碳酸鹽巖超高壓氣藏氣井開采特征研究

趙真

摘要：碳酸鹽巖超高壓氣藏氣井的滲流與傳統(tǒng)的氣藏之間有很大區(qū)別，正確認(rèn)識該氣藏的開發(fā)原理，是科學(xué)、合理開發(fā)的關(guān)鍵。在開發(fā)碳酸鹽巖超高壓氣藏氣井的過程中，應(yīng)實時掌握巖石的變形特征，并以此來確定滲透率以及儲層孔隙度等隨時可能會變的參數(shù)?；趦映霈F(xiàn)斷裂以及基質(zhì)可能會發(fā)生變形等原因，通過碳酸鹽巖超高壓氣藏數(shù)值模擬及氣井滲流模型來完成開采動態(tài)特征的研究。

關(guān)鍵詞：超高壓氣藏;雙重介質(zhì);滲流機(jī)理;應(yīng)力敏感;非達(dá)西;數(shù)學(xué)模型;動態(tài)預(yù)測

異常高壓氣藏是一種較為特殊的氣藏，地層壓力系數(shù)超過了1.3的分界線，而地層壓力系數(shù)超過1.8的氣藏被稱為超高壓氣藏。目前，我國已發(fā)現(xiàn)的高壓以及超高壓氣藏儲量達(dá)到了驚人的8000×108 m3，塔里木盆地中包含的各種氣田均屬于超高壓氣藏，而中國石化在四川盆地勘察開發(fā)時發(fā)現(xiàn)的雙廟以及中石油發(fā)現(xiàn)的河壩燈氣藏均屬于碳酸鹽超高壓氣藏。超高壓氣藏與普通氣藏的區(qū)別在于，超高壓氣藏的地層壓力系數(shù)非常高，而且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，滲透性與常規(guī)的氣藏不同，在開發(fā)過程中可能會出現(xiàn)巖石變形的情況，開發(fā)特征與傳統(tǒng)的氣藏有著很大的區(qū)別。因此，在研究氣藏的敏感力以及滲流原理時，合理地建設(shè)儲層中的滲流模型，對超高壓氣藏氣井的開發(fā)有著重要的意義。

1 碳酸鹽巖超高壓氣藏地質(zhì)特征

由于碳酸鹽巖儲層的形勢較為多元化，針對碳酸鹽巖油藏進(jìn)行分類也較為困難，特性的不同導(dǎo)致分類的體系也不同，主要將碳酸鹽巖逐層分為6類，分別為碳酸鹽巖砂、巖溶/裂縫碳酸鹽巖、深海白堊巖/白堊質(zhì)陸硼石灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、前緣斜坡/碎屑碳酸鹽巖、碳酸鹽巖建造/骸晶堤。

第一大儲層類型是巖溶/裂縫碳酸鹽巖，在此油藏中，絕大部分的巖相都存在一定的巖溶作用或破裂的可能，這些因素對儲層開采經(jīng)濟(jì)價值有著極其重要的影響。這種類型的儲層大多基巖孔隙度和滲透率較低，沒有巖溶作用或壓裂作用，不能開發(fā)。巖溶/裂縫碳酸鹽巖儲層存在于許多不同的地質(zhì)環(huán)境中，時代從晚寒武世到第三紀(jì)不等。

第二大儲層類型是碳酸鹽巖建造/孤立骸晶堤。此類型大多含有較為特殊的地質(zhì)特征和良好的溶蝕孔隙，而且該類型的地層關(guān)系在油氣圈團(tuán)中起到重要作用。碳酸鹽巖建造/孤立骸晶堤的出現(xiàn)與儲存年代密切相關(guān)。

第三種主要儲層類型為陸相硼斜坡碳酸鹽砂，大部分保留了良好的原生粒間孔隙，但次生溶蝕孔隙通常出現(xiàn)在骨架堤中[1]。該類儲層的性質(zhì)和構(gòu)造受原始沉積相控制。

