近年来，我国天然气表观消费量非常高，2020年达3 290.1×10⁸ m³，同比增长7.3%^［1］，我国对天然气的需求日渐增大，天然气是能源革命中的重要角色。贾爱林等^［2］预计2035年非常规气产量占天然气总产量的44%以上，非常规天然气的开发潜力与常规天然气大致相当。其中，致密气占非常规天然气的比例较大，也是目前开发规模较大的非常规天然气，具有良好的发展趋势^［3-4］。

储层致密、产水是制约致密气井产能和气田采出程度的关键，气井产水的主要来源为气藏中的原生孔隙水和来自压裂等活动的外来工作液。气井见水会增大气体渗流阻力，阻碍气体产出，使得气井压力和产量迅速下降，缩短气井生产生命周期。因此，正确认识储层流体赋存与气水共渗规律，对于制定气藏合理有效开发方案，规避气井产水风险，管控气井产水速率，提高气藏开发效果有重要意义^［5-6］。

诸多学者已对储层流体的赋存和分布进行了研究^［7-11］。朱华银等^［12］将岩样饱和水后进行气驱水和核磁共振实验，分析了岩石中水的赋存特征，得出气体在高于启动压力梯度的外界压差下才能流动，且岩石孔隙含水饱和度的变化由2部分组成，分别是大孔隙中的可动水和小孔隙中的残余水。叶礼友等^［13］利用核磁共振方法，测定储层开发过程中可动水主要来源于哪些孔隙，储层微观孔隙结构上的差异导致储层原始含水饱和度差别很大，储层原始含水饱和度受控于储层微观结构特征。LIU等^［14］通过核磁共振实验，利用双重T₂谱截止法，将页岩的孔径分布划分为不可动用的流体孔，毛细管束缚的流体孔和可动用的流体孔，从而更好地判定流体在页岩孔隙中的分布情况。

致密砂岩中气水两相的共流规律比较复杂，诸多学者对其进行了研究和探讨^［15-18］。SHANLEY等^［19］提出了气水两相渗流的“渗透率屏障”理论，致密气藏储层物性比较差，与常规储层相比，气水两相共渗区间非常小，在较大的含水饱和度范围内，气水两相都不会共同流动。张杰等^［20］对致密砂岩气藏气水两相渗流特征进行归纳，气水相渗曲线束缚水饱和度较高，气水共渗区窄，气相相对渗透率在共渗区范围内较低，随含水饱和度的增大，气相逐渐停止流动。

本文采用渗吸—核磁实验，研究目标区块储层岩石对外来流体的渗吸规律和赋存特征；通过离心—核磁实验，研究在不同返排压力下，储层孔隙中流体的动态分布和返排动态规律；通过气水相对渗透率实验，根据实验数据绘制目标区块样品的气水相渗曲线，研究致密气储层气水两相共流规律。

实验样品选自定北区块和大牛地区块致密气储层，共19块，其中定北区块12块，大牛地区块7块，岩心分别来自石盒子组、山西组和太原组。实验前测定岩心孔渗等物性信息如表1所示。

本文渗吸实验采取以下方法：将干燥岩心放置于装满模拟工作液的密闭塑料瓶中，在常温常压下浸泡岩心，使岩心自发渗吸模拟工作液，渗吸过程是模拟工作液替代孔隙内空气的过程，其属于静态渗吸和逆向渗吸。

离心实验使用卢湘仪公司型号为CSC-12的离心机，转速最高为12 000 r/min，转速精度为 ±50 r/min。核磁共振采用北京斯派克公司型号为SPEC-RC1多孔介质渗流实验分析仪，磁场强度为0.28 T，氢质子共振频率为12 MHz，核磁共振实验主要参数如下：脉冲间隔200 μs，采样间隔2 μs，采集回波个数1 024个，扫描次数64次，信号增益10 db，等待时间1 000 ms。

