靖邊氣田儲(chǔ)層水鎖對(duì)氣井產(chǎn)能影響分析

楊瓊警（中石油長(zhǎng)慶油田分公司氣田開(kāi)發(fā)處，陜西 西安 710018）

王亞蘭（中國(guó)石油測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部，陜西 西安 710201）

盧蜀秀，唐鐵柱（中石油長(zhǎng)慶油田分公司氣田開(kāi)發(fā)處，陜西 西安 710018）

王軍杰，何亞寧，王旭（中石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，陜西 靖邊 718500）

1 靖邊氣田儲(chǔ)層水鎖傷害分析

靖邊氣田井筒及近井地帶中的水主要有3個(gè)來(lái)源：一是鉆井、試氣、修井時(shí)的水基工作液；二是生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)出的地層水；三是天然氣中析出的凝析液。無(wú)論是哪種原因產(chǎn)生的水，如果不能及時(shí)排出而聚積于井筒，都會(huì)使得近井筒儲(chǔ)層的含水飽和度上升而引起儲(chǔ)層氣相滲透率的降低，造成水鎖。

圖1是一個(gè)水鎖過(guò)程示意圖。從圖1中可看出：初始含水飽和度Swi低于束縛水飽和度Swirr，當(dāng)含水飽和度Sw從Swi增加到Swirr時(shí)，氣相滲透率Krg顯著降低。而當(dāng)含水飽和度Sw繼續(xù)增加，超過(guò)Swirr以后，氣相滲透率Krg降低速度減小。有學(xué)者將含水飽和度在達(dá)到束縛水飽和度Swirr之前形成的水鎖稱(chēng)之為永久性水鎖，含水飽和度在達(dá)到束縛水飽和度Swirr之后形成的水鎖稱(chēng)之為暫時(shí)性水鎖。只要地層能量足，暫時(shí)性水鎖靠天然氣返排可以解除，能夠?qū)⒑柡投茸畲蠼抵潦`水飽和度，但不能降至初始含水飽和度（假設(shè)初始飽和度小于含水飽和度的情況）。由圖1也可以看出，儲(chǔ)層水鎖傷害主要由永久性水鎖造成［1］。引起水鎖的原因主要有兩點(diǎn)：液相滯留作用和毛細(xì)管力自吸作用。氣井作業(yè)過(guò)程產(chǎn)生液相的滯留和聚集，是造成水鎖傷害的一個(gè)重要因素。當(dāng)初始含水飽和度Swi低于束縛水含水飽和度Swirr時(shí)，儲(chǔ)層處于亞束縛水狀態(tài)，有過(guò)剩的毛細(xì)管壓力存在，當(dāng)外來(lái)流體進(jìn)入時(shí)，被吸入到孔隙空間中，這是形成水鎖的另一重要因素。

圖2和圖3為靖邊氣田下古生界馬家溝組五段的3塊巖樣毛細(xì)管自吸試驗(yàn)曲線圖。編號(hào)為60、52、16的3塊巖樣的滲透率：K60＜K52＜K16。從圖2中可以看出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)自吸率明顯降低，同時(shí)巖石滲透率越低自吸率降低越快，說(shuō)明儲(chǔ)層越致密越容易發(fā)生水鎖傷害。圖3顯示，自吸量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，說(shuō)明井筒積液時(shí)間越長(zhǎng)，自吸量越大，水鎖程度越嚴(yán)重，所以應(yīng)盡量減少井筒積液時(shí)間，及時(shí)采取措施排液。

