水侵氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)氣水微觀滲流規(guī)律

石 磊 王皆明 朱華銀 段 宇

1. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油氣地下儲(chǔ)庫(kù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司渤海石油研究院

0 引言

國(guó)際上，近半個(gè)世紀(jì)前水侵氣藏開(kāi)始建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)，從氣藏工程的勘探與評(píng)價(jià)，到鉆井完井工程，已經(jīng)形成了一整套配套的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]，而20年前我國(guó)的建庫(kù)才開(kāi)始起步，已建成的儲(chǔ)氣庫(kù)主要為水侵氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)[3-5]，在建設(shè)規(guī)模和技術(shù)儲(chǔ)備上存在缺陷。由于經(jīng)驗(yàn)和理論的欠缺，導(dǎo)致建庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中一系列問(wèn)題的出現(xiàn)，主要的技術(shù)問(wèn)題之一是如何在氣水復(fù)雜滲流條件下,提高氣驅(qū)水的能力和效果,這也是優(yōu)化設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣庫(kù)工作氣量和庫(kù)容等關(guān)鍵參數(shù)的宗旨[6-15]，目前針對(duì)以上問(wèn)題的有效技術(shù)手段之一是室內(nèi)物理模擬研究[16-21]。

1 周期注采儲(chǔ)層微觀孔隙流體相滲分析

水侵氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)在周期注采過(guò)程中，氣水界面始終處于排驅(qū)與侵入的交替變化狀態(tài),在建庫(kù)儲(chǔ)層中出現(xiàn)了水淹帶、氣水過(guò)渡帶、氣驅(qū)水純氣帶、建庫(kù)前純氣帶4個(gè)區(qū)帶（表1）。氣水過(guò)渡帶、氣驅(qū)水純氣帶在建庫(kù)與注采運(yùn)行中受水體往復(fù)侵入的影響，通過(guò)氣水交互驅(qū)替相滲測(cè)試，研究?jī)?chǔ)氣庫(kù)在周期注采過(guò)程中孔隙流體相滲特征的變化規(guī)律。

國(guó)內(nèi)氣藏建庫(kù)儲(chǔ)層存在一定程度的物性差異。以典型水侵氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)HT為例，測(cè)井解釋顯示發(fā)育I、II上下2個(gè)儲(chǔ)層段，對(duì)I、II層進(jìn)行樣品取心并對(duì)滲透率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示I層的中值滲透率為110 mD、II層的中值滲透率為19.1 mD（圖 1）。

表1 水侵氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)區(qū)帶描述表

圖1 建庫(kù)儲(chǔ)層巖心滲透率統(tǒng)計(jì)分析圖

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

針對(duì)水侵氣藏建庫(kù)及注采運(yùn)行過(guò)程中的氣水界面往復(fù)運(yùn)移特征，選取HT典型儲(chǔ)氣庫(kù)砂巖巖心作為實(shí)驗(yàn)樣品（表2），開(kāi)展天然巖心多周期連續(xù)氣水交互驅(qū)替穩(wěn)態(tài)相滲實(shí)驗(yàn)，測(cè)試并計(jì)算交互驅(qū)替條件下不同飽和度下氣、水兩相相對(duì)滲透率，并繪制氣、水相滲曲線[22]。

表2 巖心樣品基礎(chǔ)參數(shù)表

1.2 實(shí)驗(yàn)分析

由3輪氣水互驅(qū)相對(duì)滲透率曲線可見(jiàn)（圖2）,隨著氣水互驅(qū)輪次的增加，出現(xiàn)了顯著的相滲滯后作用。束縛水下氣相相對(duì)滲透率降低， H1降至80.4%，H2降至33.4%（圖2）；氣水兩相共滲區(qū)間變窄，H1降至62.4%，H2降至40.6%（圖3）。儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行過(guò)程經(jīng)歷多周期循環(huán)注采，氣水界面往復(fù)運(yùn)移，儲(chǔ)層巖石孔隙中出現(xiàn)殘余氣和束縛水，并隨注采周期增加而增多，氣水滲流阻力隨之增加,導(dǎo)致氣水滲流能力降低，滲流區(qū)間收窄,對(duì)應(yīng)儲(chǔ)氣庫(kù)表現(xiàn)為注入氣體的損失和注采氣能力的下降。

