地下儲氣庫擴容達產(chǎn)階段配產(chǎn)配注方法

李 春，鐘 榮，3，王皆明，張士杰，孫軍昌

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院 河北 廊坊 065007；2.中國石油天然氣集團公司油氣地下儲庫工程重點實驗室 河北 廊坊 065007; 3.中國石油大學(xué)(北京) 北京 102249；4.中國石油新疆油田公司 新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

目前我國已建成了25座用于城市季節(jié)調(diào)峰的地下儲氣庫，這些地下儲氣庫的陸續(xù)建成并投入運行，極大地緩解了我國冬季季節(jié)調(diào)峰的壓力，為天然氣管道的安全、平穩(wěn)供氣做出了重要貢獻[1-4]。從氣藏工程角度，結(jié)合儲氣庫多年建設(shè)運行經(jīng)驗，可將儲氣庫劃分為建設(shè)投產(chǎn)、擴容達產(chǎn)和穩(wěn)定運行3個階段。其中擴容達產(chǎn)階段主要特點是采取過渡循環(huán)注采方式強化注氣，逐步將壓力運行區(qū)間、庫存量向設(shè)計值靠攏；同時實現(xiàn)氣液界面擴展和振幅逐步趨向穩(wěn)定。由于這一階段壓力、庫存及地層流體流動多處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必須立足于每個單周期針對性開展注采井動態(tài)研究，建立相應(yīng)評價方法，重點是井注采氣能力及動用庫存量滾動評價，指導(dǎo)該階段優(yōu)化配產(chǎn)配注。

1 井注采氣能力周期變化修正

1.1 儲氣庫井地層穩(wěn)定滲流方程改進

儲氣庫在交替注采過程中，由于前期氣藏開發(fā)油水侵入或應(yīng)力敏感等因素影響，地層滲透率可能發(fā)生一定變化，足以導(dǎo)致井產(chǎn)能產(chǎn)生較大改變。因此，針對儲氣庫井多周期流入動態(tài)變化，有必要對傳統(tǒng)擬壓力函數(shù)表達式進行修正，重新建立儲氣庫井地層穩(wěn)定滲流方程，從而準確預(yù)測氣井多周期注采氣能力變化。

唐立根等人考慮了水體侵入和儲層應(yīng)力敏感對儲氣庫井產(chǎn)能的影響，并通過修正傳統(tǒng)擬壓力函數(shù)表達式的方式，提出了儲氣庫井地層穩(wěn)定滲流方程修正式[5]。修正的二項式產(chǎn)能方程為：

(1)

式中，φ(Pe)為修正后的廣義邊界擬壓力，MPa2/Pa·s；φ(Pwf)為修正后的廣義井底擬壓力，MPa2/Pa·s；qsc為標準狀況下產(chǎn)氣量，m3/d；系數(shù)A、B表達式如式(2)和式(3)所示，與修正前完全相同。

(2)

(3)

式中，T為地層溫度，K；K為氣層有效滲透率，μm2；h為儲層厚度，m；re為供給半徑，m；rw為井筒半徑，m；S為表皮系數(shù)；β為描述孔隙介質(zhì)紊流影響的系數(shù)，稱為速度系數(shù)，m-1；γg為天然氣相對密度，空氣為1.0。φ(P)為修正后的廣義擬壓力，具體定義為：

(4)

儲氣庫井注采氣能力評價時只需修改氣藏開發(fā)試井產(chǎn)能方程式左端的擬壓力項，便可得到不同壓力下的產(chǎn)量。

1.2 利用平衡期穩(wěn)定試井確定地層穩(wěn)定滲流方程

氣田開發(fā)產(chǎn)能試井方法也適用于儲氣庫氣井，但儲氣庫交替注采過程中，地層滲流能力會發(fā)生變化，因此每個注采周期均需開展產(chǎn)能試井。為了不影響儲氣庫氣井正常注氣或調(diào)峰采氣運行，一般選擇平衡期開展穩(wěn)定試井以確定地層穩(wěn)定滲流方程。

