裂縫性氣藏水侵機(jī)理物理模擬

沈偉軍 ，李熙喆，劉曉華，陸家亮，焦春艷

(1. 中國科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所，河北 廊坊，065007；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京，100190；3. 中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊，065007)

裂縫性氣藏作為一種特殊復(fù)雜氣藏，在國內(nèi)外已發(fā)現(xiàn)的氣藏中占有相當(dāng)大的比例，在世界天然氣中起著非常重要的作用[1-3]。隨著我國天然氣勘探開發(fā)不斷加深，裂縫性氣藏的探明儲(chǔ)量和產(chǎn)量也在逐年增加。裂縫性氣藏因其復(fù)雜結(jié)構(gòu)比非裂縫氣藏的開發(fā)更為復(fù)雜。若存在邊底水，則一旦水沿裂縫通道向氣井竄流，造成部分氣體被水封隔，使氣井產(chǎn)量大幅降低甚至停產(chǎn)，這將嚴(yán)重影響氣藏的采收率和開發(fā)效益，給氣藏開發(fā)帶來極大的困難[4-9]。因此，為有效、合理地開發(fā)此類氣田，需研究裂縫性氣藏水侵機(jī)理。這對(duì)于提高氣藏采收率和開發(fā)效益具有重要的意義。近幾十年來，國內(nèi)外不少學(xué)者在裂縫性氣藏水侵機(jī)理方面做了不少工作。Persoff 等[10-13]采用激光刻蝕技術(shù)制成透明微觀玻璃板物理模型來觀察氣水兩相在裂縫性地層中的水竄、繞流和卡斷等3 種微觀滲流現(xiàn)象，分析裂縫性地層中氣水兩相的滲流機(jī)理，證明裂縫性地層中氣水兩相的滲流具有不連續(xù)性的特征，但對(duì)裂縫性氣藏水侵機(jī)理認(rèn)識(shí)尚不清楚，且研究主要通過微觀玻璃模型來認(rèn)識(shí)，這與宏觀真實(shí)巖心存在一定差別。因此，為更好地認(rèn)識(shí)裂縫性底水氣藏水侵機(jī)理，本文通過設(shè)計(jì)3種不同全直徑長巖心組合模型，采用建立的裂縫性氣藏水侵動(dòng)態(tài)物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行底水氣藏水侵動(dòng)態(tài)規(guī)律及其影響因素模擬，研究不同模型在不同底水、配產(chǎn)、壓力條件下的水侵機(jī)理，分析裂縫大小、水體大小、單井配產(chǎn)等因素對(duì)氣井生產(chǎn)的影響。通過分析認(rèn)為裂縫寬度、底水大小、單井配產(chǎn)等因素均對(duì)氣井生產(chǎn)產(chǎn)生了不同程度的影響，在開發(fā)過程中應(yīng)充分考慮各種因素的影響，以達(dá)到科學(xué)、高效開發(fā)的目的。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由圍壓泵、水泵、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⑴洚a(chǎn)或生產(chǎn)壓差控制裝置等部分組成，如圖1 所示。流程中全直徑巖心夾持器可放入不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑲庠从脕盹柡蛶r心樣品，模擬氣藏初始狀態(tài)，水泵用來模擬底水，三通閥來切換氣水通道，壓力傳感器記錄各處壓力，圍壓泵模擬圍壓，控制流量計(jì)能夠控制氣體的流量，模擬不同氣井產(chǎn)量，整個(gè)過程的數(shù)據(jù)采集可以通過計(jì)算機(jī)來完成。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭苽?/p>

圖1 裂縫性氣藏水侵物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of water invasion mechanism in fractured gas reservoirs

為研究不同條件下裂縫性底水氣藏的水侵動(dòng)態(tài)規(guī)律及其影響因素，制作了3 種不同條件下全直徑巖心組合模型(見圖2)。模型1(無裂縫)由3 塊不同巖心組合而成；模型2(小裂縫)由3 塊不同巖心經(jīng)過巖心開縫進(jìn)行組合；模型3(大裂縫)由3 塊不同巖心經(jīng)過巖心開縫后局部加沙填充再進(jìn)行組合。單塊巖心樣品直徑為9.92～10.01 cm，長度為18.76～20.78 cm， 孔隙度為9.8%～12.9%，滲透率為0.14～0.19 mD 之間。以實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ? 為例，樣品選自某地區(qū)天然全直徑巖心，巖心經(jīng)過開縫(局部加沙填充)后進(jìn)行組合，其處理效果見圖3。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖2 不同模型示意圖Fig.2 Schemes of different models

首先，模擬定容封閉氣藏開發(fā)，巖心飽和氮?dú)庵?5 MPa，關(guān)閉氣源，打開可控氣體流量計(jì)定流量生產(chǎn)模擬，記錄進(jìn)出口壓力的變化過程至該氣藏生產(chǎn)枯竭停止。

其次，模擬不同底水氣藏開發(fā)，重新飽和氮?dú)庵脸跏紶顟B(tài)25 MPa，關(guān)閉氣源，打開水泵，設(shè)定模擬存在20 倍、無限大底水，打開可控氣體流量計(jì)定流量生產(chǎn)模擬，記錄進(jìn)出口壓力變化及泵的泵液量(水侵量)至該氣藏生產(chǎn)枯竭停止，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

最后，通過更換不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图安煌瑝毫Υ笮砟M不同性質(zhì)的氣藏開發(fā)，改變可控氣體流量計(jì)的流量來模擬不同采氣速度等條件來開發(fā)氣藏。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同裂縫模型對(duì)氣井生產(chǎn)的影響