实验流程如图1所示，具体操作流程如下：

（1）将岩心放入干燥箱内烘干（105 ℃/24 h），烘干后分别称量岩心干重和测量岩心长度、岩心截面直径，并计算岩心体积。

（2）实验岩心多取自盒1层位和太2层位，根据盒1层位和太2层位的地层水矿化度分别配置模拟工作液1和模拟工作液2，矿化度及溶质含量见表2。

（3）使用配置好的模拟工作液对岩心进行渗吸实验，根据岩心所属层位，1~11号岩心使用工作液1（10号和11号岩心属山西组，地层水矿化度与工作液1更加接近），12~19号岩心使用工作液2。在渗吸过程中对岩心进行质量称量和核磁共振测试，本文实验选取时间节点为5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、60 min、120 min、180 min、300 min……，渗吸时间达12 h后，每隔24 h测试一次。

（4）当岩心重量或核磁T₂谱曲线基本不变时，认为渗吸过程停止。

（5）对渗吸完成的岩心进行不同转速的离心。转速设置为2 000 r/min、3 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min、8 000 r/min、10 000 r/min，离心时间设置为20 min，离心温度设置为20 ℃，每一次离心后进行核磁共振测试。

实验操作参考国家标准GB/T28912—2012《岩石中两相流体相对渗透率测定方法》中的非稳态气水相渗测量方法。实验时将岩心用配置好的模拟工作液进行饱和，再采用固定的压差或流量用气体进行驱替。实验记录驱替过程中出口端2种流体的产量和各时间点的驱替压差或驱替流量，最后根据“J.B.N”方法进行计算，得到不同岩心含水饱和度下气水两相的相对渗透率，从而绘制非稳态法气水相渗曲线。

将不同渗吸时间的岩心重量与岩心干重相减，得到岩心渗吸量，选取4块岩心的渗吸量随时间的变化曲线进行举例（图2）。

实验结果显示了渗吸量随时间的变化关系。依据图像将渗吸过程分为3个阶段：上升段、过渡段、平稳段。以6号岩心为例，上升段在渗吸时间20 min前，岩心渗吸量从0 g迅速上升至2.6 g左右；过渡段为渗吸时间20~80 min，渗吸量上升趋近平稳；平稳段为渗吸时间达到80 min后，曲线趋于水平，岩心渗吸量维持在2.9 g左右，岩心自发渗吸基本停止。不同岩心3个阶段所处的渗吸时间存在差异，但渗吸活动总体上都呈先快后慢的现象^［10］。

通过核磁共振实验可以得到各渗吸时刻岩心的核磁共振T₂谱曲线，根据曲线形态，将其分为单峰型和双峰型。选取具有代表性的单峰和双峰岩心进行描述（图3）。

（1）单峰岩心。如图3（a），通过17号岩心的核磁共振T₂谱曲线可以看到，本文实验的单峰曲线峰度较高、对称性较好。由此可知大牛地和定北区块的单峰岩心孔径大小分布较为集中，孔隙结构较简单。

随时间增长，17号岩心信号幅度稳定上升，流体均匀进入孔隙。曲线左侧边界在渗吸过程中基本不变，右侧边界逐渐向右扩展，说明流体先进入较小孔隙，随后向较大孔隙逐渐扩散。渗吸10 min后，自发渗吸核磁共振T₂谱峰值上升缓慢，渗吸活动趋于停止，印证图2中17号岩心在渗吸10 min后渗吸速度减缓的特点。

（2）双峰岩心。核磁共振曲线的双峰形态说明孔径大小分布较分散，孔隙结构较复杂。本文实验的双峰岩心较小孔隙比较发育，较大孔隙相对较少，如图3（b），图像左峰明显高于右峰。从双峰之间的过渡段形态来看，不同大小孔隙之间存在一定的连通性，具备孔隙间流体交换的条件。

