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致密气藏储层干化、提高气体渗流能力的基础研究

项目来源:国家自然科学基金重点项目

主要完成人:张烈辉、熊钰、贾春生、唐洪明、郭晶晶、赵玉龙等


致密气藏具有孔喉半径小、高毛管力、黏土矿物丰富等特征,原生水饱和度高、同时钻完井等过程中各种滤失水也会导致近井地带高含水饱和度,这些水极大地阻碍了致密气的流动。本项目针对降低致密气藏含水的干化剂研制、干化反应相态、微观孔喉表征及储层微观条件下的干化渗流、干化产能及干化下微尺度数值模拟等关键科学问题开展研究。

研究取得了如下创新性成果:

(1)发明了适用于致密储层的干化剂配方以及干化剂与地层水反应的抗盐配方,揭示了干化反应延迟作用机理,形成了干化剂在致密储层微纳米孔隙中注入方法的基础理论,创建了干化剂-致密气-地层水三相反应相态预测理论与技术。

(2)构建了利用核磁共振和激光雕刻孔隙结构模型联合表征干化效果的评价方法,定性定量评价了干化剂对不同产状束缚水的干化效果。

(3)创新了乙醇-水混合流体核磁信号分离技术,形成了致密砂岩干化渗流实验方法,揭示了干化作用对储层物性的影响程度,优选了干化剂注入工艺参数。

(4)建立了致密砂岩气藏耦合干化效应的产能评价及数值模拟模型,评价了干化强度与气井产能关系、干化效应对气井生产动态的影响,揭示了干化效应对微观孔隙尺度致密气流动能力影响机制。

相关成果在国内外期刊发表论文54篇,出版学术专著4部(其中Elsevier出版专著2部),申请国家发明专利18项(授权10项)、软件著作权8件,获全国石油天然气标准化技术委员会突出贡献奖1项,中国石油和化工自动化行业协会科技进步二等奖1项,中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖1项,四川省人民政府自然科学二等奖1项,四川省人民政府科技进步二等奖1项。


科普介绍:

致密气是我国天然气勘探开发的重要领域,但面临着资源品质趋于劣质化、有效开发及提高采收率技术有待提升、开发成本较高等问题。目前致密气藏开发主要采用水平井多段压裂或缝网压裂方式投产,但该技术对滤失水和原生水水锁造成的天然气流动通道阻碍只能通过气井生产过程的气流自身清洁作用来缓解,地层高含水饱和度造成的井筒产水主要靠化学泡沫剂排水,但产水对致密气气藏深井而言往往会导致气井低产、直至无产。

针对致密储层原始含水饱和度高和压裂等井筒作业后侵入地层的滤失水导致的高含水饱和度阻碍天然气流动的问题(行业内常常称为“水锁效应”),亟需开展地层水“干化”降低储层含水饱和度、解放天然气流动能力新方法和新技术的研究。特别是针对孔隙型致密气藏的开发来讲,如何降低致密储层开采下限,较大幅度提高致密气的采收率,是当前较为迫切的任务。

相对于常规中高渗气藏来讲,致密气藏的储层孔喉中胶结物黏土含量较高,且这些黏土矿物以片状、毛发状和丝状切割孔喉空间,使本来就很小的微纳米孔喉的流动孔隙空间进一步减小。在地层水饱和度较高的情况下,地层水在遇到这些片状、毛发状和丝状黏土矿物时,由于润湿和吸附作用的影响,在气体的流动和扰动下,孔喉空间中会形成类似肥皂膜式的薄膜堵塞流动,像小孩吹肥皂沫游戏一样,只有薄膜两边达到一定的压差、薄膜才会破裂,后续的气体才能向前流动。众所周知,生产井的大部分气体压力损耗是在井周围一定距离范围之内,因此如果能够使这个范围内的地层水在一定程度上被“干化”掉,将大幅度提高气井产量。

“干化”面临的主要问题是:①如何使高矿化度地层水既能蒸发“干化”又能产生烃类气体增加返排能力,而且还能够不析出固体盐类、不造成流动通道堵塞;②如何能够让地下致密储层中的天然气快速流动、快速地开采出来;③采用什么方法对这种过程进行模拟分析。

从理论上讲,把致密储层孔喉空间内的地层水蒸发掉一部分是可行的,但是地下致密气藏的高温、高压条件极大地限制了地面实验成果的应用;实验上对致密多孔介质内地层水的赋存状态、运移方面已有相当大的突破,但由于深地高温高压下进行精细处理手段和方法等的限制,仍无法有效改变致密储层因层内可动水和高原生水饱和度导致的低产问题,特别是针对高含水饱和度的孔隙型储集层。我们在研究中发明了高温高压下对该类地层水的“干化处理剂”和防止“干化”过程中析出盐类损伤储层流动能力的抗盐剂等,使部分地层水通过反应转化为烃类气体、部分地层水因化学反应而产生的热量蒸发成气相。大量微观刻蚀模型实验、核磁共振测试和岩心实验显示,所发明的“干化处理剂”可显著提高气孔率和气体流动能力。

由于致密天然气储存在接近纳米级的孔隙、甚至纳米级孔隙中,在解决高温高压下“干化”和抗盐后,如何注入和反应并进行有效返排是另外一个主要问题。因此,项目研究过程中开展了“干化剂”微纳米颗粒悬浮注入和“干化剂”流体形式注入地层的实验和评价,研究了金属离子型碳族化合物在超临界CO2的溶解特性和增溶问题,并在相态实验基础上建立了考虑干化反应的相态预测理论方法,为注入工艺设计和返排等提供了基本理论基础。在施工返排中,主要返排CO2、烃类气体、凝析水和少量乙醇,环保友好无毒。考虑干化反应的相态预测理论中,针对关键组分“水”给出了准确的能量预测方法,该方面在“物理化学”领域中处于国际领先层次。编制的溶解度预测、含干化反应的相态预测基本工具和实验测试对比准确性较好。

“干化”的最终目的是提高产量,干化过程的渗流涉及到高效返排和气井生产能力评价以及合理产量安排等分析工作。研究工作中,以致密储层微纳米孔隙结构测试表征和微观刻蚀模型中“干化”反应流动实验为基础,建立了考虑“干化”效应影响的流动模型和模拟分析方法,对致密储层“干化”及耦合过程进行模拟计算和评价。从实验和理论两个方面对注采参数进行了研究和评价分析。

项目提出的地层水“干化”降低储层含水饱和度、解放天然气流动能力的新方法新技术,为致密气藏单井产量提高、采收率提高提供了新的途径和领域。





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