多孔介質(zhì)內(nèi)流體相態(tài)特征的研究

多孔介質(zhì)內(nèi)流體相態(tài)特征的研究

超聲檢測技術(shù)在氣田開發(fā)過程中，由于儲層內(nèi)的液體流和液體流之間存在相互作用，多孔介質(zhì)對液體流相態(tài)特征的影響不容忽視。為此,近年來,美國、加拿大、俄羅斯等國內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者借助γ射線、CT、核磁共振、微波和超聲波等先進(jìn)的技術(shù)手段,陸續(xù)開展了大量多孔介質(zhì)中相態(tài)特征的研究工作。其中,超聲波檢測技術(shù)由于具有穿透性強(qiáng)、受溫度壓力影響小、檢測成本低、檢測效率高、無放射性輻射等優(yōu)點(diǎn),逐漸在油氣相態(tài)研究領(lǐng)域得到了應(yīng)用。本文從多孔介質(zhì)內(nèi)天然氣水合物、凝析油氣等相態(tài)特征的超聲波探測應(yīng)用情況入手,對國內(nèi)外專家學(xué)者在該領(lǐng)域的最新研究成果和研究動向進(jìn)行了追蹤調(diào)研,同時對該研究目前存在的問題、未來發(fā)展的趨勢等進(jìn)行了分析,以期國內(nèi)同行能從中借鑒。1多孔介質(zhì)內(nèi)流體內(nèi)的波傳播20世紀(jì)50年代開始,Gassman、Domenico等人就先后通過研究發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)內(nèi)流體的存在對其速度有影響。以縱波為例,含水飽和度較低時,縱波速度隨含水飽和度的增加而降低;含水飽和度較高時,隨著飽和度的增加,巖芯彈性模量增加明顯,超過了密度增加對速度的影響,使縱波速度明顯增大。而對于橫波而言,由于剪切模量和飽和度的關(guān)系不大,因此隨飽和度增加,密度增大,橫波速度降低。1956年,Boit建立和發(fā)展了“含飽和流體多孔彈性固體中的波傳播理論”。具體來說,多孔介質(zhì)中的聲學(xué)參數(shù)與介質(zhì)本身的孔隙度、迂曲度、彈性模量和流體密度等參數(shù)有關(guān),是4個彈性參數(shù)、固相和液相密度、孔隙度等的函數(shù)。因此,根據(jù)上述理論,通過對含不同飽和度流體多孔介質(zhì)的聲學(xué)參數(shù)(如聲速、幅度、頻率)進(jìn)行探測,能夠?qū)崿F(xiàn)多孔介質(zhì)相關(guān)物性(如孔隙度、流體飽和度)的反演。此后,在該經(jīng)典理論的指導(dǎo)上,國內(nèi)外學(xué)者對多孔介質(zhì)內(nèi)流體飽和度的超聲波探測原理和應(yīng)用等進(jìn)行了大量的研究工作。楊金海、李士倫、郭平等人通過推導(dǎo)多孔介質(zhì)內(nèi)縱波聲速關(guān)系式以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)的反復(fù)驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)中聲波速度和衰減等聲學(xué)參數(shù)的變化與巖芯中內(nèi)流體相態(tài)特征有著非常好的對應(yīng)關(guān)系?？傊?在超聲探測理論不斷進(jìn)步的推動下,多孔介質(zhì)中流體飽和度探測應(yīng)用技術(shù)也隨之不斷發(fā)展,在天然氣水合物及凝析油氣等領(lǐng)域逐漸得到了應(yīng)用。2天然氣水合物的勘探方向天然氣水合物又稱可燃冰,是在一定的溫度、壓力、氣體飽和度等條件下由水和天然氣組成的類冰的、非化學(xué)計(jì)量的籠形包合物。它既是維系人類生存的一種新型能源,又是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、全球氣候變化等環(huán)境問題的重要因素。因此,在大規(guī)模開發(fā)水合物為人類所用之前,開展相關(guān)研究工作非常必要,也是大勢所趨。從美國、加拿大、日本等國大量相關(guān)研究工作看,由于各地的地質(zhì)條件不同,水合物生成及分解機(jī)制各異,模擬實(shí)驗(yàn)研究依然是世界各國實(shí)施天然氣水合物勘探開發(fā)的首選方案。探測天然氣水合物生成和分解的常用方法有光學(xué)方法、聲學(xué)方法和電學(xué)方法等。