柴達(dá)木盆地臺南氣田邊水水侵影響因素及剩余氣分布特征研究

孫永亮 王小魯 王玉善 柴小穎 李國良 敬 偉 趙坤梅

(①中國石油渤海鉆探工程有限公司油氣合作開發(fā)分公司；②中國石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院；③中國石油渤海鉆探工程有限公司第一錄井分公司)

0 引 言

臺南氣田位于柴達(dá)木盆地東部，具有井段長、層多、砂巖疏松、邊水氣藏等特殊的地質(zhì)條件，為國內(nèi)外少見的第四系生物成因氣田，氣層薄而層數(shù)多，儲集層非均質(zhì)性強(qiáng)，氣水分布復(fù)雜，地層水含量高，氣井普遍出水[1]。近年來臺南氣田步入含水快速上升階段，氣井出水量增長較快，積液程度較高，排水采氣工作量逐年加大，水淹停產(chǎn)井逐年增多，出水形勢日益嚴(yán)峻，邊水水侵嚴(yán)重影響了氣田的高效開發(fā)和持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)，是目前臺南氣田面臨的重大挑戰(zhàn)。

鑒于對臺南氣田單砂體水驅(qū)邊界條件、水侵影響因素缺乏有效認(rèn)識，治水措施的針對性不強(qiáng)，水侵治理效果不理想[2]，目前亟需開展巖心水驅(qū)氣滲流實(shí)驗(yàn)及氣砂體水侵?jǐn)?shù)值模擬研究，識別臺南氣田開發(fā)過程中邊水水侵的主要影響因素，認(rèn)清氣水運(yùn)動規(guī)律，進(jìn)而制定合理的治水方案，開展堵水和強(qiáng)排水等先導(dǎo)試驗(yàn)，封堵儲集層水侵高滲通道，以實(shí)現(xiàn)氣藏的均衡開采，延緩水侵對氣井產(chǎn)量的影響，治理氣井水淹停產(chǎn)，最大限度地發(fā)揮氣井的潛能，實(shí)現(xiàn)長期、穩(wěn)定、高效地生產(chǎn)。

出水是臺南氣田氣井低產(chǎn)低效的主要原因，顯著降低了氣田的可采儲量。各開發(fā)層組投產(chǎn)時間、采出程度和壓力衰竭程度不同，邊水能量存在差異，不同砂體的水侵狀況和剩余氣分布各不相同。研究氣藏剩余氣的分布特征、類型及富集規(guī)律，據(jù)此完善調(diào)整井網(wǎng)井位部署，調(diào)節(jié)單井配產(chǎn)和采氣速度，能夠最大程度地提高氣田的最終采收率，保持氣田較高的開發(fā)水平。

1 氣藏地質(zhì)特征

臺南氣田為典型的構(gòu)造層狀邊水氣田，縱向上劃分的多個含氣小層，由于儲集層非均質(zhì)性、天然氣充滿程度、驅(qū)動能量的差異，各小層含氣面積差異較大,有獨(dú)立的氣水界面。氣水界面呈南高北低的趨勢，與構(gòu)造等高線不完全一致。由于巖性的控制作用，氣水邊界存在部分不規(guī)則的現(xiàn)象[1-2]。

臺南氣田構(gòu)造平緩，地層傾角約1°，成藏驅(qū)替動力弱,氣水分異程度差。地層壓實(shí)作用弱，巖性疏松，賦存大量滯留水。成藏期較晚，生物氣源生烴強(qiáng)度有限，氣藏充注動力弱，形成連續(xù)氣柱高度小。疏松砂巖圈閉規(guī)模和蓋層封閉能力有限，當(dāng)氣藏達(dá)到一定規(guī)模后壓力平衡，便沒有能力繼續(xù)排驅(qū)氣藏以外砂巖儲集層孔隙中的地層水，從而在氣藏外圍較低部位形成環(huán)狀的地層水分布帶，即氣藏邊水。當(dāng)氣藏投入開發(fā)生產(chǎn)后，氣藏能量被釋放，被原始?xì)獠嘏膨?qū)在外的氣藏邊水就會產(chǎn)生回壓，形成邊水驅(qū)動。隨著開發(fā)不斷深入，地層壓力逐漸下降，邊水進(jìn)入氣藏占據(jù)儲集層優(yōu)勢位置，加劇了儲集層非均質(zhì)性，使得靜態(tài)含水飽和度和生產(chǎn)動態(tài)水氣比逐漸升高，從而導(dǎo)致氣田產(chǎn)能遞減加快，嚴(yán)重制約了氣田的穩(wěn)產(chǎn)。

