火山岩气藏不同储渗模式下的非线性渗流机理

董家辛，童敏，冉博，李宁

（1.中国石油勘探开发研究院；2.中国石油大学（北京）；3.塔尔萨大学）

0 引言

火山岩气藏储集空间复杂多样，包括气孔、溶蚀孔、粒间孔等多种孔隙和构造缝、炸裂缝、冷凝收缩缝等多种裂缝[1-3]，火山岩气藏储集层孔隙结构的复杂性导致其渗流机理不同于沉积型砂岩储集层。目前国内部分学者[4-11]对火山岩气藏的滑脱效应、启动压力梯度和应力敏感性等渗流特征进行了初步研究，探索了火山岩气藏的渗流机理。国外只有日本对火山岩气藏进行了开发，但未见渗流机理研究的相关报道。本文将火山岩气藏的储渗模式与滑脱效应、应力敏感性等非线性渗流特征结合，总结火山岩气藏不同储渗模式下的非线性渗流机理，并应用现场生产资料研究火山岩气藏不同尺度多重介质间的接力排供气机理。

1 火山岩气藏储渗模式

火山岩气藏储渗模式指储集空间与喉道的组合模式，孔隙和喉道的形态、大小、分布及其连通关系决定火山岩储集层的储集能力和渗流能力，直接影响产能的高低和稳产能力。通过岩心观察、薄片鉴定等方法[1]分析了火山岩储集空间的形态与大小，结果表明，火山岩气藏的储集空间复杂多样。火山岩储集层发育多种类型孔隙，按成因可分为气孔、粒间孔、溶蚀孔及微孔等，按孔隙大小可分为大孔隙、小孔隙和微孔隙；裂缝主要有收缩缝、炸裂缝、构造缝等。采用薄片鉴定、常规压汞和恒速压汞分析等方法，将喉道分为孔隙收缩型、溶蚀孔型和裂缝型。按照不同类型储集空间和喉道的组合方式，结合生产动态特征，归纳出气孔型、粒间孔型、微孔型和裂缝-溶蚀孔型4种典型的储渗模式（见表1）。

表1 火山岩气藏4种典型的储渗模式

2 火山岩气藏非线性渗流机理

2.1 滑脱效应

气体滑脱效应影响火山岩气藏开发效果。利用稳态实验方法，对徐深气田 52块火山岩岩心（孔隙度2.45%～17.14%，渗透率 0.001×10−3～1.783×10−3μm2）进行滑脱效应实验，分析喉道半径、储渗模式、渗透率等因素对滑脱效应的影响。

2.1.1 喉道半径对滑脱效应的影响

早在1950年，Heid[12]就发现喉道分布影响滑脱效应，2002 年陈代 珣[13]也注意到滑脱效应与孔隙结构有关，但没有给出相关数据。火山岩气藏微观孔隙结构较常规气藏更加复杂，孔喉的大小及分布模式对滑脱效应的影响也更大。对渗透率相近但喉道分布不同的岩心（岩心 C264，渗透率 0.28×10−3μm2；岩心 201A，渗透率0.26×10−3μm2）进行物理模拟实验，两块岩心喉道半径分布见图1a，实验结果表明，相近渗透率下，小喉道所占比重大的岩心 201A滑脱效应更强（见图1b），其滑脱因子为0.43 MPa，大于岩心C264的0.20 MPa，说明喉道直径越小，滑脱效应越明显。

图1 C264号岩心和201A号岩心喉道半径分布及对滑脱效应的影响

2.1.2 不同储渗模式下的滑脱效应

通过物理模拟实验测定了火山岩气藏粒间孔型、气孔型和微孔型 3种不同储渗模式下的滑脱因子（对于裂缝-溶蚀孔型，其储层渗透率较大，滑脱效应很弱，故没有对其进行分析），结果表明，储渗模式不同，其滑脱效应亦不同（见表 2）。粒间孔型、气孔型和微孔型 3种储渗模式下，粒间孔型孔径、喉道相对较大，滑脱效应相对较弱；气孔型气孔孔径中等，喉道较小，滑脱效应中等；对于微孔型，其孔径较小，喉道半径最小，滑脱效应最明显。因此，火山岩气藏开发过程中应重点考虑微孔型储渗模式储集层的滑脱效应影响（见表2）。

表2 不同储渗模式下的滑脱效应

2.1.3 渗透率与滑脱因子的关系

根据Klinkenberg的理论，滑脱因子与渗透率直接相关[14]。笔者对52个火山岩岩心样品进行岩石物性实验和滑脱效应实验，结果表明，岩心渗透率越低，滑脱效应越强（见图2）。因此，对于物性好的火山岩气藏，滑脱效应对产能影响较小，可忽略不计。对于物性差、渗透率低（多小于 0.1×10−3μm2）的火山岩气藏，滑脱效应将使产能增加 3%～7%（见表 3），在气藏开发中后期需考虑滑脱效应对气藏开发效果的影响。

