收稿日期:2003-11-03;修订日期:2003-12-29;作者E-mail:zhw661130@第一作者简介:张曙光(1966-),男,黑龙江大庆人,高级工程师,1990年毕业于成都理工大学化学系,在读博士研究生,从事地质工程方面的研究低渗致密砂岩气藏岩石的孔隙结构与物性特征张曙光1,3,石京平1, 2,刘庆菊3,贺承祖1(1.成都理工大学,四川 成都 610059;2.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院,黑龙江 大庆 163712;3.大庆钻井一公司,黑龙江 大庆 163411)摘 要:根据表面与胶体化学原理,分析了低渗致密砂岩气藏的孔隙结构特征、物性特征以及它们之间的关系.孔隙结构特征表现为喉道小,分形维数高,孔喉径比大,弯曲度大且大多呈扁平形状.物性特征表现为渗透率低且对应力敏感,毛管压力高,毛管压力曲线陡峭,临界水饱和度高,气水界面模糊.并在深盆气藏中可能出现气水倒置、反常低的原生水饱和度、滑脱效应及明显的菲达西流动效应.着重用孔隙结构特征来解释它们的物性特征,对前人关于水膜及边界层性质异常等观点提出了质疑.关键词:低渗致密气藏;孔隙结构特征;物性特征;束缚水饱和度;菲达西流动上世纪60年代以来,已探明低渗透砂岩储藏中可采天然气储量超过100×1012 m 3,与常规可采天然气剩余量119×1012 m 3十分接近.该类气藏随着常规天然气的日益递减和人类对天然气资源日益增长的需要而为世界所注目[1~9].特定的成岩环境使低渗透砂岩气藏的孔隙结构及物性特征有别于常规砂岩气藏,导致认识上的复杂性.1 孔隙结构特征常规砂岩气藏孔隙结构为颗粒支撑,孔隙式胶结并以粒间原生孔为主.粒间宽阔处为孔隙,狭窄处为喉道,后者可视为前者的缩小部分,孔、喉径比小于2.研究表明,储层岩石孔隙分布具有分形几何的性质,并可用2参数分形几何公式加以描述[10]:Dd D p p r rS −−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=33max (1)式中:r max ——最大孔径;S ——孔径小于r 的累积孔隙体积分数; D ——分形维数,其值在2~3之间变动.D 越大,说明孔径分布越不均匀; P ——毛管力;Pd ——最大孔隙对应的毛管压力,即入口毛管压力.低渗透气藏孔隙结构的分形几何特征表现为:比常规气藏的r max 小, D 大(D ＞2.80,常规气藏D ＜2.62).2 储层物性2.1 渗透率低及对应力敏感根据Poiseiulle 定律及Darcy 定律,经推导,可得到渗透气藏渗透率K 与分形维数有下列关系:DDr K −−=5382max τφ (2)式中:φ——多孔介质的孔隙度;τ——多孔介质中毛细管的弯曲度.由该式可以看出,低渗透气藏因其φ和r max 小以及D 和τ大而低渗.低渗透砂岩气藏岩石不但渗透率低,而且渗透率对应力敏感.前人实验表明:上覆压力由常压增至3.5~35 MPa 时,渗透率可降至原来的1/2~1/100[1].据此认为,低渗砂岩对应力敏感是由于扁平的喉道在应力下易于闭合造成的. 2.2 滑脱效应根据前人研究,气体通过毛细管时,可因气体分子平均自由运动路径λ与毛细管半径r 相对大小不同而出现不同的运动,在λ≈r 时,出现混合流动.当本体内粘滞流动起主导地位,仅管壁表面为自由分子流动时,出现滑脱效应,这时粘滞性流体就像从管壁上滑过.如果自由分子流动与粘滞流动速度比超过0.1,将存在滑脱效应,那么,经推算,在超低渗气藏渗透率为0.000 1×10-3 μm 2,气藏平均压力低于180 MPa 时,就将存在滑脱效应.这说明超低渗气藏不但在实验测张曙光等:低渗致密砂岩气藏岩石的孔隙结构与物性特征439量中存在滑脱效应,在地层测试中亦存在滑脱效应.由此可见,前人认为地层压力大,不会产生滑脱效应的认识不适合超低渗气藏研究. 2.3 束缚水饱和度高早期研究者曾根据隔板法或压汞法,测出储藏岩石毛管压力曲线末端趋于垂线的认识,提出了关于不可再降低的水饱和度或束缚水饱和度的概念.而有学者对此提出了质疑[11].认为不可再降低水饱和度或束缚水饱和度的概念是不存在的.为此有人提出将相对渗透率曲线上的临界水饱和度视为束缚水饱和度[12],鉴于在临界水饱和度以下时,水的渗透率趋近于零,即从动力学的角度将渗透率趋近于零时的水认为是束缚水,此认识比根据毛管压力曲线有较明确的物理意义.人们曾将束缚水归因为水膜水和毛管水.有学者推导的水膜厚度h 公式为[13]:h =(2α/p )1/3 (3) 式中:α——常数,同温度及体系性质有关;P ——驱动压力.在驱动压力P 一定时,有一临界毛管半径r *与其对应.鉴于常数α随温度和盐水矿化度的增加而减少,故将室温无离子水/石英体系α的实验值 1.18×10-7 MPa μm 2代入上式,计算出气藏中水膜水厚度的上限值,结果如表1.