四川盆地上三疊統(tǒng)隔氣式氣驅(qū)產(chǎn)水模式

陸正元 李 穎 彭 軒 龔昌明

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學(xué)),成都 610059;2.中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦區(qū),四川遂寧629001)

四川盆地上三疊統(tǒng)砂巖為致密裂縫-孔隙型儲層。根據(jù)氣藏在平面上的展布及其井間連通范圍,上三疊統(tǒng)砂巖氣藏可以是如中壩氣田、平落壩氣田等發(fā)育的較大規(guī)模連通的整裝氣藏;也可以是如川中低緩穹隆區(qū)發(fā)育的連通范圍很局限的多裂縫系統(tǒng)氣藏。在局限多裂縫系統(tǒng)氣藏中,壓力和流體在系統(tǒng)之間沒有連通性,各井所在的裂縫系統(tǒng)可以看成是獨立開發(fā)單元,氣井開發(fā)見水普遍,見水后氣井產(chǎn)量明顯降低。本文在研究多裂縫系統(tǒng)氣藏開發(fā)地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上,認(rèn)為上三疊統(tǒng)多裂縫系統(tǒng)砂巖氣藏不存在連通范圍較大的邊底水體,與氣藏相關(guān)的地層水體能量有限,基本不具備侵入氣藏并大量產(chǎn)出的能力。氣井見水或測試產(chǎn)水主要受控于被水體分隔的天然氣膨脹驅(qū)動,產(chǎn)水量越多則表明被水體分隔的天然氣儲量越大。和四川盆地中二疊統(tǒng)裂縫-溶洞型儲層類似,隔氣式氣驅(qū)水模式普遍存在[1],這是局限封閉性小水體氣藏高產(chǎn)水的實質(zhì)所在。

1 氣藏基本地質(zhì)特征

四川盆地中部基底剛硬、褶皺平緩,低緩穹隆區(qū)主要分布有遂南、磨溪、龍女寺、蓬萊鎮(zhèn)、潼南等NE-NEE向的穹隆狀低緩構(gòu)造。上三疊統(tǒng)砂巖為灰白色長石石英砂巖,砂層厚度均為100 m左右。遂南構(gòu)造巖心分析孔隙度為3.99%～6.09%,平均滲透率為0.49×10-3μ m2,含水飽和度高達(dá)53%。裂縫不發(fā)育部位的氣井采用加砂壓裂也難以投產(chǎn),天然裂縫發(fā)育對氣井產(chǎn)能有重要控制作用[2]。獲得高產(chǎn)的氣井在鉆井過程中普遍具有井噴、井漏、放空現(xiàn)象,或巖屑中可見次生的方解石、石英晶體,裂縫發(fā)育是局部獲得工業(yè)性天然氣產(chǎn)能的必要條件[3]?，F(xiàn)有開發(fā)資料表明,川中低緩穹隆區(qū)的遂南、磨溪、龍女寺、蓬萊鎮(zhèn)等構(gòu)造發(fā)現(xiàn)的裂縫-孔隙型氣藏受裂縫分布空間非均質(zhì)性影響,井間連通性很差,如在遂南構(gòu)造投產(chǎn)的11口氣井中的各井表現(xiàn)出不同的開采特征,各井均可看成是獨立的開發(fā)單元[2]。

通常把地下由裂縫溝通的儲集體稱為裂縫系統(tǒng)。在同一裂縫系統(tǒng)中地層流體之間具有壓力連通關(guān)系,而裂縫系統(tǒng)之間為致密巖體分隔,開發(fā)上基本沒有連通關(guān)系。相對于整裝氣藏而言,一般將其稱為多裂縫系統(tǒng)氣藏。由于裂縫發(fā)育規(guī)模有限,裂縫系統(tǒng)控制的空間范圍不大,各系統(tǒng)間儲量差別也很大,裂縫系統(tǒng)是天然氣開發(fā)的最小單元。

2 氣水分布和產(chǎn)水能量分析

2.1 復(fù)雜氣水分布特征

多裂縫系統(tǒng)氣藏的氣井出水是各井開發(fā)中的普遍現(xiàn)象,有些井投產(chǎn)即出水,有些井可以有較長的無水采氣期。構(gòu)造上沒有統(tǒng)一的氣水界面,遂南構(gòu)造各鉆井投產(chǎn)前的產(chǎn)液情況如圖1[3]。遂8井為高產(chǎn)氣井產(chǎn)純氣,測試段最低海拔高度為-1 972.02 m;而遂12井測試段最低海拔高度為-1 872.37 m,較遂8井高100 m卻產(chǎn)氣水：各井均為相對獨立沒有連通關(guān)系的開發(fā)單元。磨溪、龍女寺、蓬萊鎮(zhèn)等構(gòu)造氣水產(chǎn)出具有類似特征。

