裂缝性致密砂岩储层气体传质实验_工程实践

摘要

摘要：致密砂岩储层天然气投产一般需要采取水力压裂等增产措施。由于天然气在产出过程中需要通过致密基块-天然裂缝-水力裂缝等多尺度介质，故而在渗流中存在多尺度效应，需要经过

摘要：致密砂岩储层天然气投产一般需要采取水力压裂等增产措施。由于天然气在产出过程中需要通过致密基块-天然裂缝-水力裂缝等多尺度介质，故而在渗流中存在多尺度效应，需要经过一系列串联耦合过程，其中任何一个环节都可能影响天然气的高效产出。为此，通过自行设计“串、并联”气体传质实验方法及装置，探讨了裂缝宽度、裂缝-基块的配置关系等对致密砂岩气体传质效率的影响。“并联”气体传质实验表明，裂缝宽度是影响气体传质效率的关键参数，相同数量级裂缝宽度的天然裂缝传质效率高于人工裂缝。裂缝-基块岩样“串联”气体传质实验表明，裂缝-基块多尺度配置关系中，裂缝-基块-裂缝的配置关系最优，气体传质效率最高。结论认为，合理开发致密砂岩气藏需贯彻“储层保护与改造并举”的方针，实现致密基块-天然裂缝-水力裂缝的合理配置，才能有效开发致密砂岩气藏。

关键词：致密砂岩；储集层；压裂；裂缝(岩石)；多尺度；传质；配置关系

我国致密砂岩天然气资源丰富，勘探开发前景广阔^[1]。近年来，随着勘探开发技术的进步，欠平衡钻井、水平井、大型水力压裂等技术的成功运用，将致密砂岩天然气的勘探开发推向一个新高潮^[2]。但是对致密砂岩天然气的产出机理研究目前仍然处在探索阶段，已有的研究表明致密砂岩天然气的产出存在其特殊性，需要通过致密基块-天然裂缝-水力裂缝等多尺度介质，气体在致密储层中流动存在多尺度效应^[3]，很难用唯一的流动层次来描述流动特征^[4]。

致密砂岩储层微裂缝发育，基块和裂缝的空间配置关系是气体高效产出的关键。致密砂岩气井一般经压裂改造投产，在储层中形成高输运能力的水力裂缝。致密砂岩储层渗滤空间由致密基块孔喉、天然裂缝和水力裂缝组成，表现出多层次性^[6]。按尺度分为致密基块孔隙尺度、天然裂缝尺度、水力缝尺度以及宏观气井尺度^[7]。致密基块与天然裂缝配置关系及传质、天然裂缝与水力裂缝的配置关系及传质，跨尺度之间的传递方式将是影响致密天然气高效产出的决定因素，有必要深入细致地研究多尺度之间的关联、优化配置关系等对气体高效产出的影响。笔者通过相似原理，选取典型致密砂岩真实岩样，设计致密基块与裂缝岩样的配置关系、天然裂缝与人工裂缝的配置关系，实验研究致密砂岩天然气在多尺度条件下的产出机理。

1 致密砂岩储层多尺度地质特征

致密砂岩储层中自生黏土矿物发育，含量比常规储层高，致密砂岩的极低渗透性很大程度上可直接归因于黏土矿物的作用。种类丰富的各类黏土矿物充填孔隙空间以及占据颗粒表面，形成大量的晶间纳微孔隙，晶间微孔本身即是孔隙又是喉道。致密砂岩孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其相互连通关系十分复杂，其纳微结构多样，其喉道类型主要以片状、弯片状、管束状喉道为主。致密储层天然微裂缝一定程度发育，构造微裂缝、解理缝、层面缝等，裂缝极大地改善了致密储层的渗流条件，为致密砂岩气藏的高效开发提供良好的基础。致密砂岩储层渗滤空间由致密基块孔喉、天然裂缝组成，孔喉半径10^-8～10^-4m，距离10^-5～10^-1m，天然裂缝缝宽10^-6～10^-4m，缝长10^-2～10m，空间尺度跨度10^-8～10m。

致密砂岩气藏多采取压裂投产，通过人工缝改善天然气的流动条件，因而致密储层存在致密基块-天然裂缝-水力裂缝多尺度流动空间(图1)，天然气产出经过多尺度介质一系列串联耦合过程，气体在其中的产出过程历经解吸、扩散、渗流等方式^[5]。

2 致密砂岩天然气传质实验模拟

致密砂岩气在储层中高效传质离不开裂缝快速通道，而致密基块是裂缝的有效供气储备也是制约致密砂岩气在储层中能否高效传质的瓶颈。寻求裂缝网络与基块的一种合理配置，让致密砂岩气体在储层中以最优的空间配置关系产出，将极大地提高致密砂岩气的开发效果。

2.1 实验设计

致密砂岩储层中裂缝和基块的渗流能力相差极大，致密砂岩天然气在致密储层中的传质将受制于裂缝与基块在空间上的配置关系，实验设计了“串、并联”两类基块-裂缝配置关系(图2)。

选取四川盆地中部某典型致密砂岩气藏实取岩心，基块岩样渗透率级别分别为0.001、0.01、0.1mD，选用致密岩样人工造缝，裂缝宽度控制在5～30μm。

2.2 天然裂缝-人工裂缝岩样“并联”气体传质实验

实验结果如表1所示，天然裂缝岩样裂缝宽度7.55μm，大于天然裂缝宽度的岩样传质能力强于天然裂缝，但是随着驱替压差的增加，人工裂缝岩样相对于天然裂缝岩样传质能力下降，最高降低47.56%。相同数量级宽度的人工缝与天然缝，人工缝传质能力弱于天然缝，人工缝传质能力是天然缝的82%～89%。