2 邊水水侵影響因素

邊水氣藏開采過程中存在的最嚴(yán)重問題是地層水會沿著儲集層優(yōu)勢通道，在壓力梯度的作用下快速推進(jìn)，降低氣藏內(nèi)氣相的流動能力，直接引起氣井產(chǎn)能的迅速降低，這一現(xiàn)象多發(fā)生在與邊水連通的儲集層高滲帶。國內(nèi)外大量生產(chǎn)測試資料表明，儲集層內(nèi)較高滲透地帶是主要的產(chǎn)氣層段，當(dāng)氣井出現(xiàn)地層水侵入現(xiàn)象時，主產(chǎn)氣層段也將是主要的出水層段[3]。

由互不連通的毛細(xì)管孔道兩相液流公式推導(dǎo)出水驅(qū)氣兩相界面運(yùn)動速度的計(jì)算公式如公式(1)。由該公式可知，氣藏邊水水侵影響因素主要包括儲集層毛管力、氣水粘度差、孔喉半徑、采氣速度和水體體積，其中孔喉半徑是最主要的影響因素[4-6]。

(1)

式中：v為氣水界面運(yùn)動速度，m/s；r為孔喉半徑，μm；pc為儲集層毛管力，MPa；μw為水的粘度，mPa·s；μg為氣的粘度，cP(1 cP=10-3mPa·s)；Δp為生產(chǎn)壓差，MPa；t為生產(chǎn)時間，s；L為孔道長度，m；Lt為t時刻氣水界面運(yùn)動的距離，m。

2.1 儲集層毛管力

巖心分析結(jié)果顯示,臺南氣田儲集層束縛水飽和度較高，介于45%～60%之間，巖石強(qiáng)親水，水不易被驅(qū)除，兩相等滲點(diǎn)低，介于0.04～0.08之間，共滲區(qū)范圍小，水相相對滲透率隨含水飽和度上升急劇增大，水進(jìn)阻力小、見水快。非均質(zhì)儲集層巖心水驅(qū)氣滲流實(shí)驗(yàn)顯示，邊水侵入氣層后，首先進(jìn)入儲集層大孔道，很短時間小孔道也充滿水，大小孔道均受到有效波及，水驅(qū)氣過程中毛管力為動力，孔喉越小毛管力越強(qiáng)[7]。

2.2 氣水粘度差

流度比描述驅(qū)替相和被驅(qū)替相的相對流動能力，流度比小于1則驅(qū)替前緣均衡推進(jìn)，流度比大于1則驅(qū)替前緣易形成粘性推進(jìn)。臺南氣田地層條件下儲集層地層水與天然氣粘度差異大，兩相共流區(qū)水氣流度比范圍0.01～0.2，水驅(qū)氣類似潤濕相的聚合物驅(qū)替非潤濕相的低粘度原油，在均質(zhì)儲集層中邊水水侵近似活塞驅(qū)動。在非均質(zhì)儲集層中，巖性差異導(dǎo)致了儲集層內(nèi)不同位置氣水流動能力差異較大，氣井的見水時間也不相同。

2.3 孔喉半徑

儲集層孔喉半徑是影響水侵速度的主要因素,孔喉半徑越大，儲集層的導(dǎo)流能力越強(qiáng)，邊水的彈性能量能夠得到充分發(fā)揮，使得邊水的推進(jìn)距離增大，水侵速度加快，邊水沿儲集層高滲帶突進(jìn)現(xiàn)象越明顯。

巖心水驅(qū)氣滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，非均質(zhì)儲集層水侵過程中，由于滲流通道差異，水相容易沿高滲帶突進(jìn)，發(fā)生繞流后會減小甚至封堵部分低滲層氣相滲流通道，導(dǎo)致氣相不連續(xù)分布，甚至封存部分氣體，出現(xiàn)宏觀的“水包氣”現(xiàn)象[8](圖1)。

圖1 巖心水侵突進(jìn)現(xiàn)象微觀圖像

臺南氣田儲集層非均質(zhì)性強(qiáng)，單砂體儲集層品質(zhì)系數(shù)RQI按公式(2)計(jì)算，宏觀上可表征孔喉半徑的大小，對于好的儲集層，孔喉半徑大，孔喉彎曲度小，則RQI值大，RQI與孔喉半徑呈正相關(guān)關(guān)系。

(2)