通常油氣藏開發(fā)中隨著地層壓力降低,邊底水侵入導(dǎo)致生產(chǎn)井見水。但要求邊底水在地層壓力降低的情況下有足夠的膨脹量,一般邊底水體積要大于油藏體積10倍以上[4]。對氣藏而言,邊底水能夠向氣藏侵入則需要更大的水體體積。裂縫系統(tǒng)空間范圍的局限性決定了多裂縫系統(tǒng)氣藏內(nèi)不存在較大體積的邊底水,從而水體能量有限。圖1描述了各井的測試情況,并不能刻畫地下氣水關(guān)系。圖中所示的遂35、遂40和遂12井氣體下方的局限小水體因其有限的體積決定了水體能量不足,水體自身能量不可能侵入氣藏。測試不產(chǎn)水不代表裂縫系統(tǒng)中沒有水,各井投產(chǎn)后在經(jīng)過不同時間的產(chǎn)氣后均產(chǎn)水。

2.2 氣藏產(chǎn)水驅(qū)動能量分析

由于川中上三疊統(tǒng)砂巖氣藏為多個互不連通的裂縫系統(tǒng),決定了沒有大規(guī)模的連片邊底水體存在。開發(fā)中地層水礦化度保持穩(wěn)定,也證明了沒有外來地表水體補給。因此,裂縫系統(tǒng)中的水體均系規(guī)模不大的無源之水。氣井產(chǎn)水不能像常規(guī)氣藏那樣解釋為邊底水提供能量水侵。

綜合分析川中地區(qū)上三疊統(tǒng)砂巖氣藏中的產(chǎn)水驅(qū)動能量符合隔氣式氣驅(qū)水模式,在有限空間的封閉系統(tǒng)中,地層水產(chǎn)出主要依靠被水體分隔的天然氣膨脹驅(qū)動產(chǎn)出[1](圖2)。地下天然氣被地下水體分隔為若干個互不統(tǒng)一的儲氣空間,從能量傳導(dǎo)上可以簡化為氣井所在的儲氣空間和由水體分隔的其他儲氣空間。在氣井生產(chǎn)過程中,氣井所在的儲氣空間壓力下降。盡管地層水能量很小,且侵入氣藏的水量極有限,但是如果存在水體分隔的其他天然氣儲集空間,其中的天然氣膨脹必然驅(qū)動水體“侵入”氣藏,直至井底產(chǎn)出。由此建立的排水找氣理論在四川盆地中二疊統(tǒng)縫洞氣藏勘探開發(fā)中獲得成功。川中地區(qū)上三疊統(tǒng)砂巖氣藏與川南中二疊統(tǒng)碳酸鹽巖具有許多類似的開發(fā)地質(zhì)特征,均表現(xiàn)為相互不連通的有限空間的儲集系統(tǒng)、自生自儲的烴源特征、普遍氣水共存和超壓等等,因此,客觀上氣水產(chǎn)出具有相似的氣驅(qū)水方式。

圖1 遂南氣田上三疊統(tǒng)砂巖氣藏剖面圖[3]Fig.1 Section of the gas pool in the Upper Triassic sandstone in the Suinan gas field

圖2 隔氣式氣驅(qū)水示意圖[1]Fig.2 Scheme of water drive by compartment-gas

川中地區(qū)蓬基井可以作為在上三疊統(tǒng)砂巖多裂縫系統(tǒng)隔氣式氣驅(qū)水的典型代表,該井鉆至香溪群第四段時大量噴水不產(chǎn)氣。自1959年11月開始自噴生產(chǎn)鹵水制鹽,至1987年8月31日停噴,累計生產(chǎn)鹵水超過3.50×106m3;后為間噴期開采,1988年2月停噴后采用潛泵抽吸生產(chǎn);1987年以來井口天然氣量明顯增加,氣水比越來越高。通過30多年的采水,蓬基井由一口特大產(chǎn)水井變?yōu)榫吖I(yè)采氣價值的氣水同產(chǎn)井,氣水比不斷升高。該井地下儲集系統(tǒng)具有獨立性,產(chǎn)出大量氣水的動力主要來自于水體上方天然氣彈性膨脹[5,6]。

