非均質(zhì)氣藏水侵規(guī)律物理模擬實驗研究

方飛飛， 劉華勛， 肖前華， 青紅艷， 楊棽垚

(1.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶401331;2.中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京100190;3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100190)

0 引言

在氣藏形成的過程中，氣藏的邊緣地帶會形成不同大小的水體［1-3］，如果水體較為活躍，隨著氣藏開發(fā)的進行，氣藏壓力將逐漸降低，在壓力勢能的作用下，邊、底水不斷侵入含氣區(qū)，在氣藏儲層中形成氣、水兩相滲流，降低氣相滲流能力，造成單井產(chǎn)能下降較快［4-6］;同時隨著水侵的加劇，水體侵入井底，導(dǎo)致井筒液面激增，廢棄壓力增高，圈閉儲層中的天然氣，降低了氣藏的采收率［7-10］;而且當(dāng)井筒中過低的氣相流速不能提供足夠的能量來攜帶出井底的積液時，需要進行排水等作業(yè)，增加了生產(chǎn)成本。總之邊、底水的侵入，不但會造成整個天然氣藏采收率的降低，而且會增加單井的生產(chǎn)成本和生產(chǎn)困難［11-14］。因此，針對邊、底水活躍的氣藏而言，是否能夠認(rèn)清水侵機理的本質(zhì)，掌握水侵規(guī)律，將直接關(guān)系到邊、底水氣藏能否高效合理的開發(fā)。

迄今為止，雖然很多學(xué)者針對水侵做了大量研究，但多集中在孔隙型或裂縫型等單一類型儲層［15-19］，而實際氣藏儲層存在非均質(zhì)性，不同區(qū)域儲層類型不一樣，一般同時存在著孔隙(洞)型與裂縫型儲層，而且在氣藏的實際開發(fā)過程中，一般需要在不同的區(qū)域同時布井，以達(dá)到氣藏快速高效開發(fā)的目的［20］，因此氣藏在多個氣井同時開發(fā)時，水侵規(guī)律將表現(xiàn)為不同類型儲層組合下的水侵規(guī)律，但由于不同類型儲層之間連通性和采出程度的不均衡，導(dǎo)致氣藏整體水侵規(guī)律不是簡單的不同類型儲層水侵規(guī)律的疊加，水侵規(guī)律將更為復(fù)雜。

因此為了能夠深入認(rèn)清多井同時開發(fā)時，邊、底水氣藏的水侵規(guī)律與開發(fā)效果，將氣藏作為一個整體研究水侵和生產(chǎn)動態(tài)的變化過程，分析不同儲層區(qū)域滲透率級差及不同布井方式對非均質(zhì)氣藏水侵規(guī)律和開發(fā)效果的影響，為氣藏整體防水、治水提供實驗依據(jù)。

1 實驗裝置與實驗方法

1.1 實驗樣品

結(jié)合以往研究者針對孔隙型和裂縫型氣藏水侵規(guī)律的實驗研究，同時為了能夠準(zhǔn)確的表征非均質(zhì)氣藏在不同區(qū)域滲透率差異較大，選取了不同類型、不同滲透率的巖心進行串并聯(lián)組合，模擬真實氣藏儲層，研究氣藏的水侵規(guī)律和開發(fā)效果，巖心基本物性參數(shù)如表1。

表1 巖心基本物性參數(shù)

采用實驗室配置的80 g/L氯化鈉型標(biāo)準(zhǔn)地層水模擬氣藏邊緣水體，選用實驗室99.99%的高純氮氣模擬氣藏儲層中的天然氣。

1.2 實驗裝置與流程

非均質(zhì)氣藏水侵規(guī)律模擬裝置如圖1，選用高純氮氣模擬儲層條件下的天然氣;采用裝滿80 g/L的實驗室配置的標(biāo)準(zhǔn)地層水的不同容積的中間容器模擬地層水體;在開發(fā)模式上采用定產(chǎn)量的衰竭開發(fā)模式，即初期通過調(diào)節(jié)出口端閥門大小，將流量穩(wěn)定在設(shè)定的采氣速度進行開采;當(dāng)水侵前緣到達(dá)實驗?zāi)Ｐ统隹诙酥螅瑲馑?jīng)過氣液分離器進行氣水分離，分別計量產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量。在實驗過程中，利用壓力傳感器、流量計等記錄整個實驗過程的壓力與流量數(shù)據(jù)，用于分析水侵過程中不同時刻的水侵規(guī)律。