2 周期注采儲(chǔ)層孔隙空間流體核磁分析

圖2 多輪次氣水互驅(qū)相對(duì)滲透率曲線圖

圖3 多輪次氣水互驅(qū)相滲特征值對(duì)比曲線圖

水侵氣藏建庫(kù)及運(yùn)行過(guò)程中，隨注采周期逐步增加，建庫(kù)儲(chǔ)層內(nèi)部流體滲流有效孔隙空間發(fā)生改變，多相流體滲流能力及分布也隨之變化。針對(duì)水侵氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)多周期注采運(yùn)行特征，設(shè)計(jì)注采模擬核磁共振實(shí)驗(yàn)，選取HT儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層天然巖心作為實(shí)驗(yàn)樣品，開(kāi)展分區(qū)帶孔隙空間流體動(dòng)用及滲流變化規(guī)律研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

1) 成藏模擬：以恒定流量(1.6 ml/min)由巖心注采氣端口注氣，計(jì)量巖心出口端出水量及巖心內(nèi)部壓力，直至不出水關(guān)閉出口端，繼續(xù)注氣至注采端口壓力達(dá)30 MPa，關(guān)閉注采氣端口至巖心內(nèi)部壓力達(dá)到平衡。

2）衰竭采氣模擬：由巖心注采氣端口定流量采氣(2.9 mL/min)至16 MPa，關(guān)閉注采氣端口至巖心內(nèi)部壓力達(dá)平衡。

3) 注氣模擬：以恒定流量(16 mL/min)由巖心注采氣端口注氣，計(jì)量注氣量及巖心內(nèi)部壓力，直至巖心注采氣端口壓力達(dá)30 MPa，關(guān)閉注采氣端口至巖心內(nèi)部壓力達(dá)平衡。

4) 采氣模擬：以恒定流量(16 mL/min)由巖心注采氣端口采氣，計(jì)量采氣量及巖心內(nèi)部壓力，直至巖心注采氣端口壓力達(dá)16 MPa，關(guān)閉注采氣端口至巖心內(nèi)部壓力達(dá)平衡。

5) 周期注采模擬：按3）、4）連續(xù)完成6個(gè)注采循環(huán)周期。各注采周期結(jié)束，對(duì)巖心開(kāi)展核磁共振在線掃描，并采集巖心內(nèi)流體分布特征參數(shù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

繪制建庫(kù)前純氣帶、氣驅(qū)水純氣帶、氣水過(guò)渡帶核磁共振曲線與注采周期的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線 (圖4)。通過(guò)核磁共振T2譜描述建庫(kù)儲(chǔ)層巖心不同尺度孔隙空間流體分布的變化特征，通過(guò)核磁共振1D譜描述建庫(kù)儲(chǔ)層巖心垂直方向各位置孔隙空間流體分布的變化特征。

圖4 周期注采核磁共振特征譜圖

由周期注采核磁共振特征譜可見(jiàn)（圖4），建庫(kù)儲(chǔ)層各區(qū)帶在不同水侵狀況下流體動(dòng)用差異較大。隨注采周期增加，建庫(kù)前純氣帶不同位置、各尺度孔隙中含水相對(duì)穩(wěn)定；氣驅(qū)水純氣帶不同位置含水逐步下降，且近注采端口及高滲大尺度孔隙中含水下降顯著；氣水過(guò)渡帶不同位置含水逐步增加，其中近水體及小尺度孔隙增幅明顯。以上結(jié)果表明，水侵氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)多周期高速注采過(guò)程中，建庫(kù)前純氣帶無(wú)邊底水進(jìn)入，不受水侵影響；氣驅(qū)水純氣帶抽提作用顯著，含水逐步降低，氣相滲透率也隨之升高；氣水過(guò)渡帶氣水往復(fù)運(yùn)移，相滲滯后作用下氣相滲透率逐步降低。以上現(xiàn)象與水侵氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際運(yùn)行中各區(qū)帶注采能力差異及變化特征表現(xiàn)一致。

