溶解氣對(duì)氣水界面的影響的數(shù)值模擬研究

嚴(yán)文德 黃小亮 袁迎中

(重慶科技學(xué)院, 復(fù)雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 401331)

天然氣在高壓地層水中的溶解量是非?？捎^的[1]，高壓及超高壓地層的水溶氣量比一般壓力地層的高數(shù)十倍[2-4]。水溶氣的釋放會(huì)對(duì)氣藏的開采動(dòng)態(tài)產(chǎn)生一定影響[5-7]，尤其是當(dāng)?shù)貙訅毫抵烈欢ǔ潭葧r(shí)，水溶氣膨脹對(duì)氣水界面的升降會(huì)產(chǎn)生明顯影響。

關(guān)于水溶氣釋放對(duì)氣藏氣水界面的影響，目前存在兩種看法：(1)儲(chǔ)層溶解氣的析出類似于碳酸飲料靜置狀態(tài)下氣體的緩慢析出。在氣藏?cái)?shù)以年計(jì)的開發(fā)歷程中，壓力緩慢釋放，地層水溶氣的釋放過程也十分緩慢。(2)儲(chǔ)層溶解氣的析出類似于瓶中的碳酸飲料被劇烈搖晃后，在打開瓶蓋時(shí)壓力瞬間釋放，氣相攜帶液相形成泡沫狀物質(zhì)噴射而出。目前的有關(guān)研究主要集中于水溶氣的物質(zhì)平衡、水溶氣釋放的貢獻(xiàn)量、含有CO2的天然氣在水中的溶解等[8-12]，而對(duì)于開發(fā)過程中水溶氣釋放對(duì)氣水界面的影響的研究還有待深入。

本次研究，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同壓力下的水溶氣含量，然后采用數(shù)值模擬技術(shù)模擬對(duì)比了不同水溶氣含量下的氣井見水時(shí)間、見水前氣井的水錐高度、見水后非錐進(jìn)區(qū)域氣水界面的上升高度，由此分析了氣藏儲(chǔ)集層中水溶氣釋放對(duì)水氣界面的影響。

1 考慮水溶氣影響的數(shù)值模擬方法

在Eclipse軟件中，有兩種方法可以考慮水溶氣影響。第一種是在GASWAT模塊，水溶氣含量與溫度變化的關(guān)系，可在狀態(tài)方程中得到體現(xiàn)，或者模擬水礦化度變化與水溶氣含量的關(guān)系。第二種是在GASSOL模塊，通過SOLUAQA關(guān)鍵字定義不同壓力下水溶氣含量的變化，通過RSWVD定義初始水溶氣含量隨深度的變化。我們選用第二種方法。

(1)

(2)

對(duì)于特定氣藏，可以認(rèn)為溫度、礦化度和氣體組分不變，則地層水中的水溶氣含量是地層壓力的函數(shù)[13]。以水溶氣含量實(shí)驗(yàn)測(cè)試為基礎(chǔ)，采用SOLUAQA關(guān)鍵字定義不同壓力下水溶氣含量，初始水溶氣含量與深度的關(guān)系由RSWVD關(guān)鍵字給出。實(shí)驗(yàn)得到的不同壓力下水溶氣含量如圖1所示。其中，初始水溶氣含量為22 m3/m3。

圖1 水溶氣含量與壓力的關(guān)系

2 數(shù)值模擬模型的建立

為研究水溶性氣藏中氣水界面隨水溶氣含量變化的規(guī)律，采用Eclipse中的GASSOL模塊，根據(jù)氣藏的儲(chǔ)層和流體參數(shù)建立水溶性氣藏概念模型(見圖2)。模型網(wǎng)格為40×40×100，x、y方向步長(zhǎng)為 50 m，z方向步長(zhǎng)為0.5 m。氣藏基本參數(shù)：孔隙度為17.3%，水平滲透率為10×10-3μm2，垂向滲透率為1×10-3μm2，地層深度為3 000 m，原始地層壓力為53.8 MPa，含氣飽和度為45.3%，氣藏厚度為20 m，水體厚度為30 m，原始?jí)毫ο滤軞夂繛?2 m3/m3，水體大小約為地下含氣體積的5倍。相滲曲線如圖3所示。模型中，自由氣儲(chǔ)量為24.7×108m3，水溶氣儲(chǔ)量為5.7×108m3。