式中：K為滲透率，103mD；φe為有效孔隙度，無量綱；r為孔喉半徑，μm；Fs為形狀因子，無量綱；τ為孔喉的彎曲度，無量綱。

采用聚類分析算法刻畫高滲帶展布，高滲帶平面上主要呈條帶狀分布，面積比例介于5%～20%之間。采用數(shù)值模擬技術(shù)，模擬非均質(zhì)儲集層高滲帶對水侵的影響，結(jié)果顯示，邊水沿高滲帶突進(jìn)現(xiàn)象明顯(圖2)。針對臺南氣田中高孔中低滲、非均勻水侵的特點(diǎn)，設(shè)置臺南氣田儲集層背景孔隙度為0.3，滲透率為30 mD,高滲帶分別為3倍、5倍、10倍滲透率級差，面積比例5%，生產(chǎn)時間6年，模擬非均質(zhì)儲集層不同滲透率級差對水侵的影響。結(jié)果顯示，邊水容易沿儲集層高滲帶突進(jìn)，不同滲透率級差突進(jìn)程度不同，突進(jìn)距離分別為200、400、600 m，且自3～5倍級差開始突進(jìn)明顯，滲透率級差越大，突進(jìn)程度越大(圖3)。

2.4 采氣速度

采氣速度代表氣田的開采強(qiáng)度，直接決定了氣田的穩(wěn)產(chǎn)年限和出水動態(tài)。水驅(qū)氣滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，配產(chǎn)相同時，儲集層滲透率越高，水侵前緣推進(jìn)速度越快；同一儲集層，配產(chǎn)越高，即采氣速度越快，水侵前緣推進(jìn)速度越快(圖4)。

圖2 儲集層高滲帶展布及剩余氣飽和度平面圖

圖3 儲集層不同滲透率級差對水侵的影響

圖4 不同儲集層水侵前緣推進(jìn)速度與實(shí)驗(yàn)配產(chǎn)關(guān)系

設(shè)置儲集層高滲帶5倍滲透率級差，采氣速度分別為3%、6%和10%，生產(chǎn)時間6年，數(shù)值模擬非均質(zhì)儲集層不同采氣速度對水侵的影響。結(jié)果顯示，水侵沿儲集層高滲帶突進(jìn)距離分別為50、200、300 m，且隨著采氣速度增大，水侵沿儲集層高滲帶突進(jìn)現(xiàn)象更趨明顯。

為了均衡開采，抑制邊水的推進(jìn)，各個層組及井間的相對采氣速度有較大的調(diào)整空間，在不超過合理配產(chǎn)上限的前提下，通過調(diào)整井?dāng)?shù)和單井配產(chǎn)，達(dá)到控制各個層組邊水推進(jìn)狀態(tài)的目的。

2.5 水體體積

有限水體的邊水氣藏，邊水體積越大，則彈性能量越大。在氣藏衰竭式開發(fā)過程中，水侵量取決于邊水彈性能量的釋放程度，當(dāng)邊水的能量能夠充分釋放時，水侵量隨著水體的增大而增加。邊水推進(jìn)過程中存在壓力損耗，當(dāng)水體體積增大到一定程度后，邊水與氣藏之間的壓力梯度變小，邊水彈性能量不能充分釋放，水侵量的增加幅度變小。儲集層滲透率較低時，氣藏壓降傳導(dǎo)到水區(qū)邊界時間較長，增大水體，邊水能量不能有效補(bǔ)充氣藏，水侵量較??；滲透率較高時，氣藏與邊水連通性好，氣藏能量補(bǔ)充較快，水侵量較大。

數(shù)值模擬不同體積水體對氣藏水侵量影響，設(shè)置儲集層滲透率分別為30、150 mD,采氣速度6%，生產(chǎn)時間6年，水體大小分別為7倍、15倍、30倍。滲透率較低時，水體體積增大，水侵量分別為147、157、163萬m3，水侵量較小；滲透率較高時，水侵量分別為241、332、352萬m3，水侵量較大，水侵量增加幅度隨水體體積增大而變小。

3 剩余氣分布特征研究

目前，國內(nèi)外研究剩余氣分布的方法主要有取心井巖心分析法、剩余油飽和度測井法、油藏?cái)?shù)值模擬法、開發(fā)地質(zhì)與動態(tài)綜合分析法、水動力學(xué)法等。臺南氣田剩余氣形成與分布主要受地質(zhì)和開發(fā)兩大因素的影響。地質(zhì)因素主要指沉積微相、儲集層特性、微型構(gòu)造、流體性質(zhì)、水體大小等，表現(xiàn)為對剩余氣分布的控制；開發(fā)因素主要指采氣速度、井網(wǎng)分布等[9]。本文采用數(shù)值模擬和動態(tài)分析相結(jié)合的方法，根據(jù)剩余氣含氣面積、含氣飽和度、儲量豐度的變化規(guī)律研究剩余氣分布特征。

