氣藏高礦化度地層水鹽析相態(tài)及生產(chǎn)影響因素

王彬

中石化西南油氣分公司川東北采氣廠，四川閬中637400

氣藏高礦化度地層水鹽析相態(tài)及生產(chǎn)影響因素

王彬

中石化西南油氣分公司川東北采氣廠，四川閬中637400

針對高溫高壓氣藏高礦化度地層水開展了鹽析相態(tài)和生產(chǎn)影響因素分析。由于地層水含有電解質(zhì)，采用Pitzer模型表征固相氯化鈉熱力學平衡，建立氣－凝析油－地層水－固體的四相相平衡模型。高礦化度地層水在降壓開采過程中，氣中水含量增加，密度先增加后略微降低，密度極大值將降壓過程分為“非鹽析過程”和“鹽析過程”，礦化度抑制地層水蒸發(fā)，卻加速地層水鹽析。儲層滲透率越低、束縛水飽和度越高或礦化度越大，地層鹽析量越大。生產(chǎn)動態(tài)分析中確定采氣速度越大或井底壓力越低，鹽析發(fā)生時間越早，鹽析量越大。地層水鹽析對單井產(chǎn)能有較大影響，造成儲層孔隙度和滲透率降低。研究成果為含高礦化度地層水的高溫高壓氣藏鹽析預測奠定了基礎(chǔ)。

高溫高壓氣藏;高礦化度地層水;鹽析相態(tài);影響因素

0 前言

隨著天然氣勘探開發(fā)不斷向縱向發(fā)展，世界范圍內(nèi)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多高溫高壓氣藏。由于高溫高壓特性，氣藏儲層物性、開采動態(tài)及相態(tài)特征均與常規(guī)氣藏有一定的差別，特別是對于含高礦化度地層水氣藏，生產(chǎn)過程中可能發(fā)生地層水鹽析效應，減損井的產(chǎn)能［1］。Kleinitz W等人［2］首次發(fā)現(xiàn)地層水鹽析現(xiàn)象，評價了鹽析效應對氣井生產(chǎn)的影響。Zuluaga E等人［3］預測了實際氣田鹽析現(xiàn)象，認為北海油田地層水蒸發(fā)40%時氯化鈉析出。湯勇等人［4］開展了系列地層水蒸發(fā)和鹽析的物理實驗，定量描述了鹽析對儲層物性的影響。林啟才等人［5］分析了加重壓裂液在儲層改造中鹽析的可能性。在實際生產(chǎn)中，中原油田文23氣田62%的井均出現(xiàn)了結(jié)鹽效應，嚴重威脅了氣田的高效開發(fā)［6－8］。對于地層水鹽析，國內(nèi)外研究主要以數(shù)學模型［9－10］、物理實驗［11－14］和預防措施［15］為主，較少研究相態(tài)特征和氣井生產(chǎn)動態(tài)。

本文從氣藏相態(tài)理論出發(fā)，對影響氣藏生產(chǎn)的儲層物性、生產(chǎn)動態(tài)進行因素分析，確定地層水鹽析對單井產(chǎn)能和儲層物性的影響，為高效開發(fā)該類氣藏奠定了基礎(chǔ)。

1 高礦化度地層水鹽析模型

對于氣藏體系來說，考慮地層水鹽析的相平衡模型最復雜的體系是存在凝析油的氣液液固四相模型［16］。由于痕量理論，不考慮固體在氣相和凝析油相中的存在。將凝析油作為第一液相，地層水作為第二液相，建立物質(zhì)平衡方程:

式中:V、L、W、S分別為平衡氣、凝析油、地層水(電解質(zhì)溶液)和固態(tài)氯化鈉的摩爾含量，mol;和表示氯化鈉在固相和地層水相中的含量;分別為氣相－地層水、凝析油－地層水、地層水－氯化鈉、氣相－凝析油的平衡;zi、zNaCl分別為體系第i組分和氯化鈉組分的總體系組成。

以地層水為參考相，體系中氣體和凝析油相采用逸度系數(shù)計算熱力學平衡;由于地層水含鹽，地層水相采用Pitzer模型［17］修正。地層水相中的非鹽組分用平衡水活度系數(shù)表示，固相氯化鈉采用單一固相組分逸度方式求?。?8－20］。

2 高礦化度地層水氣藏相態(tài)特征

以西部X氣藏為例，氣藏組成見表1，儲層溫度150℃，儲層壓力60 MPa，以改變體系壓力的方式分析該氣藏的相態(tài)特征。

表1 X氣藏組成

圖1為體系降壓過程氣相和液相變化，體系壓力降低，水相蒸發(fā)作用加強，氣相中水含量增加，液相中甲烷含量略有增加。低壓條件下，固相氯化鈉逐漸析出，地層水中氯化鈉逐漸減少，地層水密度先增加后減小。圖2為地層水密度變化曲線，當體系壓力降至10 MPa時，地層水密度出現(xiàn)極大值，并將降壓過程分為“非鹽析過程”和“鹽析過程”，壓力繼續(xù)下降，地層水進一步蒸發(fā)，氯化鈉析出量逐漸增加。