圖1 水鎖傷害示意圖

圖2 巖樣毛細(xì)管自吸速率曲線圖

圖3 巖樣毛細(xì)管自吸量曲線圖

低滲透致密氣藏開(kāi)發(fā)中，水鎖效應(yīng)對(duì)滲透率造成傷害已經(jīng)形成共識(shí)，但定量評(píng)價(jià)方法沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程。靖邊氣田按照Q／CNPC－CY567—2004 《碳酸鹽巖儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》對(duì)中奧陶統(tǒng)馬家溝組五段第1層的第3亞層（用符號(hào)表示為）的碳酸鹽巖儲(chǔ)層和二疊系石盒子組八段（用符號(hào)表示為Psh8）砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行了水鎖傷害測(cè)試，通過(guò)水鎖傷害率對(duì)儲(chǔ)層水鎖傷害程度進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。水鎖傷害率按下式計(jì)算：

式中：Dkl為水鎖傷害率，%；Ka1、Ka2分別為水鎖傷害前和傷害后的巖樣氣測(cè)克氏滲透率，mD。

試驗(yàn)方法：采取先測(cè)定干巖樣滲透率，用模擬地層水抽空飽和后在恒定的進(jìn)口壓力下進(jìn)行氣驅(qū)水，直至巖心夾持器出口端無(wú)水流出為止，然后測(cè)定巖心水堵?lián)p害后的氣測(cè)克氏滲透率。

試驗(yàn)條件：模擬地層水礦化度為50000mg／L，試驗(yàn)溫度為16℃。

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，低滲透儲(chǔ)層水鎖傷害比較嚴(yán)重。

表1 水鎖傷害性測(cè)試數(shù)據(jù)表

2 水鎖對(duì)氣井產(chǎn)能的影響

2.1 水鎖對(duì)氣井產(chǎn)能影響的理論公式推導(dǎo)

水鎖效應(yīng)產(chǎn)生后，水相滲透率上升、氣相滲透率降低，必然導(dǎo)致氣井產(chǎn)能下降。如何定量分析水鎖對(duì)產(chǎn)能的影響程度，首先從分析氣井產(chǎn)能方程開(kāi)始。

氣井?dāng)M穩(wěn)定狀態(tài)流動(dòng)時(shí)的產(chǎn)能公式如下：

式中：pR為地層壓力，MPa；pwf為井底流壓，MPa；qg為日產(chǎn)氣量，104m3；μ為流體黏度，mPa·s；Z為天然氣偏差因數(shù)，1；K為滲透率，mD；h為儲(chǔ)層有效厚度，m；γg為天然氣相對(duì)密度，1；β為描述孔隙介質(zhì)紊流影響的系數(shù)，稱(chēng)為速度系數(shù)，m－3；re為泄油半徑，m；rw為井底半徑，m；S為表皮因數(shù)，1；T為氣層溫度，K。

在擬穩(wěn)定狀態(tài)流動(dòng)時(shí)的產(chǎn)能公式中，A被稱(chēng)作層流項(xiàng)系數(shù)，B被稱(chēng)作紊流項(xiàng)系數(shù)。式（2）表明天然氣流動(dòng)時(shí)的地層能耗主要由達(dá)西流產(chǎn)生的能耗（式（2）等號(hào)右邊第1項(xiàng)）和非達(dá)西流產(chǎn)生的能耗（式（2）等號(hào)右邊第2項(xiàng)）組成。在天然氣由地層流向井筒的過(guò)程中，越近井筒，垂直于流動(dòng)方向的流通斷面越來(lái)越小，滲流速度越來(lái)越大，井筒周?chē)母咚贊B流相當(dāng)于紊流流動(dòng)，非達(dá)西流產(chǎn)生的附加壓降主要發(fā)生在井壁附近。儲(chǔ)層發(fā)生水鎖后，主要集中在井筒附近，井筒周?chē)鷥?chǔ)層滲透率降低，而外圍儲(chǔ)層不受傷害，儲(chǔ)層的氣相滲透率沒(méi)有變化。這樣內(nèi)、外滲透率有別，可以當(dāng)作復(fù)合模型來(lái)處理，內(nèi)區(qū)為R1，外區(qū)為R2（圖4所示），內(nèi)區(qū)滲透率K1，外區(qū)滲透率K2＝K［1］。氣井中的流體流動(dòng)達(dá)到擬穩(wěn)態(tài)時(shí)，外區(qū)R2的滲流可以忽略表皮因數(shù)和非達(dá)西流的影響，其產(chǎn)能方程為：

