气水两相渗流规律, 分析了微裂缝在地下储气库储集空间中的利用程度和储层含气空间的动用程度。

1 多轮次气水互驱实验
1.1 实验模型制作

实验选取华北地区奥陶系碳酸盐岩储层岩样, 岩性主要为粉晶白云岩, 储集类型为微裂缝— 孔隙型, 孔隙度分布在3.3%~9.6%, 渗透率分布在1~11 mD, 大体为低孔隙度、低渗透率类型。因为剪切裂缝较易控制并且可以很好地模拟天然微裂缝[17], 实验对岩样进行剪切造缝得到造缝模型。根据裂缝开度可以将储层裂缝分为6个等级[18], 裂缝模型的裂缝开度为0.03~0.085 mm, 所造缝为微缝; 取样岩心中微裂缝被方解石充填或半充填, 裂缝开度处于超微缝范围, 属于孔喉范畴, 简称为基质岩心模型(表1)。

表1 裂缝分类表

造缝模型和基质岩心模型的物性都位于所研究储层的储渗参数范围内, 其中裂缝模型代表了微裂缝发育储层, 基质岩心模型代表了微裂缝不发育储层, 模型参数数据见表2

表2 岩样模型基本参数表
1.2 实验步骤

在标准环境状态下, 利用非稳态法对不同岩样模型进行连续5组气水互驱实验。具体实验过程为:①前期准备, 用模拟地层水饱和岩心样品; ②气驱水, 根据要求确定流量进行气驱水, 至岩心达到束缚水饱和度停止气驱; ③水驱气, 根据实验要求确定流量进行水驱气, 至岩心达到残余气饱和度停止水驱; ④重复5次2、3步骤完成多轮次气水互驱实验; ⑤实验中分别记录注气量、产气量和产液量, 实验结束后称取岩心质量以验证实验精度; ⑥绘制多轮次气水互驱相渗曲线。

1.3 实验结果

综合不同模型的5轮气水互驱结果, 分析微裂缝— 孔隙型碳酸盐岩储层气水两相渗流特征, 研究气水两相渗流规律, 实验结果见表3

表3 气水互驱实验结果统计表
2 气水相渗曲线分析
2.1 单次驱替气水两相渗流特征

2种模型的原始孔隙度相近, 造缝模型中微裂缝较发育, 其渗透率比未造缝基质岩心模型大1个数量级。造缝后两者孔隙度基本相同, 裂缝模型的渗透率比造缝前原岩心增加了2个数量级, 这表明造缝后裂缝成为主要的渗流通道。通过分析第一轮次气水相对渗透率曲线(图1, 其中Krw为水相相对渗透率, Krg为气相相对渗透率), 研究了储层中气水两相渗流特征。由图1可以看出, 与基质岩心模型相比, 裂缝模型的两相共渗区间宽, 共渗点高, 束缚水饱和度低。

图1 模型单次驱替气水相对渗透率曲线图

2.1.1 裂缝模型

裂缝模型的相渗曲线近似于“ X” 形, 只是在末端存在一定弧度的弯曲, 裂缝是主要的渗流通道。气驱开始时, 气首先进入裂缝和裂缝周边与其连通的基质孔喉, 随着含水饱和度的降低, 水相相对渗透率快速降低, 气相相对渗透率快速升高, 之后裂缝空间基本被气体占据, 基质孔喉的储渗能力决定了模型的含水饱和度和相对渗透率变化。含水饱和度降低到一定程度后, 气水两相相对渗透率变化较缓, 由于储层亲水, 毛细管力为阻力, 气体很难把小喉道中的水驱走, 部分水残留在由小喉道包围的孔隙或孔隙群中成为束缚水。水驱气时, 水首先进入裂缝发生水窜, 当水基本占据了裂缝渗流通道后, 水相缓慢进入到基质孔喉中沿着孔喉表面流动, 使得基质孔喉中以水膜形式存在的束缚水水膜增厚, 增加了两相渗流阻力, 造成水锁, 从而形成残余气。

2.1.2 基质岩心模型

由于微裂缝部分被方解石半充填, 整个驱替过程与孔喉型储层类似, 孔喉是主要的储渗空间。气驱开始时, 由于水是润湿相占据了主要的渗流空间, 气相进入岩心的过程中以不连续、分散状态沿着微裂缝和孔喉中心部位运动, 然后逐渐向大喉道扩展, 阻碍了水的流动, 导致含气饱和度稍微增加时水相相对渗透率快速下降, 气相相对渗透率增加缓慢。当气相占据了主要渗流空间后, 气相相对渗透率快速增加, 水相相对渗透率则缓慢下降, 由于储层的亲水性, 毛细管力为阻力, 从而形成了一定的束缚水。水驱气时, 水沿着孔喉壁面流动, 气体在孔喉中央流动, 气水流动方式主要为水包气, 由于孔喉中水膜增厚等影响会形成不同形式的残余气。

