劉念肖 雷登生 黃小亮 王作豪 閔春榮

(重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331)

0 前 言

水封氣是指受水侵影響而滯留在地層中難以流動(dòng)、難以被采出的氣體。水驅(qū)氣藏在生產(chǎn)過(guò)程中，井底壓力快速下降，形成壓降漏斗，當(dāng)壓力波傳遞到氣藏邊緣時(shí)，在壓差的作用下其邊、底水得以推進(jìn)。隨著水體的不斷侵入，地層中形成氣水兩相流動(dòng)區(qū)，氣相相對(duì)滲透率降低，由于毛管力、賈敏效應(yīng)等因素的影響，部分氣體被封存在基質(zhì)或毛管中，難以流動(dòng)，這將導(dǎo)致氣藏最終采收率降低[1]。

在制定有水氣藏的開(kāi)發(fā)方案時(shí)，應(yīng)充分考慮水封氣的影響，使方案更合理，從而確保氣藏采收率的提高。2002年，鄭偉等人針對(duì)不同類型的氣藏，提出了不同采氣速度的開(kāi)發(fā)方案[2]。2020年，曹廷寬等人對(duì)川西某氣藏的采氣速度進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并提出了合理的采油速度及配產(chǎn)方案[3]。2020年，劉成川等人針對(duì)川西某氣藏進(jìn)行了井型井網(wǎng)設(shè)計(jì)研究，采用數(shù)模和經(jīng)濟(jì)計(jì)算相結(jié)合的方法確定了井型井網(wǎng)的最優(yōu)部署方案[4]。目前多以常規(guī)水驅(qū)氣藏為模型，模擬各項(xiàng)開(kāi)發(fā)因素對(duì)氣藏采收率的影響，而并未考慮水封氣對(duì)氣藏內(nèi)部的影響，這將導(dǎo)致采收率的預(yù)測(cè)值偏高。

本次研究根據(jù)實(shí)際地質(zhì)模型，建立考慮水封氣影響的數(shù)值模擬模型，模擬分析不同開(kāi)發(fā)因素對(duì)氣藏采收率的影響。

1 H氣藏概況及網(wǎng)格模型建立

1.1 H氣藏概況

H氣藏為川東地區(qū)典型的石炭系背斜構(gòu)造氣藏，構(gòu)造走向?yàn)楸睎|—南西，圈閉面積為8.86 km2，閉合高度為320 m，氣藏埋藏深度約為4 200 m。氣藏儲(chǔ)層基本參數(shù)：平均孔隙度為3.90%；平均滲透率為4.5×10-3μm2；氣井巖心平均含水飽和度為12.12%；水井巖心平均含水飽和度為54.41%；儲(chǔ)層以裂縫-孔隙雙重介質(zhì)為主，氣藏中部的原始折算壓力基本一致，地層壓力約為53.44 MPa，溫度約為106 ℃。儲(chǔ)層孔滲之間無(wú)明顯的相關(guān)性，這表明儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育較差、滲流能力較弱、儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)。

根據(jù)物質(zhì)平衡法，計(jì)算得到H氣藏動(dòng)儲(chǔ)量為39.10×108m3。H氣藏于1995年投入開(kāi)發(fā)，截至2020年 6月，其累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)30.61×108m3，動(dòng)儲(chǔ)量采出程度達(dá)到78.30%，但依然有大量的氣體未被采出。

1.2 數(shù)值模擬網(wǎng)格模型建立

數(shù)值模擬網(wǎng)格模型基于角點(diǎn)網(wǎng)格系統(tǒng)而建立，生產(chǎn)數(shù)據(jù)和測(cè)井結(jié)果表明，H氣藏邊水推進(jìn)具有典型層狀特征，因此，將氣藏z方向(縱向)劃分為5個(gè)小層。模型總網(wǎng)格數(shù)為56 500(226×50×5)，其中有效網(wǎng)格數(shù)為11 300。氣藏網(wǎng)格劃分模型如圖1所示。

圖1 氣藏網(wǎng)格劃分模型

2 考慮水封氣的模型建立

2.1 水封氣機(jī)理

(1)宏觀機(jī)理。在氣藏開(kāi)采過(guò)程中，水體會(huì)沿高滲帶或裂縫向井筒附近突進(jìn)，高滲帶及裂縫周圍局部壓差減小，這將封隔或阻礙氣體的運(yùn)移[5]，氣體無(wú)法從低滲基質(zhì)流向裂縫等高滲通道。水侵滲流過(guò)程如圖2所示。

