盧 艷 彭小東 高 達(dá) 劉 偉 段 策

1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司 2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司湛江采油服務(wù)文昌分公司 3.成都北方石油勘探開發(fā)技術(shù)有限公司

0 引言

水溶氣是一種重要的非常規(guī)天然氣資源，在全世界范圍內(nèi)的儲(chǔ)量非常豐富，尤其是在高溫高壓水體中。我國有多個(gè)盆地的氣藏是水溶氣運(yùn)移成藏，存在有大量的水溶氣資源[1-6]。目前，國內(nèi)學(xué)者關(guān)于水溶氣的研究工作主要集中在水溶氣的溶解度特征與溶解機(jī)理、水溶氣運(yùn)移的地球化學(xué)指標(biāo)、水溶氣聚集成藏的控制因素，以及水溶氣資源的開采等方面[7-11]。但是在水溶氣對(duì)氣藏開發(fā)指標(biāo)影響方面的研究較少。范泓澈（2011）通過實(shí)驗(yàn)測試對(duì)甲烷和二氧化碳兩種氣體的溶解度與溫度、壓力及地層水礦化度之間的關(guān)系進(jìn)行研究，表明兩種氣體的溶解度隨溫度、壓力條件的變化具有不同的演變特征[12]。湯勇（2011）認(rèn)為CO2在地層水中溶解量隨溫度升高而降低，隨壓力升高而升高，并且注氣初期考慮CO2溶解時(shí)的原油采出程度比不考慮CO2溶解時(shí)更低，含水飽和度越高，CO2在地層水中溶解對(duì)采出程度和氣油比影響越大[13]。生如巖（2004）認(rèn)為水溶氣膨脹以及釋放對(duì)水侵作用有一定影響[14-15]，但并未明確闡述開發(fā)過程中水溶氣的釋放對(duì)氣水界面及水侵規(guī)律如何影響。沈羞月等（2014）認(rèn)為氣藏開采過程中水溶氣的釋放會(huì)大大提高氣田采收率，但并未考慮氣田廢棄產(chǎn)量以及水溶氣從地層水中脫溶時(shí)地層水壓縮系數(shù)的變化，推導(dǎo)的考慮水溶氣的物質(zhì)平衡方程中地層水壓縮系數(shù)為定值[16]。吳克柳等（2014）推導(dǎo)的具有補(bǔ)給氣的異常高壓有水凝析氣藏物質(zhì)平衡方程中沒有考慮水溶氣從地層水中脫溶時(shí)地層水壓縮系數(shù)的變化[17]。馬勇新等（2017）通過實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)水溶氣釋放使得氣水界面上升加快，并且水溶氣含量越高，氣水界面越容易上升[18]，但對(duì)于水溶氣對(duì)水侵量的影響并未做系統(tǒng)分析。

在前人研究的基礎(chǔ)上，在ECLIPSE 數(shù)模軟件中采用了黑油模型，用油溶氣代替水溶氣的方案，針對(duì)水溶氣對(duì)于氣田水侵量、水氣比、采收率等開發(fā)指標(biāo)的影響進(jìn)行系統(tǒng)的敏感性分析，并且創(chuàng)新性地分析了水溶氣釋放對(duì)于天然氣組分的影響。認(rèn)為由于水溶氣脫溶時(shí)地下流體由單相變?yōu)閮上?，地層水壓縮系數(shù)變大，彈性膨脹能量更大，導(dǎo)致水侵量增加，氣井更快見水，從而氣田采收率略有降低。因此，水溶氣對(duì)氣藏開發(fā)的影響的研究重點(diǎn)應(yīng)是對(duì)產(chǎn)水的影響，而非對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。研究成果對(duì)于該類氣藏的開發(fā)有重要的參考借鑒意義。

