含邊水枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)動(dòng)態(tài)達(dá)容理論研究

孫照勇 王曦

摘? ?要： 含邊水枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)達(dá)容是一個(gè)極其緩慢的過程，需要數(shù)個(gè)注采周期才可以達(dá)到方案設(shè)計(jì)值。以文96儲(chǔ)氣庫(kù)為研究對(duì)象，開展動(dòng)態(tài)達(dá)容理論研究。對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)構(gòu)造完整性、井筒密閉性進(jìn)行評(píng)價(jià)，不斷優(yōu)化注采參數(shù)，得到達(dá)容方案：位于構(gòu)造高部位的氣井注氣，采氣期均衡采氣，在構(gòu)造低部位部署排液井。歷經(jīng)多個(gè)周期的注采運(yùn)行，文96儲(chǔ)氣庫(kù)動(dòng)態(tài)庫(kù)容超過設(shè)計(jì)指標(biāo)，工作氣量同步提升，第五周期理論工作氣量達(dá)到1.80×108 m3，占整體庫(kù)存的36.5%。若地層壓力達(dá)到27 MPa，則冬季理論工作氣量將達(dá)到2.24×108 m3，占整體庫(kù)存的41.8%。文96儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)達(dá)容，工作氣量顯著提升，邊水得到有效控制，為榆濟(jì)管網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行提供了充分保障。

關(guān)鍵詞： 含邊水枯竭氣藏;儲(chǔ)氣庫(kù);動(dòng)態(tài)達(dá)容;工作氣量;注采周期

引言

隨著地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)進(jìn)度的加快，提高儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行效率，保障輸氣管網(wǎng)上下游平穩(wěn)運(yùn)行的需求日益迫切，儲(chǔ)氣庫(kù)達(dá)容理論研究成為焦點(diǎn)[1-2]。地下儲(chǔ)氣庫(kù)的達(dá)容是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，需要數(shù)個(gè)周期才可以達(dá)到方案設(shè)計(jì)值[3-4]。以大港儲(chǔ)氣庫(kù)群為例，其板中北儲(chǔ)氣庫(kù)、板中南儲(chǔ)氣庫(kù)在經(jīng)歷七個(gè)注采周期后，仍未達(dá)到設(shè)計(jì)擴(kuò)容量。再如文96儲(chǔ)氣庫(kù)，由于其含弱邊水，故達(dá)容周期與普通枯竭氣藏相當(dāng)，達(dá)容更為緩慢[5-6]。因此，為了使得儲(chǔ)氣庫(kù)更大程度地發(fā)揮調(diào)峰能力，需對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)達(dá)容理論進(jìn)行研究。

本文聚焦于含邊水枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)的動(dòng)態(tài)達(dá)容理論研究，技術(shù)路線是：首先結(jié)合文96儲(chǔ)氣庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，進(jìn)行構(gòu)造完整性評(píng)價(jià)和井筒密閉性評(píng)價(jià);其次以構(gòu)造完整性和井筒密閉性為基礎(chǔ)，探索注采參數(shù)的優(yōu)化方案;最后將達(dá)容（含擴(kuò)容）技術(shù)應(yīng)用于儲(chǔ)氣庫(kù)，并評(píng)價(jià)應(yīng)用效果。

1? 技術(shù)路線

1.1? 構(gòu)造完整性評(píng)價(jià)

1.1.1? 蓋層密閉性

蓋層地質(zhì)特征分析：儲(chǔ)氣庫(kù)目的層上部發(fā)育兩套蓋層，沙一段鹽巖為鹽湖沉積物，為巖鹽、石膏夾灰色泥巖及薄層碳酸鹽巖和油頁(yè)巖組合，鹽類沉積范圍廣泛，厚度50～200 m;沙二段上泥巖為半深湖—深湖相（膏）泥巖，厚度200～450 m。根據(jù)枯竭油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)蓋層巖性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，封閉性等級(jí)為“好”。

