劉啟楠 鹿克鋒 伍銳東

(中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司)

0 引 言

以水驅(qū)氣藏為主的A氣田，目前已進(jìn)入生產(chǎn)后期，各井產(chǎn)水即將超過(guò)平臺(tái)污水處理能力，若將污水排海處理，所引起的海洋環(huán)保問(wèn)題將非常嚴(yán)峻，本文以A氣田為靶區(qū)，研究污水回注過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的確定和預(yù)測(cè)。

A氣田目前已全面出水，預(yù)測(cè)未來(lái)平臺(tái)排海污水約22.13×104m3，將超過(guò)國(guó)家環(huán)保批復(fù)的11.00×104m3最大排放量。因此，為保護(hù)海洋環(huán)境，開(kāi)展了水驅(qū)氣藏回注能力評(píng)價(jià)研究，包括：最大注入量、注入壓力、合理注入速度等參數(shù)。

為提高氣田開(kāi)發(fā)的整體經(jīng)濟(jì)效益，選擇1井、10井、3井和4井作為回注井。4口井位于獨(dú)立井區(qū)，不會(huì)產(chǎn)生井間和層間干擾，且生產(chǎn)管柱完好，低產(chǎn)低效，無(wú)后續(xù)挖潛空間。

1 回注能力評(píng)價(jià)

污水回注前需要評(píng)價(jià)并預(yù)測(cè)回注能力和指標(biāo)，本文通過(guò)物質(zhì)平衡、數(shù)值模擬等技術(shù)原理，提出了回注能力評(píng)價(jià)技術(shù)，以此確定可注入總量、泵壓、地壓和瞬時(shí)注入量等參數(shù)。

1.1 可注入總量研究

可注入總量計(jì)算原理為物質(zhì)平衡[1]，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。依靠流體的可壓縮性進(jìn)行注入，當(dāng)?shù)貙訅毫ι仙恋貙悠屏褖毫r(shí)，回注停止，此時(shí)的回注量即為該層的最大可注入總量。

Iw×Bw=V×Ce×P

(1)

可變形為注入總量的式(2)：

Iw=V×Ce×(Pf-Pr)/Bw

(2)

式中：Iw為可注入總量，m3；V為地下孔隙體積，m3；Ce為綜合壓縮系數(shù)，MPa-1；Pf為地層破裂壓力，MPa；Pr為當(dāng)前地層壓力，MPa；Bw為注入水的體積系數(shù)。

考慮到現(xiàn)有生產(chǎn)層位皆為水驅(qū)氣藏，儲(chǔ)層孔隙中存在氣和水兩種流體，氣和水的壓縮能力不同，需分別計(jì)算含氣層和含水層的可注入空間[2]，因此式(2)可分別寫(xiě)為式(3)、式(4)、式(5)：

Iw1=V氣×Ce氣×(Pf-Pr1)/Bw

(3)

Iw2=V水×Ce水×(Pf-Pr2)/Bw

(4)

Iw=Iw1+Iw2

(5)

式中：Iw為合計(jì)可注入總量，m3；Iw1為氣層可注入總量，m3；Iw2為水層可注入總量，m3；其中綜合壓縮系數(shù)Ce由式(6)求得：

Ce=Cg×Sg+Cw×Sw+Cf

(6)

式中：Cg為氣壓縮系數(shù)；Sg為含氣飽和度；Cw為水壓縮系數(shù)；Sw為含水飽和度；Cf為巖石壓縮系數(shù)。

破裂壓力Pf可由式(7)求得[3]：

Pf=0.023×H×0.75

(7)

式中：H為儲(chǔ)層垂深，m；考慮到地層意外破裂的風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算結(jié)果建議乘以0.8的安全系數(shù)。

根據(jù)以上計(jì)算方法，可求得單井理論可注入總量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和圖1。1井、3井、4井通過(guò)擠壓水來(lái)進(jìn)行回注的空間為10×104～29×104m3，而包含10井在內(nèi)的氣層可注入量為28×104～144×104m3，可見(jiàn)現(xiàn)有生產(chǎn)層位的回注空間主要集中在可壓縮性強(qiáng)，且壓力衰竭的氣層中。

表1 可注入總量計(jì)算參數(shù)