3種經(jīng)典試井方法是目前現(xiàn)場常用的方法[6-7]，即：回壓試井法、等時試井法和修正等時試井法。根據(jù)儲氣庫儲層特征和注采方式，選擇合適的產(chǎn)能試井方法?；貕涸嚲ň哂匈Y料多、信息量大、分析可靠的特點，關(guān)鍵是穩(wěn)定測試前地層壓力是否準確，是否達到穩(wěn)定或擬穩(wěn)定流?，F(xiàn)場實施時，流動壓力達到穩(wěn)定很困難，為了達到穩(wěn)定，需要長時間開井，而長時間開井后，對于某些井層，又造成地層壓力同時下降，這就限制了回壓試井法的應(yīng)用。1955年Cullender等提出了“等時產(chǎn)能試井法”，大大縮短了開井流動時間，但是每次開井后都必須關(guān)井恢復(fù)到地層壓力穩(wěn)定，因此并不能有效地減少測試時間。Katz等于1959年提出了修正等時試井法，這一方法克服了等時試井的缺點，實際測試時只要求所有工作制度下的開井生產(chǎn)時間和關(guān)井恢復(fù)時間一樣，操作十分簡單，既縮短了開井流動期時間，也縮短了關(guān)井恢復(fù)時間，特別對于低滲透或特低滲透氣井比較適用。

1.3 井注采氣能力節(jié)點壓力分析方法[8-10]

儲氣庫氣井注采氣能力評價與氣田開發(fā)相同，考慮地層穩(wěn)定滲流、井筒垂直管流、管柱沖蝕流量、臨界攜液流量、臨界出砂壓差等，采用氣井節(jié)點壓力分析方法確定氣井合理注采氣能力。不同之處在于，地層穩(wěn)定滲流應(yīng)采用上述改進擬壓力函數(shù)形式的產(chǎn)能方程或多周期平衡期穩(wěn)定試井確定的地層穩(wěn)定滲流方程。

2 不穩(wěn)定流動井控庫存診斷分析與預(yù)測

在擴容達產(chǎn)階段，若已完成1個及以上的注采周期時，可采用氣井現(xiàn)代產(chǎn)量不穩(wěn)定分析方法確定近井地帶地層參數(shù)和井控庫存等重點參數(shù)[11-12]，進而根據(jù)注采運行壓力、時間等優(yōu)化氣井配產(chǎn)配注。

2.1 定性診斷流動狀態(tài)

采用不穩(wěn)定流動模型進行流動狀態(tài)診斷，主要根據(jù)實際生產(chǎn)曲線與典型理論曲線的差別定性判斷流動狀態(tài)、生產(chǎn)指數(shù)變化(表皮增加或降低)、井間干擾、外來能量補充(邊底水情況)等。

2.2 定量描述儲層參數(shù)

采用典型曲線擬合方法，通過實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與典型圖版擬合，反求儲層參數(shù)，可得到單井控制儲量、控制半徑、儲層滲透率、表皮系數(shù)、裂縫半長等參數(shù)；通過多周期擬合參數(shù)對比，可分析氣井井控范圍變化、儲層滲流條件的改善等。

2.3 評價動用庫存和井控半徑

動用庫存和井控半徑是氣井不穩(wěn)定分析中的重要參數(shù)，主要用于評價庫存的動用情況、氣井井控范圍及未控制有利區(qū)域等，用目前井控半徑或預(yù)測井控半徑作為下周期氣井井控半徑參數(shù)，開展氣井配產(chǎn)配注研究工作。

對沒有開展現(xiàn)代產(chǎn)量不穩(wěn)定分析的儲氣庫，單井動用庫存和井控半徑可借鑒已建儲氣庫，如某庫群氣井井控半徑與儲層有效滲透率之間的關(guān)系圖版，如圖1所示。在具體應(yīng)用時，可根據(jù)建庫儲層有效滲透率，從井控半徑圖版讀取相應(yīng)的井控半徑，類比儲氣庫建庫條件及注采時間，確定不同氣井的合理井控半徑。

