摘要：研究低渗透气藏的渗流机理，有利于制订合理、有效的开发方案。低渗透砂岩气藏气体的渗流机理实验研究主要集中在气体的滑脱效应、启动压力梯度、高速非达西流效应和含水饱和度影响等4个方面。为此，分析总结了国内外有关低渗透砂岩气藏渗流机理的研究成果，并有针对性地进行了大量低渗透砂岩气体渗流机理的实验研究，获得了一些新认识：①实际生产过程中，由于低渗透气藏的废弃压力很高，故没有必要考虑滑脱效摩的影响；②低渗透气藏气体渗流过程中存在启动压力梯度，与渗透率呈反比；③低渗透气藏开发过程中发生高速非达西流效应具有临界渗透率值；④含水饱和度对低渗透气藏气体渗流特征影响很大。上述认识对于低渗透致密砂岩气藏开发具有指导意义。

关键词：低渗透气藏；滑脱效应；启动压力；非达西流；含水饱和度；实验；现状；认识

    近年来低渗透气藏储量在我国天然气探明储量中的比重几乎占到50%，分布也极为广泛，在鄂尔多斯盆地、川西地区、大庆深层、塔里木深层、渤海湾地区深层、柴达木盆地等都有低渗透气藏的发现，这些低渗透致密气藏已成为我国今后重要的天然气供应气源地。由于低渗透气藏储层物性差，储量丰度低，储层容易受到伤害，开发难度大、效益差，因此针对低渗透气藏自身特征，研究低渗透气藏的渗流机理对于低渗透气藏合理、有效的开发具有重要的指导意义。

    自从20世纪40年代初，Klinkenberg^[1]在实验中发现了气体在微细毛管孔道中流动时存在滑脱效应，并且给出了考虑滑脱效应的气测渗透率数学表达式以后，很多学者对低渗透气藏气体的渗流机理进行了大量的研究，并且提出了许多新的认识和研究成果。这些观点和认识大部分是一致的，但是也有不少观点和认识存在着很大的分歧，这就导致多年来低渗透气藏的渗流机理一直存在不确定性^[2～3]。笔者总结了低渗透砂岩气藏气体渗流机理实验研究现状，并提出一些新的认识。

    考虑滑脱效应的气测渗透率数学表达式为：

 

式中：K_g为气测视渗透率，10^-3μm²；K_e为克氏渗透率，10^-3μm²；为岩心进出口平均压力，MPa；b为滑脱因子。

滑脱因子(6)是一个与岩石孔隙结构和气体性质及平均孔隙压力有关的参数，其数学表达式：

 

式中：C为近似于1的比例常数；λ为平均压力下的气体平均自由程；r为多孔介质平均毛细管(孔隙)半径；d为气体分子直径；行为分子密度。

    也可以通过渗透率值来求出滑脱系数b，其数学表达式为：

 

    由于喉道半径和分子自由程都难以准确界定，而不同孔隙压力下的视渗透率和绝对渗透率在实验中很容易获得，因此式(3)是实验过程中求解气体滑脱系数的常用方法。

    从上面的表达式可以看出，同一岩石的气测渗透率值大于液测渗透率；平均压力越小，气测渗透率K_g越大；同一岩石不同气体所测的渗透率也不同；岩石越致密，孔道半径越小，滑脱因子(6)越大，滑脱现象越严重。

    气体在岩石中渗流时发生滑脱效应的主要原因是气体分子在多孔介质中运动的结果，气体分子在多孔介质中存在两种运动形式：一种是分子之间相互碰撞的运动形式，另一种是分子与孔隙固壁之间相互碰撞的运动形式。这两种碰撞作用的物理机制是不同的，一种是能量在气体分子内部的传递，另一种则是气体分子受外部力量作用能量增加，体现在宏观的气体渗流规律上就是在一定条件下气体滑脱效应的产生，即视渗透率大于绝对渗透率。

目前，气体滑脱效应的研究成果及认识都是基于室内实验条件的基础上，与真实气藏气体的渗流过程相比，存在很大的局限性。在这一点上笔者比较赞同郭平教授的观点：“气体在多孔介质中的滑脱效应是在低压下产生的现象，而实际低渗透致密气藏的废弃压力很高，在这一压力范围内气体在储层中不会发生滑脱现象，因此在低渗透气藏的实际生产过程中没有必要考虑滑脱效应的影响^[4]。实验也证实了这一观点。

 