图2 渗透率与滑脱因子的关系

表3 不同开发阶段滑脱效应对渗透率的贡献

2.2 应力敏感

为了模拟火山岩气藏气井开发过程，采用定围压降内压（增大净上覆岩层压力）的实验方法研究应力敏感作用机理。首先，将围压（相当于上覆岩层压力）、内压（相当于地层压力或流体压力）和回压（岩心出口压力）升至设计值，然后降低回压使内压与岩心出口形成一定的压差，记录压差和对应的流量，计算渗透率。逐渐降低内压和岩心出口压力就可测定降内压（即增加上覆岩层压力）时的应力敏感性；逐渐升内压和岩心出口压力就可测定升内压（即降低上覆岩层压力）时的应力敏感性。如此反复，可以计算多次升、降压过程中的岩心渗透率变化，从而评价岩心的应力敏感性。由于微孔型储渗模式裂缝发育程度较低，渗透率小，应力敏感性较弱，故未进行分析，只对气孔型、粒间孔型及裂缝-溶蚀孔型储渗模式下的岩样进行分析。

对气孔型及粒间孔型储渗模式的岩心进行应力敏感实验，结果表明，其表现出相似的应力敏感特性，只是变化程度稍有不同。第 1次降内压过程中，随着净上覆压力逐渐增加，气孔型及粒间孔型储渗模式岩心骨架颗粒不断被压实，基质喉道变小，渗透率逐渐降低，但不同储渗模式岩心渗透率降低程度不同（见图 3），由于粒间孔型岩石的抗压实作用较气孔型岩石强，变形相对较小，气孔型岩石的渗透率降幅比粒间孔型大10%左右（见表4）。第1次压力恢复后，气孔型岩石的渗透率恢复程度较粒间孔型岩石高8%左右。第 2次降内压过程中岩心进一步变形，但变形程度降低（见图3），这是因为降压过程中孔隙及喉道继续缩小，但缩小程度降低，而第 2次压力恢复渗透率恢复程度更低。

图3 不同储渗模式下渗透率与净上覆压力的关系

表4 不同储渗模式的应力敏感程度对比

裂缝-溶蚀孔型岩心与气孔型、粒间孔型岩心应力敏感特性相似（见图3），但其应力敏感性更强（见表4）。衰竭式生产过程中，随着流体压力降低、生产压差增大，裂缝在应力作用下容易闭合，因而裂缝-溶蚀孔型岩心表现出较强的应力敏感性。

根据实验结果建立渗透率与有效应力间的幂函数关系式[15]：

式中K——地层渗透率，10−3μm2；K0——原始地层条件下的渗透率，10−3μm2；K/K0——无因次渗透率；p——有效应力，MPa；a，b——系数，无因次。

综上，气孔型、粒间孔型和裂缝-溶蚀孔型3种储渗模式下应力敏感造成的渗透率降低等变化不可逆，将对气井产能造成严重影响。

2.3 渗流主控因素

火山岩储集层孔隙结构复杂，其流体渗流具有非线性特征，且滑脱效应和应力敏感具有相反的作用效果。火山岩气藏衰竭式开采过程中，不同开发阶段非线性渗流机理对产能的影响程度不同（见图 4）。开发初期，压降主要集中在近井地带，应力敏感只发生在近井地带；随着生产的进行，压降漏斗逐渐扩大到整个储集层，应力敏感将扩展到整个储集层范围，且应力敏感性从井底向外逐渐减弱。由前述分析可知，滑脱效应在低渗、低压条件下对产能的影响比较明显，开发后期需考虑滑脱效应的影响。

图4 不同开发阶段非线性渗流机理对产能的影响

为了深入研究渗流的主控因素，建立了同时考虑滑脱效应和应力敏感对火山岩气藏气井产能影响的模型，理论研究结果表明：当压差大于6.9 MPa时应力敏感起主导作用；近井地带（至井筒距离约300 m范围内）以应力敏感为主导因素（见图 5）；正常开采条件下，滑脱效应影响较小，渗透率小于0.1×10−3μm2、孔隙压力小于10 MPa时，滑脱效应影响较大（3%～7%)。

