中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.42 No.9September，2016第 42 卷第 9 期2016 年 9 月

多层砂岩气藏隔层水窜突破压力试验研究

李俊南 1袁 刘 洪 1袁 庞 进 1袁 奎明清 2袁 温中林 2袁 李 倩 3（1援 重庆科技学院石油工程学院，重庆 401331；2. 中国石油青海油田分公司，青海 格尔木 736202；

3. 中国石油西南油气田安全环保与技术监督研究院，四川 成都 610041）

摘 要院多层砂岩气藏隔层突破压力存在差异，导致水窜现象的规律研究更加复杂。通过物理试验，可以深入认识其

对水窜规律的影响。该文在充分调研隔层水窜试验的基础上，提出一种新的隔层突破压力测试方法，在模拟气体流动

状态条件中，建立三维岩心充填模型进行模拟试验。该方法考虑因素全面，突破压力测试准确，根据试验结果分析泥

质含量与突破压力之间的关系，结果表明：隔层泥质含量与突破压力之间呈二项式关系，泥质含量越低突破压力越

小，且泥质含量在 40%~50%范围内，突破压力相差较小，当泥质含量高于 55%以后，突破压力递增几乎呈线性关系。

关键词院多层砂岩气藏隔层曰压力突破测试曰气体流动状态曰充填模型

文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2016冤09-0134-05

Research on interlayer breakthrough pressure test of multi-layer sandstone gas reservoir

LI Junnan1，LIU Hong1，PANG Jin1，KUI Mingqing2，WEN Zhonglin2，LI Qian3

（1.Petroleum Engineering College，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China；2. China Petroleum Natural gas Development in Qinghai Oilfield Company，Golmud 736202，China；

3. Petro China Southwest Oil Gasfield Company Safety Environment Technology SupervisionResearch Institute，Chengdu 610041，China）

Abstract: Difference in interlayer breakthrough pressure of multi -layer sandstone gas reservoirmakes understanding of rules of water channeling phenomenon more complex. Through physicalexperiment，can well understand its impact on water channeling regularity. Based on the researchof the interlayer water channeling test， this paper proposes a new method of interlayerbreakthrough pressure test， and establishes the three -dimensional core filling model in thesimulation of gas flow state conditions for simulation test. This method not only takes more factorsinto consideration， but also makes the test result more accurately. Correlation between shalecontent and breakthrough pressure is analyzed based on the test results， and the resultsdemonstrate the binomial relationship between shale content and breakthrough pressure，whereinthe lower the shale content is，the smaller the breakthrough pressure is. When the shale contentis within 40%-50%，and the breakthrough pressure difference is small. When shale content ishigher than 55%，increasing breakthrough pressure takes on almost linear relationship.Keywords: interlayer of multi-layer sandstone；breakthrough pressure test；gas flowing condition；core filling model

收稿日期院2016-03-29曰收到修改稿日期院2016-05-04基金项目院国家自然科学基金项目渊51374265冤作者简介：李俊南渊1990-冤袁男袁重庆市人袁硕士研究生袁专业

