低滲底水氣藏水侵實(shí)驗(yàn)研究
——以寧波19-6 區(qū)塊為例

冷 捷，楊 龍，張 露，藺振寧，洪 婧

（中海油能源發(fā)展股份有限公司上海工程技術(shù)分公司,上海 200941）

東海盆地西湖凹陷低滲砂巖氣藏資源潛力巨大,但大部分氣藏在投產(chǎn)2～3 a 后均有不同程度的產(chǎn)水情況,研究人員通過分析認(rèn)為產(chǎn)水的主要原因包括邊/底水的突進(jìn)或者層內(nèi)可動(dòng)水產(chǎn)出［1］。通過室內(nèi)凝析水含量測定實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在目前的西湖凹陷地層條件下,凝析水含量較低,不符合目前的產(chǎn)水特征。其次,通過核磁共振結(jié)合離心實(shí)驗(yàn),研究人員發(fā)現(xiàn)西湖凹陷低滲儲(chǔ)層的可動(dòng)水飽和度為4%～8%,根據(jù)調(diào)研的陸地氣田可動(dòng)水飽和度與氣井產(chǎn)水量關(guān)系可知［2-3］,可動(dòng)水飽和度低于6%時(shí),氣井基本不產(chǎn)水；可動(dòng)水飽和度在6%～8%時(shí),氣井少量產(chǎn)水,因此目前西湖凹陷低滲儲(chǔ)層處于氣井基本不產(chǎn)水或少量產(chǎn)水階段,研究人員有理由相信,在目前的東海西湖凹陷低滲氣藏存在著水侵影響的可能性［4］。目前寧波19-6氣田尚未投入開發(fā),為了提高該低滲氣藏的開發(fā)效果,本文開展了底水氣藏水侵物理模擬實(shí)驗(yàn),探究水體能量、儲(chǔ)層滲透性以及采氣速度等因素對低滲水驅(qū)氣藏出水規(guī)律的影響,為后續(xù)寧波19-6 區(qū)塊低滲水驅(qū)氣藏的高效開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

目前對氣藏水侵實(shí)驗(yàn)已經(jīng)開展了大量的研究工作：一種是采用平板可視化物理微觀模型,模擬邊、底水氣藏的衰竭開發(fā),研究氣藏在開發(fā)過程中水體的流通路徑以及不同開發(fā)時(shí)刻的氣水分布,直觀表征氣藏水侵規(guī)律［5-6］；另一種則是傳統(tǒng)的水侵物理模擬實(shí)驗(yàn),利用全直徑巖心開展不同水體大小、不同采出速度下的邊/底水氣藏衰竭實(shí)驗(yàn),通過計(jì)算水侵量和采出程度等參數(shù)描述水侵規(guī)律［7-9］。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合兩種實(shí)驗(yàn)方式的優(yōu)缺點(diǎn),利用X 射線實(shí)時(shí)飽和度監(jiān)測系統(tǒng)開展不同水體能量、不同儲(chǔ)層滲透率和不同采出速度下的低滲底水氣藏水侵規(guī)律研究。

實(shí)驗(yàn)共選取了2 塊低滲樣品（1×10-3μm2＜K＜10×10-3μm2）和2 塊特低滲樣品（K＜1×10-3μm2）,具體物性參數(shù)見表1。

表1 巖心物性參數(shù)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

低滲底水氣藏水侵規(guī)律物理模擬實(shí)驗(yàn)所用的X射線實(shí)時(shí)飽和度監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 X射線實(shí)時(shí)飽和度監(jiān)測系統(tǒng)示意

該設(shè)備根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)流體對X 射線的吸收能力大小有差異的性質(zhì),定性區(qū)分不同流體在巖心中的分布狀態(tài),定量計(jì)算驅(qū)替沿程每4 mm 處的流體飽和度值。以氣水驅(qū)替過程為例,巖石某一斷層面的含氣飽和度為：

式中,Sg為含氣飽和度；Xt為巖石在水驅(qū)氣t時(shí)刻某一斷層面的X 射線強(qiáng)度；X1為100%飽和水巖樣某一斷層面的X 射線強(qiáng)度；X0為干巖樣某一斷層面的X射線強(qiáng)度。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