随着渗吸时间的增大，7号岩心的核磁共振曲线有如下变化：曲线整体信号幅度增大，两峰右边界都逐渐向右扩展，体现流体先进入较小孔隙，随后逐渐向较大孔隙扩散的特点；岩心在渗吸时间30 min前，渗吸量不断上升（图2），但两峰之间过渡带的信号幅度明显降低，由0.02（5 min）降至0.015（15 min）再降至0.006（30 min），说明过渡带流体逐渐向两侧运移，流体分布更加集中。

根据核磁共振实验原理，通过核磁共振T₂谱曲线所包含面积的大小，可以得到岩心内赋存流体的多少。所以，利用核磁共振T₂谱截止法可以得到岩心在不同状态下的含水饱和度，具体步骤如下：根据核磁共振T₂谱曲线，分别绘制某一状态下岩心的T₂谱累计曲线和饱和状态下岩心的T₂谱累计曲线，记录该状态下的最大累计信号幅度与饱和状态下做比较，即得到含水饱和度。图4为核磁共振T₂谱截止法示意图。

绘制离心过程中含水饱和度变化曲线，如图5所示。随着离心转速的增加，离心力增大，更小孔喉内的流体逐渐得到驱动，各岩心内含水饱和度均不断降低。由于不同大小孔隙的驱动压差不同，且不同岩心的孔隙大小分布不同，所以在不同转速下，含水饱和度下降幅度不同^［11］。

总体来看，在10 000 r/min离心转速下，岩心含水饱和度大都大于40%，这说明实验区域岩心束缚水饱和度较高，储层物性较差，赋存于小孔隙内的流体较难驱动。只有较少岩心束缚水饱和度较小，例如12号岩心在实验最大转速下，含水饱和度为17%。

离心过程中的核磁共振T₂谱曲线同样可以分为单峰型和双峰型。

（1）不同离心转速下核磁T₂谱对比。将不同离心转速下的核磁共振T₂谱绘制到一起（图6），观察离心转速由小到大的过程中，流体的动态分布。

单峰曲线和双峰曲线除形态不同外，离心过程中的动态变化规律相似。

从图6可以看到，随着转速增加，图像包围面积明显降低，岩心内的流体逐渐减少，曲线右侧边缘向左移动，说明岩心中较大孔隙内的流体优先排出。

当转速从2 000 r/min增大到6 000 r/min，曲线左侧边缘向左移动，分析认为在离心力的作用下，较大孔隙中的部分流体向离心力方向上未被充填的较小孔隙移动，即在外界压力的作用下，存在自由水向束缚水的转变。认为该现象有2个原因：一是离心力与新充填孔隙内流体的启动压力方向不同，加剧流体赋存；二是新充填的较小孔隙属于盲端孔或与外界连通性较差的孔隙，流体被困在该类孔隙当中。

（2）离心实验前后核磁T₂谱对比。为了明显表征出模拟返排后流体的赋存情况和束缚流体的分布，将离心前饱和样的核磁共振T₂谱和离心转速为10 000 r/min时核磁共振T₂谱绘制到一起（图7），以观察流体在离心前后的变化。

如图7（a）所示，从1号岩心的前后对比中可以明显看到，较大孔的流体完全排驱出来，剩余流体主要存在于小孔中，说明可动水主要聚集在较大孔隙中，束缚水存在于较小孔隙中，较小孔隙内流体所受毛管力较大。

1号岩心离心后的图像呈左低右高（弛豫时间8 ms对应的信号幅度为0.028，弛豫时间1.9 ms对应的信号幅度为0.016），有悖于较大孔隙流体容易排驱出来的特点，分析认为束缚水分布不仅受到孔隙大小的影响，同时受到孔隙间连通性的影响，大孔隙与外界之间可能具有较小的喉道，影响流体排驱。

如图7（b）所示，从14号岩心的核磁共振T₂谱曲线可以看到，单峰图像前后存在的差距主要体现在峰值高度上的降低（离心前信号幅度0.28，离心后0.17），束缚水赋存形态比双峰岩心简单。