忽略儲層溫度的影響，另外一個影響地層水鹽析的重要因素是礦化度。圖3為不同礦化度體系氣相中水蒸氣含量變化，礦化度越高，氣相中水含量越低，說明礦化度對地層水蒸發(fā)有抑制作用。圖4為不同礦化度體系液相密度，隨著不同體系中氯化鈉的析出，地層水礦化度逐漸接近，液相密度和氣相中水含量逐漸接近。

圖1 降壓過程中氣相及液相變化

圖2 氣藏體系變化過程中地層水密度變化

圖3不同礦化度體系氣相中水含量

3 儲層物性對地層水鹽析的影響

以西部X氣藏為例，氣藏組成見表1，基礎(chǔ)參數(shù)見表2，建立單井數(shù)值模擬模型，模型網(wǎng)格19×1×5，模型考慮氯化鈉的溶解平衡。單井定產(chǎn)氣量12×104m3/d，最小井底壓力6 MPa，模擬開始時間2000年1月1日，預測生產(chǎn)30 a。

3.1 儲層滲透率的影響

分別設(shè)置儲層滲透率為10×10－3、20×10－3、30×10－3μm2，預測時間9 a，其他參數(shù)保持不變。圖5為不同滲透率方案氣相中水含量，儲層滲透率越低，單位時間內(nèi)壓降越大，蒸發(fā)作用越明顯，氣相中水蒸氣含量越大。圖6為不同滲透率方案地層鹽析產(chǎn)量，滲透率越低，鹽析效應越明顯，結(jié)鹽速度越大，鹽析產(chǎn)量越大。

表2 X氣藏基礎(chǔ)參數(shù)

圖5 不同滲透率方案氣相中水含量

圖6 不同儲層滲透率方案鹽析產(chǎn)量

3.2 束縛水飽和度的影響

分別設(shè)置束縛水飽和度為0.35、0.30和0.25，其他參數(shù)保持不變。束縛水飽和度的大小決定了氣體流動空間，進而影響氣相流動過程。圖7為不同束縛水地層鹽析產(chǎn)量，相同產(chǎn)氣量情況下，束縛水飽和度越高，氣藏壓力下降越多，地層水蒸發(fā)作用越強，氣相中水蒸氣含量越大，鹽析時間越早，鹽析量越大。

3.3 地層水礦化度的影響

分別設(shè)置地層水礦化度為100 g/L、200 g/L和300 g/L，其他參數(shù)保持不變。圖8為不同礦化度方案鹽析產(chǎn)量，礦化度越高，地層水密度越大，地層蒸發(fā)作用越不明顯，但地層結(jié)鹽量越大，說明地層水礦化度對儲層鹽析具有促進作用。地層水自身性質(zhì)對鹽析的影響大于水蒸發(fā)對鹽析的影響。

圖7 不同束縛水方案的地層鹽析產(chǎn)量

圖8 不同地層水礦化度方案鹽析量

4 生產(chǎn)動態(tài)對地層水鹽析的影響

4.1 產(chǎn)氣速度的影響

設(shè)置日產(chǎn)氣量為15×104m3、12×104m3、9×104m3，其他條件保持不變，圖9為網(wǎng)格(3，1，1)的氣相中水蒸氣含量變化，產(chǎn)氣速度越大，氣體流動速度越大，單位時間內(nèi)壓降也越大，液相表面蒸汽壓降低越多，氣中水含量越大，地層水蒸發(fā)作用越明顯。圖10為不同產(chǎn)氣量方案結(jié)鹽量，產(chǎn)氣速度越大，鹽析量越大。

圖9 不同產(chǎn)氣速度方案氣相中水含量

圖10 不同產(chǎn)氣速度方案地層結(jié)鹽量

4.2 井底壓力的影響

分別設(shè)置井底壓力為10、8和6 MPa，氣井初期以定產(chǎn)氣量生產(chǎn)，生產(chǎn)一段時間后變?yōu)榭刂谱钚【讐毫?，單井產(chǎn)量出現(xiàn)差異。井底壓力越低，氣相中水蒸氣的變化越快，地層水蒸發(fā)量越大，礦化度變化越大，地層鹽析情況越嚴重，見圖11。鹽析產(chǎn)量出現(xiàn)差異的時機即為生產(chǎn)制度改變的時機，生產(chǎn)制度對地層結(jié)鹽動態(tài)有較大影響。