各種探測新技術(shù)的相互結(jié)合和應(yīng)用,推動了相關(guān)裝置向可視化、專門化、精確化方向不斷發(fā)展,實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性也隨之不斷提高。針對多孔介質(zhì)本身的不透明性以及高壓低溫等條件的限制,在天然氣水合物研究過程中,超聲檢測技術(shù)逐漸得到了重視和應(yīng)用。2.1水合物飽和度測量方法研究的成果Sothcott等人通過研究發(fā)現(xiàn),盡管隨著多孔介質(zhì)中流體含量的變化,波速及衰減等聲學(xué)參數(shù)的變化幅度不盡相同,但總的變化趨勢和關(guān)系是相似的。因此,理論上講,超聲探測技術(shù)能夠?yàn)樗衔锵鄳B(tài)研究提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。然而,實(shí)際模擬實(shí)驗(yàn)中遇到的困難比預(yù)想的更復(fù)雜,更難以克服。美、加、俄等國開展天然氣水合物研究較早,相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究成果較多。但由于早期的低溫高壓實(shí)驗(yàn)室比較簡陋,測試水平及可視化程度低,實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性并不高。1993年,日本地質(zhì)調(diào)查所建成了日本第一臺天然氣水合物低溫高壓實(shí)驗(yàn)室,并于1995年對其進(jìn)行了改進(jìn)。1998年,為模擬地層實(shí)驗(yàn),又新建了一個實(shí)驗(yàn)室,然而,實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒有取得預(yù)想的進(jìn)展。盡管如此,對于水合物超聲檢測技術(shù)本身來說,上述研究工作仍是一次有益的探索。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在實(shí)驗(yàn)室時間及空間尺度和條件下,由于受系統(tǒng)溫度的影響較大,僅依靠聲速的變化作為水合物生成和分解的依據(jù),靈敏度較差。1999年,美國地質(zhì)調(diào)查局Winters等人建成了一套水合物沉積物物性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置,并對5種樣品的聲學(xué)參數(shù),以及影響沉積物聲速的因素等進(jìn)行了研究,提供了很好的聲學(xué)數(shù)據(jù)。然而,實(shí)驗(yàn)中只測試了水合物合成后樣品的聲學(xué)特性,忽視了水合物形成過程中聲學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律,未能建立水合物飽和度與聲速之間的關(guān)系。2005年,Priest等人測試了含水合物松散沉積物的聲波速度和聲波衰減變化情況,并采用消耗的甲烷氣的量來確定水合物飽和度,實(shí)現(xiàn)了水合物飽和度的實(shí)時探測。總體而言,隨著近年來美、日、加等國在各自海域發(fā)現(xiàn)并開采天然氣水合物,有關(guān)水合物超聲探測的研究工作也逐漸向深海水合物方向發(fā)展,對壓力溫度等的要求更加苛刻,模擬實(shí)驗(yàn)的困難更多、難度更大。2.2不同水合物的表征1990年開始,中國科學(xué)院蘭州冰川凍土所、中國石油大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院、大慶油田建設(shè)設(shè)計(jì)研究院等單位也對天然氣水合物的超聲探測做了大量的研究工作,取得了一定的研究成果。2001年,青島海洋地質(zhì)研究所自行設(shè)計(jì)并建立了中國第一個海洋天然氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)室。經(jīng)過專家鑒定,實(shí)驗(yàn)室整體達(dá)到國際先進(jìn)水平,局部達(dá)到國際領(lǐng)先水平。