2 超高壓氣藏巖石變形試驗研究

在進(jìn)行超高壓氣藏的地下研究中，壓力的沖擊甚至達(dá)到了111.0 MPa，為了使氣藏開采任務(wù)按照計劃完成，中國石化展開了調(diào)查研究，研制出一套可以在高壓以及高溫的環(huán)境下進(jìn)行檢測的裝置。該裝置與之前的裝置相比，主要優(yōu)化了以下3點：（1）持夾器采用性能更好的復(fù)合材料支撐，瓷材料可以在150.0 MPa的高壓和200 ℃的高溫環(huán)境下工作，同時其密封性得到了優(yōu)化升級，采用了全新的密封設(shè)計，即使設(shè)備在惡劣的環(huán)境下工作，該裝置也能保持較好的密封性。（2）套筒也采用了全新的材料進(jìn)行設(shè)計，解決了普通材料在高壓下的氣體泄露問題，讓設(shè)備即使在滲流速度極慢的情況下也可以進(jìn)行準(zhǔn)確定位。（3）該裝置也新增了多種轉(zhuǎn)接頭，可以與任意設(shè)備進(jìn)行連接。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，該裝備具有耐高溫、耐高壓、定位精準(zhǔn)的優(yōu)點，完全可以在超高壓的環(huán)境中工作。

本研究主要通過變增壓以及編孔方式來精準(zhǔn)進(jìn)行壓力模擬試驗，試驗成功后再將設(shè)備正式投入實際工作中。此類試驗方法可以模擬氣藏從原始底層壓力到廢棄壓力開發(fā)過程中儲層的應(yīng)力敏感性[2]。

3 超高壓裂縫性應(yīng)力敏感氣藏數(shù)值研究方法

在碳酸鹽巖超高壓氣藏開采中，隨著地層壓力的減小，巖石的滲透率以及孔隙度也會逐漸發(fā)生變化，而且碳酸鹽巖超高壓氣藏中應(yīng)力敏感性的表現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)，在第一次氣田開采中，應(yīng)力逐漸增大，而巖石的滲透率則會慢慢降低，當(dāng)應(yīng)力超過一定階段后，滲透率才會逐漸平緩，表明滲透率在碳酸鹽超高壓氣井工作中起到非常重要的作用。常規(guī)的氣藏滲透性僅代表一個空間的函數(shù)，與開發(fā)時間和壓力沒有任何關(guān)系，巖石的壓縮系數(shù)也更為成熟，而超高壓氣藏在開采過程中會受到各種因素的影響，因此在建立開采模型時，應(yīng)注意這一點。

3.1 天然氣高速非達(dá)西運動方程

多孔介質(zhì)的滲透率在天然氣中主要說明了井筒周圍的滲流不符合達(dá)西流動規(guī)律，而是存在層流與湍流的跡象。目前，公認(rèn)常用的氣體滲流定律都是按照這個規(guī)律進(jìn)行計算的[3]?，F(xiàn)有的數(shù)值模擬主要通過二項式方程并通過井筒引入相關(guān)參數(shù)進(jìn)行描述。然而，在氣體高速流動的情況下，僅用二項式方程并不能描述滲流規(guī)律。

3.2 模型求解

超高壓雙介質(zhì)氣藏三維氣水兩相滲流數(shù)學(xué)模型是一個包含了氣體黏度、滲透率、孔隙度等參數(shù)的非線性數(shù)學(xué)模型，考慮到參數(shù)均為壓強(qiáng)的函數(shù)，應(yīng)采用有限差分法求解。為了準(zhǔn)確計算井底附近的壓力分布，采用了不均勻網(wǎng)格進(jìn)行微分計算，即網(wǎng)格離井孔越近，密度越大。微分方程為七對角非線性方程組，采用IMPES方法求解。在此數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，開發(fā)了考慮儲層裂縫、基質(zhì)變形以及高速非達(dá)西流動的碳酸鹽巖超高壓雙介質(zhì)氣藏單井?dāng)?shù)值模擬程序。實踐中，裂縫和基質(zhì)滲透率、孔隙度隨地層壓力的變化可以直接使用室內(nèi)巖心的裂縫應(yīng)力敏感試驗數(shù)據(jù)和矩陣，也可以應(yīng)用試驗數(shù)據(jù)回歸公式裂縫前緣的滲透率變化指數(shù)公式分為3段，用指數(shù)公式擬合出基質(zhì)滲透率的變化規(guī)律[4]。

