深海底水氣藏水侵規(guī)律與水侵風(fēng)險識別方法

王海棟 劉義坤 王鳳嬌 王 旭 孟文波 張金鑫 逄玉鑫

1.遼寧石油化工大學(xué)非常規(guī)油氣開發(fā)技術(shù)與裝備工程研究中心 2.提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·東北石油大學(xué)3.中海石油（中國）有限公司湛江分公司

0 引言

中國南海海域油氣資源豐富，其中深水區(qū)域的油氣資源量占其總資源總量的70%?！笆濉逼陂g在南海相繼發(fā)現(xiàn)了LS17-2，LS25-1、LS18-1等大型深水氣田[1]。其中，LS17-2氣田構(gòu)造位于瓊東南盆地陵水凹陷中央峽谷內(nèi)，主要產(chǎn)層位于古近系黃流組Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段，埋深介于3 200～3 400 m，位于泥線以下1 900 m左右，天然氣地質(zhì)儲量為1 014.2×108m3，其中，底水氣藏的天然氣地質(zhì)儲量為712.0×108m3，占比為70.2%，底水前緣界面與氣藏頂部的距離平均為33 m，投產(chǎn)后發(fā)生水侵的風(fēng)險較高[2-4]。由于水侵會導(dǎo)致有水氣藏的采收率降低，因此，明確水侵機(jī)理和提出有效的水侵風(fēng)險識別方法對于有水氣藏的高效開發(fā)具有重要意義。方飛飛等[5]、Zubarev等[6]、馮曦等[7]、生如巖等[8]的研究結(jié)果都顯示有水氣藏水侵的影響因素復(fù)雜，儲層非均質(zhì)性是主要因素之一。劉華勛等[9]認(rèn)為儲層非均質(zhì)性越強(qiáng)，地層水推進(jìn)的速度越快，氣井見水的時間越早。對于底水氣藏而言，井區(qū)橫縱比也是引發(fā)水侵風(fēng)險產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，但目前還未見相關(guān)研究成果公開報道。針對有水氣藏水侵的識別方法，學(xué)者們也開展了相關(guān)研究。徐昌海等[10]提出了一種判斷水侵優(yōu)勢方向的定量識別方法；馮曦等[11]提出了水侵動態(tài)分析方法，主要包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析、試井及物質(zhì)平衡分析、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)分析等；鄧成剛等[12]通過研究，認(rèn)為采用視地質(zhì)儲量法能夠更早發(fā)現(xiàn)孔隙型、相對均質(zhì)的弱水驅(qū)氣藏的水侵特征；李勇等[13]提出了一種水驅(qū)氣藏氣井見水風(fēng)險評價方法。但是，對于底水氣藏水侵的識別，目前還缺乏一種簡便的、具有普適性的方法。

為此，筆者基于南海LS17-2深水氣田地質(zhì)特征、水體特征及開發(fā)特征，針對水平井開展沿程產(chǎn)氣剖面測試實(shí)驗(yàn)與大型3D底水氣藏水侵物理模擬實(shí)驗(yàn)，定量分析底水脊進(jìn)影響因素，并在此基礎(chǔ)上建立了適用于底水氣藏的水侵風(fēng)險識別方法，以期為海上、陸上底水氣藏的控水開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 LS17-2氣田地質(zhì)特征

1.1 儲層物性特征

LS17-2氣田儲層巖心孔隙度介于21.2%～36.4%，平均孔隙度高達(dá)30.7%，氣測滲透率介于89.0～2 512.3 mD，平均滲透率為543 mD，總體物性好，屬高滲透率、高孔隙度儲層。研究井——LS17-2-2井區(qū)的A4H井水平段長度為300 m，地層壓力為38.7 MPa，地層溫度為91.1 ℃，試采階段氣產(chǎn)量介于61×104～65×104m3/d，底水前緣界面與氣藏頂部的距離平均為68 m，天然氣相對密度為0.638，溶解氣油比高達(dá)14 544.6 m3/m3，可以忽略凝析油對氣井生產(chǎn)的影響。該水平井沿程滲透率分布如表1所示。