方向为石油工程油气田开发遥

0 引 言隔层是指开发过程中袁对油气流动在纵向上具有

阻止或封隔作用的非渗透性或渗透性极差的岩层[1]遥隔层的存在使得储层被分割为多个区域袁各个区域

doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2016.09.028

第 42 卷第 9 期

存在流通及半流通性特征[2]袁在砂岩气藏开发过程中袁往往根据野气-水冶间隔层划分作为开发的依据袁水层

水一旦突破袁将会发生层间水窜的现象袁造成储层的

水淹袁导致气井大量出水袁产量急剧降低[3-4]遥 根据调

研显示川中地区须家河组尧柴达木盆地涩北气藏尧台南气田藏等多层砂岩气藏均发生了不同程度的层

间水窜现象[5-7]遥 国内外学者对该现象进行过大量的

试验研究袁杜志敏等[8]针对层间水窜现象进行了出水

分析袁并提出隔层封隔能力的不确定性将造成层间

水窜分析和预测的失误遥 常规泥岩突破压力测试试

验并未考虑气体流动状态[9]袁奎明清等对隔层特征及

出水现象做过相关试验研究袁并讨论过隔层厚度及

渗透率对窜水现象的影响袁但并未考虑气体流动对

测试的影响袁导致测试值与在实际生产过程中气体

流动状态下的突破压力大小存在差异[10-12]遥本文运用一种新的试验方法袁考虑在动态气体

流动过程条件下袁模拟层间水窜的规律袁测试泥岩隔

层的突破压力袁并对突破压力进行预测遥1 试验原理及装置1.1 试验原理

当气井开采一段时间后袁储层和隔层间会由于

地层亏空程度的差异导致层间压差[11]遥 在生产过程

中袁由于水层压力不变袁生产层压力降低袁导致层间

压差逐渐增大袁随着持续生产袁压差逐渐增大高于泥

岩抗压强度的最大压力袁此时袁水层将突破泥岩隔层

进入生产层袁导致水层进入产气层严重影响生产[10-12]袁试验原理如图 1 所示遥

本次试验通过模拟图 1 中的流动状态袁建立了

一个带有水层尧隔层尧生产层的三维填砂物理模型袁并在生产层中放置 4 根探针袁测试在气体流动过程

中袁探针对应电阻及压力的变化遥当电阻突然开始降

低时袁测试的压力即为泥岩突破压力袁对应的生产层

与隔层之间的压差为突破压差遥1.2 试验装置

层间水窜的模拟试验装置结构如图 2 所示袁该装置的主体是混合式岩心室袁该岩心室共设计如图 3所示的泥岩层尧砂岩层尧及水层 5 层有效空间袁探针

实物如图 4 所示遥图 3渊b冤中砂岩层内部 4 个小黑点为探针让位

孔袁其目的在于保留空间袁让测试探针组能稳固地嵌

入砂岩层中遥图 4 中的探针是采用将电阻探针和压力测试探

针绑定在同一套管中的方式袁同时测定在固定让位

孔中的电阻和压力遥2 试验步骤2.1 模型初始化

2.1.1 充填模型建立

根据实际砂岩粒度组成袁选用细砂对试验岩样

进行复配袁将配制好的细砂进行充填袁为了提高试验

准确性选用的砂体和泥岩均取自于涩北一号气田涩

4耀5 井遥 首先将取心得到的砂体及泥岩打碎碾磨袁并将碾磨后的细砂填充至砂岩层空间内袁碎泥岩充填至

图 1 气体流动原理

生产井

水层泥岩隔层

泥岩隔层水层

生产层

图 2 试验装置

出气/水口

压力表 5

开关 5进气/水口

压力表 1干燥器

压力表 3

压力表 2

水位计

水槽增压泵

注水开关 4

开关 2开关 3

注水

恒温水浴

压力表 4

开关 1氮气

PC

李俊南等：多层砂岩气藏隔层水窜突破压力试验研究 135

中国测试 2016 年 9 月

泥岩层空间内袁在砂岩空间内插入 4 根探针后将填

充模型夯实袁最后对充填模型基本物性参数进行测

试袁通过对比实际地质资料进行筛选袁利用达西定律

及选出与实际岩心物性渊孔隙度尧渗透率冤相差 5%以

内的 31尧32 和 15 是充填模型开展试验研究遥测试结

果显示袁充填模型均为中渗透尧中高渗透岩心遥 充填

模型的实测渗透率尧孔隙度尧岩心长度和直径的基本

参数见表 1遥

充填模型 K/mD 准/% L/cm d/cm 隔层泥质含量/% 隔层厚度/cm 泥岩隔层

平均密度/渊g窑cm-3冤砂岩层

平均密度/渊g窑cm-3冤32 14.739 20.63 10.00 3.36 43.1 25 2.4 2.331 13.327 17.56 10.00 3.36 62.3 25 2.4 2.315 14.229 18.00 10.00 3.36 54 25 2.4 2.3

