摘要：由于低渗透、特低渗透砂岩气藏储层孔隙结构的特殊性，其单相气体的渗流特征与中高渗透储层相比存在很大的差别，有必要对其渗流特征进行研究。通过对数十块低渗透、特低渗透砂岩岩心不同驱替压力下单相气体渗流特征的实验研究，结果表明，一般情况下特低渗透砂岩储层(小于0.1×10^-3μm²)的渗流特征符合克氏渗流曲线特征，但是在孔隙压力很低的情况下会表现出由于强滑脱效应而引起的非线性渗流特征；对于低渗透率储层(大于0.1×10^-3μm²)，气体的渗流特征在低驱替压力下符合克氏渗流曲线特征，但是在较高驱替压力下会表现出明显的高速非线性渗流特征。对于特低渗透砂岩储层而言，气体渗流一般不可能发生高速非线性流效应；而对于低渗透储层，就要考虑高速非线性效应对低渗透砂岩气藏气体渗流规律的影响。

关键词：低渗透油气藏；砂岩；渗流；高速；非达西流；特征；滑脱效应；实验

    低渗透、特低渗砂岩气藏储层由于具有特殊的孔隙结构，其单相气体的渗流特征也比中、高渗储层更为复杂^[1。2]。有必要弄清低渗、特低渗砂岩气藏气体的渗流特征，这对于低渗砂岩储层气体渗流规律的正确描述，建立完善的气体渗流数学模型，进行正确的单井产能计算和动态预测具有重要意义^[3]。

   选取上三叠统须家河组低渗气藏储层50块岩心进行单相气体渗流特征实验研究，实验岩心渗透率分布范围在(0.001～2)×10^-3μm²之间。表1列出了其中24块岩心的物性参数。

实验详细研究了不同渗透率级别储层岩心的单相气体渗流特征，并且对每一种渗流特征进行了分析、总结，研究结果对于正确认识低渗气藏开发过程中的气体渗流规律，准确模拟气藏动态开发过程具有重要指导意义。

图1、2是不同渗透率储层单相气体渗流典型特征曲线。图1是特低渗透率(K＜0.1×10^-3μm²)储层岩心克氏曲线的综合表现，气体的渗流特征基本符合克氏渗流曲线特征，克氏渗流规律表达式为^[4～5]：

 

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。

    特低渗储层多岩心克氏渗流曲线规律表明，在储层渗透率小于0.1×10^-3μm²的情况下，低压气体渗流基本符合克氏曲线特征，只有个别岩心在孔隙压力极低的情况下，气体渗流会出现强滑脱现象，即气体的渗流规律表现出低压非线性流现象。

图2是渗透率较高(K＞0.1×10^-3μm²)的低渗透储层的气体克氏渗流规律曲线。可以发现其与特低渗储层的气体渗流特征存在很大差别。在低孔隙压力下气体渗流符合克氏渗流曲线特征，随孔隙压力增加到一定值以后，气体视渗透率开始急剧降低，而且渗透率越高的岩心其视渗透率下降越大。这一结果是由于气体的高速非线性流动引起的，具体表达式为：

 

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。

    可以发现渗流速度越大，气体的高速非达西流效应就越明显，低渗岩心的气体视渗透率就会越低。

    由此可知，在实验条件下，低渗、特低渗砂岩气藏储层气体的渗流特征明显。渗透率小于0.1×10^-3μm²的储层气体渗流特征可以用克氏曲线的渗流特征来描述，也就是式(1)；而渗透率大于0.1×10^-3μm²的储层气体渗流特征可以用高速非达西流效应和克氏渗流效应来共同描述，即式(2)。

    气体的滑脱效应可以运用滑脱系数(6)来描述。根据式(1)，并利用低渗岩心实验测试结果，可以求得气体在低渗岩心渗流过程中的滑脱系数(6)，其具体表达式为：

不同低渗岩心气体滑脱系数(6)在对应平均压力下的计算结果见图3。图3-a中3块岩心渗透率的分布范围是(0.024～0.105)×10^-3μm²，属于特低渗储层范畴；图3-b中岩心对应的渗透率为1.7×10^-3μm²，属于低渗储层范畴。可以发现不论是特低还是低渗透储层，一般情况下气体的滑脱系数都是一个定值，但是当岩石平均孔隙压力增加到一定值时，一般在1MPa以上，岩石中气体的滑脱系数就开始出现明显降低的现象，而且渗透率大于0.1×10^-3μm²的岩心随孔隙压力增加，滑脱系数还会出现负值。

 

    由此可知，低渗岩心气体渗流过程中滑脱效应并不是一定存在，而且滑脱系数也并不是一个常数，在低孔隙压力条件下，滑脱系数可以认为是一个常数，但是随孔隙压力增加，滑脱系数开始减小；而且渗透率越大，滑脱系数越小，滑脱效应越不明显；对于特低渗岩心，滑脱系数明显偏大，而且在高孔隙压力下滑脱系数虽有所减小，但是变化不是太大，一般不会变为负值。说明气体滑脱效应确实主要发生在低孔隙压力下的低渗透岩石中。较高渗透岩石中虽然也存在滑脱效应，但是随压力增加，滑脱效应迅速减小直至可以忽略。

    目前得到的关于低渗气藏气体渗流特征的研究成果及认识都是基于室内实验条件研究的基础上，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的滑脱效应很弱，完全可以忽略，因此在低渗气藏的实际生产过程中没有必要考虑滑脱效应的影响”^[6～8]。相反，由于低渗气藏(大于0.1×10^-3μm²)生产过程中近井地带的生产压差很大，很容易导致气体的高速非达西流效应的产生，因此在进行低渗气藏产能计算和生产动态模拟过程中应该主要考虑高速非达西流效应的影响。

   1) 低渗砂岩气藏渗透率小于0.1×10^-3μm²的储层，单相气体的渗流特征符合克氏曲线的渗流特征；而渗透率大于0.1×10^-3μm²的储层，气体渗流特征可以用高速非达西流效应和克氏渗流效应来共同描述。

    2) 在低渗气藏生产动态模拟和产能计算的过程中应该主要考虑高速非达西流效应的影响，而滑脱效应的影响可以不予考虑。

    3) 低渗砂岩气藏开发过程中存在一个临界渗透率值0.1×10^-3μm²，以其为临界点，其上下渗透率储层的开发方式及开发难度都存在很大差别。

[1] 胡勇，朱华银，姜文利，等.低渗气藏岩心孔隙结构与气水流动规律[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2009，31(增刊1)：35-37.

[2] 万风军，卢渊，赵仕俊.低渗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] 贺伟，冯曦，钟孚勋.低渗储层特殊渗流机理和低渗透气井动态特征探讨[J].天然气工业，2002，22(增刊A)：109-112.

[4] ROSE W D. Permeability and gas-slippage phenomena [J].API Drilling and Production Practice，1949：209-217.

[5] FULTON P F. The effect of gas slippage on relative permeability measurements[J].Producers Monthly，1951，15(12)：14-19.

[6] 郭平，徐永高.对低渗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.

[7] 薛国庆，李闽，罗碧华，等.低渗透气藏低速非线性渗流数值模拟研究[J].西南石油大学学报，2009，31(2)：163-166.

[8] 李士伦，孙良田，郭平，等.气田及凝析气田开发新理论、新技术[M].北京：石油工业出版社，2005.

 

(本文作者：熊伟^1，2 高树生¹ 胡志明¹ 薛惠¹ 叶礼友^1，2 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)