表1 A4H井穿越儲層段滲透率分布情況統(tǒng)計表

1.2 水體特征

LS17-2氣田各井區(qū)的水體特征參數(shù)如表2所示，其中，僅有兩個井區(qū)（LS17-2-1井區(qū)、LS17-2-3井區(qū)）發(fā)育邊水，并且氣井A2、A6與邊水的距離較遠(yuǎn)，分別為358 m、482 m；其他井區(qū)均發(fā)育底水，氣井井底位置與底水的距離最大為68 m，最小為12.18 m，平均為38.02 m。由于發(fā)育底水的井區(qū)單井控制面積大，平均高達(dá)22 km2，導(dǎo)致水侵風(fēng)險容易發(fā)生。

1.3 開發(fā)特征

氣井井型為水平井，在開發(fā)過程中形成底水水脊的原因是儲層非均質(zhì)性、趾跟效應(yīng)和生產(chǎn)壓差[14-17]。為了形成底水氣藏控水開發(fā)技術(shù)，首先需要明確上述因素對底水水侵的影響機(jī)制，在此基礎(chǔ)上，建立氣井產(chǎn)能與水侵程度的量化關(guān)系。

2 水平井沿程產(chǎn)氣剖面測試實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

對于深海底水氣藏，采用水平井進(jìn)行開發(fā)時，若水平井沿程各段徑向流入的產(chǎn)氣剖面越均衡，水侵影響程度越小，而若產(chǎn)氣剖面越波動跳躍，水侵影響程度則越大。因此，通過開展水平井沿程產(chǎn)氣剖面室內(nèi)測試實(shí)驗(yàn)，來定量揭示儲層非均質(zhì)性、趾跟效應(yīng)、生產(chǎn)壓差和避水高度對水侵的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟與方案

實(shí)驗(yàn)步驟為：①按照圖1連接各實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將長度為10 cm的巖心放入各巖心夾持器，關(guān)閉所有閥門；②打開氣源，打開1～5號單向閥門，觀察氣瓶口壓力表，至壓力穩(wěn)定后打開出口閥門，待氣體流量計讀數(shù)穩(wěn)定后，設(shè)置生產(chǎn)壓差為0.4 MPa （對應(yīng)3%采氣速度），讀取穩(wěn)定生產(chǎn)過程中1～5號氣體流量計記錄的氣體流量，繪制出產(chǎn)氣剖面；③調(diào)整生產(chǎn)壓差，讀取穩(wěn)定生產(chǎn)過程中1～5號氣體流量計記錄的氣體流量，繪制相應(yīng)的產(chǎn)氣剖面；④按照設(shè)計的實(shí)驗(yàn)方案，對不同滲透率的巖心進(jìn)行組合，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟①～③。實(shí)驗(yàn)方案參數(shù)如表3所示。

表2 LS17-2氣田各井區(qū)水體分布特征參數(shù)表

圖1 水平井產(chǎn)氣剖面測試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

針對上述實(shí)驗(yàn)，需要說明以下兩點(diǎn)：①使氣源、巖心及高壓密閉容器內(nèi)設(shè)置的水平井三者相連，才能真實(shí)體現(xiàn)水平井開發(fā)過程中井筒管流與儲層滲流的耦合，而將高壓密閉容器分隔為1～5室，是為了能夠?qū)惭爻谈鞫螐较蛄魅霘饬窟M(jìn)行測試，從而繪制出水平井筒沿程產(chǎn)氣剖面；②對于不設(shè)水平井組的實(shí)驗(yàn)，則需要去掉圖1中的第一部分裝置，然后利用第二部分裝置進(jìn)行無井筒影響的測試實(shí)驗(yàn)，打開氣源后記錄通過1～5號巖心的穩(wěn)定氣體流量。