3 隔氣式氣驅(qū)水的氣水產(chǎn)出模式分析

通過川中多裂縫系統(tǒng)氣水開發(fā)過程分析,發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)井排水過程中地下氣水界面并不按照圖2的理想方式緩慢下降。由于地層水和天然氣的黏度存在顯著差異,在同樣壓力作用下,天然氣的流度要比地層水高出100倍左右[7]。在較大壓差開發(fā)條件下,被分隔空間的天然氣或多或少會突破底部水體竄入井底被采出,類似于具有氣頂?shù)挠筒卦诓捎蛪翰钸^大時的氣頂氣竄入。被水體分隔的天然氣是產(chǎn)水的驅(qū)動能量,產(chǎn)生氣竄是開發(fā)分隔天然氣的主要方式。

在隔氣式氣驅(qū)水情形下,影響開發(fā)過程中的氣水產(chǎn)量變化因素較多,例如：氣井所在的儲氣空間天然氣儲量大小決定了開發(fā)過程中的井底壓力下降的快慢;被水體分隔的其他儲集空間天然氣的儲量大小決定了其提供給邊底部水體侵入已開發(fā)空間的能量大小;分隔水體的體積和分隔阻力大小決定了分隔氣在井底壓力下降時竄入開發(fā)空間的難易程度;生產(chǎn)井的產(chǎn)量大小也直接影響了井底壓力下降值,壓力下降形成的壓降漏斗越大越易于產(chǎn)生氣竄。氣井產(chǎn)水可以概括為投產(chǎn)不產(chǎn)氣的原始產(chǎn)水井、投產(chǎn)即氣水同產(chǎn)井、氣井開發(fā)中見水和基本不出水的純氣井4種主要產(chǎn)水情形。下面討論各產(chǎn)水情形下的局限裂縫系統(tǒng)有限水體氣藏的氣水產(chǎn)出模式。

3.1 投產(chǎn)不產(chǎn)氣的原始產(chǎn)水井

鉆井位處裂縫系統(tǒng)含水空間,測試初期肯定產(chǎn)水。如果裂縫系統(tǒng)完全為水體充滿或水體上方天然氣儲量很小,則隨著水體的排出,水井壓力降落很快,并很快自然停噴。由于四川盆地上三疊統(tǒng)裂縫系統(tǒng)中的天然氣為砂體周圍的烴源巖就近運移成藏,在保存條件良好的情況下裂縫系統(tǒng)中普遍為氣水共存,完全沒有天然氣的裂縫系統(tǒng)可能性很小。

如果水體上方的天然氣儲量較大,則在產(chǎn)水過程中地層壓力降落較慢,這種情況下可以通過排水獲得天然氣[1]。在分隔水體水量較大時可能會較長期產(chǎn)水,如蓬基井排水3.50×106m3后才開始?xì)馑a(chǎn)。但在分隔水體阻力較小時可能水井會較快地變?yōu)闅馑a(chǎn)。開發(fā)方式對實現(xiàn)水井變?yōu)闅馑a(chǎn)井也有很大影響,低產(chǎn)量生產(chǎn)以產(chǎn)水為主不產(chǎn)氣,提高壓差則為上方儲氣空間天然氣竄入提供了條件,水井將很快變?yōu)闅馑a(chǎn)。

遂37井位于遂南構(gòu)造的較低部位(圖1),其鉆井、測試和開發(fā)過程表現(xiàn)出了一個氣水產(chǎn)出的復(fù)雜過程。遂37井鉆進(jìn)2 382.5 m中蹩跳鉆現(xiàn)象嚴(yán)重,巖屑中見透明、自形晶石英晶簇,于遲到時間見泥漿出口氣水浸;鉆至2 388.24 m停鉆觀察中發(fā)生井噴,噴出物呈白色霧狀,以水為主帶氣和油,估計放噴累產(chǎn)水514 m3。該井1979年5月完鉆,洗井后放噴產(chǎn)鹽水,測試日產(chǎn)鹽水173 m3。當(dāng)時鹽水問題無法解決,被迫停止試油并關(guān)井。

遂37井從1984年12月～1988年12月期間一直只產(chǎn)鹽水供鹽廠制鹽,月產(chǎn)水量 337～795.9 m3;此期間累計產(chǎn)鹽水24 978 m3,基本不產(chǎn)氣。1988年底至1989年2月,對該井進(jìn)行試油,除原產(chǎn)層外,補充射孔井段為香二(2 347～2 343 m)、香四(2 239～2 229 m),測試結(jié)果為氣水同產(chǎn),產(chǎn)氣13 860 m3/d,產(chǎn)水408 m3/d。1989年3月份開井后一直氣水同產(chǎn)。該井在試油中射開了香二和香四段,但油氣水性質(zhì)分析認(rèn)為產(chǎn)層應(yīng)屬于原產(chǎn)水的香二段。