在開展氣藏水侵衰竭實(shí)驗(yàn)前,為了明確氣水滲流規(guī)律和孔隙中水的微觀分布狀態(tài),首先進(jìn)行了氣水相滲和核磁共振成像驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。在低滲底水氣藏出水規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究中,資料調(diào)研顯示：水驅(qū)氣藏出水主要受兩種因素影響：一是地質(zhì)因素,包括水體能量大小、氣柱高度、隔夾層發(fā)育程度、儲(chǔ)層滲透性等；二是開發(fā)因素,包括氣藏采氣速度以及儲(chǔ)層射開程度等,而東海西湖凹陷既發(fā)育有強(qiáng)邊底水氣藏,同時(shí)也發(fā)育有弱水驅(qū)氣藏,不同類型氣藏的地質(zhì)特征存在較大差異,因此本次氣藏出水規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究主要從水體大小、儲(chǔ)層滲透性和采氣速度三方面探究其對氣藏出水規(guī)律的影響。表2 為實(shí)驗(yàn)參數(shù),考慮到東海西湖凹陷水體能量大小不一,水體選擇了20 倍及100 倍,本次衰竭實(shí)驗(yàn)選用了兩種不同衰竭速度（每15 min 出口降低1 MPa 及每60 min出口降低1 MPa）。

表2 水侵衰竭實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通過物理模擬低滲砂巖氣藏底水侵入對生產(chǎn)過程的影響,在巖心出口端計(jì)量出水量和出氣量,利用X 射線掃描不同衰竭壓力下的含氣飽和度分布,分析不同水體量大小、不同儲(chǔ)層滲透率以及不同采氣速度下水侵對氣藏開發(fā)效果的影響,為后續(xù)低滲底水氣藏的有效開發(fā)提供指導(dǎo)。

2.1 氣水滲流規(guī)律

使用非穩(wěn)態(tài)法開展了4 塊樣品的氣水互驅(qū),得到氣水/水氣相對滲透率曲線（見圖2）。從圖2 可以看出在氣驅(qū)水過程中,4 塊低滲/特低滲巖心樣品的束縛水飽和度普遍較高,基本都在60%以上,說明氣相基本上只存在于大的孔隙通道,而在水驅(qū)氣過程中,4 塊樣品的等滲點(diǎn)飽和度遠(yuǎn)大于50%,說明該低滲層為親水儲(chǔ)層且具備較強(qiáng)的親水性,由此判斷儲(chǔ)層中較高的束縛水飽和度在一定程度上降低了氣相滲流能力,且強(qiáng)親水性又導(dǎo)致水相滲流能力減弱,總體來說該低滲儲(chǔ)層的氣水兩相滲流能力都比較差。

圖2 氣水相對滲透率曲線

圖3 是2 號和3 號兩塊樣品在驅(qū)至不同含水飽和度下的核磁共振T2譜圖,從譜圖分布特征來看,2號和3 號樣品都是典型的雙峰型結(jié)構(gòu),2 號樣品滲透率稍高,主峰分布在10～100 ms；3 號樣品滲透率較低,主峰分布在0.1～10 ms。通過對比不同含水飽和度下的離心后T2 譜圖可以看出,在氣驅(qū)水過程中,雙峰中的右峰不斷降低,說明孔隙中占據(jù)大孔道的可動(dòng)流體率先被采出,到了驅(qū)替后期,左峰也出現(xiàn)下降趨勢,說明此時(shí)部分小孔道中的束縛流體被動(dòng)用。

圖3 兩塊樣品不同含水飽和度下核磁共振T2譜圖

2.2 不同水體能量

考慮到東海凹陷同時(shí)發(fā)育有強(qiáng)邊/底水氣藏和弱水驅(qū)氣藏,為了研究水體能量大小對底水氣藏的水侵影響,本次實(shí)驗(yàn)選擇了20 倍和100 倍水體,以2號樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例,衰竭過程中出口壓降速度均保持在每15 min 降低1 MPa。利用X 射線裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測不同壓力下的巖心驅(qū)替沿程含氣飽和度分布,同時(shí)根據(jù)出口計(jì)量的氣水量計(jì)算兩種水體下的采出程度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

首先從圖4（a）和（b）中的40 MPa束縛水狀態(tài)下的巖心含氣飽和度分布來看,東海低滲儲(chǔ)層的巖心非均質(zhì)性較強(qiáng),束縛水并未均勻分布在巖心中。就單塊巖心來說,20 倍水體下巖心束縛水飽和度分布在21.9%～32.2%（平均28.2%）,100 倍水體下巖心束縛水飽和度分布在15.8%～32.1%（平均26.0%）。當(dāng)壓力從40 MPa 開始降低時(shí),水體開始侵入巖心前端,使前端含氣飽和度快速下降,隨著衰竭開采的不斷進(jìn)行,水體開始逐漸侵入巖心內(nèi)部,通過X 射線掃描可以明顯發(fā)現(xiàn)水驅(qū)前緣到達(dá)的位置,巖心的含氣飽和度均有明顯降低,此時(shí)巖心出口處采集的氣主要為巖心前端所提供,后端的含氣飽和度基本未發(fā)生改變。當(dāng)巖心孔隙壓力降至25.07 MPa（20倍水體下、100 倍水體下見水壓力為31.1 MPa）時(shí),水驅(qū)前緣達(dá)到出口處,實(shí)驗(yàn)時(shí)在出口處可見少許液滴,隨著衰竭壓力繼續(xù)降低,此時(shí)巖心出口處采集到的氣大部分是靠近巖心后端的氣,后端含氣飽和度快速下降,而前端含氣飽和度變化幅度不大。通過對比兩種不同水體下巖心含氣飽和度變化以及見水壓力（見圖5）可知,強(qiáng)底水氣藏由于水體能量較大,衰竭開采過程中容易沿著優(yōu)勢滲流通道快速躍進(jìn),導(dǎo)致氣藏過早見水。