不同裂縫模型對(duì)氣井生產(chǎn)的影響模擬結(jié)果分別如圖4 和圖5 所示。由圖4 可見：在相同采收率下，裂縫滲透率大的模型，對(duì)應(yīng)的水氣比高，氣藏最終采收率低。由圖5 可見：隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，裂縫大的模型對(duì)應(yīng)的累積產(chǎn)氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小裂縫、無裂縫模型的累積產(chǎn)氣量。這說明隨著裂縫增大，儲(chǔ)層滲流系統(tǒng)更加暢通，流體的導(dǎo)流能力隨之提高，底水的活動(dòng)也相應(yīng)增強(qiáng)，氣井的水侵速度隨之加快，氣井無水生產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)期隨之縮短，導(dǎo)致最終采收率降低。因此，裂縫滲透率對(duì)氣井生產(chǎn)影響很大。

2.2 不同底水大小對(duì)氣井生產(chǎn)的影響

不同底水大小對(duì)氣井生產(chǎn)的影響模擬結(jié)果分別如圖6 和圖7 所示。由圖6 可見：有無底水對(duì)氣藏采收率影響很大，無底水氣藏采收率很高，有水體氣藏采收率較低，而底水大小超過一定程度，底水大小影響幅度不大(也就是20 倍底水與100 倍無限大底水生產(chǎn)差別不大)。由圖7 可見：隨著氣藏水體的增大，在單井配產(chǎn)產(chǎn)能不變的情況下，模擬前期氣井累積產(chǎn)量趨于一致；隨著生產(chǎn)進(jìn)行，氣藏水體越大，底水能量越充足，氣井產(chǎn)水上升相對(duì)較快，水氣比較高，累積產(chǎn)氣量逐漸變緩，導(dǎo)致最終采收率降低。

圖4 不同裂縫水氣體積比與采出程度關(guān)系Fig.4 Relation between water-gas volume ratio and gas recovery factor for different fractured models

圖5 不同裂縫累積產(chǎn)氣量與時(shí)間關(guān)系Fig.5 Relation between cumulative gas production and time for different fractured models

圖6 不同底水水氣體積比與采出程度關(guān)系Fig.6 Relation between water-gas volume ratio and gas recovery factor for different bottom water sizes

圖7 不同底水累積產(chǎn)氣量與時(shí)間關(guān)系Fig.7 Relation between cumulative gas production and time for different bottom water sizes

2.3 不同壓力(P)大小對(duì)氣井生產(chǎn)的影響

不同壓力對(duì)氣井生產(chǎn)的影響模擬結(jié)果分別如圖8和圖9 所示。由圖8 可見：在裂縫性底水氣藏中，氣藏壓力越大，最終采收率越低，在相同采收率下，氣藏壓力大的模型，對(duì)應(yīng)的水氣比高。由圖9 可見：模擬前期，不同壓力氣藏累計(jì)產(chǎn)氣量趨于一致，但隨著生產(chǎn)進(jìn)行，累積產(chǎn)氣量差異大。說明氣藏壓力對(duì)氣井生產(chǎn)影響很大，氣藏壓力大，對(duì)應(yīng)水氣比較高，最終采收率低。

圖8 不同壓力水氣體積比與采出程度關(guān)系Fig.8 Relation between water-gas volume ratio and gas recovery factor for different reservoir pressures

圖9 不同壓力累積產(chǎn)氣量與時(shí)間關(guān)系Fig.9 Relation between cumulative gas production and time for different reservoir pressures

2.4 不同單井配產(chǎn)(Q)對(duì)氣井生產(chǎn)的影響

不同單井配產(chǎn)對(duì)氣井生產(chǎn)的影響模擬結(jié)果分別如圖10 和圖11 所示。由圖10 可見：隨著單井配產(chǎn)增加，底水的活動(dòng)能力隨之加強(qiáng)，底水錐進(jìn)的速度相應(yīng)加強(qiáng)，無水生產(chǎn)時(shí)間、最終采收率等開發(fā)指標(biāo)均有所下降，但變化幅度不大。由圖11 可見：模擬前期，單井配產(chǎn)高的模型累積產(chǎn)氣量大，但隨著生產(chǎn)進(jìn)行，當(dāng)配產(chǎn)Q=4 000 mL/min 時(shí)，累積產(chǎn)量逐漸變緩。這主要是由于配產(chǎn)過大導(dǎo)致底水沿著裂縫錐進(jìn)速度加大，氣井開始大量產(chǎn)水，從而累積產(chǎn)量逐漸變緩，最終氣藏采收率降低。

圖10 不同配產(chǎn)水氣體積比與采出程度關(guān)系Fig.10 Relation between water-gas volume ratio and gas recovery factor for different gas productions

圖11 不同配產(chǎn)累積產(chǎn)氣量與時(shí)間關(guān)系Fig.11 Relation between cumulative gas production and time for different gas productions

3 結(jié)論

1) 裂縫性底水氣藏開發(fā)中，裂縫滲透率影響氣井穩(wěn)產(chǎn)期、采收率等開發(fā)指標(biāo)。裂縫滲透率越大，底水侵入氣井速度越快，從而氣井無水生產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)期縮短，造成氣藏最終采收率大幅降低。

2) 有無底水對(duì)裂縫性氣藏氣井生產(chǎn)影響很大，而底水大小超過一定程度(20 倍底水)，底水大小對(duì)氣井生產(chǎn)變化幅度不大。

3) 氣藏壓力對(duì)氣井生產(chǎn)影響很大，氣藏壓力大，水侵速度越快，從而對(duì)應(yīng)水氣比越高，最終采收率越低。

4) 底水錐進(jìn)速度受單井配產(chǎn)的影響，單井配產(chǎn)增加，底水錐進(jìn)速度加強(qiáng)，氣藏采收率降低但整體變化幅度不大。

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