摘要：出水是制约涩北气田稳产及降低气田开采效益的主要因素，对出水机理的深入、全面认识，是涩北气田找水、防水和治水措施成功的前提，更是涩北气田产能建设及稳产目标实现的重要保障。涩北气田属于多层疏松砂岩的出水气藏，开采难度大，不确定性因素多，国内外相似气田的开发理论和开发经验都很缺乏。目前对其储层内气水渗流机理和出水机理的认识大部分仍然只是定性的，缺乏量化分析，无法对防水治水措施的制定提供操作性强的指导，迫切需要全面深化对疏松砂岩储层渗流机理的物理模拟研究。通过调研国内外在疏松砂岩岩心加工、储层物性参数测试的校正、渗流机理的微观物理模拟等方面的技术进展，结合气田储层物性特征、气水两相的渗流特征以及目前对气田出水规律的认识，探讨了气田出水机理物理模拟的实验技术思路，为下一步室内实验装置与实验方案的设计奠定了理论基础。
关键词：气；水；两相流动；出水；物理模拟；涩北气田
1 疏松砂岩的制样与岩心分析技术
1.1 取心技术
1.1.1疏松岩心
岩心筒起出地面后，用干净的擦拭物清除岩心上的钻井液或密闭液，将岩心按顺序依次放入低温冷冻箱中，冷冻12h以上后，送实验室。
1.1.2松散岩心
在岩心筒中放入特制的塑料套筒，岩心筒起出地面后，用干净的擦拭物清除套筒上的钻井液或密闭液。通常将塑料套筒切割成30cm长，按顺序依次放入低温冷冻箱中，在-20～-18℃冷冻状态下放置48h后，送实验室。
1.2 制样技术
制样时通过钻头上方特制的连接装置将液氮均匀地喷洒在冷冻岩心及钻头内，使岩心在钻取过程中一直保持冷冻坚硬状态。样品根据其分析用途，切割成2.5～10cm长岩心柱；放入低温冷冻箱中保存待用。
1.3 孔隙度测量
疏松砂岩包封样品的孔隙度宜采用氮气注入法测定，使用氮气孔隙度测定仪。
1.4 孔隙度校正
影响测试结果的主要因素有系统分析误差、岩心冷冻、降压膨胀、胶结物松散、岩心冷冻不实、岩心变形等。校正分为系统校正、冷冻岩心地面孔隙度校正和地下岩石孔隙度校正。
根据实验室测定的岩石压实及覆压资料，做出各层位对应岩样的地面孔隙度和地下孔隙度相关关系式。通过校正得到岩心的地下孔隙度。
1.5 饱和度测量
对于松散岩样，采用蒸馏抽提法测定饱和度。对于不同的气层，由于岩石和流体性质不同，天然气运移时水动力条件不一样，所以束缚水饱和度差别很大，一般为10%～50%。泥质含量越高，渗透性越差，微毛细管孔隙越发育，水对岩石的润湿性越好，气水界面张力越大，则油层中束缚水的含量就越高，知道束缚水饱和度，就能够计算出气层原始含气饱和度。
1.6 饱和度校正
影响饱和度测定结果的因素，主要包括：岩心从地下到地面后天然气的逸散、冷冻、降压。含水饱和度测定的校正大多是依据钻井液取心的校正方法进行的，主要是为了防止天然气挥发的影响。在实验室内，直接测定岩样的密度、孔隙度、干岩样质量、岩石总体积、岩石内含水后，利用公式计算出岩心的含水饱和度数据。
用孔隙度校正方法将实验室测的孔隙度校正为地下孔隙度，然后计算得到地下岩样含水饱和度值。
1.7 气水两相的相对渗透率测量
针对涩北疏松砂岩的出水机理研究认为，在不同渗流条件下流体饱和度和相对渗透率的测量技术非常关键。常规相对渗透率的测量技术多是针对油水两相设计的[1]。
相对于油水两相而言，由于气相压缩性大、黏度低、气水两相的渗流速度非常快，因此对实验装置的灵敏度和精度要求将更高。
1.8 压汞法毛细管压力曲线测定