圖1 單井理論可注入總量

1.2 泵壓地壓研究

為求取污水回注時(shí)的井口所需泵壓，建立井筒管流模型，模擬污水從井口注入至地層，此過(guò)程中共存在5個(gè)作用力，分別是：地層壓力、井底流壓、液柱重力、摩擦阻力和井口油壓[4]，其中地層壓力、井底流壓、摩擦阻力和井口油壓為注入的阻力，而液柱重力為注入的助力，因此，注入泵壓計(jì)算方法見(jiàn)式(8)。

P注=Pt+P摩-P液+P流+Pr

(8)

式中：P注為注入泵壓，MPa；Pt為井口油壓，MPa；P摩為摩擦阻力，MPa；P液為液柱重力，MPa，P流為井底流壓，MPa；Pr為地層壓力，MPa。

式(8)中井口油壓、液柱重力和地層壓力皆可由現(xiàn)場(chǎng)和測(cè)試數(shù)據(jù)求得，P流可由式(9)計(jì)算：

P流=I日/Jw

(9)

式中：I日為單井污水日注入量，m3；Jw為儲(chǔ)層的吸水指數(shù)，m3/(MPa·d)。

而摩擦阻力P摩可由式(10)計(jì)算：

(10)

式中：L為油管長(zhǎng)度，m；d為油管直徑，m；v為瞬時(shí)速度，m/s；ρ為污水密度，kg/m3；系數(shù)λ可由式(11)求得。

(11)

式中Re為雷諾數(shù)，可由式(12)求得：

(12)

以此計(jì)算摩擦阻力隨日注入量的變化曲線見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，隨瞬時(shí)流速(日注入量)的上升，摩擦阻力會(huì)快速上升，導(dǎo)致注入泵壓的提高，從而增加投資費(fèi)用，因此需設(shè)計(jì)合理的日注入量來(lái)降低泵壓。

圖2 摩擦阻力隨日注入量的變化曲線

根據(jù)A氣田日產(chǎn)水量變化趨勢(shì)，考慮最大日注入污水量為1 300 m3，計(jì)算使用單井回注的摩擦阻力數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。從表2可以看出，高注入量情況下各井的摩擦阻力為32～50 MPa，已超過(guò)各儲(chǔ)層的地層壓力，不具備可行性，因此需要考慮多井合注分?jǐn)? 300 m3注入量，降低單井的摩擦阻力。根據(jù)各井摩擦阻力變化趨勢(shì)可見(jiàn)，當(dāng)單井注入量小于500 m3時(shí)，摩擦阻力皆小于10 MPa。

表2 摩擦阻力計(jì)算參數(shù)

根據(jù)以上計(jì)算方法求得井底流壓和摩擦阻力后，可由式(8)求取4口井的注入泵壓與日注入量的關(guān)系，極限條件為地層壓力達(dá)到破裂壓力(含安全系數(shù)0.8)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3～圖6和表3。

從圖3～圖6和表3的結(jié)果可以看出，日注入量越大，注入泵壓上升趨勢(shì)越快，可注入總量和可注入時(shí)間越少。按照相同注入量下，注入泵壓的大小進(jìn)行排序?yàn)椋?0井<3井<4井≤1井。由圖6可以看出，1井注入泵壓起點(diǎn)高，開(kāi)始注入后地層壓力會(huì)快速接近地層破裂壓力，導(dǎo)致整體注入量小，經(jīng)濟(jì)性較低。因此建議僅使用3井、4井、10井進(jìn)行注入。

圖3 3井的泵注壓力預(yù)測(cè)

圖4 4井的泵注壓力預(yù)測(cè)

圖5 10井的泵注壓力預(yù)測(cè)

圖6 1井的泵注壓力預(yù)測(cè)

表3 最大注入泵壓及可注入時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)

1.3 瞬時(shí)注入量?jī)?yōu)化

為分?jǐn)偲脚_(tái)共1 300 m3的日產(chǎn)污水總量，需考慮多井分?jǐn)偤献ⅲ侠淼膯尉⑷肓糠峙淇梢越档捅米⑿枨?，提高?jīng)濟(jì)效益。因此，提出注入量?jī)?yōu)化曲線為基礎(chǔ)的優(yōu)化技術(shù)，以此來(lái)綜合優(yōu)化單井瞬時(shí)注入量，達(dá)到經(jīng)濟(jì)有效的回注。