通过实验获得定北区块9块岩心的气水相渗曲线，根据各岩心曲线形态的差异，将气水相渗曲线分为2个类型，图8、图9为这2种类型的气水相渗曲线。

（1）Ⅰ型气水相渗曲线（1号、4号、14号、15号、17号）：

束缚水饱和度范围为61%~69%，残余气饱和度范围为17%~20%；束缚水饱和度下的气相相对渗透率K_rg（S_wi）范围为0.68~0.86，残余气饱和度下的水相相对渗透率范围K_rw（S_gr）为0.62~0.66；等渗点信息：含水饱和度为67%~75%、气水两相相对渗透率为0.10~0.22。

（2）Ⅱ型气水相渗曲线（2号、3号、12号、16号）：

束缚水饱和度范围为45%~64%，残余气饱和度范围为13%~20%；束缚水饱和度下的气相相对渗透率K_rg（S_wi）范围为0.47~0.69，残余气饱和度下的水相相对渗透率K_rw（S_gr）范围为0.11~0.31；等渗点—含水饱和度为68%~78%、气水两相相对渗透率：0.05~0.18。

在渗吸—离心—核磁实验中，可以得到各岩心的最终渗吸量和离心转速为10 000 r/min时的模拟返排率，结合各岩心物性参数，即可分析得到岩心物性对流体含量变化的影响。绘制散点图及散点总体趋势线如图10和图11所示。

由图10可以看到，岩心最终渗吸量与孔隙度和渗透率呈正相关关系。这说明当外来流体侵入时，物性越好的储层，越容易赋存更多的流体，导致储层含水情况加剧。

通过图11可以看到，岩心离心返排率与孔隙度和渗透率呈正相关关系，当返排压力相同时，地层物性越好，侵入流体越容易返排。从散点分布情况来看，离心返排率与孔隙度的数据点更加集中，而与渗透率的数据点分布较为分散，这说明返排率与孔隙度的正相关关系更强。

通过各岩心在饱和状态下的核磁共振T₂谱曲线，统计得到石盒子组和太原组岩心的曲线类型和曲线弛豫时间的范围（表3）。

（1）从曲线类型来看，石盒子组的岩心单峰型3块，双峰型6块，而太原组的8块岩心全部为单峰型。

这说明石盒子组的孔隙结构较复杂，非均质性强，但从目标区块双峰型核磁共振曲线形态来看［图3（b）］，不同孔径的孔隙间连通性较好，流体容易在不同类型孔隙间交换；根据双峰型较大峰值迅速消失的特点，石盒子组中的流体可能更容易返排出来，但返排后束缚水赋存形态复杂［图7（a）］。

太原组岩心只有单峰型，这说明该地层孔径分布更规则，一般只有一种孔隙，流体赋存过程更加规律；返排过程中，流体排出按先大孔再小孔的规律进行，束缚水呈集中分布。

（2）从弛豫时间来看，石盒子组岩心的核磁共振曲线的弛豫时间多分布在1~100 ms范围内，9号岩心的弛豫时间更小，只有1~25 ms；而太原组岩心的弛豫时间多分布在10~100 ms范围内，且其中12号岩心和16号岩心的弛豫时间分别达到了10~500 ms和10~250 ms。

根据核磁共振原理，岩心核磁共振的横向弛豫时间与孔隙半径呈正相关关系，石盒子组岩心相较于太原组多发育有更小的孔隙，孔隙发育更加丰富。

为了更好地表征目标区块气水相渗曲线特征，对2种类型的气水相渗曲线进行了平均归一化处理，得到标准图版（图12）。

分析认为出现这2种类型气水相渗曲线的原因主要有：Ⅱ型曲线对应的储层亲水性更强，水不能流动的小孔隙更多，水相流动的连续性较差。通过各岩心的核磁共振曲线类型可以看到（表3），Ⅰ型气水相渗曲线对应的岩心除1号岩心外，都为单峰型核磁共振曲线，而Ⅱ型气水相渗曲线对应的2号、3号岩心为双峰，12号、16号岩心为单峰。Ⅱ型曲线对应的储层微观孔隙结构更复杂，非均质性强，流体流动难度较高。除此之外，周锴等^［17］在研究中对不同类型气水相渗曲线进行描述，提出孔喉半径大小、孔喉分选和孔喉配位数等因素也会影响致密气储层气水相渗特征。总的来说，致密气储层不同的气水相渗曲线类型，是在多种因素综合影响下产生的。