圖2 水侵滲流過(guò)程

(2)微觀機(jī)理。當(dāng)水體侵入井筒附近時(shí)，地層孔隙中會(huì)出現(xiàn)氣水兩相的氣驅(qū)水過(guò)程。此時(shí)，由于毛管力及賈敏效應(yīng)等因素的影響，部分氣體會(huì)被封存在孔隙毛管中，從而產(chǎn)生水封氣[6]。

2.2 水封氣數(shù)值模擬參數(shù)計(jì)算

根據(jù)水封氣滲流機(jī)理，水封氣效應(yīng)主要表現(xiàn)為水相滯留和氣水兩相相滲滯后[6]。

(1)當(dāng)水封氣效應(yīng)表現(xiàn)為水相滯留時(shí)，設(shè)定較高的束縛水飽和度。

(2)當(dāng)水封氣效應(yīng)表現(xiàn)為氣水兩相相滲滯后時(shí)，計(jì)算中考慮驅(qū)替和滲吸過(guò)程。

考慮水封氣前后的相滲參數(shù)變化如圖3所示。經(jīng)計(jì)算，束縛水飽和度提高了2%。對(duì)于氣水兩相相滲滯后，采用Land方程、許煥昌方程等進(jìn)行計(jì)算[7-8]。

圖3 考慮水封氣前后相滲參數(shù)變化曲線

2.3 考慮水封氣模型的歷史數(shù)據(jù)擬合

針對(duì)H氣藏中4口井的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)擬合，其中，需要擬合的指標(biāo)包括全區(qū)日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)水量等(見(jiàn)圖4、圖5)。如圖所示，各項(xiàng)指標(biāo)擬合效果較好，符合模擬條件。

圖4 H氣藏日產(chǎn)氣量歷史擬合曲線

圖5 H氣藏日產(chǎn)水量歷史擬合曲線

2.4 考慮水封氣的方案模擬

采用考慮水封氣和不考慮水封氣的兩個(gè)模型，對(duì)研究區(qū)1995—2020年的開(kāi)發(fā)情況進(jìn)行模擬，氣藏采收率及累計(jì)產(chǎn)氣量結(jié)果如表1、圖6所示。由模擬結(jié)果可知：采用不考慮水封氣的模型，氣藏最終采收率為82.10%，與該氣藏實(shí)際采收率相差較大；采用考慮水封氣模型，氣藏最終采收率為78.10%，與該氣藏動(dòng)儲(chǔ)量實(shí)際采收率的誤差僅為0.20%。這說(shuō)明考慮水封氣的模型可以更準(zhǔn)確的對(duì)氣藏開(kāi)發(fā)進(jìn)行模擬。

表1 歷史開(kāi)發(fā)年限采收率模擬結(jié)果

圖6 歷史開(kāi)發(fā)年限累計(jì)產(chǎn)氣量模擬結(jié)果對(duì)比

3 各開(kāi)發(fā)因素對(duì)氣藏采收率的影響

應(yīng)用考慮水封氣模型，分析采氣速度、井網(wǎng)密度、加密時(shí)機(jī)及排水量等因素對(duì)氣藏開(kāi)發(fā)的影響。針對(duì)各因素分別設(shè)計(jì)數(shù)種方案(見(jiàn)表2)，基于研究區(qū)歷史數(shù)據(jù)(1995—2020年)，模擬各方案條件下的氣藏采收率及累計(jì)產(chǎn)氣量(歷史開(kāi)發(fā)年限模擬)。然后，在此基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)20年(2020—2040年)的氣藏采收率及累計(jì)產(chǎn)氣量進(jìn)行模擬(未來(lái)開(kāi)發(fā)年限預(yù)測(cè)模擬)。將模擬結(jié)果與原始方案進(jìn)行對(duì)比。