3 水溶氣含量對(duì)氣水界面的影響

在壓力衰竭開發(fā)過程中，由于壓力下降，水溶氣將釋放，從而導(dǎo)致氣藏的氣水界面發(fā)生變化。氣藏概念模型中共設(shè)3口生產(chǎn)井，井底位置離氣水界面17.5 m，單井產(chǎn)量30×104m3/d，模擬開發(fā)時(shí)間10 a。設(shè)置3個(gè)水溶氣含量(0、22 m3/m3、44 m3/m3)進(jìn)行模擬，分析水中溶解氣對(duì)氣水界面變化的影響規(guī)律。

圖2 水溶性氣藏三維概念模型

圖3 氣水相滲曲線

在不同的水溶氣含量下，模擬得到的氣水界面變化等數(shù)據(jù)見表1。在衰竭式開采過程中，水溶氣含量越高，水錐達(dá)到井底的時(shí)間越短，見水時(shí)間越早。水溶氣含量依次為44 m3/m3、22 m3/m3和0時(shí)，見水時(shí)間分別為93 d、171 d、206 d；在氣井井底氣水錐進(jìn)區(qū)域，生產(chǎn)93 d后，水錐高度分別上升17 m、10 m、6 m，而累產(chǎn)氣量均為0.85×108m3；在非錐進(jìn)區(qū)域，開發(fā)10 a后，累產(chǎn)氣量分別為7.89×108m3、7.45×108m3、5.82×108m3，氣水界面分別升高3 m、4 m、6 m，水體中含氣飽和度分別為3%、3%、0。

根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)比不同的水溶氣含量下氣水界面的變化情況，探尋氣水界面變化的原因，我們有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1) 當(dāng)水中有溶解氣時(shí)，有2個(gè)因素會(huì)導(dǎo)致氣水界面發(fā)生變化。一是氣體被采出后，地層壓力降低，造成水的侵入。二是水中溶解氣釋放，產(chǎn)生氣泡而膨脹，未形成連續(xù)相時(shí)，氣帶水生產(chǎn)，氣水界面上升；當(dāng)氣泡在水中形成連續(xù)相，氣脫離水成為自由氣后，則造成氣水界面回落。當(dāng)水中無溶解氣時(shí)，氣水界面的上升主要是由于氣體采出后地層壓力降低，水得以侵入所致。

(2) 水溶氣含量不同的氣藏，在開采過程中氣水界面的變化可分為2個(gè)階段。第一階段是初始生產(chǎn)階段，這時(shí)溶解系數(shù)越大，錐進(jìn)區(qū)域氣水界面上升越快，累產(chǎn)氣量越小，氣水比上升越快。第二階段是在氣井見水后，非錐進(jìn)區(qū)域的溶解系數(shù)越大，氣水界面上升越慢，累產(chǎn)氣量上升越快，氣水比上升越緩(見圖4和圖5)。第一階段，由于壓力下降，在氣帶水生產(chǎn)過程中，溶解系數(shù)越大，水越早到達(dá)井底，氣水界面上升越快，累產(chǎn)氣量越小，氣水比上升越快。第二階段，水錐均已達(dá)到氣井底部，由于壓力下降，水溶氣析出形成連續(xù)相，氣體脫出后氣相上升到氣藏當(dāng)中，水由于重力作用往下掉，導(dǎo)致溶解系數(shù)越大，氣水界面上升越慢，累產(chǎn)氣量上升越快，氣水比上升越緩。

表1 不同水溶氣含量下氣水界面的變化情況

圖4 不同水溶氣含量下氣藏的累產(chǎn)氣量對(duì)比

圖5 不同水溶氣含量下氣藏的生產(chǎn)水氣比與累產(chǎn)氣量的關(guān)系

4 結(jié) 語

水溶氣的存在會(huì)影響氣藏水錐推進(jìn)速度。水溶氣含量越大，氣井見水時(shí)間越早。水溶氣的釋放對(duì)氣藏開發(fā)的影響不可忽視，在水溶性氣藏的開采過程中應(yīng)采取必要的防水措施。

不同的水溶氣含量對(duì)氣藏氣水界面的影響會(huì)有所不同。在氣井見水前，水溶氣含量越大，氣井的水錐上升速度越快。在氣井見水后，水溶氣含量越大，非錐進(jìn)區(qū)域的氣水界面上升速度越慢。

從整體的開發(fā)效果來看，水中溶解的天然氣數(shù)量越大，最終采出的天然氣數(shù)量會(huì)越大，水中的溶解氣可使氣藏產(chǎn)出更多的天然氣。