由该表可看出,在一般的驱动压力下(0.01~2 MPa),气藏水膜厚度总是比所在毛管半径要小得多,不会对束缚水有多大贡献.关于束缚水在毛管中存在的形式,根据前人的认识,大致有以下二种情况:水环水 此种水以环状形式存在于两颗粒之间.在水饱和度较低时,由于颗粒表面失水而失去水动力连通性.Dullien 用隔板法测量了用氢氟酸刻蚀前后的玻璃珠填充层和Berae 砂岩的气水毛管压力曲线,发现其毛管压力曲线末端,仅未刻蚀的光滑玻璃珠填充层为垂线,其余均为斜线[14].说明在刻蚀过的玻璃珠表面和天然砂岩颗粒表面上存在着细小的沟槽,使水环水始终能保持水力学上的联系性,而不会成为完全没有流动性的水.绕流水 由于岩石的非均质性,气驱水时可绕过渗透率低的小孔道或小孔隙群,使水滞留在这些地方而成为束缚水.然而,鉴于储藏岩石的毛管压力曲线末端不为垂线而为斜线,说明储藏岩石中总是存在着细小的水的通道,这些水也不会成为完全没有流动性的水. 2.4 气水分布异常气水过渡带 将毛管压力换算为离水平面高度,毛管压力曲线就成为气水纵向分布曲线(图1).在入口毛管压力相应高度以下为水饱和度带,在临界水饱和度以上为束缚水饱和度带,在两者之间为过渡带.显然,任何气藏中均无严格的气水界面,只有过渡带.在常规储藏中过渡带较窄,故认为有较清楚的气水界面,低渗砂岩气藏的毛管压力曲线形状陡峭,使过渡带变得很宽,气水界面模糊.图1 气水分布示意图Fig.1 Schematic map of the gas-water distribution气水倒置 将两根粗细不同的毛细管按上粗下细连接起来,并垂直放置.从下端注气时就会看到,气水界面沿细管上行至粗毛细管入口时停止下来,形成了深盆气藏中气在下,水在上的倒置分布.这是由于毛细管中高的毛管压力,使管壁周围的水膜较薄,不能在气上行时对流而下,故被驱赶到粗管中,而形成了气水倒置的现象.在深盆气藏中,气藏上面渗透性较好的岩石含水饱和,而形成了动态水封层,天然气只能通过溶解方式缓慢地通过水封层散失于地表.早在20年前人们已在深盆气藏发现气水倒置现象[15],并且气藏中原生水饱和度小于临界水饱和度,其值有时可趋于零.据报道我国长庆马五气藏也有原生水饱和度低于临界水饱和度的事例[16],有人认为我国四川盆地深盆超低渗气藏也有气水倒置分布的可能性[9].前人认为深盆气藏中原生水饱和度异常低的原因,可能同这类气藏在后生成岩过程中水蒸发、石膏水合和粘土矿物吸附水等作用有关[15].但上述作用在成岩过程中是普遍存在的,为何这些作用在一般气藏表1 水膜厚度计算值Table 1 The calculation film-water thickness驱动压力/Mpa 临界毛管半径/μm 水膜厚度/μm0.10 1.4 0.0131.00 0.14 0.00622.00 0.014 0.0049440 新 疆 地 质中不会造成异常低的原生水饱和度呢？一个较合理的解释是:一般气藏中气水压差和毛管压力处于平衡状态,上述作用发生之后,原生水饱和度将随之增加,使被破坏的平衡状态恢复,所以不会造成异常低的原生水饱和度,而在气水倒置分布的深盆气藏,由于不存在以上平衡关系,所以在上述作用发生之后不可能使原生水饱和度恢复,从而造成异常低的原生水饱和度. 2.5 高速非达西流动高速流体通过多孔介质,尤其是低渗多孔介质时,受到的阻力超过Darcy 公式预期值的现象,叫高速菲达西流动.Fochheimer 认为:高速菲达西流动起因于惯性阻力,并提出Darcy 公式的修正式,即Fochheimer 公式: 2βρνµν+=∆KL P (4)式中:V =q /A ;A ——横截面积; ρ——流体密度; β——惯性阻力系数.惯性阻力系数β同多孔介质中流线弯曲产生离心力以及横截面忽大忽小产生动能消耗有关[17]. 2.6 低速菲达西流动1898年以来,人们就已相继发现水在土壤、多孔介质及油气藏中流动时存在低速菲达西流动.表现为随着压力梯度增加,流速由缓慢增加逐渐过渡为线性关系快速增加(图2).若忽略速度较小的非线性段,就线性段而言,流速q 与压力梯度△p /L 的关系为[18~20]: ⎟⎠⎞⎜⎝⎛−∆=J L P KA q η (5) 式中:J ——启动压力梯度.低速菲达西流动的特点,就是存在启动压力梯度.当J →0时,该式还原为Darcy 公式.在含束缚水的岩石中气体流动也存在低速菲达西流动现象[21].人们将低速菲达西流动归咎于边界水异常.认为在低渗储层中因孔隙小,边界水所占比例大,故其菲达西效应较明显[18,19,21].历史上人们曾根据水在玻璃或石英毛细管中的蒸气压力,蒸发速度与流速明显偏低,认为在固体边界上,由于固体表面分子剩余力场的作用形成了一种具晶体结构和异常物性的水,其沸点为300 ℃,冰点为-50 ℃以及它的粘度为普通水的10倍,因此赋予该种水以多种名称,如毛管水、边界水、结构水和异常水等.