1 水溶氣成藏機(jī)制

地層中孔隙水豐富并且天然氣在地層水中溶解度較高，有部分天然氣以水溶相和混相運(yùn)移，隨著壓力溫度下降，過飽和時(shí)不斷脫溶，逐漸變?yōu)闅庀酁橹?，而鶯歌海盆地底辟活動(dòng)及其產(chǎn)生的斷裂形成了天然氣快速向上運(yùn)移通道，這是該高溫高壓氣田形成的重要運(yùn)移機(jī)制之一。謝玉洪等（2014）通過高溫高壓條件下天然氣在地層水中的溶解度實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高溫高壓條件下天然氣具有較高溶解度，當(dāng)溫度壓力發(fā)生變化導(dǎo)致水溶氣脫溶成為游離氣時(shí)，溶解度較大的低碳數(shù)烷烴氣體會(huì)優(yōu)先大量脫出，而溶解度小的氣體析出量逐漸降低[1]。尤其是高溫高壓氣藏，地層水中水溶氣量較大，有必要考慮降壓開發(fā)過程中水溶氣釋放因素，研究水溶氣對(duì)氣藏開發(fā)指標(biāo)的影響。

2 氣田概況及模型建立

2.1 氣田概況

D 氣田位于鶯歌海海域，原始地層壓力52.0 ～54.1 MPa，壓力系數(shù)1.68 ～1.94，地層溫度133 ～145℃，屬于異常高溫高壓氣田，驅(qū)動(dòng)類型為彈性邊底水驅(qū)。由于水溶氣含量較大，首先通過實(shí)驗(yàn)分析得出D 氣田水溶氣溶解度變化規(guī)律，然后通過數(shù)值模擬研究水溶氣對(duì)該氣田開發(fā)指標(biāo)的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)D 氣田實(shí)際組分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行天然氣復(fù)配。由于重質(zhì)組分在高壓下是液態(tài)，無法混合到氣相中，因此在復(fù)配過程中，降低了重質(zhì)組分含量。利用復(fù)配天然氣（組分為78%CO2，17%CH4，5%N2）及模擬地層水，通過可視化PVT 儀配制高溫高壓樣品，從PVT 儀下端取樣，樣品在取樣器中進(jìn)行降溫及析出水溶氣，通過電子天平測試地層水量，通過流量計(jì)測試水溶氣量，對(duì)D 氣田地層水水溶氣含量變化規(guī)律進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)儀器及流程見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)儀器及流程圖

水溶氣含量隨壓力升高而逐漸增大（圖2），在地層溫壓條件下，D 氣田天然氣溶解度為22.5 m3/m3左右。

水溶氣含量隨溫度的升高先下降后上升，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為80 ～90℃，地層壓力條件下，水溶氣含量—溫度曲線變化劇烈，說明受溫度影響較大（圖3）。

2.3 模型建立

圖2 D 氣田地層水水溶氣含量與壓力關(guān)系圖

圖3 D 氣田地層水水溶氣含量與溫度關(guān)系圖

以D 氣田基礎(chǔ)參數(shù)建立機(jī)理模型，網(wǎng)格數(shù)為40×40×100，網(wǎng)格尺寸50 m×50 m×1 m。模型孔隙度17.3%，水平滲透率13.5 mD，垂向滲透率1.3 mD，地層深度3 000 m，原始地層壓力53 MPa，含氣飽和度50.5%。采用底水氣藏模型，氣藏厚度為40 m，水體厚度60 m。部署3 口直井，井距500 m，單井控制面積1.33 km2。相滲曲線如圖4 所示，地層水中水溶氣溶解度及地層水體積系數(shù)隨壓力變化曲線見圖5。

圖4 D 氣田巖心相滲曲線圖

圖5 水溶氣溶解度及地層水體積系數(shù)隨地層壓力變化曲線圖

在數(shù)值模擬中相對(duì)于組分模型，黑油模型所需參數(shù)較少，操作過程更簡潔，計(jì)算時(shí)間更快，因此采用E100 模擬器中的黑油模型近似模擬。由于黑油模型不能直接模擬計(jì)算某一氣體組分在水中的溶解，因此用油溶氣代替水溶氣。其中油的體積系數(shù)、壓縮系數(shù)、氣油比、相滲、流體性質(zhì)等參數(shù)都采用水的相應(yīng)參數(shù)，從而保證油溶氣代替水溶氣時(shí)二者體積變化、溶解氣量、相滲都是相同的，使模擬計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。考慮水溶氣方案中的氣藏產(chǎn)量混合了自由氣和水溶氣，在數(shù)模中可以通過虛擬示蹤劑來實(shí)現(xiàn)水溶氣的產(chǎn)量劈分。主要通過在runspec，props，solution 等模塊添加虛擬示蹤劑相關(guān)關(guān)鍵字，把自由氣定義為示蹤劑，得出自由氣的產(chǎn)量，從而實(shí)現(xiàn)自由氣和水溶氣的產(chǎn)量劈分。