通过施加压力使汞克服孔隙喉道的毛细管阻力而进入喉道，继而通过测定毛细管力来间接测定岩石的孔隙喉道大小分布。疏松砂岩毛细管力曲线测定有以下特点：①岩石孔隙体积测定中，首先进行去空白试验，即用孔隙体积减去包封样品外的包封套体积；②麻皮效应的校正，包括非润湿相汞由包封套外进入疏松砂岩岩心周围的麻皮效应和汞在岩样表面附着引起的虚假侵入麻皮效应；③总进汞饱和度测定中，应减去包封样品的麻皮效应所产生的误差值。
2 微观渗流物理模拟实验技术
2.1 一维饱和度测量技术
近年来，德士古公司、美孚开发中心、BP研究中心、斯坦福大学等对一维岩心饱和度的测量技术有了许多新发展。归纳起来，一维岩心饱和度测量技术主要有以下方法：①电阻率法；②X射线CT扫描；③X射线吸收；④放射性元素示踪法；⑤核磁共振[2]；⑥微波吸收[3]；⑦γ射线衰减饱和度监测法。
2.2 二维可视化微观模拟技术
通过二维可视化物理模拟技术[4]，可以定性和定量地观察流体在地层内的流动变化。二维可视化物理模拟技术分为间接技术和直接技术。间接技术主要有X射线、γ射线等菹接技术运用光源的照射，通过照相、摄像等使流动实验过程可视化，直接技术相对成熟。
微观二维物理模拟技术有以下优点：①通过选择恰当的示踪剂，显示复杂驱动体系中各组分在多孔介质中的流动过程；②研究驱替过程中水的波及范围，通过数字照相、灰度分析等技术手段，得到饱和度分布等数据[4]；③可设计直观的二维可视化物理模型，使实验操作简单化(图1)。
2.3 三维微观物理模拟技术
近年来，三维物理模拟技术应用于微观渗流实验得到了迅速发展。三维物理模拟技术可用于观测微观三维孔隙结构以及三维渗流动态。但目前仍存在着较大的问题：①观测视野以及模拟的对象太小；②实验设备、技术相对来说较为复杂。
2.4 物理模拟的技术难题
涩北气田储层成岩较差，难以获取完整的岩性，使岩心代表性差，限制了一些实验项目。目前存在以下技术难题：
2.4.1测试方法
对于束缚水、可动水的实验室模拟，将通过饱和度与相对渗透率的测定来表征。相对于油水两相，由于天然气的特殊性，实验难度大，需要设计新型的高精度实验仪器。
2.4.2岩心制备
气田储层岩石成岩性差，很多实验项目只能选择一些砂样制成人工样品进行模拟实验[5]。
2.4.3模型规模
气井出水的机理包括层内水和层间水的水窜，不仅要模拟气水向井筒内的径向流，还要涉及储层内层间的气水的线性窜流。因此所研究的区域应该是整个压降波及范围，不仅要考虑微观可动水，更应该考虑储层的宏观出水，对模型规模、实验设备和监测仪器提出了更高的要求。
2.4.4成果转化
室内模型的规模及实验条件是否具有代表性，研究成果如何运用到实际气井的出水动态的定量分析及防水治水的开发技术对策上，是出水机理物理模拟研究的技术难点。
3 出水机理模拟技术的新进展
3.1 研究内容不断深入
对于多孔介质内的渗流机理，其研究范围不断拓宽，研究内容不断深入。从常规的简单、单一渗流规律，发展到目前对于各种特殊储层特殊渗流规律的研究。所涉及的物理现象，从初期的等温、刚性、物理渗流发展到目前的非等温、弹性、考虑流体与介质各种物理化学反映的复杂渗流过程。
物理模拟的研究内容也不断深入，由单纯的定性机理研究向为数值模拟研究提供所需各种参数的定量模拟发展，从现象模拟向微观和宏观的动力学模拟发展。
3.2 研究方法不断改进
3.2.1宏观与微观模拟实验相结合
地层出水发生在不同的空间尺度，因此需要进行不同空间尺度下的模拟实验研究。
3.2.2实验模拟与数值模拟研究相结合
