致密儲層巖石滲透率測試的影響因素

致密儲層巖石滲透率測試的影響因素

如果水體和巖石沒有發(fā)生物理和化學(xué)作用（或物理和化學(xué)作用對流動的影響完全忽視），絕對滲透率是由巖石完全飽和引起的。因測試流體包括氣體(N2、CO2、空氣)與液體(主要是水),巖石的滲透率就有氣測滲透率與液測滲透率之分。準(zhǔn)確測試儲層巖石的絕對滲透率是認(rèn)識、開發(fā)儲層的前提條件之一。然而,超低滲透砂巖、泥頁巖等致密儲層巖石的孔喉尺度非常微小,流體與巖石所發(fā)生的物理化學(xué)作用非常明顯,對滲流規(guī)律的影響不可忽略,導(dǎo)致目前的測試方法很難準(zhǔn)確測試出致密巖石的絕對滲透率。本文將討論致密巖石滲透率測試方法中所存在的一些問題,并探討提高測試致密巖石滲透率準(zhǔn)確性的思路。1致密巖石儲層滲流規(guī)律水測滲透率方法在工程中被廣泛應(yīng)用,包括致密巖石物性分析。水測滲透率方法有穩(wěn)態(tài)法與非穩(wěn)態(tài)法之分,理論基礎(chǔ)都為達(dá)西定律,并忽略水與巖石之間的物理化學(xué)作用。但致密巖石的喉道尺度非常小,滲流過程中水與巖石發(fā)生的物理化學(xué)作用使水測滲透率值不能再代表巖石的絕對滲透率值。這些物理化學(xué)作用主要有:(1)實驗室常用的蒸餾水通常為一次蒸餾所得,若存在零點幾微米的雜質(zhì),就可對致密巖石的喉道形成堵塞。(2)抽真空過程中容易殘留少量空氣,水滲流時會產(chǎn)生毛管阻力。這個問題在材料行業(yè)得到了普遍認(rèn)識,在石油行業(yè)卻沒有引起人們的注意。(3)水分子具有極性,能在巖石壁面形成吸附水層,吸附水層厚度為水動力學(xué)條件的函數(shù)。在中、高滲透油藏,由于孔隙喉道較大,吸附水層厚度對有效滲流橫截面的影響很小,滲流特征基本符合達(dá)西定律;而在致密巖石儲層中,孔隙喉道半徑與吸附水層厚度處于同一數(shù)量級,吸附水層厚度就使水的滲流規(guī)律偏離了達(dá)西定律。壁面吸附流體層使喉道有效尺度減小,測不到真正意義的絕對滲透率。壁面流體層分為可動層與不可動層,可動層厚度為水動力學(xué)參數(shù)的函數(shù),視滲透率隨流速變化而變化。即使達(dá)到極限滲透率所需要的流速后,也會由于不可動層的影響使極限滲透率比絕對滲透率小。(4)致密砂巖黏土含量高,水易造成膨脹性黏土膨脹。膨脹后的黏土可以對滲流產(chǎn)生2個方面的影響:一方面黏土膨脹使參與滲流的有效體積減小,產(chǎn)生尺度效應(yīng),并對一些喉道產(chǎn)生堵塞;另一方面具有觸變性的黏土漿體在微細(xì)孔道中的滲流,可以導(dǎo)致致密砂巖巖心中的滲流規(guī)律發(fā)生變化。同時,水也容易造成速敏性礦物運移,堵塞孔道,使?jié)B透率降低。(5)水測滲透率費用高、費時且污染巖心。尤其是水在致密巖心中滲流時,黏土顆粒的膨脹與運移不僅改變了巖石的微觀孔隙結(jié)構(gòu),同時改變了巖心的潤濕性,對巖心造成不可逆的污染。2氣壓失敗法的問題2.1氣-水-氣藏分析方法低壓氣體低速滲流規(guī)律偏離達(dá)西定律的原因,通常認(rèn)為是氣體在固體壁面存在速度滑移,使所測滲透率大于絕對滲透率。