对归一化气水相渗曲线的各特征值进行统计（表4）：

（1）等渗点的含水饱和度较大（73%），等渗点相对渗透率较小（Ⅰ型和Ⅱ型分别为0.20和0.09）。这说明目标区块储层具有强亲水的特征，气水两相共流比较困难，且Ⅱ型共流难度更大。

当气水共同流动时，气水两相都难以呈连续的流态向外运移。气泡从较大孔隙进入较小的喉道时，由于贾敏效应，气泡拉伸变形，这个过程会消耗许多的动力^［18］。同时，水相在气体的隔断和堵塞下，流动能力差，直至含水饱和度足够大时才能加快流动。

（2）束缚水饱和度对应的气相相对渗透率K_rg（S_wi）较大（Ⅰ型和Ⅱ型分别为0.82和0.61）。这说明当储层内只有气相单相流动时，气体呈连续态向外运移，气驱水时，气相相对渗透率恢复较快。

（3）Ⅱ型残余气饱和度对应的水相相对渗透率K_rw（S_gr）远小于Ⅰ型（前者为0.22，后者为0.64）。Ⅱ型岩心中残余气对水相的影响更大，渗透通道可能较Ⅰ型小，气相更容易堵塞水相的流动通道，使水相流动的连续性变差。

（4）束缚水饱和度S_wi较大，且Ⅰ型大于Ⅱ型（Ⅰ型和Ⅱ型分别为64%和55%）。印证了离心实验中，束缚水饱和度较大的特点。束缚水状态时，气相相对渗透率较高，气体连续流动，束缚水在毛管力的作用下呈水膜的形式赋存在致密气储层的流动通道中。

（5）共渗区较小，Ⅰ型和Ⅱ型的共渗区范围分别为64%~82%和55%~84%。这说明气水共同流动的难度高，气井见水后，气体相对渗透率迅速降低，产能容易迅速衰减。

（1）致密气储层自发渗吸的速度呈先快后慢，最后逐渐趋于停止；渗吸过程中，水先进入较小的孔隙，随后逐渐向大孔隙扩散。核磁共振T₂谱单峰曲线岩心的渗吸过程较规律，流体均匀进入孔隙，而双峰岩心存在不同孔隙之间的流体交换，流体随渗吸时间的增大，分布会越来越集中。

（2）返排水量会随着离心转速的增大而增大，生产压差与可动用水量存在正相关关系。从离心过程中岩心内流体的分布可以看到，较大孔隙内的流体优先排出，可动水主要存在于较大的孔隙当中，孔隙内的水有向更小孔隙运移的现象，说明在外界压差的作用下，可能出现可动水向束缚水的转变。

（3）致密气储层物性越好，最终渗吸量越大，返排率越高，流体更容易赋存和产出，导致气井产水量增大。石盒子组岩心表现为单峰型和双峰型，弛豫时间多分布在1~100 ms之间，太原组岩心全部为单峰型，弛豫时间多分布在10~100 ms之间。石盒子组的孔隙结构更复杂，存在不同类型孔隙且连通性较好，并且发育有孔隙半径更小的孔隙。

（4）根据气水相渗曲线，定北区块具有储层亲水性强、束缚水饱和度高和气水共流难度高等特点，气井见水会使产能迅速下降。其中Ⅱ型曲线气水相渗较低，储层孔隙更小，气水两相之间干扰更加严重。