泥巖蓋層密閉性：選取儲(chǔ)氣庫(kù)新井泥巖段巖心，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)顯示：當(dāng)?shù)獨(dú)庾⑷雺毫_(dá)到50 MPa時(shí)，泥巖仍未被擊穿。文96儲(chǔ)氣庫(kù)注氣期井底流壓最高為29 MPa，可確保蓋層密閉。注入壓力與氮?dú)饬髁筷P(guān)系曲線如圖1所示。

1.1.2? 斷層密閉性

（1）不同層位斷層密封性評(píng)價(jià)

庫(kù)區(qū)內(nèi)發(fā)育3條斷層，北部2條、南部1條?？v向上，斷層主要存在于S2X1、S2X2、S2X3-1、S2X3-2、S2X4-1、S2X5、S2X6小層內(nèi)。根據(jù)數(shù)值模擬研究結(jié)果，在設(shè)計(jì)2.95億立方米工作氣量下，氣庫(kù)循環(huán)注采過程中斷層附近壓力為12.3～27 MPa，無高壓顯示。

（2）不同井口注氣壓力條件下斷層密封性評(píng)價(jià)

綜合分析表明，隨著井口注氣壓力提高，注采井井底最大地層壓力上升。在最大注氣量134.1萬立方米/天（工作氣量2.95億立方米）條件下，若要控制注采井井底壓力小于27 MPa，井口最大注氣壓力應(yīng)控制在23.5 MPa以下。

（3）不同注采模式下斷層密封性評(píng)價(jià)

考慮文96儲(chǔ)氣庫(kù)為構(gòu)造性氣藏，為加快儲(chǔ)氣庫(kù)達(dá)容，計(jì)劃采用頂部注氣、底部采氣模式運(yùn)行。因此，設(shè)計(jì)了不同的注采模式，對(duì)比各模式下斷層及井點(diǎn)附近地層壓力變化特征，評(píng)價(jià)儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行參數(shù)變化規(guī)律及安全風(fēng)險(xiǎn)。研究表明，當(dāng)注采井?dāng)?shù)減少4口時(shí)，儲(chǔ)氣庫(kù)整體注采能力及工作氣量均略有降低;對(duì)于低部位采氣井，由于其并未注氣，故在注采井井點(diǎn)附近，井底壓力明顯低于全注全采條件下的井底流壓;對(duì)于高部位注采井，全注全采條件下初期分配注氣量增加，但后期降低，注氣期末井底壓力相差不大，且均未超過27 MPa，破裂風(fēng)險(xiǎn)較小。

1.2? 井筒密閉性評(píng)價(jià)

文96儲(chǔ)氣庫(kù)管理各類井70余口，其中14口注采井在交變載荷作用下，存在固井水泥環(huán)失效可能，容易導(dǎo)致注入天然氣漏失及套管起壓。通過井筒密閉性研究取得以下三點(diǎn)研究成果：

一是通過所建模型計(jì)算水泥環(huán)受載，以等效應(yīng)力相等為約束條件，將實(shí)際井筒載荷轉(zhuǎn)換到模擬井筒上，完成了應(yīng)力等效。再結(jié)合時(shí)間等效設(shè)計(jì)，從應(yīng)力等效和時(shí)間等效兩個(gè)方面形成了注采交變載荷等效實(shí)驗(yàn)方法。其中抗拉強(qiáng)度為2.89 MPa時(shí)的水泥環(huán)內(nèi)壁三向應(yīng)力如圖2所示，抗壓強(qiáng)度為30.58 MPa時(shí)的水泥環(huán)內(nèi)壁等效應(yīng)力如圖3所示。

二是進(jìn)行了生產(chǎn)設(shè)計(jì)工況的等效實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示：50個(gè)周期內(nèi)水泥環(huán)不會(huì)發(fā)生破壞，說明在儲(chǔ)氣庫(kù)正常生產(chǎn)情況下（生產(chǎn)壓差小于2 MPa），可確保井筒密閉性。