1.3 實驗方案設(shè)計

圖1 水侵規(guī)律物理模擬實驗流程

為了模擬不同儲層區(qū)域滲透率級差及不同布井方式對非均質(zhì)氣藏水侵規(guī)律和開發(fā)效果的影響，設(shè)計了如下實驗內(nèi)容(見表2)。①不同區(qū)域儲層滲透率級差:分別選用平均滲透率為0.01 mD的1和2號巖心模擬低滲區(qū)儲層，選用平均滲透率為0.1～100 mD的巖心模擬高滲區(qū)儲層，在7倍水體、采氣速度為1 L/min的條件下研究不同區(qū)域儲層之間滲透率級差不同時水侵對氣藏開發(fā)的影響。②不同布井方式:分別選用平均滲透率為0.01 mD的1和2號巖心與平均滲透率為0.1 mD的3和4號巖心模擬低滲區(qū)儲層，選取平均滲透率為100 mD的11和12號巖心模擬高滲區(qū)儲層，在7倍水體、采氣速度為1 L/min的條件下，分別模擬只在低滲區(qū)布井、僅在高滲區(qū)布井和在高滲區(qū)與低滲區(qū)同時布井時水侵對氣藏開發(fā)的影響。

表2 實驗方案

2 實驗結(jié)果與分析

通過實驗室模擬非均質(zhì)氣藏水侵和生產(chǎn)動態(tài)變化過程，獲取水侵量、出水量、采出程度等關(guān)鍵參數(shù)。綜合處理這些參數(shù)，分析不同滲透率級差和不同布井方式對非均質(zhì)氣藏開發(fā)效果的影響，為后續(xù)氣藏的開發(fā)和評價提供實驗依據(jù)。

2.1 不同滲透率級差

非均質(zhì)氣藏不同區(qū)域滲透率差異較大，為了研究不同區(qū)域滲透率差異對氣藏開發(fā)效果的影響，選用平均滲透率為0.01 mD的1和2號巖心模擬低滲區(qū)儲層，選用平均滲透率約為 0.1、0.5、1、10、100 mD 的巖心模擬高滲區(qū)儲層，整體氣藏儲層滲透率級差分別為10、50、100、1 000、10 000，在 7 倍水體、采氣速度為 1 L/min的條件下開展不含邊、底水與含邊、底水時氣藏開發(fā)規(guī)律物理模擬實驗，實驗結(jié)果如圖2所示。

當(dāng)氣藏不含邊、底水時，采出程度隨著滲透率級差的增加逐漸增大，這是因為滲透率級差越大，氣藏整體儲層物性越好，在氣藏開發(fā)過程中氣體受到的滲流阻力越小，因此采出程度越高。當(dāng)氣藏存在邊、底水時，采出程度隨著滲透率級差的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是因為隨著滲透率級差的增加，氣藏儲層整體物性逐漸改善，但同時氣藏非均型性更加嚴(yán)重，高滲區(qū)域滲流能力更強，這也造成了一方面減小了氣體滲流阻力，增強了氣藏的滲流能力，另一方面，也為地層水體的快速向前推進提供了優(yōu)勢滲流通道。當(dāng)滲透率級差較小時，此時通過提高滲流能力為氣藏帶來的正效應(yīng)大于水體快速突進圈閉氣體的能力，采出程度增加，相反隨著滲透率級差的增加，水體極易通過高滲區(qū)儲層快速水侵而造成氣藏過早見水，造成采出程度的快速下降。

圖2 采出程度隨滲透率級差變化曲線

2.2 不同布井方式

由前面實驗可知，當(dāng)氣藏非均質(zhì)嚴(yán)重時，地層水體極易通過高滲區(qū)域快速水侵而造成氣藏整體采出程度的降低，因此能否通過改變在不同區(qū)域的布井方式，以達(dá)到整體氣藏的最佳開采狀態(tài)成為研究內(nèi)容。為此分別選取低滲區(qū)儲層平均滲透率為0.01和0.1 mD、高滲區(qū)儲層平均滲透率為100 mD的巖心，在7倍水體，高滲區(qū)儲層與低滲區(qū)儲層采氣速度均為1 L/min條件下開展不同布井方式(只在低滲儲區(qū)儲層布井、高滲區(qū)儲層布井和同時在低滲區(qū)儲層與高滲區(qū)儲層布井)的水侵規(guī)律物理模擬實驗。