此后,實(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究人員結(jié)合同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所自行研制的聲學(xué)檢測系統(tǒng),開展了純水、松散沉積物和巖芯中天然氣水合物的生成和分解、相平衡條件等實(shí)驗(yàn)的研究工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:純水–甲烷體系中,溫度是影響聲速變化的主要因素,聲波速度對絮狀水合物生成的敏感性較弱。加入松散沉積物后,對于體系內(nèi)水合物的生成和分解,聲波速度和系統(tǒng)主頻隨之變化的靈敏度提高。巖芯條件下,縱波和橫波速度隨孔隙度的減小而增大;縱波幅度的衰減隨孔隙度的減小而減小。2005年,顧軼東等人在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)天然氣水合物相變過程中,聲速的變化比較靈敏,而幅度的變化不明顯,系統(tǒng)主頻有所漂移,但有一定的滯后性,對應(yīng)水合物的特征頻率為107kHz。研究證實(shí)了聲學(xué)參數(shù)的變化基本上可以用來預(yù)測沉積物中水合物的生成和分解過程。但如何將其推廣拓展到天然巖芯領(lǐng)域仍需要進(jìn)一步研究。2008年,業(yè)渝光等人首次利用超聲和時域反射聯(lián)合探測技術(shù),研究了沉積物中水合物飽和度與聲學(xué)參數(shù)的關(guān)系,并對時間平均方程、伍德及其修正方程、李權(quán)重方程和BGTL(Biot–GassmannTheorybyLee)理論等常用的水合物飽和度估算模型進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,超聲和時域反射聯(lián)合探測技術(shù)能有效地實(shí)時獲得水合物飽和度和縱、橫波速的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),李權(quán)重方程和BGTL理論的速度預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值比較吻合,有廣泛的實(shí)用性。在此基礎(chǔ)上,胡高偉等人對松散沉積物中天然氣水合物的生成和分解規(guī)律進(jìn)行了研究。通過實(shí)驗(yàn)與等效介質(zhì)理論計(jì)算證實(shí),水合物生成初始階段,由于膠結(jié)了骨架顆粒,使縱波速度急劇增加;飽和度在1%～90%時,由于水合物的快速生成,在沉積物孔隙中形成了懸浮粒子,導(dǎo)致超聲波散射衰減嚴(yán)重,出現(xiàn)信號淬熄現(xiàn)象。研究結(jié)果揭示了松散沉積物中水合物生成時與顆粒間接觸機(jī)制,也為海上地球物理勘探中地震信號的解釋提供了新的思路,對水合物的探測和資源評價具有重要意義。此外,張衛(wèi)東等人在考慮水合物的膠結(jié)作用對聲速的影響的基礎(chǔ)上,對不同水合物飽和度下的填砂模型進(jìn)行了聲速測量。研究中引入了表觀巖石骨架速度的概念,建立了威利時均方程在水合物層的修正模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,水合物在形成過程中填充了地層沉積顆粒之間的孔隙,增強(qiáng)了地層的膠結(jié)質(zhì)量,導(dǎo)致水合物地層中聲速提高,實(shí)驗(yàn)與理論模型吻合較好,為水合物沉積層的聲波測井解釋提供了依據(jù)。3多孔介質(zhì)表面質(zhì)量的相態(tài)特性多孔介質(zhì)中流體相態(tài)特征的研究是油氣田開發(fā)工程的重要基礎(chǔ)。對于特定多孔介質(zhì)而言,當(dāng)孔隙內(nèi)部流體的相態(tài)參數(shù)改變時,多孔介質(zhì)的聲學(xué)性質(zhì),如聲速和衰減等也將隨之改變。20世紀(jì)80年代以來,在巖石聲學(xué)特征研究的基礎(chǔ)上,超聲波檢測技術(shù)在多孔介質(zhì)流體相態(tài)特征領(lǐng)域逐漸開展。目前多集中在聲時研究和衰減理論研究兩個方面。然而,由于衰減理論研究的不足,目前對多孔介質(zhì)中超聲波衰減的研究遠(yuǎn)落后于聲時的研究。