数值模拟是综合各种地质及开发的静、动态资料，借助计算机，从时空上定量重现出水及渗流的全过程。目前，数值模拟研究已经超前，而物理模拟研究相对滞后，对很多渗流规律，包括疏松砂岩的出水、出砂机理认识都还很不完善，运用常规商品化数值模拟进行模拟研究，将导致研究结果的可信度低，甚至造成开发决策的风险。
3.3 实验设备更趋于先进
1) 实验模型由单一功能向多功能应用发展，在一次实验过程中，能同时测量多类实验数据，便于缩短实验周期，而且由于是在相同条件下测量的，各类实验数据能具有更好的相关性。
2) 实验模型的尺寸向大型化发展。增大实验模型的尺寸，不仅可以使研究的问题与实际情况更接近，而且便于构造各种地质模型，便于安装更多的测量敏感元件，达到精细研究的目的。
3) 实验模型测量的精度要求更高，采用最先进的新技术，使实验更趋于自动化，许多参数更趋于在线测量。
4 实验研究取得的一些认识
4.1 束缚水赋存形式
4.1.1孔隙角隅水
气驱水孔道中的死角普遍存在残余水，这是残余水存在的主要形式。此类残余水可存在于两颗粒之间所夹的死角、矿物表面的沟槽或自生矿物生长造成的凹凸不平的颗粒表面等。
4.1.2微细孔隙及其包围的大孔隙中的残余水
这些微细孔隙并不连通，只是因其孔径十分细小，非润湿相(气)难以克服微细孔隙产生的毛细管阻力而进入这些孔隙。
4.1.3绕流形成的残余水
由于储集岩的非均质性，气驱水时水所受到的毛细管阻力也有较大的差异，驱替相(气)总是沿那些孔径较大而阻力较小的通道快速前进，产生绕流。绕流往往把大片的较小孔隙以及小孔隙包围的孔隙绕过，在这些孔隙中形成绕流型残余水。
4.2 可动水形成机理
束缚水的存在位置主要是岩石颗粒表面、死孔隙和细小的喉颈部位。当束缚水可动后，在喉道转弯处和孔道狭窄处聚集，形成段塞状的可动水，而在大孔道内可动水不易聚集。可动水的流动方式主要有贴壁流和段塞流。
随着压力的进一步降低，可动水越来越多，逐渐充填孔隙角隅和小孔道，小孔隙内形成连续流动，大孔道内则表现为贴壁流和溪状流，可动水将加速运移。包括以下几种典型的流动状态：①部分束缚水被气携带一起流动，穿过大部分孔隙；②附着在孔隙壁上的水在压力和气体流动产生的表面张力联合作用下，沿着孔隙壁向前爬行形成贴壁爬行流；③可动水逐渐聚集，形成段塞后，将堵塞气流动的通道，由于可动水段塞堵塞造成后续的气相压力不断升高，推动水柱向外流动；④当气相压力增加到能够克服水柱段塞阻力时，气从孔隙的轴心突入，并同时在孔壁上留下一层厚薄不同的水膜，水膜沿孔隙壁爬行，原来被堵塞的孔隙重新成为气流动的通道；⑤当段塞被突破，孔隙重新成为气液流动的通道后，可动水又开始聚集，并逐渐演变为下一个段塞，这个过程在气液流动过程中将循环往复，周而复始。
4.3 出水气藏开发的微观机理
在表面张力及毛细管力的作用下，水气界面形成一个凹向气相的弯液面，欲使气相驱动液相流向井筒，就必须克服这一毛细管阻力和流体的界面阻力，如果地层的能量不足以克服上述阻力，就不能把液相塞驱开而造成损害，即“气藏出水的二次污染”，由于天然气被可动水柱塞束缚在孔隙中，造成了天然气采收率的下降。
可动水主要存在于小孔隙和与孔隙相连的喉道处。在小孔隙中，可动水主要以段塞形式存在，并且不易流动，占据了流动通道；位于喉道中的可动水由于毛细管力作用，封闭了两侧的孔隙，减小了渗流通道，降低了气相渗流能力。
由于孔隙的微观非均质性，孔隙和喉道尺寸分布不均，打孔隙和小孔隙交互分布，可动水在小孔道中形成的段塞不仅堵塞了小孔道，在小孔隙包围大孔隙的情况下也使大大减小了天然气的流动空间，使气相渗透率急剧下降，导致气井的产能下降。
对于孔隙半径大、渗透率小的储层，可动水将大幅度降低天然气相渗透率，影响气井产能。