三是將注采壓差擴(kuò)大到5 MPa，實(shí)驗(yàn)單周期循環(huán)時(shí)間縮短至10 min，發(fā)現(xiàn)水泥環(huán)經(jīng)過276個(gè)周期后出現(xiàn)徑向裂紋破壞，屬于拉伸破壞。而注采井生產(chǎn)井段固井質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)情況，同時(shí)儲(chǔ)氣庫(kù)注采運(yùn)行制度存在頻繁切換的問題，因此注采井運(yùn)行應(yīng)嚴(yán)格控制生產(chǎn)壓差。

1.3? 注采參數(shù)優(yōu)化研究

1.3.1? 邊水侵入氣藏對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)注采的影響

邊水侵入氣藏后，造成氣藏儲(chǔ)氣空間減小，同時(shí)降低了儲(chǔ)層滲流能力，即影響了儲(chǔ)氣庫(kù)冬季采氣期生產(chǎn)能力。因此需要確定能夠通過注入天然氣驅(qū)替邊水的方案，以提高儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氣空間及提升儲(chǔ)層滲流能力。

（1）邊水運(yùn)移微觀特征

氣驅(qū)水微觀實(shí)驗(yàn)圖如圖4所示。微觀實(shí)驗(yàn)顯示：氣驅(qū)水時(shí)，毛管力為阻力，氣沿大孔道粘性指進(jìn)，存在明顯的間斷式跳躍前進(jìn)現(xiàn)象;水驅(qū)氣時(shí)，毛管力為吸吮力，水首先進(jìn)入小喉道沿壁連續(xù)運(yùn)移。

在注采過程中，注氣時(shí)為氣驅(qū)水，氣沿大孔道驅(qū)替地層水，在小喉道處形成束縛水;采氣時(shí)，地層水優(yōu)先進(jìn)入小喉道。在往復(fù)注采過程中，儲(chǔ)層滲透率低的小孔隙中形成不可動(dòng)束縛水。

（2）氣水相滲透率變化規(guī)律

氣體注入和采出是交互進(jìn)行而又不穩(wěn)定的，同時(shí)伴隨著儲(chǔ)氣庫(kù)含水飽和度的變化，水往復(fù)地侵入和被驅(qū)出儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)。因而，研究不穩(wěn)定注采對(duì)探討地層壓力的變化和多次氣、水互驅(qū)后流體滲流能力的變化對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)注采能力的影響顯得至關(guān)重要。

文96儲(chǔ)氣庫(kù)雖然受邊水的影響，但在同一注采周期內(nèi)，儲(chǔ)氣庫(kù)注氣期注入的天然氣可驅(qū)替邊水，向注氣井井周擴(kuò)散，采氣期邊水向生產(chǎn)井井眼流動(dòng)。因此，在儲(chǔ)氣庫(kù)邊水分布差異的大前提下，必須采用相應(yīng)分析技術(shù)，合理確定文96儲(chǔ)氣庫(kù)注采制度，保障儲(chǔ)氣庫(kù)有效工作氣量及庫(kù)容。

1.3.2? 注采運(yùn)行模式研究

（1）儲(chǔ)氣庫(kù)注入方式優(yōu)選

為了優(yōu)選儲(chǔ)氣庫(kù)注入方式，設(shè)計(jì)、計(jì)算了五套方案。

方案1：注入能力高的6口井先注氣，當(dāng)儲(chǔ)氣庫(kù)注入能力整體下降時(shí)，其他7口井開始注氣;

方案2：注入能力低的7口井先注氣，當(dāng)儲(chǔ)氣庫(kù)注入能力整體下降時(shí)，其他6口井開始注氣;

方案3：位于構(gòu)造高部位的7口井先注氣，當(dāng)儲(chǔ)氣庫(kù)注入能力整體下降時(shí)，其他6口井開始注氣;

方案4：位于構(gòu)造低部位的6口井先注氣，當(dāng)儲(chǔ)氣庫(kù)注入能力整體下降時(shí)，其他7口井開始注氣;

