多層合采氣藏分層儲量動用特征及判定方法

徐 軒，朱華銀，徐 婷，郭 輝，閆永強

(1.中國礦業(yè)大學(xué)，北京 100083；2.中油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；3.中油長慶油田分公司，陜西 靖邊 715800；4.中油大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163000)

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多層合采氣藏分層儲量動用特征及判定方法

徐 軒1，2，朱華銀2，徐 婷3，郭 輝2，閆永強4

(1.中國礦業(yè)大學(xué)，北京 100083；2.中油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；3.中油長慶油田分公司，陜西 靖邊 715800；4.中油大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163000)

針對多層氣藏合采過程中分層產(chǎn)氣量差異大、儲量動用不均衡的問題，運用物理實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，系統(tǒng)、定量地研究了層間非均質(zhì)性和壓力系統(tǒng)差異對分層產(chǎn)氣量和儲量動用的影響，提出儲量動用均衡性的界定方法，即分層累計產(chǎn)氣量貢獻率比值小于3∶2為儲量動用較均衡；分層累計產(chǎn)氣量貢獻率比值大于3∶2而小于3∶1為儲量動用欠均衡；分層累計產(chǎn)氣量貢獻率比值大于3∶1儲量動用不均衡。以此為依據(jù)，獲得了多層氣藏氣井分層儲量動用判定方法及判斷圖版。實例分析表明，利用此方法可在開發(fā)方案決策前對層間分層產(chǎn)氣量貢獻和儲量動用均衡性進行評估，為氣藏儲量動用評價提供技術(shù)支持。

多層合采；數(shù)值模擬；物理模擬；分層產(chǎn)氣量；儲量動用程度；分層累計產(chǎn)氣量貢獻率

1 研究方法

利用物理模擬方法獲得定性認識，利用數(shù)值模擬方法進行定量分析[1-5]。通過物理模擬實驗對數(shù)值模擬結(jié)果進行趨勢性比較驗證，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合2種研究成果，獲得規(guī)律性認識。

物理模擬實驗選取物性不同的2組全直徑巖心分裝入不同的巖心夾持器并飽和氣，形成不同滲透率儲層組合的模型，并聯(lián)后通過氣體流量控制器模擬多層氣藏定產(chǎn)氣量衰竭開采。

數(shù)值模型采用雙層無竄流均質(zhì)氣藏模型，模型的基本參數(shù)：孔隙度為8.5%，初始滲透率為0.1×10-3μm2，原始壓力為20 MPa，儲層有效厚度均為20 m，儲層滲透率和地層壓力根據(jù)研究目的和考慮因素不同而設(shè)計不同組合。模型網(wǎng)格數(shù)為41×41×3，模型中只有上下2層為目的層，中間層為不滲透隔層，總儲量為1.71×108m3，設(shè)置氣井定產(chǎn)2×104m3/d進行生產(chǎn)，生產(chǎn)年限為20 a。模擬先圍繞單一因素影響規(guī)律展開，在此基礎(chǔ)上綜合考慮多因素共同影響時的分層產(chǎn)氣量貢獻和儲量動用特征[6-10]。

2 多層合采氣藏儲量動用特征

2.1 層間非均質(zhì)性對儲量動用的影響

物理模擬實驗過程中分別測量各小層瞬時產(chǎn)氣量，得到合采生產(chǎn)曲線及分層累計產(chǎn)氣量貢獻率，如圖1、2所示。

圖1 不同物性氣層合采時生產(chǎn)曲線

圖2 不同物性氣層合采時累計產(chǎn)氣量貢獻率

由圖1可知，當存在物性差異的氣層合采時，初期高滲層產(chǎn)氣量遠高于低滲層，隨著生產(chǎn)的進行，高滲層產(chǎn)氣量逐漸下降而低滲層產(chǎn)氣量逐漸上升，說明初期低滲層受到抑制。由圖2可知，高滲層產(chǎn)氣量貢獻率始終高于低滲層，穩(wěn)產(chǎn)期末(約70 min時)低滲層產(chǎn)氣量貢獻率為35%，達到廢棄產(chǎn)氣量(30 mL/min)停止實驗時其產(chǎn)氣量貢獻率也僅為41%。由于2塊巖心儲量接近，表明存在物性差異產(chǎn)層合采時，低滲層儲量難以有效動用，動用程度明顯較高滲層差。