1941年克林肯貝爾格依據(jù)一階滑移邊界條件,建立了氣測滲透率Kg與絕對滲透率K∞的數(shù)學(xué)關(guān)系:Kg=K∞(1+bkp)(1)Κg=Κ∞(1+bkp)(1)式中:bk—滑脫因子;p—巖心進(jìn)出口端的平均壓力。式(1)被廣泛應(yīng)用于氣測滲透率實驗與氣藏開發(fā)計算中,氣體滲流的研究工作主要是確定滑脫因子與巖石物性間的關(guān)系。氣體在巖石中滲流時,與巖石的吸附作用弱,且不破壞巖石的孔隙結(jié)構(gòu),巖石能重復(fù)使用。所以,用氣體來測定巖石的滲透率得到了廣泛應(yīng)用。對于空氣滲透率≥0.01×10-3μm2的膠結(jié)巖樣,建立了一套氣測滲透率的實驗方法操作標(biāo)準(zhǔn)。2.2儲層精細(xì)表征隨著許多致密儲層的開發(fā),近幾年氣體在致密多孔介質(zhì)中的滲流特性開始被研究。王斌等人從氣體分子擴散運動角度來研究多孔介質(zhì)中的滲流問題。陳代詢等人從氣體的分子運動論角度研究流動特性,認(rèn)為氣體的低速滲流與氣體分子的自由程分布有關(guān)。有學(xué)者依據(jù)氣體在微管中的流量方程,分析了滑脫作用對致密多孔介質(zhì)氣測滲透率的影響,認(rèn)為滑脫作用在致密巖石中將增強。低速氣體的滲流特性通常用克努森數(shù)描述,將氣體分子的平均自由程與流場的特征尺度之比定義為克努森數(shù),表明氣體在多孔介質(zhì)中流動時,Kn值隨介質(zhì)的平均孔喉半徑減小成反比例增加。氣體的流態(tài)按照Kn值的大小劃分為:Kn<0.01,連續(xù)流,流動規(guī)律用達(dá)西定律描述;0.01≤Kn<0.1,滑移流,流動規(guī)律符合一階滑移理論;0.1≤Kn<10,過渡流;Kn≥10,自由分子流。致密砂巖儲層喉道微細(xì),以蘇格里氣田某儲層為例,孔道中值半徑為0.03～0.15μm。在壓力低于1MPa時,克努森數(shù)范圍大多在0.1～1.0之間。而頁巖的喉道尺度更小,克努森數(shù)更大。致密巖心氣測滲透率過程中氣體在介質(zhì)中的流動行為會偏離以一階滑移邊界條件為基礎(chǔ)的克林貝爾格公式。目前對克努森數(shù)大于0.1的氣體流動在微尺度流動領(lǐng)域的研究較多,描述過渡流與自由分子流的氣體流動有3種方法:(1)分子動力學(xué)模擬法;(2)采用蒙特卡洛直接模擬方法;(3)將高階滑移邊界條件應(yīng)用于N-S方程中,通?？伺瓟?shù)越大,邊界條件的階數(shù)越高。實現(xiàn)這3種方法都需要依賴于計算機模擬,不適合于解決致密巖石氣測滲透率所面臨的問題。3致密巖石流態(tài)的改變基于以上分析,水測滲透率方法中所存在的很多問題是實驗過程中不可避免的,并且很難用數(shù)學(xué)方法來處理。所以,提高致密巖石滲透率測試準(zhǔn)確性的研究思路首先應(yīng)立足于解決氣測滲透率實驗中的本質(zhì)問題。氣測滲透率方法中存在的問題主要是氣體的克努森數(shù)大于0.1,流態(tài)發(fā)生了變化。這類問題則可以通過2種方法來解決:(1)改進(jìn)實驗方法。依據(jù)克努森數(shù)的定義,改變致密巖石中氣體的流態(tài)為滑移流,需要降低氣體分子的平均自由程。氣體分子平均自由程與氣體平均壓力成反比,可以提高氣體的平均壓力來提高測試的準(zhǔn)確性。氣體壓力大幅度提高后,不能再使用傳統(tǒng)的皂泡流量計來測量氣體的