表 1 充填模型参数

注院K 为渗透率曰准 为孔隙度曰L 为长度曰d 为厚度遥

2.1.2 建立初始气藏条件

为了模拟储层成形环境袁进行气驱水试验形成

束缚水遥 首先袁通过加压泵袁向泥岩层上部空间进行

注水袁当压力表达到 18MPa 时袁停止注水袁即代表岩

心初始围压达到 18MPa袁地质环境模拟完成遥 然后

从岩心右端部向砂岩层注水袁30 min 后岩心左端部

有水渗出袁代表岩心达到饱和水状态袁接着用气源向

砂岩层进行注气袁40 min 后砂岩层不再有水渗透出

来袁代表束缚水形成袁利用岩心室 4 个探针所记录的

平均电阻值采用阿尔奇公式[13]反演含水饱和度变化袁由于岩心模型中流体只存在气水两相袁因此渊含气饱

和度冤Sg=1-含水饱和度袁结果如图 5 所示遥从含水饱和度变化曲线可以看出袁3 种充填模

型之间的含水饱和度变化趋势相近袁但最终束缚水

饱和度变化范围在 47.1%~51.1%差别不大袁表明充

填模型组成相近袁制作良好遥 2.2 突破压力测试

实际气藏在开发过程中属于气压降低袁水压不变袁

图 4 探针实物

图 5 含水饱和度变化情况

0 500 1000 1 500 2 000 2 500气体驱动时间/s

020406080

100 32 号模型含气饱和度32 号模型含水饱和度15 号模型含气饱和度15 号模型含水饱和度31 号模型含气饱和度31 号模型含水饱和度

图 3 混合式岩心测试室

渊a冤混合岩心室俯视图

渊b冤混合岩心室侧视图

34砂岩层

泥岩层

水层

2 1

泥岩层

水层

136

第 42 卷第 9 期

压差增大的过程袁因此突破压力测试的核心是对水

穿透泥岩压差的测试袁通过突破压力=突破前压力+压差的原则得到测试突破压力的目的遥 考虑到在保

证水压不变的情况下袁降低岩心内部压力开展难度

较大袁为了便于操作及控制袁本次试验选用气层压力

不变袁水层压力增大的方法袁模拟压差的变化过程袁达到测试泥岩突破压差的目的遥

在初始条件建立以后袁进行突破压差测试袁根据

探针的电阻数据测试突破压力值袁最后分析层间突

破压力与岩心泥质含量之间的关系遥 首先在模型初

始化完成以后袁开始计时并持续向砂岩层注气袁记录

进出口两端的压力袁当岩心两端压力保持稳定后袁缓慢向水层注水逐渐提高围压大小袁前期每间隔 2 min记录电阻变化大小袁当试验超过 2 h 以后袁砂岩层电

阻率开始发生改变袁从此时开始每隔 12 min 记录一

次电阻率的大小及其所对应的压力值袁 根据注水压

力值计算层间压差值遥3 试验分析

为了保证试验结果可靠袁本套试验方案需要在气

藏初始条件成形后立即进行突破压力测试遥 根据不

同的填充模型一共测试了 3 组电阻率袁电阻率的变

化如图 6 所示遥通过电阻变化图 6渊a冤~图 6渊c冤可以发现院电阻

值整体呈先增大后降低的趋势袁但上升速率及下降速

率均有不同袁1 号探针的电阻普遍高于 2~4 号电阻袁并且 1 号探针电阻平均上升 24%明显高于其他探

针袁该现象的原因可能是 1 号探针插放位置相对靠近

充气端口袁通入的气体不断注入砂岩层袁导致 1 号探

针周边砂体更加疏松袁从电阻值的大小来看袁31 号模

型电阻最高袁15 号模型电阻平均高于 32 号电阻袁可能由于 K31跃K15跃K32袁导致气体穿过速度更快袁电阻相

对更高遥 31 号模型达到电阻最高值的时间要比 15 号

及 32 号更晚袁说明 31 号模型被水侵的时间相对延

后遥 4耀10 h 后电阻下降速率较快袁平均下降速率为

40.6%袁表明在该段时间内袁水已经突破泥岩层并渗

透到探针位置袁导致电阻的下降袁8 h 以后电阻均进

入稳定期袁不再发生明显的增大或减小袁表明水层已

完全突破泥岩隔层袁试验过程中对应的压差变化如