圖4 儲(chǔ)層水鎖后的平面徑向滲流模型

式中：pr為水鎖地層壓力，MPa；pd為內(nèi)區(qū)地層壓力，MPa。

內(nèi)區(qū)R1近似為非達(dá)西穩(wěn)定滲流，產(chǎn)能方程為：

式（6）、（7）相加，即為水鎖后全井產(chǎn)能方程：

式中：rd為內(nèi)區(qū)R1的半徑，m；β1為內(nèi)區(qū)的非達(dá)西流動(dòng)系數(shù)，m－3。

由式（9）、（10）和式（3）可得：

由式（11）、（12）、（4）、（5）可得：

當(dāng)pwf為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，由式（8）求得水鎖后的無(wú)阻流量公式為：

由式（14）、（16）得知，水鎖后影響氣井產(chǎn)能的兩個(gè)主要因素：一是水鎖區(qū)氣相滲透率，二是水鎖區(qū)（內(nèi)區(qū)）半徑大小。

2.2 實(shí)例分析

以靖邊氣田的X井為例。該井原始地層壓力pi為30.484MPa，井底半徑為0.08m，修正等時(shí)試井建立的穩(wěn)定二項(xiàng)式產(chǎn)能方程為：

求得qAOF＝9.92×104m3／d。試井解釋?zhuān)罕砥ひ驍?shù)S＝－1.65，影響半徑re＝840m。

水鎖產(chǎn)生后，估算水鎖范圍100m，水鎖區(qū)滲透率由巖心試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知滲透率降低了50%（即K1＝0.5 K ）。根據(jù)式（14）、（16）分別計(jì)算出：A1＋A2＝91.798，B1＝12.182。水鎖后的產(chǎn)能方程為：

為了分析水鎖區(qū)氣相滲透率和水鎖區(qū)半徑單因素變化對(duì)產(chǎn)能的影響程度，仍以X井為例作兩個(gè)假設(shè)：一是假設(shè)水鎖半徑不變（即rd＝100m），而氣相滲透率下降到原來(lái)的80%、60%、40%時(shí)，氣井產(chǎn)能的變化；二是假設(shè)水鎖區(qū)滲透率不變（K1＝0.5 K），而水鎖半徑在10、50、100m時(shí)氣井產(chǎn)能的變化。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 水鎖區(qū)滲透率對(duì)氣井產(chǎn)量影響曲線圖

圖6 水鎖區(qū)半徑對(duì)氣井產(chǎn)量影響曲線圖

由圖5可以明顯看出，氣井產(chǎn)能隨水鎖區(qū)儲(chǔ)層滲透率降低而變小，且降低幅度較大。圖6顯示，水鎖一旦形成氣井產(chǎn)能急劇下降，但水鎖半徑變化對(duì)氣井產(chǎn)能影響較小。所以水鎖產(chǎn)生后，主導(dǎo)氣井產(chǎn)能降低的主要因素為氣相滲透率的變化。

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）井筒積液的長(zhǎng)期存在會(huì)造成氣井不同程度的儲(chǔ)層水鎖，對(duì)于低滲儲(chǔ)層水鎖效應(yīng)越嚴(yán)重。

2）儲(chǔ)層水鎖會(huì)大大降低氣井的產(chǎn)氣能力。

3）水鎖區(qū)滲透率的降低是影響氣井產(chǎn)能減小的主要因素。

［1］李士倫 .天然氣工程 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.

［2］郝玉鴻，李治平 .地層產(chǎn)水影響氣井產(chǎn)能的定量分析 ［J］.油氣井測(cè)試，1998，7（4）：11～13.