表3 實(shí)驗(yàn)方案參數(shù)表

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

水平井筒沿程某段的氣產(chǎn)量偏離程度（δ）計算式為：

式中QLi表示水平井沿程第i段的徑向流量，mL/min；表示儲層滲透率取平均值情況下井筒段的徑向流量mL/min。

2.3.1 儲層非均質(zhì)性的影響

首先，將滲透率為100 mD、500 mD、1 000 mD、2 000 mD、2 500 mD巖心正序并聯(lián)，以生產(chǎn)壓差為0.4 MPa開展有、無水平井的產(chǎn)氣剖面測試實(shí)驗(yàn)。如圖2所示，儲層滲透率越高，對應(yīng)水平段氣體流量越大；在趾跟效應(yīng)的影響下，水平井趾端的氣體流量將減小。如表4所示，當(dāng)滲透率級差為10時，δ已高達(dá)263.7%。

表4 滲透率級差與δ對應(yīng)關(guān)系統(tǒng)計表

然后，調(diào)整巖心的位置，開展有、無水平井的產(chǎn)氣剖面測試實(shí)驗(yàn)。水平井筒沿程設(shè)置5個測試點(diǎn)，巖心滲透率依次為100 mD、2 000 mD、2 500 mD、1 000 mD、500 mD?？偟目磥恚瑑訚B透率越高，對應(yīng)水平井段氣體流量越大（圖2、3），高滲透率儲層即為底水水脊形成的優(yōu)勢通道。同時，得到了一個與以往不同的認(rèn)識，在非均質(zhì)儲層中，若水平井筒跟部位于低滲透儲層，其趾端位于高滲透儲層，趾跟效應(yīng)能夠使產(chǎn)氣剖面的偏離程度減弱，反之則使偏離程度增強(qiáng)。如圖2、3所示，儲層非均質(zhì)性對產(chǎn)氣剖面是否均衡的影響程度更大。因此，為了預(yù)防底水水脊的形成，削弱儲層非均質(zhì)性的影響至關(guān)重要。

圖2 不同滲透率巖心正序并聯(lián)時產(chǎn)氣剖面圖

圖3 不同滲透率巖心非正序并聯(lián)時產(chǎn)氣剖面圖

2.3.2 趾跟效應(yīng)的影響

采用相同滲透率（100 mD、500 mD、1 000 mD、2 000 mD、2 500 mD）5塊巖心來模擬均質(zhì)儲層，在0.4 MPa生產(chǎn)壓差條件下進(jìn)行水平井產(chǎn)氣剖面測試實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而計算各組實(shí)驗(yàn)水平井筒沿程δ。如圖4所示，由于存在水平井筒趾跟效應(yīng)，從水平井跟部至趾端，δ逐漸升高，并且，儲層滲透率越高，δ越高。因此，為了預(yù)防底水水脊的形成，降低水平井跟部產(chǎn)氣量或提高趾端產(chǎn)氣量能夠?qū)猱a(chǎn)氣剖面起到一定的控制作用。

圖4 趾跟效應(yīng)影響下水平井沿程δ分布圖

2.3.3 生產(chǎn)壓差的影響

采用滲透率為500 mD的5塊巖心來模擬均質(zhì)儲層， 在 0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、2.0 MPa生產(chǎn)壓差條件下進(jìn)行水平井產(chǎn)氣剖面測試實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而計算各組實(shí)驗(yàn)水平井筒沿程δ。如圖5所示，隨生產(chǎn)壓差增大，水平井筒沿程δ逐漸升高，當(dāng)生產(chǎn)壓差為2 MPa時，趾端、跟部的δ差值可達(dá)34.9%。而生產(chǎn)壓差小于1 MPa以后，不同生產(chǎn)壓差下水平井筒沿程δ的差值均小于5%。因此，可以將臨界生產(chǎn)壓差設(shè)置為1 MPa，只要低于該臨界值，生產(chǎn)壓差的變化對產(chǎn)氣剖面的影響較小?？偟目磥?，生產(chǎn)壓差是影響水侵速度的因素之一，通過生產(chǎn)制度的優(yōu)化，可以減輕水侵給氣藏開發(fā)帶來的不利影響。