   图1是须家河低渗透致密砂岩储层一组岩心的实验结果，表明不同岩心的视渗透率变化主要发生在孔隙平均压力很低的区域，可以看到当孔隙压力大于1MPa后，岩心的气测渗透率变化明显减小而且逐渐趋于稳定。由此可见，气体在多孔介质中的滑脱效应确实只存在于低压状态下，在实际的低渗透气藏开发过程中可以完全不予考虑其对气体渗流能力及开发效果的影响。

    在低渗透油藏开发过程中，启动压力梯度存在并且会对低渗透油藏的开发效果产生影响这一观点已经被油气藏工程师们广泛接受，而且近年来渗流所在低渗透油藏领域成功地开发出了低渗透油藏的非线性渗流模型^[5]，很好地解决了由于启动压力的存在对油藏开发效果模拟计算的影响，使得目前的数值计算结果更加符合低渗透油藏开发的实际情况。

    但是就低渗透气藏气体渗流的过程中是否存在启动压力梯度这一问题，国内外的油气田开发工作者们还存在很大争议。为此，对低渗透气藏气体渗流是否存在启动压力梯度进行了室内测试，其测试结果见图2。

 

    从图2中可以看出，曲线与纵坐标的交点不为0，这一实验结果表明：与低渗透油藏一样，低渗透气藏气体渗流过程中确实存在启动压力梯度。

    需要注意的是，在直角坐标系中一般难以观察到启动压力梯度存在，过去很多学者都是在直角坐标系中得到了气体渗流不存在启动压力梯度的结论^[4]，而在半对数直角坐标中可以非常清楚地看到气体渗流存在启动压力梯度。存在这启动压力梯度是造成低渗透致密气藏开发过程中产量小，最终采出程度较低的原因之一。

    矿场试验研究结果表明，低渗透气藏开发过程中由于近井地带生产压差大，气体流速过高，导致气体发生紊流，产生高速非达西流效应，从而造成近井储层的附加阻力，不利于低渗透气田的开发。

    由于高速非达西流效应的影响，近井地带储层视渗透率可表示为：

 

式中：K_a为高速非达西流下的气测渗透率，10^-3μm²；β为非达西紊流因子；v为气体渗流速度，cm/s；ρ为气体密度，g/cm³；μ为气体黏度，mPa·s。

    由此可知，气体渗流速度越高，非达西紊流(β)因子越大，储层的视渗透率就越低，附加阻力也就越大。

    室内低渗透岩心实验结果表明：低渗透气藏发生高速非达西效应时存在临界条件，当低渗透气藏储层渗透率太低(小于0.1×10^-3μm²)时，由于气体的渗流速度受到限制，一般很难达到发生紊流需要的速度(图3)，因此气体渗流一般不会产生高速非达西流效应。但是当储层渗透率大于0.1×110^-3μm²或者更大，那么气体在储层的渗流过程中，在较大的生产压差下容易发生紊流，产生高速非达西流效应(图4)。因此，对于渗透率大于0.1×10^-3μm²的低渗透气藏，在气藏开发的模拟计算过程中，必须考虑高速非达西效应对气体渗流能力及开发效果的影响。

 

    根据克氏理论，低渗透岩心含束缚水时气体滑脱效应随含水饱和度的增加而增加。而Rose和Fulton等人却给出了与克氏理论相矛盾的研究结论^[6～7]。Rose是第一个对含水饱和度影响滑脱效应进行研究的人，他分别对人造岩心和天然岩心进行了气体相对渗透率的实验研究，其研究得到的结果与克氏理论是相矛盾的。Rose发现砂岩岩心气体滑脱因子随含水饱和度的增加而降低。Fulton的实验研究得到了和Rose同样的结论，不过这两个实验都是在含水饱和度低于30%的条件下进行的。后来许多学者都得到了与Rose一样的研究结论^[8]，但是对形成这一现象的原因一直没有明确的解释。

    笔者的实验研究结果与Rose得到的结论完全一致，就是气体在低渗透岩心中的克氏效应随含水饱和度的增加而明显减弱，其实验结果见图5、6。

 