表2 開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)表

3.1 采氣速度對(duì)采收率的影響

采氣速度作為氣藏開(kāi)發(fā)方案編制的重要指標(biāo)之一[9]，合理的采氣速度對(duì)于氣藏生產(chǎn)尤為重要。

根據(jù)氣藏實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，在原始方案基礎(chǔ)上，對(duì)不同時(shí)期的采氣速度進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)了3套方案。方案1(P1-1)為降低后期采氣速度；方案2(P1-2)為降低前期采氣速度；方案3(P1-3)為降低整體采氣速度，各方案采收率和累計(jì)產(chǎn)氣量的模擬結(jié)果如表3、圖7所示。

表3 不同采氣速度方案下采收率模擬結(jié)果

圖7 不同采氣速度方案下累計(jì)產(chǎn)氣量模擬結(jié)果對(duì)比

由模擬結(jié)果可知：(1)降低前期采氣速度對(duì)氣藏早期開(kāi)發(fā)影響較為顯著，但在長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)中效果一般。這是因?yàn)闅獠厍捌跒閱尉a(chǎn)，采氣速度過(guò)高會(huì)造成地層局部生產(chǎn)壓差變大；生產(chǎn)井附近水體較為活躍，水體沿高滲帶快速突進(jìn)到井底附近，導(dǎo)致氣井大量產(chǎn)水；同時(shí)，水體的快速入侵會(huì)產(chǎn)生水封氣。所以降低前期采氣速度能使氣藏采收率提高。但隨著開(kāi)發(fā)的進(jìn)行，前期采氣速度對(duì)其采收率的影響逐漸降低。(2)降低后期采氣速度，能減少后期氣井所受水侵的影響，從而提高氣藏采收率。(3)降低整體采氣速度，可使氣藏最終采收率大幅提高。這是因?yàn)榻档筒蓺馑俣饶軠p小生產(chǎn)壓差，地層水由于毛管力的作用滯留于孔隙中，裂縫及大孔道中的水容易被氣流帶動(dòng)而產(chǎn)出[10]，這在一定程度上減緩了區(qū)塊后期所受水侵的影響，因此氣藏采收率相對(duì)較高。

3.2 井網(wǎng)密度對(duì)采收率的影響

合理的井網(wǎng)密度布局是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵因素之一。井網(wǎng)的布置，不僅需要考慮經(jīng)濟(jì)因素，更要結(jié)合地層的實(shí)際情況。井網(wǎng)密度小，則地層生產(chǎn)壓差大，氣井出水快；井網(wǎng)密度大，則投資大，經(jīng)濟(jì)效益見(jiàn)效慢[11]。

在原始方案的基礎(chǔ)上，針對(duì)井網(wǎng)密度設(shè)計(jì)了 2套方案。方案1(P2-1)為生產(chǎn)井1單獨(dú)生產(chǎn)；方案2(P2-2為)生產(chǎn)井1、2共同生產(chǎn)。各方案采收率及累計(jì)產(chǎn)氣量的模擬結(jié)果如表4、圖8所示。

表4 不同井網(wǎng)密度方案下采收率模擬結(jié)果

圖8 不同井網(wǎng)密度方案下累計(jì)產(chǎn)氣量模擬結(jié)果對(duì)比

由模擬結(jié)果可知：(1)P2-1：1井單獨(dú)生產(chǎn)時(shí)，氣藏采收率最低。這是因?yàn)?井受水侵影響嚴(yán)重，生產(chǎn)年限相對(duì)較短。(2)P2-2：1、2井共同生產(chǎn)時(shí)，隨著2井的加密，氣藏采收率大幅提高，并且后期采收率增幅較大。這是因?yàn)?井受水侵影響較小，隨著2井的加密，地層局部壓差減小，氣體占據(jù)滲流優(yōu)勢(shì)通道，這減緩了水體對(duì)1井生產(chǎn)的影響，延長(zhǎng)了1井的開(kāi)采年限。(3)原始方案：1、2、3井同時(shí)生產(chǎn)時(shí)，氣藏采收率最高。這說(shuō)明井網(wǎng)的加密可使氣藏采收率提高。H氣藏剩余儲(chǔ)量8.61×108m3，其中區(qū)塊西南部?jī)?chǔ)量約4.63×108m3?？煽紤]在西南部部署一口新井，從而提高氣藏采收率。