圖5 不同生產(chǎn)壓差下水平井沿程δ分布圖

2.3.4 避水高度的影響

采用相同滲透率（100 mD、500 mD、1 000 mD、2 000 mD、2 500 mD）5塊巖心來模擬均質(zhì)儲層，通過把各巖心的長度增加5 cm來增大避水高度，然后在0.4 MPa生產(chǎn)壓差條件下進(jìn)行水平井產(chǎn)氣剖面測試實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而計算各組實(shí)驗(yàn)水平井筒沿程δ。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示避水高度增大，對水平井筒沿程δ不會產(chǎn)生影響，但是在水侵速度相同的情況下，氣井見水時間會推遲?？梢钥闯觯芩叨葘饩罱K累計產(chǎn)氣量也有一定的影響。

3 大型3D底水氣藏水侵物理模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過開展水侵風(fēng)險識別實(shí)驗(yàn)，研究避水高度、儲層非均質(zhì)性、趾跟效應(yīng)綜合影響下的底水氣藏水侵規(guī)律，進(jìn)而建立水侵風(fēng)險識別方法。

明確在真實(shí)的三維地質(zhì)儲層中，避水高度對底水氣藏開發(fā)的影響以及儲層非均質(zhì)性、趾跟效應(yīng)、生產(chǎn)壓差三者綜合影響后的底水氣藏開發(fā)水侵規(guī)律，建立識別底水氣藏水侵風(fēng)險機(jī)制的方法。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，釜體內(nèi)部的長度、寬度、高度均為500 mm，釜體內(nèi)設(shè)置25組電極探針，共125個測試點(diǎn)。通過該實(shí)驗(yàn)裝置測試底水驅(qū)氣藏在不同開采條件下含水飽和度和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的變化情況，進(jìn)而對水侵風(fēng)險進(jìn)行評價?；贏4H氣井參數(shù)，根據(jù)相似準(zhǔn)則[18]，將生產(chǎn)壓差設(shè)置為0.4 MPa（對應(yīng)3%采氣速度），模擬井水平段長度設(shè)置為30 cm。為了深入研究底水脊進(jìn)規(guī)律，將避水高度設(shè)置為30 cm，但若固定避水高度，后面在設(shè)置井區(qū)橫縱比時會遇到問題。如當(dāng)井區(qū)橫縱比設(shè)置為20時，需設(shè)置氣藏長度為600 cm，而釜體內(nèi)部尺寸不足600 cm，因此需要根據(jù)虛擬長度（600 cm）在現(xiàn)有釜體上外接一個90.552 L大型儲氣罐（與3號閥門相連），從而得到等效儲氣量為0.115 5 m3的實(shí)驗(yàn)釜體。

圖6 大型3D底水氣藏水侵物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)步驟如下：①水平井布置，其直徑為9 mm、打開程度為0.3、均勻布孔，使用石英砂將釜體填滿并安裝底水層隔板（夾有90目篩網(wǎng)且均勻布孔的兩片鋼隔板），底水層厚度為10 cm；②飽和水并且測量氣藏模型孔隙體積（32.4 L），再飽和氣，直到釜體內(nèi)壓力達(dá)到30 MPa；③將底水層壓力穩(wěn)定在30 MPa，水平井以0.4 MPa生產(chǎn)壓差進(jìn)行生產(chǎn)，記錄產(chǎn)氣、產(chǎn)水量，并觀察由電腦實(shí)時反演得到的氣藏底水前緣推進(jìn)動態(tài)，直至采出端含水率達(dá)到98%。需要特別注意以下兩點(diǎn)：①考慮模擬儲層的非均質(zhì)性，在大型填砂模型中為了充填得到低滲透儲層，在釜體內(nèi)壁上設(shè)有卡槽，從卡槽插入帶孔的薄鋼隔板后將釜體內(nèi)部空間分為若干個小空間，從而能夠在小空間內(nèi)充填得到低滲透儲層；②由于3號閥門外連接了一個大型儲氣罐。為保證脊進(jìn)的底水不倒灌進(jìn)儲氣罐，需要在靠近3號閥門的位置設(shè)置一個單向閥門。