    图5是渗透率为0.3×10^-3μm²的低渗透岩心在不同含水饱和度下(62%～23%)克氏曲线的分布规律。可以看到当含水饱和度大于60%时，气体的克氏曲线特征表现为液相渗流的特征，即随驱替压力增加，岩心渗透率有减小的趋势，曲线的断点是由于高含水饱和度下，含水饱和度难以控制、变化较大的结果；当含水饱和度降到50%时，克氏曲线变化幅度很小，整个渗流过程中渗透率几乎不发生变化；当含水饱和度降到40%左右，气体渗流的克氏曲线开始表现出不含水的单相气体渗流特征，渗透率随平均压力降低而增加，开始表现出滑脱效应；当含水饱和度降低到30%左右时，气体渗流过程中的滑脱效应更加明显；当含水饱和度降到20%左右时，气体渗流的克氏曲线接近于不含水的单相气体渗流特征，而且在低压下出现强滑脱现象，高压下还表现出了高速非达西流效应，而且随含水饱和度增加，启动压力梯度增大，高速非达西流效应减弱，但是其渗流特征与不含水单相气体的渗流特征已经非常相近。

    图6是渗透率为0.013×10^-3μm²的特低渗透岩心在不同含水饱和度下(65.2%～27.8%)克氏曲线的分布规律。其克氏曲线分布特征与图5基本一致，同样是在高含水饱和度下气体的渗流特征表现出液相渗流特征，随含水饱和度的降低，出现单相气体的克氏曲线渗流特征。气体渗流的克氏效应随含水饱和度的降低而逐渐增强。

   笔者认为在不同含水饱和度下气体的渗流特征其实与克氏理论并不矛盾，虽然克氏理论强调，岩心的喉道半径越小，就越容易发生滑脱效应，但那是就固定的多孔介质而言的，对于越致密的储层，喉道半径越小，越容易发生滑脱效应，这种说法是完全正确的；但是对于由于含水饱和度的增加而造成的喉道半径减小是否会增加其滑脱效应，克氏理论未作进一步解释。

   气体之所以能够产生滑脱效应，最关键的原因是气体分子与孔隙固壁碰撞的结果，由于低压下气固之间分子的引力很小，所以就产生了滑脱效应，但是对于喉道壁面附着水的多孔介质，气体在渗流过程中气体分子主要与附着水的喉道壁面碰撞，而气水分子间的引力与气固之间相比要大得多，因此在岩心含水饱和度很高时，气体在岩心中渗流不会发生滑脱效应，随着含水饱和度降低，气固之间的分子碰撞增多，滑脱效应又逐渐表现出来。

    1) 气体在多孔介质中的滑脱效应是在低压下产生的现象，而实际低渗透致密气藏的废弃压力很高，在这一压力范围内气体在储层中不会发生滑脱现象，因此在低渗透气藏的实际生产过程中没有必要考虑滑脱效应的影响。

    2) 低渗透气藏气体渗流过程中存在启动压力梯度，而且渗透率越低启动压力梯度就越大，气体的渗流能力就越小，开发效果也就越差。

    3) 低渗透气藏开发过程中发生高速非达西流效应具有临界渗透率值。当低渗透气藏储层有效渗透率小于0.1×10^-3μm²时，开发过程中一般不会发生高速非达西流现象；但是当储层有效渗透率大于0.1×10^-3μm²后，开发过程中容易产生高速非达西流现象，而且渗透率越大，高速非达西流效应越明显，近井地带储层附加阻力也就越大。

    4) 低渗透气藏含水饱和度对于气体的渗流特征影响很大。随含水饱和度增加，气体渗流过程中的克氏效应减弱，启动压力梯度增加，高速非达西流效应减弱。

[1] 孔祥言.高等渗流力学[M].合肥：中国科学技术大学出版社，1999：33-35.

[2] 万风军，卢渊，赵仕俊.低渗透气藏滑脱效应研究现状及认识[J].新疆石油地质，2008，29(2)：229-231.

[3] 李治平，赵必荣.考虑滑脱效应的低渗透气藏试井分析方法[J].西南石油学院学报，1991，13(4)：46-58.

[4] 郭平，徐永高，陈召佑，等.对低渗透气藏渗流机理实验研究的新认识[J].天然气工业，2007，27(7)：86-88.

[5] LEI Q，XIONG W，YUAN J R，et al. Behavior of flow through low-permeability reservoirs [C]//Europec/EAGE Conference and Exhibition，Rome，Italy：SPE，2008.

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[8] 郭平，黄伟岗，姜贻伟，等.致密气藏束缚与可动水研究[J].天然气工业，2006，26(10)：99-101.

 

(本文作者：高树生^1，2 熊伟² 刘先贵² 胡志明² 薛惠² 1.中国地质大学(北京)能源学院；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院)