3.1超聲檢測技術(shù)凝析油臨界流動飽和度是表征凝析油流動能力的重要參數(shù),也是確定凝析氣藏合理開發(fā)方式的重要依據(jù),因此,一直以來,有關(guān)凝析油臨界流動飽和度的研究從未間斷。然而,現(xiàn)有研究成果顯示,對凝析油臨界流動飽和度的認(rèn)識目前仍存在較大差異。有人認(rèn)為其值較高,可達(dá)30%以上,也有人認(rèn)為它小于甚至遠(yuǎn)小于10%。此外,關(guān)于束縛水飽和度以及油氣界面張力對其的影響也存在諸多爭議。為此,凝析氣藏開發(fā)工作者對儲層多孔介質(zhì)中凝析油氣相態(tài)特征,及其與PVT筒中凝析油氣相態(tài)特征的差異進(jìn)行了大量的研究工作。然而,相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置的缺乏極大地影響了研究工作的開展。為此,1999年,楊金海等人將常規(guī)油氣藏PVT實(shí)驗(yàn)測試方法與超聲波測試技術(shù)相結(jié)合,建立了用于多孔介質(zhì)中凝析油氣相態(tài)測試的超聲波測試裝置。由于未能解決超聲波探頭的耐溫問題,只能將探頭置于巖芯夾持器外部,造成了聲波透射界面增多、特征波檢測難度加大,誤差較高。2002年,蘇暢等人初步建立了基于傳播速度的地層條件下多孔介質(zhì)飽和度測試裝置,但在分辨率、精確性、減少界面干擾和耦合影響等方面仍存在諸多問題。2006年,孫風(fēng)景等人在現(xiàn)有裝置基礎(chǔ)上通過換能器頻率優(yōu)選,超聲探頭重新設(shè)計(jì)等研究改進(jìn)了超聲波飽和度測試裝置,使其進(jìn)一步適合于推廣應(yīng)用;同時探索了利用超聲波測定巖芯徑向的流體飽和度,為巖芯中凝析油飽和度分布的測試提供方法基礎(chǔ)。但由于該研究是在常溫常壓下進(jìn)行的,因此應(yīng)用于地層條件下的測試還需要解決探頭安裝位置的密封問題、多點(diǎn)超聲波信號接收裝置的設(shè)計(jì)問題等。在不斷改進(jìn)超聲探測實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上,2001年,郭平等人建立了超聲波測試高溫高壓條件下巖芯內(nèi)凝析油臨界飽和度的直接測試方法,并對人造巖芯中真實(shí)多組分凝析氣定容衰竭臨界飽和度進(jìn)行了探測。研究結(jié)果表明:多孔介質(zhì)中聲波時差和流體飽和度呈線性關(guān)系變化;有介質(zhì)存在時的凝析油飽和度較高。同時,實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),低于露點(diǎn)壓力情況下,巖芯中凝析油飽和度迅速上升并很快達(dá)到臨界流動飽和度。因此對于高含凝析油的凝析氣藏來說,早期注氣開發(fā)非常重要。2006年,姜貽偉等人采用超聲波測試技術(shù),選取中原橋口氣藏真實(shí)巖芯和流體,對低滲凝析氣藏凝析油臨界流動飽和度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并將測試結(jié)果和中國其他中高滲凝析氣藏的凝析油臨界流動飽和度進(jìn)行了對比。研究表明超聲波測試技術(shù)對研究深層高溫高壓條件下低滲凝析氣藏的凝析油臨界流動飽和度具有較好的適應(yīng)性。2007年,李明秋等人建立了超聲波測試高溫高壓巖芯中凝析油飽和度的直接測試方法和模擬軟件,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)束縛水對凝析氣藏開發(fā)的影響不可忽視。3.2超聲探測結(jié)果對比分析1989年,Soucemarianadln等人利用超聲波探測方法和γ射線方法對有/無多孔介質(zhì)條件下混相/非混相驅(qū)替進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明:隨著驅(qū)替流體飽和度的增加,聲速呈線性增加。超聲波探測結(jié)果優(yōu)于γ射線方法,能夠?qū)Χ嗫捉橘|(zhì)中的流體飽和度的二維分布進(jìn)行量化。1990年,M.Aas等人在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了多孔介質(zhì)內(nèi)流體三維飽和度掃描裝置。