2.2 多次驱替气水两相渗流规律

不同于一般的气藏开发, 地下储气库运行是多周期循环注采的过程, 储层中的多相流体渗流规律更加复杂。通过分析模型5轮次气水互驱相对渗透率曲线, 发现随着气水互驱轮次的增加, 基质岩心模型的气水两相共渗区间变窄, 共渗点降低, 束缚水和残余气饱和度增大, 但是增幅较小; 裂缝模型相渗曲线基本没有变化, 束缚水和残余气饱和度变化很小, 两相相对渗透率都保持在较高水平(图2)。

图2 模型多轮次气水互驱相对渗透率曲线图

通过分析不同模型在5次气水互驱过程中的束缚水和残余气饱和度以及两相相对渗透率, 发现基质岩心模型束缚水饱和度由35.7%增加到36.7%, 增幅不大, 残余气饱和度由12.7%增加到15.9%, 束缚水下气相相对渗透率和残余气下水相渗透率降幅较大, 为12%左右; 裂缝模型的束缚水和残余气基本保持不变, 束缚水饱和度约22.5%, 残余气饱和度约12%, 束缚水下气相相对渗透率和残余气下水相渗透率都保持在90%左右(图3)。

图3 模型饱和度和相对渗透率变化曲线图

以上表明裂缝减少了束缚水的含量, 但并没有明显降低残余气的含量。因为微裂缝将储层中的部分孔喉连通起来, 使得储层的连通性变好, 微裂缝成为主要的渗流通道, 大大降低了束缚水含量。但是微裂缝开度小, 表面比较粗糙, 存在一定的毛细管力, 并且储层亲水, 毛细管力为阻力, 阻碍了气体的流动, 残余气含量没有明显的减少, 储层的储集空间存在一定的死气区。在微裂缝发育储层中, 微裂缝和与之相连的基质孔喉渗流能力较强, 多次气水互驱后储层储渗参数保持在较高水平, 储层基础物性好。微裂缝不发育储层中, 储层亲水性使得毛细管阻力较大, 阻碍了气相流动, 储层渗流能力较弱, 多次气水互驱后储层储渗参数都明显降低, 储层物性有变差的趋势。微裂缝— 孔隙型碳酸盐岩储层非均质性强, 在改建地下储气库过程中, 气水过渡带由于地层水体的往复运移, 储层的储集空间和渗流能力存在不同程度的降低, 但是降幅不大并逐渐趋于稳定。

3 地下储气库储层利用程度分析
3.1 裂缝贡献程度分析

用微裂缝贡献率来表征储层含气空间中裂缝所占的比例。

裂缝体积:

Vf=Vb(φ 21)(1)

裂缝导致的含气体积增量:

Δ V=Vbφ 2(1-Swi2)-Vbφ 1(1-Swi1)(2)

微裂缝连通的孔喉体积:

Va=Δ V-Vf(3)

微裂缝对含气空间贡献率:

ε f= VfVbφ2(1-Swi2)(4)

孔喉对含气空间贡献率:

ε p= VpVbφ2(1-Swi2)(5)

式中φ 1为孔喉空间的孔隙度; φ 2为微裂缝— 孔隙型储层总孔隙度; Swi1为孔喉空间的束缚水饱和度; Swi2为微裂缝— 孔隙型储层束缚水饱和度; Vb为储层岩石外表体积; Vp为储层孔喉体积。

通过对比裂缝体积与裂缝导致的储层含气空间增加体积, 对微裂缝— 孔隙型储层进行裂缝增加储层动用情况分类(表4)。

表4 微裂缝— 孔隙型储层裂缝利用程度分类表

造缝后华北地区奥陶系储层含气空间增量为8.6 mL, 新增裂缝体积为7.7 mL, 微裂缝连通的基质孔喉体积为0.9 mL, 由表4可以看出, 造缝后华北地区奥陶系储层动用程度属于Ⅰ 类, 表明造缝后微裂缝全部动用起来, 并且连通了储层中的部分孔喉。同时, 造缝后微裂缝对含气空间的贡献率为46.4%, 孔喉对含气空间的贡献率为53.6%(表5)。

表5 华北地区造缝储层动用程度表

以上表明微裂缝不仅是储层的主要渗流通道, 同时也是重要的储集空间, 同时它将其周边与其连通的孔喉利用起来, 提高了储层的含气空间动用程度。在华北微裂缝— 孔隙型储层改建地下储气库的过程中, 微裂缝完全动用, 孔喉的动用效果决定了地下储气库的库容动用效果, 可以在储层微裂缝不发育储层布置生产井用以提高储层含气空间动用能力, 从而提高地下储气库的建库效率。