然而我们知道,上述认识早已被包括提出者Derjaguin 在内的学者所否定[22].因为后来发现,毛管水的上述异常性质是由于毛管壁上的图2 低速菲达西流动示意图Fig.2 Schematic map of the inverted gas-water distribution硅质成分进入水中引起的,其中可溶盐类使水的沸点上升和冰点下降,胶体物质使粘度升高.不久前有人用表面张力仪测量发现,在云母或石英之间的缝隙中,水的不流动层仅有1~2个水分子厚度,在缝隙间距降至2 nm 时,仍未见与本体水的粘度有何不同[23,24],这进一步否定了关于边界水流动性质异常的认识.因此,我们认为,水在储层岩石中低速菲达西流动,可能是由于岩石中的硅质成分进入水中使水成为塑性流体引起的.根据塑性流体在毛细管中流动时流量q 与压差服从Buckingham-Reiber 公式,可推导出启动压力J 为:()()[]DD D r f J B −−−=4353821max τ (6)式中:f B ——动切力.由该式可以看出,水中胶体物质越多,即f B 越大,J 也越大.对于低渗岩石,r max 及弯曲度τ小, J 大.虽然分形维数D 大,J 有所增加,但不如r max 及τ明显,这些结论均与实验事实一致.我国学者发现,将岩石中水分蒸发至束缚水以下时,气体在岩样中流动亦存在低速菲达西流动现象[21].并且岩石越致密和束缚水含量越高,启动压力梯度越大,即低速菲达西流动越明显.有人将此现象归为水膜,认为使气体开始流动必须赶走一些水膜,因而存在启动压力.然而,正如我们在上面已经指出过的那样,在一般驱动压差下,储藏岩石的水膜厚度总比所在毛管半径要小得多,它不会成为气体流动的障碍.前人实验表明,油、气在岩石中的相对渗透率曲线同形成水饱和度的方式有关,蒸发法和吸入法得到的气体的相对渗透率曲线总比驱替法要低[25],说明在同一情况时,前一情况下水比后一情况下占据着较多的流张曙光等:低渗致密砂岩气藏岩石的孔隙结构与物性特征441动通道.因此,当人们用蒸发法将岩样中的水饱和度降低到束缚水饱和度以下后,通入气体时,一些占据着较多通道的水将被排挤到别的位置上,这意味着需要一个额外的压力梯度,即启动压力梯度,才能使气体在岩石中流动.3 结语根据表面与胶体化学基本原理,详细分析了低渗砂岩气藏的物性特征、孔隙结构特征以及它们之间的关系,结果如表2所示.由该表可见,低渗砂岩气藏的物性特征有的与孔喉大小直接相关,而大都则仅与或还与孔隙结构的其它特征,如分形维数、孔喉径比和微观非均质性等因素有关,不能一概而论.对前人用水膜或边界层性质异常,来解释低渗储层中高含水饱和度和低速非达西流动机理的认识,笔者提出了置疑.根据有关的机理分析,提出在低渗气藏中存在滑脱效应,以及在深部低渗气藏中存在气水分布倒置的可能性.参 考 文 献[1]Jones F O, Owens W W. 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Most intriguing in the central basin is the inverted gas-water position, abnormal low initial water saturation, slippage effect and evidentnon-Darcy flow. The pore structure is emphasized to interpret its characteristic and doubt the previous view of abnormal water film and boundary property.Key words :low permeability; compacted gas reservoir; pore structure characteristics; fractal dimensions; capillary pressure, non-Darcy flow, critical water saturation.表2 低渗气藏物性特征与孔隙结构特征的关系 Table 2 The characteristic relationship between the lowgas intrusion and the void texture物性特征 孔隙结构特征渗透率低喉道小，孔喉分布分形维数大，毛管弯曲度大 压力敏感 喉道扁平 滑脱效应喉道小(r <λ) 气水界面模糊(气水过渡带长) 孔喉分布分形维数大气水倒置以及原生水饱和度可能异常低 喉道小、埋藏深、毛管压力不与水压成平衡状态高临界水饱和度 喉道小，微观非均质性强烈低速菲达西流动 喉道小高速菲达西流动孔喉径比大，毛管弯曲度大。