2.3 致密基块-裂缝岩样“串联”气体传质实验结果

致密砂岩气的高效产出与裂缝的分布、产状、密度等有着很大的联系，开发实践表明，致密储层天然裂缝发育则其自然产能高，也为后期的压裂改造提供了良好的基础。天然裂缝与致密基块的配置关系直接影响致密天然气的高效产出，基块与裂缝的配置关系多样，根据致密砂岩储层多尺度地质特征，模拟裂缝-基块配置中气体传质过程，设计了3种配置关系：F-F-M、M-F-F、F-M-F(M为基块岩样，F为裂缝岩样)。

基块物性不变，变换裂缝-基块配置关系，对比各个配置关系传质效率，表2实验结果表明：F-F-M配置关系传质效率最低，以F-M-F配置关系传质效率最优。实验数据统计表明：F-M-F配置传质效率是F-F-M配置的10～16倍，M-F-F配置传质效率是F-F-M配置的1～13倍。

3 分析讨论

“并联”传质实验中，裂缝宽度是影响致密砂岩天然气传质的关键参数，裂缝宽度越大其传质效率越高。在天然裂缝-人工裂缝并联传质实验中，裂缝宽度相近的两类裂缝，人工裂缝传质效率低于天然裂缝。分析认为，由于人工裂缝缝面属于新鲜断面，有较多的可动微粒，随着驱替压差的增加，气体流速增大，参与运移的微粒增多，部分微粒在缝面狭窄处沉积、堵塞，使得裂缝渗流能力大幅降低；另外实验过程是采取的连续变驱替压力，围压不变的方式，在长时间的围压(3MPa)条件下，由于有效应力的时间效应^[8]，无支撑的人工裂缝宽度相应降低，而天然裂缝经过漫长的地质演化，天然缝缝面间有胶结物、颗粒支撑，抗应力敏感能力强于天然缝，裂缝宽度变化相应较小，其渗流能力降低幅度小。

致密砂岩天然气产出需要经历基块孔喉-天然裂缝-水力裂缝一系列串联耦合过程，其中任何一个环节都可能影响致密砂岩天然气的高效产出，各个尺度的耦合对致密砂岩气的产出起到控制作用。由于致密基块是天然气的“储气库”，为天然气产出提供物质保障；天然缝与“储气库”连通，致密砂岩气将及时有效的传输至人工缝；人工缝与井筒的有效勾通，又极大地提高了致密砂岩气产出效率。多尺度介质的合理有效配置将是致密砂岩气高效产出的决定因素。“串联”传质实验中，F-M-F配置关系传质效率最高。M-F-F配置关系中，虽然传质效率也比较高，但是由于致密砂岩气在裂缝中传质和基块中传质是数量级的差别，基块中致密砂岩气主要以扩散、渗流的方式首先向裂缝传质，而基块的供气速度远达不到裂缝的传质能力，供气不足造成其传质效率仍然不高。

4 结论

1) 裂缝性致密砂岩储层存在致密基块-天然裂缝水力裂缝等多尺度介质，天然气产出需要经历基块孔喉-天然裂缝-水力裂缝等一系列串联耦合过程，合理有效的基块-裂缝配置关系将是致密砂岩气高效产出的决定因素。

2) 通过建立致密砂岩储层多尺度地质模型，根据相似原理，创建“串、并联”基块-裂缝岩样的配置关系模型，实验模拟了致密砂岩天然气的产出过程，为深入研究致密砂岩天然气产出机理提供理论基础。

3) 裂缝岩样“并联”气体传质实验表明，裂缝宽度是影响气体传质效率的关键参数，天然裂缝传质效率高于人工裂缝；裂缝-基块岩样“串联”气体传质实验揭示出，裂缝-基块多尺度配置关系中，F-M-F配置关系最优，气体传质效率最高。

4) 致密砂岩储层天然裂缝不同程度地发育，表现出宏观-微观多尺度结构复杂性，建议气藏开发以“储层保护与改造并举”的方针，实现致密基块-天然裂缝-水力裂缝合理配置，经济有效开发该类气藏。

参考文献

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[2] 张宁生.低渗气藏开发的关键性技术与发展趋势[J].天然气工业，2006，26(12)：38-41.

[3] YOON S，MALALLAH A H，BEHRENS R A.A multiscale approach to production data integration using streamline models[J].SPE Journal，2001，6(2)：182-192.

[4] 李前贵，康毅力，罗平亚.致密砂岩气藏多尺度效应及生产机理[J].天然气工业，2006，26(2)：111-113.

[5] 杨建，康毅力，李前贵，等.致密砂岩纳微观结构及渗流特征[J].力学进展，2008，38(2)：229-236.

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[7] 李前贵，康毅力，罗平亚.致密砂岩气藏的时间尺度和空间尺度分析[C]∥程林松，单文文.资源、环境与渗流力学——第八届渗流力学学术讨论会论文集.北京：中国科学技术出版社，2005：186-192.

[8] 康毅力，李前贵.多尺度科学及其在油气田开发中的应用研究[J].西南石油大学学报，2007，29(5)：177-180.

(本文作者：杨建^1，2 康毅力¹ 王业众² 郭华璋³ 1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学；2.中国石油西南油气田公司采气工程研究院；3.四川大学)