圖11 不同井底壓力方案地層結(jié)鹽量和氣相中水含量

5 地層水鹽析對氣井生產(chǎn)的影響

5.1 對單井產(chǎn)能的影響

分別模擬地層發(fā)生鹽析和未發(fā)生鹽析時單井產(chǎn)能，方案均定最小井底壓力20 MPa。模擬結(jié)果表明，發(fā)生鹽析的方案單井初期產(chǎn)能降低了60%左右，說明鹽析對單井的生產(chǎn)具有嚴重影響，后期產(chǎn)量逐漸接近，但未鹽析氣井產(chǎn)量始終高于發(fā)生鹽析氣井，見圖12。

5.2 對儲層孔隙度的影響

儲層發(fā)生結(jié)鹽，鹽顆粒可能發(fā)生沉降、橋堵或者捕獲，堵塞孔隙和喉道，造成儲層孔隙體積減小，損傷儲層物性。圖13為不同距離地層鹽析造成孔隙度減小的情況，模型孔隙體積降低了3.14%，不同距離，孔隙度的減少程度不一樣，隨著生產(chǎn)時間的增加，損傷程度擴大，平均損傷程度為1%。

圖12 鹽析前后單井產(chǎn)能對比

圖13 高溫高壓氣藏地層水鹽析孔隙度改變

5.3 對儲層滲透率的影響

儲層滲透率受到孔隙度的影響，滿足Kozeny-Carman方程，圖14為鹽析過程中滲透率變化情況，儲層滲透率隨著生產(chǎn)的進行，逐漸向外擴展，鹽析半徑在10 m左右，儲層滲透率的損傷程度在2.5%～8.5%之間，與相關(guān)文獻基本一致［5］。

圖14 高溫高壓氣藏地層水鹽析滲透率改變

6 結(jié)論

1)含高礦化度地層水氣藏降壓過程中，氣中水含量增加，地層水密度先增加后略微降低，密度極大值將降壓過程分為:“非鹽析過程”和“鹽析過程”;壓力降落促進地層水蒸發(fā)和鹽析，而礦化度抑制地層水蒸發(fā)，促進地層水鹽析。

2)儲層滲透率越低、束縛水飽和度越高或者礦化度越高，鹽析量越大。儲層滲透率和束縛水飽和度與地層水蒸發(fā)呈正相關(guān)。

3)采氣速度越大，地層鹽析量越大;井底壓力越低，鹽析時間越早，鹽析量越大，說明生產(chǎn)制度影響地層結(jié)鹽。

4)地層水鹽析影響單井產(chǎn)能，造成儲層孔隙度降低，滲透率下降;對于含高礦化度地層水氣藏開發(fā)，需要關(guān)注地層水鹽析效應的影響。

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龍004－X 1井試采地面工程1標段順利通過中交驗收

龍004－X 1井試采地面工程1標段是中國石油西南油氣田公司重點工程，打造“一體化建站、模塊化建廠”的樣板。2016年11月4日，龍004－X 1井試采地面工程1標段順利通過了川西北氣礦組織的預中交驗收，12月13日，通過正式中交驗收。

該項目由中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司西南公司(簡稱CPE西南分公司)擔任施工圖設(shè)計，是CPE西南分公司首個全三維協(xié)同設(shè)計項目，主要工程包括:新建MDEA脫硫裝置1套，裝置的設(shè)計處理能力20×104m3/d;絡(luò)合鐵液相氧化法硫黃回收裝置1套，規(guī)模為潛硫量2.5 t/d;以及配套的火炬及放空系統(tǒng)(含高、低壓火炬)1座、燃料氣系統(tǒng)1套、空壓站1座、導熱油系統(tǒng)1套、脫鹽水系統(tǒng)1套、新鮮水系統(tǒng)、生產(chǎn)污水及氣田水處理系統(tǒng)等輔助生產(chǎn)設(shè)施。另設(shè)分析化驗室1座，為全廠主體裝置提供分析化驗服務。該項目于2016年3月14日開工，10月30日達到投產(chǎn)條件，按期完成了合同要求。

該項目不僅為九龍山氣田建設(shè)以及整體開發(fā)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且對促進九龍山氣田二疊系氣藏天然氣資源的勘探開發(fā)，緩解下游用氣緊張局面，帶動蒼溪、閬中、儀隴地區(qū)、巴中地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，改善能源結(jié)構(gòu)，加大環(huán)境治理力度，加快開發(fā)利用優(yōu)質(zhì)能源的建設(shè)步伐，具有重要意義。

(劉冬梅供稿)

10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.016

2016－07－16

國家自然科學基金項目“高溫高壓二氧化碳－原油－地層水三相相平衡溶解度規(guī)律”(51404037)

王彬(1990－)，男，四川自貢人，助理工程師，碩士，主要從事天然氣開發(fā)管理與設(shè)計工作。

圖4 不同礦化度體系液相密度