方案5：儲(chǔ)氣庫(kù)14口井同時(shí)注氣，注氣壓力最高23.5 MPa。

不同注氣方式下儲(chǔ)氣庫(kù)累計(jì)注氣量如圖5所示。從注入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)來看，在注入前期，方案1、方案3、方案5整體注氣能力沒有受到大的限制，平均日注氣量基本達(dá)到200×104 m3/d，而方案2、方案4整體注氣能力受到限制，平均日注氣量?jī)H100×104 m3/d左右。但從整個(gè)注氣過程來看，到10月31日注氣結(jié)束時(shí)，各方案總注氣量差別不大，基本在1.77×108 m3左右。從氣水分布的角度考慮，頂部注氣時(shí)邊水外推比較均勻，因此推薦實(shí)施頂部先注氣，當(dāng)注氣能力受到限制時(shí)，構(gòu)造低部位井再注氣。

（2）儲(chǔ)氣庫(kù)采氣方式優(yōu)選

同樣設(shè)計(jì)、計(jì)算了五套方案。從開采動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)來看，有三個(gè)方案最終采氣量差別不大，但開采構(gòu)造高部位氣井的最終采氣量相對(duì)較多，而產(chǎn)水相對(duì)較少，邊水推進(jìn)較慢。另兩個(gè)方案雖然產(chǎn)水量少，但已影響采氣量，使采氣量相對(duì)較少。因此綜合各因素，開采方式優(yōu)選為先開采構(gòu)造高部位氣井，當(dāng)采氣能力下降后，再開采低部位氣井，均衡采氣。

（3）多周期注采評(píng)價(jià)

對(duì)于含邊水枯竭氣藏，其生產(chǎn)過程必須對(duì)氣井壓差進(jìn)行控制，防止邊水快速舌進(jìn)造成氣井水淹停產(chǎn)。根據(jù)老氣田開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，采用合理生產(chǎn)壓差經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)單井合理生產(chǎn)壓差進(jìn)行計(jì)算。從儲(chǔ)氣庫(kù)多周期注采氣開發(fā)生產(chǎn)指標(biāo)來看，每個(gè)注采輪次采氣量大約為2.2×108 m3，注氣量大約為2.3×108 m3，即儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰采氣量大約為2.2×108 m3，調(diào)峰注氣量大約為2.3×108 m3。隨著注采輪次的增加，每輪次注氣量增加，儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氣量增大。

1.4? 達(dá)容擴(kuò)容技術(shù)研究

含弱邊水枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)達(dá)容及擴(kuò)容的主要手段是：通過控制邊水合理分布，提升儲(chǔ)氣庫(kù)天然氣儲(chǔ)集空間。通過五個(gè)周期合理注采運(yùn)行，文96儲(chǔ)氣庫(kù)邊水得到有效控制，同時(shí)通過排液措施，四個(gè)周期累計(jì)出液5 305.69 m3。通過體積置換，可增加天然氣存氣量111.4×104 m3，但相比5.88億立方米庫(kù)容，通過注采井排液擴(kuò)容的方式是極為緩慢的。

1.4.1 “高部位注氣、均衡采氣”模式下儲(chǔ)氣庫(kù)動(dòng)態(tài)特征

綜合分析表明，文96儲(chǔ)氣庫(kù)為封閉氣藏，自身水體能量弱，生產(chǎn)過程中地層水不斷被帶出，含氣飽和度略有上升。但儲(chǔ)氣庫(kù)循環(huán)過程中，含氣飽和度往復(fù)波動(dòng)，基本保持穩(wěn)定，含水飽和度不斷降低，未出現(xiàn)明顯擴(kuò)容現(xiàn)象，如圖6所示。

1.4.2? 達(dá)容及擴(kuò)容

通過注氣期構(gòu)造高部位氣井注氣，可有效控制邊水向低部位的運(yùn)移，同時(shí)降低氣水過渡帶范圍，保障冬季采氣量。采氣期均衡采氣，可確保邊水不發(fā)生突進(jìn)現(xiàn)象，但該運(yùn)行方式無法進(jìn)一步提升儲(chǔ)氣庫(kù)動(dòng)態(tài)庫(kù)容及冬季采氣期工作氣量。而根據(jù)等體積置換原理，可考慮在構(gòu)造低部位邊水部署排液井，進(jìn)行強(qiáng)制排液，從而提升儲(chǔ)氣庫(kù)邊水的排出，提高天然氣的儲(chǔ)集空間，達(dá)到儲(chǔ)氣庫(kù)達(dá)容及擴(kuò)容的目的。