图 7渊a冤~图 7渊c冤所示遥通过试验表明该试验可以模拟出压差条件下的

水层突破现象袁分析泥质含量与隔层突破压力之间

的关系院泥质含量最低渊43.1%冤的 32 号充填模型在

图 6 电阻测试结果

渊a冤15 号模型

0 2 4 6 8 10 12时间/h

200400600800

1 0001 2001 4001 6001 800 1 号探针2 号探针3 号探针4 号探针

渊b冤31 号模型

0 2 4 6 8 10 12时间/h

200400600800

1 0001 2001 4001 6002 000 1 号探针2 号探针3 号探针4 号探针

1 800

渊c冤32 号模型

0 2 4 6 8 10 12时间/h

200400600800

1000120014001600 1 号探针2 号探针3 号探针4 号探针

0

图 7 压差测试结果

渊a冤32 号模型

0 2 4 6 8 10 12 14 16时间/h

0.00.10.20.30.40.50.60.7

1 号探针2 号探针3 号探针4 号探针

渊b冤15 号模型

0 2 4 6 8 10 12 14 20时间/h

0.00.10.20.30.40.50.60.8

1 号探针2 号探针3 号探针4 号探针

0.7

16 18

渊c冤31 号模型

0 2 4 6 8 10 12 14 20时间/h

0.00.20.40.60.81.01.21.6

1 号探针2 号探针3 号探针4 号探针

1.4

16 18

1.8

李俊南等：多层砂岩气藏隔层水窜突破压力试验研究 137

中国测试 2016 年 9 月

试验前两个小时内袁砂岩层压差平均为 0.05 MPa袁当试验进行 2 h 以后袁泥岩层被突破袁其压差达到峰值

0.7 MPa 此时即为泥岩突破压差袁当泥岩层被水突破

后压差将迅速降低到 0.45MPa袁此时砂岩层内含气尧液两种流体袁砂岩层内部流动相对稳定袁压差平均降低

0.35MPa袁相比于 32 号填充模型袁15 号模型泥质含量

较高渊54%冤袁隔层突破时间稍微延后 0.5 h袁其对应的

突破压差更高为 0.8MPa袁当泥岩被水层突破后袁压差

迅速降低至 0.5 MPa袁泥质含量最高的渊62.3%冤31 号

充填模型隔层突破时间最长袁达到 3 h袁其突破压差

最大为 1.6MPa遥泥质含量的不同导致测试出的突破压差大小也

不同袁在此根据多项式进行回归分析泥质含量与突

破压力之间的关系袁回归结果如图 8 所示遥

从回归结果可以看出袁隔层泥质含量与突破压

力之间呈二项式关系袁泥质含量越低突破压力越小袁且泥质含量在 40%~50%范围内袁突破压力相差较小袁当泥质含量高于 55%以后袁突破压力递增几乎呈线

性关系遥4 结束语

1冤试验相比常规泥岩突破压力测试时的泥岩充

填模型袁在纵向空间上通过混合充填不同岩性袁制作

了混合式充填模型遥2冤本文提出了一种新的测试方法袁与常规压力

突破试验测试相比袁具有模拟实际气体流动状态的功

能袁并且在该状态下测试出了泥岩隔层的突破压力遥

3冤通过对隔层泥质含量对应突破压力的分析结

果表明袁当隔层泥质含量越高袁临界突破压力越高袁从而为后期开发方案中堵水措施及多层合采技术提

供参考依据袁同时袁该技术手段可以拓展到含底水气

藏的隔层突破压力测试过程中遥参考文献

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图 8 线性回归结果

40 45 50 55 60 65泥质含量/%

18.418.618.819.019.219.419.619.8

y=0.004 2x2-0.398x+27.926实验分析曲线

二项式拟合曲线

138