3.3 實(shí)驗(yàn)方案

各組實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表5所示，井區(qū)橫縱比是井區(qū)長度和寬度中的較大值與避水高度之比，另外，各組實(shí)驗(yàn)的生產(chǎn)壓差均為0.4 MPa，避水高度均為30 cm。方案3-SW-6～16模擬了非均質(zhì)底水氣藏的生產(chǎn)動態(tài)，以水平井筒15 cm為界，在釜體左側(cè)充填石英砂，形成高滲透區(qū)，在釜體右側(cè)充填石英砂后形成低滲透區(qū)。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.4.1 均質(zhì)儲層

如圖7-a～c所示，對于均質(zhì)儲層，當(dāng)井區(qū)橫縱比不大于40（方案 3-SW-1、3-SW-2、3-SW-3），直至開發(fā)結(jié)束，采出端均未見水，模擬氣藏的采收率接近100%，可以看出對于均質(zhì)儲層而言，井區(qū)橫縱比較小時水侵對氣藏采收率基本無影響；當(dāng)井區(qū)橫縱比為60（方案3-SW-4），底部脊進(jìn)的水使氣井穩(wěn)產(chǎn)期明顯縮短，氣藏采收率降為87.45%，模型三維切面顯示采出端出口含水率為98%時水平井所處儲層的含氣飽和度已降低（圖7-d）；當(dāng)井區(qū)橫縱比為77（方案3-SW-5），采收率降至64.76%，底水水侵的影響較嚴(yán)重（圖7-d）。對橫縱比與采收率的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，曲線拐點(diǎn)對應(yīng)的橫縱比為41.18，該數(shù)值則為橫縱比安全界限值。若橫縱比大于該數(shù)值，則需要對底水氣藏進(jìn)行控水開發(fā)；若小于該數(shù)值，則可以不考慮底水水侵對氣藏開發(fā)的影響。

表5 水侵物理模擬實(shí)驗(yàn)方案參數(shù)統(tǒng)計表

圖7 均質(zhì)底水氣藏水侵物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

3.4.2 非均質(zhì)儲層

如圖8-a～c所示，對于非均質(zhì)儲層（滲透率級差為10），當(dāng)井區(qū)橫縱比不大于20（方案3-SW-6、3-SW-7），至采氣結(jié)束，底水前緣也未到達(dá)水平井筒，氣藏采收率接近100%；當(dāng)井區(qū)橫縱比為40（方案3-SW-8），水侵影響使氣井穩(wěn)產(chǎn)期明顯縮短，氣藏采收率為86.66%；當(dāng)井區(qū)橫縱比為77（方案3-SW-9），三維切面結(jié)果顯示水侵影響十分嚴(yán)重（圖8-d），采收率下降至54.15%。對橫縱比與采收率關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，得到橫縱比安全界限值為21.64。