3 水溶氣對(duì)開發(fā)指標(biāo)的影響

分別對(duì)2、5、10、20 倍水體及3%、4%、5%、6%、7%采氣速度的方案進(jìn)行開發(fā)指標(biāo)預(yù)測，將考慮水溶氣與不考慮水溶氣方案的開發(fā)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，得到水溶氣對(duì)水侵量、水氣比、采收率、組分等開發(fā)指標(biāo)的影響[16]。

3.1 水侵量

對(duì)水體倍數(shù)進(jìn)行敏感性分析，圖6 為2 倍、5 倍、10 倍、20 倍水體下有無水溶氣方案的水侵量對(duì)比，采氣速度為5%。發(fā)現(xiàn)考慮水溶氣方案的水侵量高于不考慮水溶氣方案，并且隨水體倍數(shù)增大，水侵量增量先逐漸增大，后略有降低。

圖6 不同水體倍數(shù)下有無水溶氣方案的水侵量對(duì)比圖

數(shù)模模型中也可以看出考慮水溶氣的方案底水上升更快，原因主要是水溶氣脫溶時(shí)地下流體由單相變?yōu)閮上?，地層水壓縮系數(shù)變大，底水彈性膨脹能量更大，更容易發(fā)生水侵。而水體倍數(shù)超過一定范圍后，不考慮水溶氣方案的底水能量也逐漸增大，因此水侵量增量略有降低。原因主要是水溶氣的降壓膨脹作用使得氣水界面逐漸上升，最終導(dǎo)致氣井更快見水。

對(duì)采氣速度進(jìn)行敏感性分析（圖7），方案采用5 倍水體，發(fā)現(xiàn)考慮水溶氣方案的水侵量高于不考慮水溶氣方案，并且采氣速度越大，水侵量增量越大。

圖7 不同采氣速度下有無水溶氣方案的水侵量對(duì)比圖

3.2 水氣比

用同樣方法分析水溶氣對(duì)水氣比的影響，基本具有跟水侵量一樣的規(guī)律。在5%采氣速度下，對(duì)比2 倍、5 倍、10 倍、20 倍水體下有無水溶氣方案的水氣比，發(fā)現(xiàn)考慮水溶氣方案的水氣比高于不考慮水溶氣方案，并且水體倍數(shù)越大，水氣比增量越大。對(duì)采氣速度進(jìn)行敏感性分析，方案采用5 倍水體，發(fā)現(xiàn)考慮水溶氣方案的水氣比高于不考慮水溶氣方案，并且采氣速度越大，水氣比增量越大。

3.3 采收率

同樣分析對(duì)采收率的影響，在數(shù)模中對(duì)單井定產(chǎn)氣量生產(chǎn)，廢棄產(chǎn)量1×104m3/d。對(duì)水體倍數(shù)進(jìn)行敏感性分析，采氣速度5%，發(fā)現(xiàn)考慮水溶氣方案的采收率基本低于不考慮方案。并且水體倍數(shù)越大，采收率差值越大。原因主要是考慮水溶氣時(shí)水侵量更大，氣井更快見水，從而導(dǎo)致采收率有所降低。對(duì)采氣速度進(jìn)行敏感性分析，采用5 倍水體，發(fā)現(xiàn)考慮水溶氣時(shí)采收率偏低。

3.4 壓降

對(duì)水體倍數(shù)進(jìn)行敏感性分析，采氣速度5%，發(fā)現(xiàn)考慮水溶氣時(shí)壓降小于不考慮水溶氣的壓降，并且水體倍數(shù)越大，壓降差值越大。對(duì)采氣速度進(jìn)行敏感性分析，采用5 倍水體，發(fā)現(xiàn)考慮水溶氣時(shí)壓降小于不考慮水溶氣的壓降，但是壓降差值的變化對(duì)于采氣速度不敏感。