部署后，文96儲(chǔ)氣庫(kù)工作氣量及動(dòng)態(tài)庫(kù)容得到大幅提升，僅通過兩個(gè)周期的運(yùn)行，工作氣量就達(dá)到方案設(shè)計(jì)值的92.7%。工作氣量、動(dòng)態(tài)庫(kù)容提升速度遠(yuǎn)快于不部署排液井的方案，在儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氣空間增大的同時(shí)，水淹層滲流能力也得到改善，儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰能力的提高有利于更好地保障榆濟(jì)管網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行。

2? 應(yīng)用效果分析

2.1? 儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)達(dá)容

通過第1章生產(chǎn)制度的控制，文96儲(chǔ)氣庫(kù)主塊動(dòng)態(tài)庫(kù)容在五個(gè)周期運(yùn)行下，呈逐年增加趨勢(shì)，在第五周期，文96儲(chǔ)氣庫(kù)主塊動(dòng)態(tài)庫(kù)容已達(dá)到設(shè)計(jì)值水平，如圖7所示。

2.2? 儲(chǔ)氣庫(kù)工作氣量顯著提升

文96儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)目的是保障榆濟(jì)管網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)擔(dān)負(fù)著應(yīng)急調(diào)峰和應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的作用，而衡量文96儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行的重要指標(biāo)即為冬季采暖期的整體工作氣量。

運(yùn)行五個(gè)周期以來，儲(chǔ)氣庫(kù)第五周期理論工作氣量達(dá)到了1.80×108 m3，占整體庫(kù)存的36.5%。若地層壓力達(dá)到27 MPa，則冬季理論工作氣量將達(dá)到2.24×108 m3，占整體庫(kù)存比例將上升到41.8%，該工作氣量在國(guó)內(nèi)同類型儲(chǔ)氣庫(kù)中處于前列。

2.3? 邊水得到有效控制

在安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，確定文96儲(chǔ)氣庫(kù)的安全運(yùn)行參數(shù)。根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)含邊水枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)的注采運(yùn)行模式及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，進(jìn)行數(shù)值模擬。如前所述，文96儲(chǔ)氣庫(kù)注采運(yùn)行應(yīng)避免頻繁的注氣、采氣制度切換，從而避免水泥環(huán)應(yīng)力疲勞失效;同時(shí)考慮邊水的影響，注采運(yùn)行過程中應(yīng)堅(jiān)持構(gòu)造高部位氣井注采，采氣期均衡采氣的原則。在此背景下，文96儲(chǔ)氣庫(kù)的動(dòng)態(tài)庫(kù)容、工作氣量等相關(guān)參數(shù)得到大幅提升，單井注采氣能力整體平穩(wěn)且略有提高，未受到邊水的影響，如圖8所示。

3? 結(jié)論與建議

本文以文96儲(chǔ)氣庫(kù)為例，對(duì)含邊水枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)的動(dòng)態(tài)達(dá)容理論進(jìn)行了研究，儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行五個(gè)周期以來，第五周期理論工作氣量達(dá)到了1.80×108 m3，占整體庫(kù)存的36.5%。若地層壓力達(dá)到27 MPa，則冬季理論工作氣量將達(dá)到2.24×108 m3，占整體庫(kù)存比例將上升到41.8%，在國(guó)內(nèi)同類型儲(chǔ)氣庫(kù)中處于前列。主要結(jié)論與建議有：

（1） 當(dāng)井口最大注氣壓力不超過23.5 MPa時(shí)，構(gòu)造完整性不會(huì)受到破壞;

（2） 應(yīng)采用構(gòu)造高部位氣井注氣，采氣期均衡采氣方式，控制氣庫(kù)邊水合理分布，提升冬季有效工作氣量。

（3） 僅采取排液措施難以達(dá)到快速達(dá)容的目的，應(yīng)考慮在構(gòu)造低部位部署排液井，提升氣庫(kù)達(dá)容、擴(kuò)容速度。

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