圖1 某儲氣庫井控半徑與儲層有效滲透率關(guān)系圖版

2.4 單井配產(chǎn)配注量

以注氣為例，假定在一個完整注氣周期內(nèi)，氣井從目前地層壓力注氣達到方案設(shè)計上限壓力。利用物質(zhì)平衡原理，注氣周期內(nèi)井控半徑范圍內(nèi)的累計注氣量Qgin應(yīng)為：

(5)

根據(jù)儲氣庫方案設(shè)計的注氣天數(shù)，則可得單井日配注量為：

(6)

式中，Qgin為配注周期累積注氣量，m3；rc為配注周期氣井井控半徑，m；φ為儲層有效孔隙度，無因次；Swr為殘余水飽和度，無因次；BgPmax為注氣達到上限壓力時的天然氣體積系數(shù)，無因次；BgP為目前地層壓力對應(yīng)的天然氣體積系數(shù)，無因次；tin為周期累計注氣天數(shù)，d。

利用式(5)和式(6)計算出單井日均注氣量，作為最終合理日注氣量的對比數(shù)據(jù)。采氣類似于注氣過程，但壓力是從目前地層壓力降到設(shè)計下限壓力，公式中相關(guān)參數(shù)用對應(yīng)的壓力值代替即可。

3 儲氣庫宏觀注氣速度控制

對于有邊水的儲氣庫，如果宏觀注氣速度過快，在注氣壓差的作用下，注入的天然氣可竄入水域。尤其構(gòu)造平緩、構(gòu)造幅度低時，重力作用小，氣竄現(xiàn)象更明顯。同時在高速強注過程中，儲層非均質(zhì)性更加凸顯，加上氣水流度比的顯著差異，氣體黏性指進現(xiàn)象更加嚴重，大大降低了建庫驅(qū)替效率。

為保持穩(wěn)定的氣水驅(qū)替前緣界面，考慮重力驅(qū)替作用(地層傾角)和氣水流度比因素，建立穩(wěn)定氣水界面的臨界流速公式，通過控制宏觀注氣速度，從而實現(xiàn)氣驅(qū)水前緣穩(wěn)定推進，提高驅(qū)替效率的目的。臨界注氣速度公式為[13-14]：

(7)

式中，qind為臨界注氣速度(迪茨法)，m3/d；A為流體過流截面積，m2；K為氣層有效滲透率，μm2；Krg為氣相相對滲透率，無因次；μ為氣體粘度，Pa·s；ρw為地層水密度，g/cm3；ρg為天然氣密度，g/cm3；Bg為天然氣體積系數(shù)，無因次；α為地層傾角，(°)。

顯然，迪茨公式主要考慮了重力驅(qū)替作用和氣水流度比差異對氣驅(qū)水滲流的影響，隨地層傾角增加，臨界速度增大，表明重力作用有助于形成穩(wěn)定的氣—水驅(qū)替前緣，因此高傾角構(gòu)造有利于氣體儲存，而低傾角、平緩構(gòu)造不利于氣體儲存，存在氣體指進現(xiàn)象，大幅度降低氣驅(qū)效率。

表1為某儲氣庫井不同有效滲透率和氣水前緣距離下的臨界流量，在給定的地層壓力和有效厚度條件下，該井臨界流量為(11.1～50.1)×104m3/d；注氣初期氣水前緣距離較近，臨界流量較小，因此初期注氣速度不應(yīng)高于11×104m3/d，末期注氣速度不應(yīng)高于50×104m3/d。

表1 某儲氣庫井臨界流量計算結(jié)果表

4 擴容達產(chǎn)期合理配產(chǎn)配注方法

針對擴容達產(chǎn)階段配產(chǎn)配注，應(yīng)綜合利用上述氣井注采氣能力修正、井控庫存評價及宏觀注氣速度3種方法。多因素預(yù)測氣井的注采氣量，而合理的配產(chǎn)配注應(yīng)綜合考慮各種因素，以最小氣量作為合理的配注配產(chǎn)氣量。

4.1 注氣周期合理配注方法

注氣周期內(nèi)，單井需要考慮注氣能力修正、井控診斷分析與預(yù)測及注氣速度控制3方面，即：

qin=min(qinx,qinr,qind)