3.1 剩余氣表征方法

剩余氣分布表征參數(shù)包括：含氣范圍內(nèi)含氣飽和度Sg及減幅ΔSg，表征剩余儲量品質(zhì)；含氣面積Ag及減幅ΔAg，表征剩余儲量分散程度；儲量豐度Rg及減幅ΔRg，表征剩余儲量富集程度。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，計(jì)算臺南氣田水侵單砂體的ΔSg、ΔAg及ΔRg，分析參數(shù)之間的相關(guān)性及水侵特征。

ΔSg與ΔRg正相關(guān)，ΔSg幅度大，含氣飽和度隨儲量減少而減小，以層內(nèi)水及邊水驅(qū)動為主。ΔSg與ΔRg無關(guān)聯(lián)，ΔSg幅度小，隨儲量減少，含水飽和度無一致性變化趨勢，存在3種情況：ΔSg為0～2%，邊水無明顯水侵，同時層內(nèi)含極少可動水，以衰竭式彈性開采為主；ΔSg為2%～5%，地層水少，物性好，邊水均勻推進(jìn)，以邊水驅(qū)動為主，剩余儲量集中在高部位；ΔSg為5%～10%，地層水多，物性差，以層內(nèi)水驅(qū)為主，采出氣后大量層內(nèi)水被滯留。

ΔAg與ΔRg正相關(guān)：邊水整體均勻推進(jìn)，以邊水驅(qū)動為主。ΔAg與ΔRg反相關(guān)：邊水侵入難度大，以層內(nèi)水驅(qū)動為主。ΔAg與ΔRg關(guān)聯(lián)度差：邊水、層內(nèi)水、彈性衰竭幾種開采機(jī)理同時存在。

3.2 剩余氣類型與分布特征

從地質(zhì)儲量、儲集層物性、非均質(zhì)性、水侵特征、開發(fā)方式等方面分析剩余氣的分布控制因素，數(shù)值模擬計(jì)算含氣面積、含氣飽和度、儲量豐度的變化情況，結(jié)合氣井生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)，總結(jié)剩余氣的分布模式為五種類型(圖5,表1)，主要為高部位富集型和稀井區(qū)富集型，比例分別為46.2%和23.0%。

3.3 水侵區(qū)剩余氣含氣飽和度

巖心水驅(qū)氣滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(表2)，水侵區(qū)剩余氣主要賦存在低滲層和離氣井較遠(yuǎn)的儲集層。配產(chǎn)越高則剩余氣含氣飽和度越大，實(shí)驗(yàn)中配產(chǎn) 20 mL/min時剩余氣含氣飽和度平均 31% ，配產(chǎn) 150 mL/min時剩余氣含氣飽和度平均36%；低滲儲集層差異更為明顯，滲透率越低，水侵區(qū)剩余氣含氣飽和度越高，滲透率為3.6 mD的巖心，配產(chǎn)150 mL/min時剩余氣含氣飽和度達(dá)到50%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，水侵繞流后離氣井較遠(yuǎn)的儲集層中剩余氣難以采出，適當(dāng)降低配產(chǎn)，有利于提高采收率[10]。

圖5 臺南氣田不同類型剩余氣儲量豐度平面圖

表1 臺南氣田剩余氣類型劃分與分布特征

表2 水驅(qū)氣滲流實(shí)驗(yàn)剩余氣數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

(1)臺南氣田儲集層束縛水飽和度高，兩相共流區(qū)窄，水進(jìn)阻力小，見水快，邊水侵入過程中毛管力為動力。地層條件下氣水粘度差異大，在均質(zhì)儲集層中邊水水侵近似活塞驅(qū)動。

(2)儲集層不同滲透率級差邊水突進(jìn)程度不同，數(shù)值模擬結(jié)果表明，臺南氣田儲集層3～5倍滲透率級差邊水沿高滲帶開始突進(jìn)明顯。氣藏采氣速度越大，邊水水侵速度越快，滲透率較高時，邊水補(bǔ)充氣藏能量較快，水侵量大，水體增大到一定程度后水侵量增加幅度變小。

(3)總結(jié)剩余氣的分布模式為五種類型，分別為高部位富集型、稀井區(qū)富集型、層內(nèi)非均質(zhì)控制型、層間干擾控制型、低儲量豐度型。主要為高部位富集型和稀井區(qū)富集型，比例分別為46.2%和23.0%。

(4)水侵區(qū)剩余氣含氣飽和度平均值33%，主要賦存在低滲層和離氣井較遠(yuǎn)的儲集層，滲透率越低，采氣速度越快，剩余氣飽和度越高，適當(dāng)降低配產(chǎn)，有利于提高采收率。