2.2.1 低滲區(qū)儲層滲透率為0.01 mD

當(dāng)?shù)蜐B區(qū)儲層滲透率為0.01 mD時，實驗結(jié)果如表3和圖3所示，此時低滲區(qū)儲層較為致密，滲流能力差，因此只在低滲區(qū)儲層布井，雖然水侵量小，氣藏在開發(fā)結(jié)束時也未有地層水體產(chǎn)出，能夠有效的抑制整體氣藏的水侵，但氣藏的整體采出程度小，僅為33.3%;當(dāng)只在高滲區(qū)儲層布井時，由于高滲區(qū)儲層滲流能力強，水體沿著高滲區(qū)儲層快速向前推進，無水期采出程度較低，僅有33.8%，而且氣井水侵量大，最終采出程度為63.3%;而同時在低滲區(qū)儲層與高滲區(qū)儲層布井時，無水采出程度相對較高(55.9%)，比僅在高滲區(qū)儲層布井無水采出程度高出22.1%，最終采出程度也相對較高(65.6%)，開發(fā)效果最好，因此，當(dāng)?shù)蜐B區(qū)儲層滲透率較為致密時，建議同時在高滲區(qū)儲層和低滲區(qū)儲層同時布井，以提高氣藏的整體采出程度。

表3 不同布井方式的水侵規(guī)律模擬結(jié)果(0.01 mD)

圖3 不同布井方式采出程度與水侵量變化圖

2.2.2 低滲區(qū)儲層滲透率為0.1 mD

當(dāng)?shù)蜐B區(qū)儲層滲透率為0.1 mD時，實驗結(jié)果如表4和圖4所示，此時低滲區(qū)儲層滲流能力較儲層滲透率為0.01 mD時強，與高滲區(qū)儲層連通性更好，此時僅在低滲區(qū)儲層布井，采出程度達(dá)到58.7%，能夠有效的動用整個氣藏的氣體，同時在實驗結(jié)束時，氣藏并未產(chǎn)水，這也說明在低滲區(qū)儲層布井水侵速度較慢，能夠有效的抑制整體氣藏的水侵;而僅在高滲區(qū)儲層布井時，最終采出程度與僅在低滲區(qū)儲層布井時的采出程度相當(dāng)，但無水采出程度僅為49.9%，低于僅在低滲區(qū)儲層布井時的無水采出程度，而且后期氣藏還面臨著大量產(chǎn)水的問題;同時在低滲區(qū)儲層與高滲區(qū)儲層布井，最終采出程度最高，但后期氣藏出水嚴(yán)重。因此當(dāng)氣田具有較強的產(chǎn)出水處理能力時，建議同時在高滲區(qū)儲層與低滲區(qū)儲層布井，以獲取較高的氣藏采出程度，而當(dāng)氣田產(chǎn)出水處理能力較弱時，建議僅在低滲區(qū)儲層布井，以達(dá)到最大的無水采出程度，獲取最大的經(jīng)濟效益。

表4 不同布井方式的水侵規(guī)律模擬結(jié)果(0.1 mD)

圖4 不同布井方式采出程度與水侵量變化圖

3 結(jié)論

(1)氣藏不存在邊、底水時，同一氣藏不同區(qū)域滲透率級差越大，采出程度越高;但存在邊底水時，氣藏采出程度隨著滲透率級差的增加先增大后減小;當(dāng)氣藏具有較強的水處理能力時，建議在高滲區(qū)儲層與低滲區(qū)儲層同時布井，以獲取較高的氣藏采出程度，而當(dāng)氣田水處理能力較弱時，建議僅在低滲區(qū)儲層布井，以達(dá)到最大的無水采出程度，獲取最大的經(jīng)濟效益。

(2)通過實驗研究明確了不同的布井方式對氣藏開發(fā)效果的影響，但研究還有局限性，后期實驗可以繼續(xù)開展不同的配產(chǎn)方式、不同的開發(fā)順序、不同的壓裂規(guī)模、不同的生產(chǎn)制度等因素對氣藏水侵規(guī)律及開發(fā)效果的影響，為氣藏的更好開發(fā)提供依據(jù)。