當(dāng)井區(qū)橫縱比小于20時，無論儲層為均質(zhì)或非均質(zhì)，開發(fā)結(jié)果均顯示底水前緣未到達(dá)水平井筒，氣藏采收率接近100%，這說明井區(qū)橫縱比較小時，儲層非均質(zhì)性不會影響氣藏采收率。對于均質(zhì)儲層，當(dāng)井區(qū)橫縱比大于60后，水體脊進(jìn)會影響氣井產(chǎn)能，而對于非均質(zhì)儲層而言，當(dāng)井區(qū)橫縱比大于40后，水體脊進(jìn)就會影響氣井產(chǎn)能，這說明儲層非均質(zhì)性加快了水體脊進(jìn)的速度。可以看出，井區(qū)橫縱比決定了氣井產(chǎn)能是否會受到水侵的影響，而儲層的非均質(zhì)性會影響水侵風(fēng)險識別界限，并且儲層非均質(zhì)性越強(qiáng)，橫縱比安全界限值越小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，滲透率級差為1、10、20、30時，橫縱比安全界限值依次為41.18、21.61、12.60、5.31。在此基礎(chǔ)上，建立滲透率級差與井區(qū)橫縱比安全界限值的關(guān)系（圖9），基于該關(guān)系式，針對滲透率級差介于1～30、采氣速度為3%的底水氣藏，對其橫縱比是否會產(chǎn)生水侵風(fēng)險進(jìn)行判斷。

圖8 非均質(zhì)底水氣藏水侵物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖9 井區(qū)橫縱比安全界限值（r）與滲透率級差（d）關(guān)系曲線圖

對于A4H井，儲層平面滲透率級差為30，井區(qū)長5.25 km，水平井垂向避水高度為68 m，橫縱比為77.20，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫縱比安全界限值（5.31）。因此，該井受到水侵影響的風(fēng)險高，必須進(jìn)行控水開發(fā)。

4 底水氣藏控水開發(fā)策略

針對深海底水氣藏的控水開發(fā)，提出以下策略：①通過改善水平井筒趾跟效應(yīng)，以及削弱儲層非均質(zhì)性的影響，來抑制底水的不均衡脊進(jìn)，相應(yīng)控水措施為適用于水平井的環(huán)通多級人造井底技術(shù)[19]與變密度篩管技術(shù)；②對開采制度進(jìn)行調(diào)控，以防止不均勻水侵的形成，相應(yīng)控水措施為周期采氣技術(shù)；③在井底附近建立阻水屏障，進(jìn)而抑制前緣水頭的脊進(jìn)，相應(yīng)措施為水平井充填透氣阻水礫石技術(shù)；④兼容并蓄，形成各階段相互彌補(bǔ)、相互包容、相輔相成的全階段深海底水氣藏控水開發(fā)復(fù)合技術(shù)。

5 結(jié)論

1）底水氣藏開發(fā)過程中水體的脊進(jìn)主要受到儲層非均質(zhì)性、生產(chǎn)制度、水平井筒趾跟效應(yīng)的影響，并且上述3個因素對水侵的影響程度依次減小。

2）井區(qū)橫縱比決定了氣井產(chǎn)能是否會受到水侵的影響，而儲層的非均質(zhì)性會影響水侵風(fēng)險識別界限，并且儲層非均質(zhì)性越強(qiáng)，橫縱比安全界限值越?。粷B透率級差為1、10、20、30時，橫縱比安全界限值依次為41.18、21.61、12.60、5.31。

3）基于建立的滲透率級差與井區(qū)橫縱比安全界限值的關(guān)系曲線，A4H井的儲層平面滲透率級差為30、橫縱比為77.20，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫縱比安全界限值（5.31），該井受到水侵影響的風(fēng)險高，必須進(jìn)行控水開發(fā)。

4）深水底水氣藏控水開發(fā)策略包含：①通過改善水平井筒趾跟效應(yīng)，以及削弱儲層非均質(zhì)性的影響，來抑制底水的不均衡脊進(jìn)，相應(yīng)控水措施為適用于水平井的環(huán)通多級人造井底技術(shù)與變密度篩管技術(shù)；②對開采制度進(jìn)行調(diào)控，以防止不均勻水侵的形成，相應(yīng)控水措施為周期采氣技術(shù)；③在井底附近建立阻水屏障，進(jìn)而抑制前緣水頭的脊進(jìn)，相應(yīng)措施為水平井充填透氣阻水礫石技術(shù)；④兼容并蓄，形成各階段相互彌補(bǔ)、相互包容、相輔相成的全階段深水底水氣藏控水開發(fā)復(fù)合技術(shù)。