3.2 储层含气空间利用率

地下储气库在多周期运行过程中, 气水过渡带的气水分布复杂, 含气空间的动用程度存在不规律的变化, 为了定量描述地下储气库气水过渡带的含气空间动用效果, 用含气空间利用率来表示气水过渡带储集空间的最高可利用程度, 储层的储集空间中除去束缚水和残余气后的空间所占比例即为含气空间利用率[19]

可动含气饱和度:

Sgm=1-Swc-Sgc(6)

含气空间利用率:

η gm= 1-Swc-Sgx1-Swc× 100%(7)

式中Swc为束缚水饱和度; Sgc为残余气饱和度。

图4可以看出, 经过5轮次气水互驱, 储层含气空间利用率的变化明显, 岩心模型含气空间饱和度降低了3.6%, 含气空间利用率随着驱替轮次的增加而逐渐由80%降到75%, 并且逐渐趋于稳定状态, 表明地下储气库在建库过程中, 微裂缝不发育储层的可利用空间会逐渐减少, 但是在建库的后期逐渐达到稳定状态。裂缝模型的含气空间饱和度和含气空间利用率不随驱替轮次的增加而改变, 分别保持在66%和85%的较高水平, 表明裂缝起到了渗流通道的作用; 微裂缝发育储层的连通性好, 反复水驱过程并没有影响到储层的含气空间动用效果。微裂缝— 孔隙型碳酸盐岩气藏改建的地下储气库经过长期的运行, 气水过渡带含气空间动用能力有降低的趋势, 但是整体保持在较高水平, 有利于地下储气库的建库和扩容。

图4 微裂缝— 孔型型储层含气空间动用效果图

4 地下储气库渗流特征影响因素分析

微裂缝— 孔隙型碳酸盐岩气藏裂缝比较发育, 孔喉结构复杂, 非均质性强, 储层存在不同程度水侵, 多相流体渗流规律复杂。同时, 储层为裂缝发育情况对储层的建库和注采运行效率有显著影响。在改建地下储气库的过程中, 过渡带气水两相交互驱替, 注气过程中气相会沿着裂缝突进, 而后气体波及储层孔喉, 由于润湿性、微裂缝发育不规则性等影响, 储集空间不能被完全驱替; 采气过程中边底水首先选择微裂缝发育的优势通道侵入储层储集空间, 储层中的含气空间由于气体卡断和气水互锁损害存在一定量的残余气。地下储气库在注采运行过程中, 微裂缝不发育储层含气空间利用率逐渐降低, 多周期注采后逐渐趋向稳定, 微裂缝发育储层含气空间利用率保持在较高水平, 含气空间动用效果好。

地下储气库的注采运行是高速注采过程, 经过多周期运行, 储层中气水两相分布趋于复杂, 由于贾敏效应、绕流和气水互锁, 储层会形成一定的死空间, 降低库容动用效果, 影响地下储气库的扩容及注采能力。微裂缝— 孔隙型碳酸盐岩储层非均质性强, 在改建地下储气库的过程中可以在储层微裂缝不发育储层布置生产井用以提高储层含气空间动用能力, 同时要重点监测储层气水界面动态, 控制边底水运移范围, 降低地下储气库建库及运行中由于储层非均质性强、边底水选择性水侵造成的损害, 从而提高地下储气库的建库及注采运行效率。

5 结论

1)裂缝模型的相渗曲线近似“ X” 形, 裂缝是主要的渗流通道, 多次气水互驱后, 相渗曲线基本没有变化, 表明微裂缝发育储层储渗参数保持在较高水平, 储层渗流能力强; 基质岩心模型相渗曲线与孔喉型储层类似, 孔喉是主要的储渗空间, 多次气水互驱后气水两相共渗区间变窄, 共渗点降低, 表明微裂缝不发育储层储渗参数明显降低, 储层物性有变差的趋势。

2)造缝后微裂缝将储层中的超微缝和孔喉连通起来并且对储层含气空间贡献率较高, 是重要的储集空间和主要的渗流通道。在微裂缝— 孔隙型碳酸盐岩气藏改建地下储气库的过程中, 微裂缝发育储层的含气空间利用率保持在较高水平; 微裂缝不发育储层的含气空间利用率逐渐降低并趋向稳定。储层含气空间动用能力整体较高, 有利于地下储气库的建库和扩容。

3)微裂缝— 孔隙型碳酸盐岩储层非均质性强, 过渡带的底水往复运移会造成一定的水锁损害, 降低库容动用效果。所以在地下储气库建库及运行中, 可以在微裂缝不发育储层布置生产井, 并且通过控制边底水运移范围, 来降低由于储层非均质性、边底水选择性水侵造成的损害, 从而提高地下储气库的建库及注采运行效率。

The authors have declared that no competing interests exist.

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