同時(shí)，建庫(kù)儲(chǔ)層物性也是影響各區(qū)帶孔隙空間流體動(dòng)用的一項(xiàng)重要因素。6個(gè)注采周期過(guò)后，建庫(kù)前純氣帶Ⅰ層含氣飽和度為83%，Ⅱ?qū)雍瑲怙柡投葹?6%，與第一注采周期相比變化率為1%；氣驅(qū)水純氣帶Ⅰ層含氣飽和度為75%，Ⅱ?qū)雍瑲怙柡投葹?4%，與第一注采周期相比分別增幅25%和21%；氣水過(guò)渡帶層Ⅰ含氣飽和度為54%，Ⅱ?qū)雍瑲怙柡投葹?2%，與第一注采周期相比分別降幅8%和17%。以上結(jié)果表明，氣驅(qū)水純氣帶是建庫(kù)儲(chǔ)層有效動(dòng)用孔隙空間增加的主要區(qū)帶，且高滲大孔隙空間動(dòng)用效果較好，為空間流體動(dòng)用有利區(qū)，而氣水過(guò)渡帶為儲(chǔ)層有效動(dòng)用孔隙空間減小的主要區(qū)帶，且低滲微細(xì)孔隙空間流體動(dòng)用較差，為空間流體動(dòng)用不利區(qū)(圖5)。

圖5 區(qū)帶周期注采空間流體動(dòng)用曲線圖

3 水侵氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)氣水微觀滲流規(guī)律

建庫(kù)儲(chǔ)層物性存在不同程度非均質(zhì)性，水侵氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)高速注采運(yùn)行過(guò)程中，儲(chǔ)氣空間出現(xiàn)了水淹帶、氣水過(guò)渡帶、氣驅(qū)水純氣帶、建庫(kù)前純氣帶四個(gè)區(qū)帶。以水侵氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)HT注采模擬結(jié)果為例，在儲(chǔ)層發(fā)育、反復(fù)水侵、高速大壓差注采等多因素影響下，各區(qū)帶出現(xiàn)微觀孔隙空間滲流及動(dòng)用差異特征如下所述。

1）建庫(kù)前純氣帶：高速注采條件下，不同儲(chǔ)層巖石物性孔隙空間流體的動(dòng)用程度差異顯著。多周期注采過(guò)后，物性較高的儲(chǔ)層仍有部分孔隙空間流體無(wú)法動(dòng)用，動(dòng)用率分布在76%～83%之間。

2）氣驅(qū)水純氣帶：隨注采周期增加，在高速流循環(huán)抽提作用下殘余水減少，空間流體動(dòng)用逐步增加，動(dòng)用率分布在64%～75%之間。

3）氣水過(guò)渡帶：周期注采多輪氣水交互驅(qū)替，相滲滯后作用顯著，導(dǎo)致氣相滲透率逐步降低，氣水滲流區(qū)間收窄，可動(dòng)孔隙空間逐步減小，動(dòng)用率分布在42%～54%之間。

4 結(jié)論

1) 周期注采儲(chǔ)層流體相滲分析表明，水侵氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)儲(chǔ)層排驅(qū)水體階段氣水相對(duì)滲透率與水體侵入階段差異明顯，經(jīng)多輪氣水交互驅(qū)替，氣相滲流能力逐步降低，氣水兩相滲流區(qū)間逐步收窄。

2) 周期注采儲(chǔ)層孔隙流體核磁分析表明，區(qū)帶水侵狀況是影響空間流體動(dòng)用的重要因素，經(jīng)多周期注采，氣水過(guò)渡帶含氣空間逐步減小，氣驅(qū)水純氣帶變化趨勢(shì)與之相反，其內(nèi)在機(jī)制為氣水交互驅(qū)替相滲滯后效應(yīng)與高速注采循環(huán)抽提作用，同時(shí)建庫(kù)儲(chǔ)層物性的非均質(zhì)程度也決定了空間流體動(dòng)用的差異性，這與水侵氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)注采能力的分區(qū)差異表現(xiàn)一致。

3) 基于水侵氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)微觀滲流研究結(jié)果，應(yīng)將水體運(yùn)移動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)作為工作重點(diǎn)，合理控制水體運(yùn)移波及范圍，以降低往復(fù)水侵對(duì)建庫(kù)儲(chǔ)層的損害，同時(shí)針對(duì)儲(chǔ)層物性分區(qū)優(yōu)化調(diào)整注采井網(wǎng)，以提高建庫(kù)儲(chǔ)層孔隙空間流體的動(dòng)用水平，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣庫(kù)快速擴(kuò)容達(dá)產(chǎn)及高效運(yùn)行。