從該井的整體生產(chǎn)特征(圖3)分析,井筒鉆在裂縫系統(tǒng)的含水部位,在水體上方存在一個或多個被水體分隔的含氣空間;由于能量充足滲透性好,鉆井中發(fā)生井噴,噴出物以水為主并有水體上方的天然氣竄入。后從1984年開始持續(xù)產(chǎn)水至1988年12月,由于受鹽廠生產(chǎn)能力限制產(chǎn)水量較低,近4年的排水制鹽過程相當(dāng)于緩慢排水,井口壓力穩(wěn)定,表明能量充沛。水體上方的天然氣是產(chǎn)水的動力,但分隔的氣體因井底壓降較小不具備突破水體竄入井底的條件,因而只能使得儲集系統(tǒng)中的氣水界面緩慢下降。1989年初進(jìn)行的射孔測試中,加大了地層產(chǎn)水量,井底壓力下降快,為水體上方天然氣突破水體竄入井底創(chuàng)造了條件。可以推論,如該井在井噴時即大排量連續(xù)產(chǎn)出水,分隔氣很快就可以突破水體。同樣,蓬基井早期若加大排水也會早日實現(xiàn)氣水同產(chǎn)。

3.2 試油或投產(chǎn)時的氣水同產(chǎn)井

根據(jù)井孔儲層在裂縫系統(tǒng)中的位置和氣水空間相對大小變化,川中地區(qū)多裂縫系統(tǒng)氣藏中的試油或投產(chǎn)即為氣水同產(chǎn)井有2種驅(qū)動模式。

第1種情況是鉆井位處天然氣儲量較小的含氣空間,被水體分隔的儲氣空間儲量較大并且與井底連通較好,控制壓差小產(chǎn)量開發(fā)則產(chǎn)氣,提高壓差則氣水同產(chǎn)。以白廟構(gòu)造廟4井的生產(chǎn)過程(圖4)為例,該井產(chǎn)層段1 968～1 976 m鉆進(jìn)中一直有跳鉆現(xiàn)象,見有較多的次生方解石晶粒,起鉆發(fā)生強(qiáng)烈井噴,噴出物主要為天然氣和地層水。完井后于1979年1月6～7日測試,氣產(chǎn)量為7.46×104m3/d,水產(chǎn)量為110 m3/d。井噴和測試過程中累計產(chǎn)氣量為1.12×106m3,累計產(chǎn)水量約為1 860 m3,試油后一直關(guān)井。1989年7月投產(chǎn)后,因用戶消耗氣量限制,不能全天開足生產(chǎn),每天只生產(chǎn)8 h左右,至1989年11月一直低產(chǎn)量產(chǎn)純氣,12月起斷續(xù)產(chǎn)水。

該井在強(qiáng)烈井噴以及其后的試油過程中,相當(dāng)于大產(chǎn)量開采,井底壓力下降快,水體分隔的天然氣驅(qū)動水體進(jìn)入井底產(chǎn)出表現(xiàn)為氣水同產(chǎn)。長期關(guān)井后投產(chǎn)以小產(chǎn)量間隙產(chǎn)氣為主,每天的關(guān)井必然使井底壓降減小。這樣的開發(fā)過程只能使已開發(fā)空間氣水界面緩慢上升,被分隔的儲氣空間氣水界面緩慢下降。因此,盡管試油氣水同產(chǎn),但小產(chǎn)量開發(fā)時可以產(chǎn)純氣。

圖3 遂37井采氣曲線Fig.3 The performance curve of Well Sui 37

圖4 廟4井采氣曲線Fig.4 The performance curve of Well Miao 4

隨著開發(fā)氣產(chǎn)量的加大,同時已開發(fā)儲氣空間天然氣能量逐漸降低,被水體分隔空間的天然氣能量補給明顯,可以驅(qū)動底水進(jìn)入井底產(chǎn)出,并有分隔空間的天然氣突破水體竄入井底產(chǎn)出,此時氣井帶水能力加大,因此氣水產(chǎn)量提高,顯示出“水侵”假象。當(dāng)開采到一定程度時,起分隔作用的水體阻力越來越小,分隔氣不僅能進(jìn)行能量補給,能突破水體產(chǎn)出的天然氣量不斷增加,水氣比自然逐漸降低,表現(xiàn)出分隔式氣驅(qū)水的特征。