物理模擬實驗周期長，難于展開大量系統(tǒng)的研究，為此需結(jié)合數(shù)值模擬的方法進行進一步研究。通過大量的模擬計算，統(tǒng)計得到不同物性氣藏合采時累計產(chǎn)氣量貢獻率與儲層滲透率級差的關(guān)系，如圖3所示。第2層滲透率K2為0.1×10-3μm2不變時，隨著第1層滲透率K1的增大，第2層的產(chǎn)氣貢獻率逐漸減小，第1層產(chǎn)氣貢獻率逐漸增大，曲線以等值滲透率點為交點形成“剪刀形”，滲透率級差越大，層間產(chǎn)氣量貢獻率差異越大。

圖3 不同物性氣層合采時累計產(chǎn)氣量貢獻率

比較相同參數(shù)下數(shù)模與物理模擬實驗得到的結(jié)果(圖2對應(yīng)于圖3中K1/K2=2.5情形)，可見2者模擬結(jié)果雖然數(shù)值上不完全相同，但在總體趨勢上具有一致性，表明利用數(shù)值模擬方法進行多層合采氣藏儲量動用特征研究是合理、可行的。

以穩(wěn)產(chǎn)期層間累計產(chǎn)氣量貢獻率為依據(jù)，進行如下界定：

(1) 儲量動用較均衡。分層累計產(chǎn)氣量貢獻率比值小于3∶2(圖3中區(qū)域Ⅰ)，此時層儲量動用均衡，合采效果較好。

(2) 儲量動用欠均衡。分層累計產(chǎn)氣量貢獻率比值大于3∶2而小于3∶1(圖3中區(qū)域Ⅱ)，此時儲量動用欠均衡，合采效果一般。

(3) 儲量動用不均衡。分層累計產(chǎn)氣量貢獻率比值大于3∶1(圖3中區(qū)域Ⅲ)，此時儲量動用非常不均衡，合采效果較差。

這里對貢獻率比值范圍的劃定只是一種研究方法的探索，具體應(yīng)用中比值范圍可以根據(jù)實際情況如氣井廢棄產(chǎn)氣量、開發(fā)成本等因素靈活取值。

2.2 壓力系統(tǒng)差異對儲量動用的影響

合采氣井由于隔層的封隔作用，不同產(chǎn)層屬于不同的壓力系統(tǒng)。合采層間壓力差異雖然不可能像滲透率比值那么大，但其分層產(chǎn)氣量貢獻和儲量動用均衡性的影響仍然不可忽略。為了研究地層壓力差異對合采氣藏儲量動用的影響程度，進行如下模擬：設(shè)置無串流雙層地層滲透率均為0.1×10-3μm2，固定第1層原始地層壓力p1為20 MPa不變，改變第2層地層壓力p2，模擬不同壓力倍比條件下的氣層合采。通過模擬，統(tǒng)計得到產(chǎn)氣量貢獻率與壓力倍比關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 相同滲透率不同壓差氣層合采時產(chǎn)氣貢獻率

對比發(fā)現(xiàn)，滲透率相同時，高低壓氣層進行合采，穩(wěn)產(chǎn)期內(nèi)高壓氣層對低壓氣層具有抑制作用，其產(chǎn)氣量貢獻率總是大于低壓氣層。曲線以等壓力比值點為交點形成“剪刀形”，2層間壓力差異越大，產(chǎn)氣貢獻率的剪刀差也越大。采用上文的界定條件，對于滲透率相同而壓力系統(tǒng)存在差異的氣層合采時，儲量動用界定條件為：當p1/p2介于0.8～1.2之間時，層間儲量動用均衡(圖4區(qū)域Ⅰ)；p1/p2差異較大，達到0.7或1.3時，層間儲量動用也屬于欠均衡(圖4區(qū)域Ⅱ)，仍可以合采。

2.3 層間非均質(zhì)性和壓力差異正交分析

考慮合采層同時存在滲透率和壓力差異，用正交方法對滲透率和壓力引起的產(chǎn)氣量差異進行分析。

設(shè)置第1層滲透率K1為0.10×10-3μm2，第2層滲透率分別為0.04×10-3、0.02×10-3μm2，使得K1/K2分別為2.5、5.0，研究不同滲透率比值時壓力差異對分層產(chǎn)氣量貢獻和儲量動用的影響。與上文相同，第1層原始地層壓力p1為20 MPa不變，改變第2層地層壓力p2，模擬得到的不同壓力倍比下各氣層產(chǎn)氣量貢獻率，如圖5所示。比較圖4、5可知，隨著滲透率差異的增加，相同的壓差條件下，層間貢獻率的差異趨于增加。儲量動用較均衡區(qū)域Ⅰ范圍迅速減小，而儲量動用不均衡區(qū)域Ⅲ