該裝置具有精度高(1%),穿透性強(qiáng),成本低,無需其他輔助材料,易對大型樣品進(jìn)行掃描等優(yōu)點(diǎn),尤其適用于高溫高壓條件下的檢測。3.3超聲檢測研究1998年,Sivaraman等人利用聲波共振技術(shù),借助超聲波波形與氣體露點(diǎn)壓力的對應(yīng)關(guān)系,對地層條件下多孔介質(zhì)中純乙烷的相變特征進(jìn)行了探測,取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1999年,楊金海等人利用超聲波探測方法,對多孔介質(zhì)內(nèi)CO2氣體相態(tài)變化特征進(jìn)行了研究,并分析了多孔介質(zhì)存在對CO2相態(tài)特征的影響。研究發(fā)現(xiàn)CO2相態(tài)改變時,超聲波聲速和衰減變化明顯;多孔介質(zhì)的存在對CO2的相態(tài)特征有影響,能夠改變飽和蒸汽壓,減緩相變的突變程度。2004年,譚茂森基于超聲波測試技術(shù),建立了一套可用于多孔介質(zhì)中相態(tài)研究的測試裝置,對多孔介質(zhì)條件下CO2的露點(diǎn)壓力進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)中選用石英砂作為多孔介質(zhì),結(jié)果表明多孔介質(zhì)的存在對露點(diǎn)壓力有影響,離臨界點(diǎn)越遠(yuǎn),這種影響越大。此外,基于流體中聲波傳播速度與流體性質(zhì)的關(guān)系理論,閻向宏提出了用超聲波聲速法測量油品含水率的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:油品內(nèi)聲速與油品的溫度及含水率成線性關(guān)系,通過測量油品的溫度及聲速,結(jié)合聲速溫度系數(shù)能夠確定油品的含水率。2004年,胡學(xué)紅等人借助聲波技術(shù)研究了氣驅(qū)水過程中低孔隙度低滲透率砂巖的縱橫波速度、縱橫波速比、彈性模量等參數(shù)與含氣飽和度的變化關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn):縱波主頻、帶寬、品質(zhì)因子在判斷巖芯是否含氣體方面比借助縱波速度和縱橫波速比效果更好。2011年,Goncalves等人對PVT筒中的純油、油氣砂和油氣水混合物的相態(tài)特征進(jìn)行了超聲波檢測。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在油氣混合情況下,聲波衰減隨孔隙度變化而變化。隨著孔隙度的增加,信號衰減明顯,主頻對應(yīng)的能量衰減最大。在油砂混合情況下,盡管規(guī)律性較差,但聲波衰減對于砂濃度變化仍具有很強(qiáng)的敏感性。油水混合時,聲波衰減對于含水率的增加并不敏感。但利用聲時方法可以測得含水率的變化。4技術(shù)可靠性驗(yàn)證對于水合物超聲檢測來說,在純水–甲烷體系實(shí)驗(yàn)中,可通過攝像和測量光通過率等對水合物的生成與分解進(jìn)行準(zhǔn)確地判斷。同時,將超聲波探測得到的聲波速度的變化規(guī)律與之對比,既能分析水合物的生成與分解對聲波速度的影響,又能實(shí)現(xiàn)對超聲探測技術(shù)可靠性的驗(yàn)證。在純水–松散沉積物(或巖芯)–甲烷體系實(shí)驗(yàn)中,利用天然氣水合物相平衡研究常用的“溫壓法”確定水合物的生成和分解,并與超聲參數(shù)的變化進(jìn)行對比,取得了很好的對應(yīng)關(guān)系。此外,將超聲探測技術(shù)和TDR技術(shù)結(jié)合,能夠準(zhǔn)確地測定沉積物孔隙中不同水合物飽和度下的聲學(xué)特征。對于凝析油氣超聲探測而言,要用超聲波聲時確定巖芯中的凝析油飽和度,首先必須通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn),得到束縛水下的超聲波時差及束縛水下完成飽和油時的時差。而凝析油飽和度達(dá)到臨界飽和度的時間可由巖芯出口端觀察窗見到第一滴油來確定,其數(shù)值可根據(jù)此時的超聲波時差結(jié)合預(yù)先測定的聲波時差–凝析油飽和度標(biāo)定曲線來確定。此外,可通過向裝在夾持器中的巖芯逐步注入定量的油來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)