第2種情況是井孔儲層位處裂縫系統(tǒng)的含水部分,水體上方存在被分隔的天然氣儲存空間,儲氣空間與井底連通較好,控制壓差小產(chǎn)量開采則產(chǎn)水,提高壓差則氣水同產(chǎn)。第2種的典型實例是鉆于1978年的遂12井,該井投產(chǎn)前試油期間累計產(chǎn)氣0.22×106m3,累計產(chǎn)水161.81 m3,試油結(jié)果為氣水同產(chǎn)。試油后從1978年6月～1988年5月關(guān)井期間,井口油套壓持續(xù)降低(圖5)。但是1978年6月的地層壓力(30.81 MPa)與1988年6月的地層壓力(30.88 MPa)相比并沒有下降,說明關(guān)井期間井口壓力下降與井筒內(nèi)液柱調(diào)整有關(guān),證明了該井實際上鉆在地下儲集系統(tǒng)的含水部位。試油過程中井筒附近被水體分隔的天然氣突破水體氣竄產(chǎn)出。

3.3 開發(fā)中的見水井

對于水體不大的多裂縫系統(tǒng)氣藏而言,氣井開發(fā)一段時間后見水,應(yīng)該理解為隔氣式氣驅(qū)水。如果鉆井所在的儲氣空間天然氣儲量較小,被水體分隔的其他儲氣空間中天然氣儲量較大時,氣井投產(chǎn)尤其是開發(fā)強(qiáng)度較大時,容易在井底產(chǎn)生明顯壓降,底部水體在被分隔的天然氣驅(qū)動下向氣井所在儲氣空間侵入。這種情況下氣井無水開發(fā)時間較短,很快變?yōu)闅馑a(chǎn)。

如果分隔水體阻力較小,則出現(xiàn)一段水侵假象后,分隔空間天然氣易于產(chǎn)生氣竄,井口產(chǎn)量變?yōu)樗贇舛?在分隔水體較小時甚至有望在一段時間氣水同產(chǎn)后變?yōu)榧儦饩?。如果分隔水體阻力較大,被分隔的天然氣只能提供驅(qū)水能力,但不能突破分隔水體進(jìn)入井筒產(chǎn)出,則井口含水逐漸升高并最終出現(xiàn)水淹,其特征與存在較大能量邊底水氣藏的常規(guī)水侵類似。

3.4 基本不出水的純氣井

當(dāng)裂縫系統(tǒng)中沒有被水體分隔的其他天然氣儲氣空間時,氣井以產(chǎn)氣為主。如果裂縫系統(tǒng)中底水體積較大,在開發(fā)后期可能見少量水,但很難產(chǎn)出大量水。如果鉆井所在儲氣空間的天然氣儲量較大,但存在的水體分隔儲氣空間天然氣儲量較小時,也基本不會產(chǎn)出地層水。在這種情況下,可能存在水侵,但水侵能量很小,侵入水基本不影響裂縫系統(tǒng)天然氣開發(fā)。氣藏開發(fā)應(yīng)遵循純氣藏衰竭式進(jìn)行。

圖5 遂12井采氣曲線Fig.5 The performance curve of Well Sui 12

4 結(jié)論

四川盆地中部上三疊統(tǒng)砂巖裂縫儲層橫向上連通性較差,地下裂縫系統(tǒng)之間具有相互分隔性。氣藏不存在連通范圍較大的邊底水體,與氣藏相關(guān)的地層水體能量有限,水體本身基本不具備侵入氣藏并大量產(chǎn)出的能力。氣井開發(fā)中見水或測試產(chǎn)水主要受控于被水體分隔的天然氣膨脹驅(qū)動,隔氣式氣驅(qū)水是氣井產(chǎn)水的主要驅(qū)動方式,產(chǎn)水量越多則表明被水體分隔的天然氣儲量越大。所以對于水井應(yīng)該積極排水獲得水體上方或被水體分隔的天然氣。

隔氣式氣驅(qū)水主要表現(xiàn)為直接驅(qū)動水體進(jìn)入氣藏或井底,在水體阻力較小時隔氣空間的天然氣能夠突破水體產(chǎn)生氣竄進(jìn)入井底,增加氣井帶水能力,是產(chǎn)水過程中氣產(chǎn)量逐漸增加的重要原因。如果不能形成氣竄,則會表現(xiàn)為以產(chǎn)水為主的常規(guī)水侵特征。提高氣井排水能力,降低水體阻力,增大隔氣儲集空間天然氣和井底的壓差,是開發(fā)措施上增加氣竄機(jī)會的關(guān)鍵,也是提高有水氣藏采收率的主要措施之一。

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