(8)

單井注氣周期累計注氣量Qin為：

Qin=qin×tin

(9)

儲氣庫注氣周期日均注氣量qink、累計注氣量Qink分別為：

(10)

(11)

式中，qin為日注氣量，m3/d；qinx為節(jié)點壓力分析的修正注氣能力，m3/d；qinr為井控診斷預(yù)測注氣能力，m3/d；qind為臨界注氣速度(迪茨法)，m3/d；Qin為周期累計注氣量，m3。

4.2 采氣期合理配產(chǎn)方法

采氣周期內(nèi)，單井需要考慮注采氣能力修正、井控診斷分析與預(yù)測兩個方面，即：

qg=min(qgx,ggr)

(12)

單井采氣周期累計采氣量Qg為：

Qg=qg×tp

(13)

儲氣庫采氣周期日均采氣量qk、累計采氣量Qk分別為：

(14)

(15)

式中，qg為日采氣量，m3/d；qgx為節(jié)點壓力分析的修正采氣能力，m3/d；qgr為井控診斷預(yù)測采氣能力，m3/d。

利用式(8)至式(15)可以完成儲氣庫和單井配產(chǎn)配注氣，上述方法考慮了各種影響注采運行的因素，注采氣量預(yù)測較為準確。

5 實例分析

國內(nèi)某砂巖氣藏型儲氣庫于2013年投入運行，投產(chǎn)初期有15口井注氣，采用上述方法開展單井優(yōu)化配產(chǎn)，其中對于井注氣能力修正，試注井可求取地層穩(wěn)定注氣方程，無試注資料井主要借鑒相鄰井注氣方程或試氣資料得到的產(chǎn)能試井，再根據(jù)節(jié)點系統(tǒng)方法評價井注氣能力；井控預(yù)測注氣能力主要借鑒國內(nèi)某儲氣庫井控半徑與儲層有效滲透率關(guān)系圖版(圖1)，進而預(yù)測氣井井控半徑和注氣能力；宏觀注氣速度采用公式(7)進行預(yù)測。單井優(yōu)化配注結(jié)果見表2。

表2 某儲氣庫第一注氣周期優(yōu)化配注表 (104 ·m3·d-1)

從配注結(jié)果來看，由于改建氣庫的儲層物性較好，地層吸氣能力較強，單井地層注氣能力(62～154)×104m3/d；受單井儲層物性、井控半徑、注初注末壓力等差異大的影響，單井宏觀注氣速度差異較大；而受投注初期注氣時率和高速注氣井控半徑有限的影響，井控預(yù)測注氣能力一般小于地層吸氣能力和宏觀注氣速度，單井井控預(yù)測注氣能力(35～111)×104m3/d；因此，儲氣庫擴容達產(chǎn)階段單井配產(chǎn)主要受井控半徑影響，但注氣初期單井注氣速度仍要略低于配注數(shù)值，以免注入氣快速指進。

從投產(chǎn)初期實際運行效果來看，注氣氣驅(qū)前緣推進均勻，沒有明顯的氣體指進現(xiàn)象，從高部位向低部位依次具有壓力梯度，形成了逐次驅(qū)替的良性循環(huán)，波及效果比較理想。運行實踐表明單井配注量是合理的，氣驅(qū)擴容效果跟預(yù)期基本一致，為形成最大的有效庫容奠定了堅實的基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

1)擴容達產(chǎn)階段配產(chǎn)配注應(yīng)以井周期修正注采氣能力為基礎(chǔ)，以不穩(wěn)定流動井控庫存、宏觀注氣速度等為約束條件，亦即考慮井控范圍物質(zhì)平衡和穩(wěn)定氣水界面，從而達到最優(yōu)的氣驅(qū)擴容效果和最大有效庫容。

2)本文建立的方法具有普遍適用性，可用于計算儲氣庫擴容達產(chǎn)階段周期注采氣能力，為確定儲氣庫注采方案關(guān)鍵指標提供快速、有效的方法；同時，也可用于對比評價已運行儲氣庫的注采指標合理性。