圖4 2號樣品不同水體下含氣飽和度分布

圖5 2號樣品不同水體下采出程度隨壓力的變化

2.3 不同儲(chǔ)層滲透性

由于東海西湖凹陷低滲氣藏占比多、儲(chǔ)量大等特點(diǎn),本次對比了2 號樣品和3 號樣品在20 倍水體和衰竭速度為每15 min降低1 MPa下的含氣飽和度分布規(guī)律,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 不同滲透率樣品含氣飽和度分布

圖7 不同滲透率樣品采出程度隨壓力變化

從40 MPa 束縛水狀態(tài)下的巖心含氣飽和度分布來看,滲透率越差,樣品的非均質(zhì)性越強(qiáng),巖心束縛水飽和度越高,3 號樣品的平均束縛水飽和度為33.5%,略高于滲透率稍好的2 號樣品（28.2%）。對于儲(chǔ)層滲透性更差的3 號巖心樣品來說,水體的侵入影響更大,衰竭開采的過程中,底水會(huì)直接沿優(yōu)勢滲流通道突進(jìn),使氣藏迅速見水（見水壓力為31.9 MPa）,該類型氣藏?zé)o水采氣期較短,采出程度較低。無水期采出程度為25.1%,見水后采出程度增加了22.3%,此時(shí)采出程度增加主要是因?yàn)橐娝缶讐毫档?近井地帶壓力梯度增大,部分小喉道中的氣體被驅(qū)替出來,同時(shí)由于壓力的降低,部分封閉的氣體發(fā)生膨脹,依靠自身的膨脹被采出。隨著水侵加劇,氣相滲流通道減少,氣體滲流阻力大幅增加,封閉的氣體難以突破水體的封鎖被采出,因此采出程度（47.5%）遠(yuǎn)低于滲透率高的2號樣品（71.2%）。

2.4 不同采氣速度

除了研究水體能量大小和儲(chǔ)層滲透性等影響水侵的靜態(tài)地質(zhì)因素外,同時(shí)也考慮了動(dòng)態(tài)地質(zhì)因素——采氣速度。本次實(shí)驗(yàn)選取了兩種衰竭速度,分別為1 MPa/15 min 和1 MPa/60 min,水體倍數(shù)均為20倍,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 2號樣品不同采出速度下含氣飽和度分布

圖9 不同采出速度下樣品采出程度隨壓力的變化

通過分析可以看出樣品的非均質(zhì)性問題依舊存在,40MPa 下2 號樣品的束縛水飽和度分別為28.2%和24.0%,當(dāng)衰竭速度為1 MPa/15 min 時(shí),巖心在25.07 MPa 下于出口處見水；當(dāng)衰竭速度為1 MPa/60 min 時(shí),巖心見水壓力為19.89 MPa,說明采氣速度控制越慢,見水時(shí)間越晚,無水采氣期越長；同時(shí)通過采出程度對比可發(fā)現(xiàn)采出程度也越高,后期若想實(shí)現(xiàn)氣藏的長期平穩(wěn)高效開采,合理控制采氣速度是關(guān)鍵。采出速度低一定程度上延緩了水體的快速突進(jìn),使水體波及到了氣藏的大部分區(qū)域,因此最終采出程度較高（93.4%）。

3 結(jié)論

（1）從氣水滲流特征來看,低滲氣藏束縛水飽和度較高,以及儲(chǔ)層的強(qiáng)親水性導(dǎo)致氣水兩相滲流能力較差。

（2）基于X 射線掃描的實(shí)時(shí)含氣飽和度監(jiān)測克服了傳統(tǒng)氣藏水侵規(guī)律衰竭實(shí)驗(yàn)研究的弊端,做到了水侵過程巖心沿程含氣飽和度分布的“可視化”。

（3）本次研究具有一定的局限性,在水體能量、儲(chǔ)層滲透性等諸多地質(zhì)開發(fā)因素中,篩選出影響低滲水驅(qū)氣藏見水規(guī)律的關(guān)鍵因素——采氣速度,后期可針對不同采氣速度對氣藏水侵及采出程度的影響進(jìn)一步開展研究,為寧波19-6低滲氣田后續(xù)的高效開發(fā)提供參考。