3.5 組分

水溶氣對(duì)天然氣組分變化也有一定影響。由水溶氣和自由氣產(chǎn)量，結(jié)合二者的不同組分（水溶氣中CO2含量78%，CH4含量17%；自由氣中CO2含量3.18%，CH4含量84.88%），分別對(duì)水體倍數(shù)和采氣速度進(jìn)行敏感性分析，可以得到天然氣中CO2和CH4的含量變化（圖8 ～圖9）。發(fā)現(xiàn)考慮水溶氣時(shí)天然氣中CH4含量隨生產(chǎn)時(shí)間逐漸降低、CO2升高。并且水體倍數(shù)越小，CO2上升量越大。原因主要是對(duì)于水體倍數(shù)大的氣藏，壓力保持水平高，水溶氣脫溶少。另外發(fā)現(xiàn)采氣速度越大，CO2上升量越大。

圖8 不同水體倍數(shù)下天然氣組分隨時(shí)間變化圖

4 實(shí)例分析

圖9 不同采氣速度下天然氣組分隨時(shí)間變化圖

圖10 Y1 氣田有無水溶氣方案的水氣比曲線對(duì)比圖

Y1 氣田主力氣組孔隙度12.9%，滲透率370 mD，氣藏中深3 810 m，原始地層壓力38 MPa，壓力系數(shù)為1.03，氣藏溫度176℃，屬正常的溫壓系統(tǒng)，含氣飽和度67.9%，驅(qū)動(dòng)類型主要為彈性驅(qū)動(dòng)及邊水驅(qū)動(dòng)。生產(chǎn)過程中天然氣組分中CO2含量逐漸上升，而相似物性、水體倍數(shù)更大的底水驅(qū)Y4 氣田CO2含量則基本保持不變。通過同樣的研究方法分析得出，考慮水溶氣時(shí)水氣比更高（圖10），邊水推進(jìn)更快，水區(qū)含氣飽和度達(dá)11%（圖11）。同時(shí)考慮水溶氣時(shí)壓降更慢，原因主要是地層水壓縮系數(shù)變大；3 倍水體的Y1 氣田天然氣組分中CO2含量隨生產(chǎn)時(shí)間逐漸升高，后期上升速度逐漸減緩，而150 倍水體的Y4 氣田天然氣組分中CO2含量則基本保持不變（圖12），符合氣田動(dòng)態(tài)認(rèn)識(shí)。通過氣田實(shí)例可以論證：考慮水溶氣時(shí)水氣比更大，壓降更小；生產(chǎn)過程中天然氣組分中CO2含量逐漸上升，并且水體倍數(shù)越小，CO2上升量越大。

5 結(jié)論

圖11 Y1 氣田有無水溶氣方案的水氣比模型對(duì)比圖

圖12 考慮水溶氣時(shí)Y1 和Y4 氣田天然氣中CO2 含量變化圖

1）考慮水溶氣時(shí)地層水彈性膨脹能量更大，水侵量增加，水氣比變大。水體倍數(shù)越大，采氣速度越高，水侵量增量越大；考慮水溶氣時(shí)壓降更小，并且水體倍數(shù)越大，壓降差值越大；生產(chǎn)過程中天然氣組分中的CO2含量逐漸上升，對(duì)于水驅(qū)氣藏水體倍數(shù)越小，采氣速度越高，CO2上升量越大。

2）在數(shù)值模擬中采用計(jì)算速度更快的黑油模型，用油溶氣代替水溶氣，油的流體性質(zhì)等參數(shù)都采用水的相應(yīng)參數(shù)，在數(shù)模操作中可以通過虛擬示蹤劑來實(shí)現(xiàn)水溶氣的產(chǎn)量劈分。

3）水溶氣對(duì)水驅(qū)氣田開發(fā)指標(biāo)的影響不可忽略，尤其是高溫高壓氣田，水體能量不足時(shí)，應(yīng)盡量保壓生產(chǎn)，減少水溶氣析出，從而降低水氣比，同時(shí)減少天然氣組分中CO2含量，來滿足下游用戶需求。研究成果對(duì)于該類氣藏的開發(fā)有重要的參考借鑒意義，具有礦場推廣應(yīng)用價(jià)值。