3.3 加密時(shí)機(jī)對(duì)采收率的影響

井網(wǎng)加密時(shí)機(jī)的選擇是影響氣田采收率的重要因素之一[12]。根據(jù)H氣藏原始開(kāi)發(fā)的情況，調(diào)整各井投產(chǎn)時(shí)間，設(shè)計(jì)了3套模擬方案。方案1(P3-1)為2井提前開(kāi)發(fā)；方案2(P3-2)為3井提前開(kāi)發(fā)；方案3(P-3)為2、3井均提前開(kāi)發(fā)。各方案采收率及累計(jì)產(chǎn)氣量的模擬結(jié)果如表5、圖9所示。

表5 不同井網(wǎng)加密時(shí)機(jī)方案下采收率模擬結(jié)果

圖9 不同井網(wǎng)加密時(shí)機(jī)方案下累計(jì)產(chǎn)氣量模擬結(jié)果對(duì)比

由模擬結(jié)果可知，與原始方案相比，采用P3-1、P3-2、P3-3，氣藏采收率均提高。(1)P3-1：2井的提前開(kāi)發(fā)使地層中流體的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，分擔(dān)了地層及水體的能量，減緩了水體對(duì)1井的入侵程度，增加了1井的穩(wěn)產(chǎn)年限，從而使氣井的采收率提高。(2)P3-2：3井的提前開(kāi)發(fā)減少了區(qū)塊后期所受水侵的影響，所以其對(duì)氣藏后期采收率影響較大。(3)P3-3: 2、3井同時(shí)提前開(kāi)發(fā)，氣藏采收率大幅提高。這是因?yàn)殡S著2、3井提前開(kāi)發(fā)，地層局部壓差減小，滲流優(yōu)勢(shì)通道為氣體，延長(zhǎng)了氣井的開(kāi)采年限。

3.4 排水量對(duì)氣藏采收率的影響

制定合理的排水量才能有效提高氣藏采收率。排水量過(guò)小，則無(wú)法緩解裂縫與基質(zhì)壓差，封存的氣體無(wú)法采出；排水量過(guò)大，裂縫壓力迅速下降，水體快速補(bǔ)充，這也將導(dǎo)致被封存氣體無(wú)法釋放[13]。

2009年設(shè)計(jì)了一口排水井，初期設(shè)置排水量為100 m3/d，目前生產(chǎn)井出現(xiàn)大量產(chǎn)水的情況。針對(duì)不同的排水量，設(shè)計(jì)了4套方案(P4-1、P4-2、P4-3、P4-4)，排水量分別設(shè)置為0、60、80、120 m3/d。各方案采收率及累計(jì)采氣量的模擬結(jié)果如表6、圖10所示。

表6 不同排水方案下采收率模擬結(jié)果

圖10 不同排水方案下累計(jì)產(chǎn)氣量模擬結(jié)果對(duì)比

由模擬結(jié)果可知，隨著排水量的增大，氣藏采收率不斷提高，但當(dāng)排水量大于100 m3/d時(shí)，氣藏采收率提高緩慢。這是因?yàn)樵缙谠O(shè)置較大的排水量，可以大幅消耗地層水體的能量，避免氣井過(guò)早出現(xiàn)大量產(chǎn)水的情況。由于地層水體連通性較好、能量較強(qiáng)，所以大量的排水在短期內(nèi)見(jiàn)效快，但在氣藏開(kāi)發(fā)的后期，效果不明顯。隨著排水量的增大，地層中封存的氣體仍然難以產(chǎn)出，所以當(dāng)排水量大于100 m3/d時(shí)，氣藏采收率提高不明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

合理的采氣速度可以減緩地層水侵的影響，防止基質(zhì)與裂縫壓差過(guò)大而形成水封氣。氣藏開(kāi)發(fā)前期，布井較少的情況下，應(yīng)降低單井的采氣速度；氣藏開(kāi)發(fā)后期，布井多的情況下，應(yīng)控制區(qū)塊整體采氣速度，延長(zhǎng)氣井穩(wěn)產(chǎn)期，從而提高氣藏的采收率。

通過(guò)井網(wǎng)加密的方式可以減緩地層水體對(duì)單一氣井的入侵程度。提前進(jìn)行井網(wǎng)加密可以避免地層局部壓差過(guò)大，減少水封氣的形成，提高氣井的開(kāi)采年限。

排水可以降低地層水體能量，從而提高氣藏采收率。但采收率并不隨著排水量的增大而持續(xù)大幅提高，過(guò)大的排水量綜合收益并不好。設(shè)置合理的排水量能有效地提高氣藏采收率。