图5 应力敏感及滑脱效应对产能的影响

3 火山岩气藏多重介质的“接力”排供气机理

火山岩气藏发育气孔型、粒间孔型、微孔型和裂缝-溶蚀孔型4种典型的储渗模式，每种储渗模式的孔隙结构不同，孔径、喉道大小不一，因此储集层中存在大孔大缝、中孔小缝和小孔微缝等不同规模尺度的孔缝组合方式。笔者认为，火山岩储集层不同尺度孔缝介质接力排供气渗流机理为：大尺度物性好的孔缝介质优先采出天然气，次级尺度物性较差的孔缝介质逐渐补充供给天然气，如此形成多尺度多重介质接力排供气机理。现场资料证实火山岩储集层具有双重介质特征（见图6）。试井双对数曲线续流段主要反映井筒的储集效应，然后是高渗透裂缝的径向流。裂缝自身供给不足时，基质孔隙开始向裂缝供气（基质流向裂缝的窜流系数为 1.2×10−7），基质向高渗透裂缝的窜流量小于井底产量时，与井底沟通的裂缝系统中能量消耗快，并出现过渡流段；当窜流量与井底产量相当时，窜流量趋于稳定，且基质供给与裂缝产出达到动态平衡，进入系统径向流段。过渡流段持续时间和过渡流段内井底压降与窜流系数密切相关，相同条件下窜流系数越大，过渡流段持续时间越短，过渡流段内的井底压降越小。基于非线性渗流机理和生产动态规律，建立了不同尺度孔缝介质“接力”排气和供气的概念模型（见图 7），包括高产稳产、产量递减、低产稳产3个生产阶段。“接力”排供气的主要作用机制是压差、压实、渗吸和扩散4种作用。

图6 DD1井试井曲线

图7 火山岩气藏“接力”排供气机理

3.1 高产稳产阶段的接力排供气机理

火山岩气藏开发初期，大孔大缝供气，气井单井产量高，该阶段压差作用在多重介质接力供气和排气中起主导作用，大孔大缝渗流导致与井底沟通的裂缝系统能量消耗很快，井底压力快速下降。裂缝输运的气体主要由基质孔隙提供，因此，裂缝能否持续为气井提供充足气源取决于基质孔隙向裂缝的供气能力。

3.2 产量递减阶段的接力排供气机理

基质向裂缝窜流供气量远低于井底产量时，产量开始递减，中孔小缝供气，该阶段压实作用起主导作用。利用物理模拟实验测量10块岩样在压实作用下排出气体总量，实验结果表明：①压实作用排出的气体总量约占孔隙总含气量的1.89%；②随着净有效应力的增加，初期压实作用强，岩石变形量大，压实排气量大，单位净有效应力的气体排出量大；后期压实作用较弱，岩石变形量小，压实排气量小（见图8）。

图8 单位净有效应力气体排出量与净有效应力关系图

3.3 低产稳产阶段的接力排供气机理

随着产量的降低，当基质向裂缝窜流供气量达到稳定，裂缝-基质系统平衡时，气井进入低产稳产阶段，小孔微缝供气，该阶段主要是渗吸和扩散作用起主导作用。对于含水的多重介质气藏，此阶段渗吸作用起主导作用；对于无水气藏，扩散作用起主导作用。

根据渗吸作用原理，采用核磁共振技术测量渗吸前后小孔道中含水饱和度的变化，确定渗吸作用排出的气体体积。实验结果表明，火山岩储集层岩心在驱替（大孔隙）和渗吸（小孔喉）等共同作用下的采收率为44.75%，其中驱替贡献率为37.25%，渗吸等贡献率为7.50%（见图9）。

图9 核磁共振法确定各种作用对采出天然气的贡献

4 结论

火山岩气藏主要储渗模式有：气孔型、粒间孔型、微孔型和裂缝-溶蚀孔型，其中粒间孔型、气孔型储渗模式下的滑脱效应相对较弱；微孔型储渗模式下的滑脱效应较强。不同储渗模式下的火山岩均具有较强的应力敏感性，其中裂缝-溶蚀孔型应力敏感程度大于气孔型、粒间孔型。当压差大于6.9 MPa时应力敏感起主导作用；近井地带（至井筒距离约300 m范围内）以应力敏感为主导因素；正常开采条件下，滑脱效应影响较小，渗透率小于 0.1×10−3μm2、孔隙压力小于10 MPa时，滑脱效应影响较大（3%～7%）。

火山岩气藏储集层具有多重介质“接力”排供气渗流规律：高产稳产阶段，大孔大缝供气，气井单井产量高，该阶段以压差作用为主；产量递减阶段，中孔小缝供气，该阶段以压实作用为主；低产稳产阶段，小孔微缝供气，该阶段以渗吸和扩散作用为主。

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