4.4 出水的主要影响因素
束缚水的影响因素包括：泥质含量、润湿性。可运用面积统计法评价不同泥质含量、不同润湿性条件下束缚水的分布特点及饱和度大小。
可动水流动状态的影响因素包括束缚水含量、束缚水分布等，运用面积统计法评价不同印象因素下束缚水的分布特点及饱和度大小。
影响因素的定性分析结论是：渗透率越大，残余水饱和度就越低；渗透率越低，孔喉就越细小，孔隙结构的非均质性也越强，微细孔隙及其包围大孔隙中的残余水和绕流形成的残余水数量也就越多，残余水饱和度越高。
5 结论和建议
笔者在调研国内外对气水两相渗流物理模拟实验技术研究的成果基础上，结合涩北气田的储层结构与渗流特征，探讨了涩北气田出水机理的物流模拟实验技术思路，为下一步室内实验装置与实验方案的设计奠定了理论基础。
下一步需要攻关的技术难题包括：
1) 在含水饱和度的测量和测井解释参数计算模型里，如何区分束缚水和可动水[6]？
2) 制造人造岩心进行模拟实验，如何提高及验证人造岩心的仿真程度？
3) “疏松砂岩”的疏松程度如何定量模拟？压实挤水和水窜水如何模拟？
4) 物理模拟的相似准则[6]如何确定？
5) 利用气驱水方式建立束缚水饱和度的过程中，不同的气驱压力、气驱速度、气驱面积大小都会影响测试结果，如何定量评价？
6) 保持真实岩样内的胶结物和孔隙充填物是建立束缚水饱和度的关键，但疏松砂岩磨片后很难保持成型，若要保持成型并且经受5～15MPa的实验压力范围(目前玻璃夹板模型的承压范围是0.08～0.1MPa，耐稳范围：小于等于80℃)，需要让岩样具有一定大小的规模，但其透光性又难以保证。需要进行单面可视化，即“实物成像”或“实物投影”。在这种模型中如何识别束缚水和可动水？
7) 岩样中束缚水变为可动水到可动水流出岩样存在时间滞后，如何利用物理原理和数学方法校正外部计量测定的可动水与岩样中可动水的对应关系？
8) 通过实验观测到，束缚水饱和度是气体渗流速度的函数，具有速敏。机理实验需要深入认识这个问题，从束缚水的存在形式上分析哪些束缚水是具有速敏？
参考文献
[1] 周显民.喇嘛甸油田水/气相对渗透率曲线实验研究[J].大庆石油地质与开发，1988，7(2)：29-36.
[2] SETSER G，WILLIAMS M R. Measurement of remaining oil saturation in northern Michigan using nuclear magnetism log data and pressure core[C]∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition，Las Vegas，Nevada：SPE，1985.
[3] 吴群，邓绍范，马汉炎.用于测定煤水分的微波传感器[J].传感器技术，1988，7(1)：31-34.
[4] 张景存，高树棠，梁桂卿.在微观薄层砂岩模型上驱油机理的直观研究[J].石油学报，1985，6(4)：77-82.
[5] 于宝，宋延杰，贾国彦，等.混合泥质砂岩人造岩心的设计和制作[J].大庆石油学院学报，2006，30(4)：88-90.
[6] 谭海芳，黄书坤.确定束缚水饱和度的方法研究[J].国外测井技术，2006，7(4)：23-24.
(本文作者：张培平 中国石油青海油田公司)
您可以选择一种方式赞助本站
支付宝转账赞助
微信转账赞助
- 注解：本资料由会员及群友提供仅供阅读交流学习，不得用于商业用途！