圖5 不同滲透率和壓差氣層合采時產(chǎn)氣貢獻率

明顯增加；當K1/K2=2.5時，p1/p2應(yīng)控制在1.2以內(nèi)才適合合采；當K1/K2=5.0時，p1/p2必須控制在0.9以內(nèi)才適合合采。研究表明，高滲層具有低壓力時，2小層均有各自的產(chǎn)氣有利條件，此時高滲層對低滲層的抑制作用減小，層間干擾變小；高滲層具有高壓力時，產(chǎn)氣有利條件都集中于高滲層，此時高滲層對低滲層抑制作用加強，層間干擾變大。

3 氣井分層儲量動用判斷圖版

實際氣藏中，儲層滲透率和壓力對氣層儲量動用的影響是相互作用的，正交方法分析研究表明，滲透率差異越大，氣藏合采的壓力條件要求越苛刻。根據(jù)上文對儲量動用均衡性的界定方法可以確定不同滲透率比值條件下合采的壓力界限。根據(jù)這一思路，進行大量的模擬計算和分析，得到氣井儲量動用均衡性判斷圖版，如圖6所示。

由圖6可知，當氣藏儲層之間的物性和壓力參數(shù)比值位于曲線上方時，若進行合采，低產(chǎn)層將被嚴重抑制，儲量難以有效動用，數(shù)據(jù)點離曲線越遠，儲量動用越不均衡；當氣藏儲層之間的物性和壓力參數(shù)比值位于曲線下方，則儲量動用較均衡，表明合采條件較優(yōu)越。因此，在劃分氣藏合采層系時，應(yīng)盡量優(yōu)選物性和壓力參數(shù)比值落在合采圖版中曲線下方的氣層進行合采。

圖6 合采氣井分層儲量動用判斷圖版

4 實例分析

國內(nèi)某氣田縱向上由多個砂層組疊置而成，測井解釋結(jié)果表明氣田層間非均質(zhì)性較強，各砂組內(nèi)小層滲透率級差平均為5.7。同時氣田含氣層數(shù)多，頂部氣層壓力與底部氣層壓力差最多可達10 MPa，氣田實際開發(fā)中，為避免壓差過大引起的儲量動用不均衡，采用了劃分層系開發(fā)，使得縱向?qū)娱g壓差得到了一定的控制。選取3口井為例，闡述氣井分層儲量動用判斷圖版的應(yīng)用方法。3口井目的層為4-1砂層組，射開小層數(shù)2～6層不等，井段跨度約為50 m，壓力差異可以忽略。為研究的針對性，選取層厚基本一致，射開時間相同的小層進行分析，3口井的基本物性參數(shù)見表1。

表1 3口合采井小層物性參數(shù)和分層產(chǎn)氣量

經(jīng)過計算，3口實例井層間非均質(zhì)性強弱不等，將3口井的參數(shù)投影到氣井多層合采判斷圖版圖7可以對其分層產(chǎn)氣量貢獻和儲量動用情況進行初步判斷。由圖7可知，實例井1層間干擾不突出，可以合采；實例井2位于曲線上方，表明合采干擾較強，但數(shù)據(jù)點離曲線較接近，產(chǎn)氣量貢獻率比值應(yīng)略大于3∶1；實例井3位于曲線上方，且數(shù)據(jù)點離曲線較遠，表明其層間干擾突出，合采效果很差，儲量動用極不均衡。

圖7 合采氣井分層儲量動用分析圖

5 結(jié) 論

(1) 物理模擬和數(shù)值模擬均表明層間非均質(zhì)性差異會引起分層產(chǎn)氣量不均，差異越大，產(chǎn)氣貢獻率差值也越大。

(2) 合采氣層分層累計產(chǎn)氣量貢獻率比值小于3∶2，儲量動用均衡，合采效果較好；分層累計產(chǎn)氣量貢獻率比值大于3∶2而小于3∶1，儲量動用欠均衡，合采效果一般；分層累計產(chǎn)氣量貢獻率比值大于3∶1，儲量動用非常不均衡，合采效果較差。

(3) 通過正交分析，得到了氣藏合層開采儲量動用判斷圖版，可正確預(yù)測合采層間分層產(chǎn)氣量貢獻，評估分層儲量動用均衡性。

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編輯 張耀星

20140805；改回日期：20141126

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(2011ZX05015)子課題“多層疏松砂巖氣藏開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”(2011ZX05015-004)

徐軒(1984-)，男，工程師，2007年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)海洋地質(zhì)專業(yè)，2012年畢業(yè)于中國科學(xué)院流體力學(xué)專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事天然氣滲流實驗與氣藏開發(fā)研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.01.025

TE341

A

1006-6535(2015)01-0111-04