經(jīng)上文研究可知，隨著井口注入量的增加，所需的泵壓也會(huì)增加；同時(shí)，受限于不同地層的吸水能力，井筒附近在注入后會(huì)出現(xiàn)憋壓現(xiàn)象，導(dǎo)致井底流壓快速上升，各井的井口注入壓力變化曲線如圖7所示。因此還需控制注入后的井底流壓低于地層的破裂壓力。

圖7 井口注入壓力變化曲線

注入量?jī)?yōu)化圖板：根據(jù)各井的注入能力與回注層的吸水能力，以物質(zhì)平衡法(式(2))與管流模型(式(8))為基礎(chǔ)，提出了單井的注入量?jī)?yōu)化圖板，可計(jì)算各井在不同注入量下，地層壓力、井底流壓與累積可注入總量的關(guān)系，見(jiàn)圖8～圖11。

圖8 1井注入量?jī)?yōu)化曲線

從圖8可以看出，1井由于儲(chǔ)層吸水能力差，不同注入量下，井底流壓變化非常敏感，在日注入量超過(guò)200 m3時(shí)，井底流壓就會(huì)達(dá)到地層的破裂壓力，導(dǎo)致可注入總量?。煌瑫r(shí)在相同注入量下，1井所需的注入泵壓也遠(yuǎn)大于其他3口井，因此不再將該井作為回注井考慮。

從圖9可以看出，3井儲(chǔ)層吸水能力好，在4口備選井中，不同注入量下的井底流壓變化最不敏感，可注入總量差異也不大；同時(shí)在相同注入量下，3井所需注入泵壓上升趨勢(shì)緩慢，具備較好的回注條件。

圖9 3井注入量?jī)?yōu)化曲線

從圖10可以看出，4井儲(chǔ)層吸水能力較好，不同注入量下，井底流壓變化不敏感；但是回注層水體能量大，當(dāng)前壓力系數(shù)高達(dá)0.98，因此可注入總量在4口井中整體較小，回注條件一般。

圖10 4井注入量?jī)?yōu)化曲線

從圖11可以看出，10井儲(chǔ)層吸水能力較好，不同注入量下，井底流壓變化較不敏感；同時(shí)儲(chǔ)層無(wú)強(qiáng)水體提供能量，當(dāng)前壓力系數(shù)僅0.38，回注空間較大；在低注入量下可依靠液體重力自行注入，而無(wú)需依靠電泵加壓，具備較好的回注條件。

圖11 10井注入量?jī)?yōu)化曲線

綜合上述4口回注井及回注層的各項(xiàng)指標(biāo)，進(jìn)行了吸水能力、可注入總量及所需泵壓的排序，以此提出各井的配注量建議：

吸水能力：3井≥10井≈4井>1井

可注總量：4井≥3井≈10井>1井

所需泵壓：10井<3井<4井≤1井

其中1井吸水能力弱，可注總量小，所需泵壓大，不建議作為回注井。

根據(jù)以上的建議配注量，計(jì)算各井達(dá)到地層破裂壓力時(shí)的最大井口泵壓、可注入時(shí)長(zhǎng)和可注入總量，具體見(jiàn)表4。

表4 回注指標(biāo)預(yù)測(cè)

2 應(yīng)用與實(shí)踐

根據(jù)污水回注可行性研究提出的設(shè)計(jì)方案，A氣田于2018年11月開(kāi)展了10井污水回注實(shí)驗(yàn)，采用無(wú)泵自流回注方式，日注污水100～250 m3，井口壓力趨勢(shì)也與設(shè)計(jì)一致。截止2019年2月，10井合計(jì)注入污水10 624 m3，其注入曲線見(jiàn)圖12。

圖12 10井注水曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)海上水驅(qū)氣藏開(kāi)發(fā)中存在的排放問(wèn)題，污水回注廢棄儲(chǔ)層可有效避免生產(chǎn)污水排海，減少了繳納環(huán)保稅額的同時(shí)，切實(shí)達(dá)到了降本增效的目的，解決了海洋生態(tài)破壞和環(huán)境污染問(wèn)題，為維持海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。