基于页岩气水相渗透率曲线计算方法与实验测试的对比分析

《Processes》：Comparative Analysis of Methods for Calculating Shale Gas Water-Phase Permeability Curves Based on Mercury Injection Data and Experimental Testing Maolin He, Dehua Liu, Hao Lei, Jiawei Hu and Jiayan Chen

本研究针对致密页岩储层气水两相渗流规律认知不清、测量困难的挑战，提出利用压汞曲线基于实验测定相渗曲线来估算分形维数，从而更精准拟合相渗曲线的方法。实验结果表明，页岩两相共渗区整体较窄，束缚水饱和度超过50%。所测相渗曲线与分形维数法拟合曲线吻合良好，为页岩气藏气水相渗曲线的确定提供了新方向。

　　

中国页岩气资源储量丰富，但在流动开采过程中，我们对气、水流动规律的认识仍存在显著差异，气、水测量也面临着诸多挑战。页岩储层孔隙结构致密、微观特征复杂，如何准确获取其气、水相对渗透率曲线，是精细刻画储层动态、优化开采方案的关键瓶颈。现有实验方法在表征超低渗透率页岩的气水流动行为上存在局限，而理论模型又往往缺乏精准的实验数据验证。为此，研究人员在《Processes》期刊上发表了一项创新研究，旨在通过结合实验测量与分形建模，改进对页岩气水相对渗透率曲线的预测，为页岩气藏的开发提供更可靠的理论依据。

为开展研究，作者主要运用了以下关键技术方法：首先，利用非稳态法（unsteady-state method），基于Buckley–Leverett驱替理论，对四川盆地普光气田大隆组和吴家坪组的页岩岩心进行了气水两相相对渗透率实验，并采用J.B.N.方法进行计算。其次，引入了基于分形几何的数学模型，利用页岩的压汞曲线估算孔隙结构的分形维数（D），进而建立分形维数与相对渗透率之间的关系，用于拟合相渗曲线。此外，研究还结合了岩心孔隙度、渗透率测试以及扫描电镜观察，以表征储层的物性及孔隙喉道结构特征。

1. 引言

研究强调了相对渗透率在油藏工程中的核心作用，指出页岩极低的渗透率和黏土矿物的遇水膨胀特性使得相关实验尤为复杂。文献回顾显示，前人已在可视化流动实验、人工裂缝岩心渗流等方面进行了探索，但将分形理论应用于页岩气水相渗曲线预测仍有待深入。本研究区域聚焦于普光气田，其储层空间具有自生自储、强非均质性的特点。

1.2. 储集空间特征

1.2.1. 储层物性特征

吴家坪组岩心物性整体优于大隆组，孔隙度与渗透率之间无明显线性关系。具体数据通过岩心孔渗散点图展示。

1.2.2. 孔隙喉道结构特征

大隆组页岩储集空间以有机质孔为主，形态不规则，次为粒间孔和微裂缝。扫描电镜照片清晰展示了这些孔隙类型。

2. 气水相对渗透率实验

2.1. 实验方法与原理

研究比较了稳态法与非稳态法，因非稳态法更省时，故采用后者。该方法基于水驱油理论，通过记录出口端各流体产量和岩样两端压差随时间的变化，利用J.B.N.方法计算相对渗透率。

2.2. 实验仪器与流程图

实验设计了模拟原始地层条件下气水相对渗透率的流程图，主要设备包括恒速泵、中间容器、岩心夹持器、气液分离装置等。

2.4. 实验结果

实验获得了含微裂缝岩心和基质岩心的气水两相相对渗透率曲线。结果显示，对于含微裂缝岩心，两相共渗区对应的含水饱和度范围为53%至89%，束缚水饱和度约为53%，残余气饱和度约为11%；对于基质岩心，对应范围分别为60%至86%，束缚水饱和度约60%，残余气饱和度约14%。对比表明，含微裂缝岩心的两相共渗区更宽，且其束缚水饱和度和残余气饱和度均低于基质岩心。页岩两相共渗区整体较窄，束缚水饱和度超过50%。

3. 利用分形维数估算相对渗透率曲线

3.1. 相对渗透率曲线的分形数学模型研究

基于Mandelbrot创立的分形几何，假设岩石孔隙具有分形特征，引入分形维数D。推导了孔隙体积与孔径分布的关系，建立了孔隙半径与累积孔隙体积的数学表达式（公式1-4），为关联孔隙结构与渗流能力奠定了理论基础。

3.3. 相对渗透率曲线的分形拟合与对比

利用上述分形数学模型，结合实验测得的压汞数据估算分形维数D，进而对气、水相对渗透率曲线进行拟合。将拟合结果与非稳态法实验测得的结果进行对比，发现两者吻合良好。研究还发现，渗透率越低，拟合曲线的等渗点越向右下象限偏移。总体而言，拟合效果令人满意。

研究结论与意义

本研究成功地将分形理论应用于页岩气水相对渗透率曲线的预测。通过开展非稳态法气水相渗实验，获得了页岩岩心的基础相渗数据，并揭示了其两相共渗区窄、束缚水饱和度高的流动特征。更重要的是，研究构建了基于压汞曲线的分形数学模型，该模型能够有效地拟合实验测得的相渗曲线。这不仅验证了分形方法用于表征页岩复杂孔隙结构及预测其多相渗流行为的可行性，还为在实验条件苛刻或数据稀缺的情况下，利用常规岩石物理资料（如压汞曲线）估算页岩气水相对渗透率提供了一条新途径。该研究对深化页岩气藏气水渗流机理的认识、优化开发方案具有重要的理论意义和实用价值。