4 碳酸鹽巖超高壓氣藏氣井開采特征研究

為了研究超高壓碳酸鹽巖氣藏在開采過程中破裂裂縫和基質(zhì)變形對氣井生產(chǎn)動態(tài)特征的影響，利用川東北地區(qū)超高壓氣藏應(yīng)力敏感試驗數(shù)據(jù)，以雙重介質(zhì)氣藏數(shù)值模擬變形技術(shù)的研究為基礎(chǔ)，預(yù)測氣井壓力在氣藏開發(fā)過程中發(fā)展指標(biāo)的變化，如對氣井生產(chǎn)動態(tài)特性的碳酸鹽巖氣藏超高壓力進(jìn)行了研究，并分析了碳酸鹽巖裂縫變形對超高壓氣藏開發(fā)效果的影響，為超高壓氣藏的開發(fā)提供了依據(jù)。

4.1 地質(zhì)模型的建立及歷史擬合

根據(jù)勘察結(jié)果，針對氣井實際情況建立地質(zhì)模型，深度為4977.0～4983.6 m，天然氣地質(zhì)儲量為12×108 m3，含氣飽和度為90.00%。滲透率和孔隙度按照測試結(jié)果設(shè)定，基質(zhì)孔隙度為3.32%～5.82%，滲透率為0.02×10﹣ 3～0.15×10﹣ 3 μm2;裂縫孔隙度為0.50%，滲透率為10×10﹣ 3 μm2。原始地層壓力為111.1 MPa，地下溫度為130 ℃，天然氣的相對密度為0.565。根據(jù)所搭建的模型，對碳酸鹽超高壓氣藏氣井中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。由此看來，生產(chǎn)歷史擬合的結(jié)果較好。

4.2 超高壓氣井的產(chǎn)量變化特征

在碳酸鹽超高壓氣藏中，巖石變形對開發(fā)具有一定影響。在所有配產(chǎn)情況一致的情況下，巖石變形越嚴(yán)重，則氣井越不穩(wěn)定，穩(wěn)產(chǎn)期越短，采收率會逐漸下降。建立巖石變形、氣井不同產(chǎn)量配置條件下的開發(fā)指標(biāo)預(yù)測曲線，隨著氣井產(chǎn)量的增加，穩(wěn)產(chǎn)期的穩(wěn)定生產(chǎn)和采收率會大幅度降低。例如，當(dāng)氣井配備20×104 m3/d產(chǎn)量時，穩(wěn)產(chǎn)期可達(dá)8年，穩(wěn)產(chǎn)末期采收率為44.50%;當(dāng)氣井配備60×104 m3/d產(chǎn)量時，穩(wěn)產(chǎn)期僅為1年，穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束時采收率為16.50%。

4.3 氣井井底流壓變化特征

在碳酸鹽巖超高壓氣藏開發(fā)過程中，在相同條件下，若不考慮儲層巖石變形的因素，井底流壓會降低，而且下降速度會加快?？紤]到巖石變形情況，如果氣井配產(chǎn)過高，井底流壓下降速度會先慢后快。因此，在開采初期，如果配產(chǎn)過高，巖石變形將嚴(yán)重影響生產(chǎn)的壓差，進(jìn)而影響開采工作的進(jìn)度以及后期整體指標(biāo)，因此，必須建立合適的配產(chǎn)來確保開發(fā)的整體效果。

4.4 地層壓力的變化特征

在基本不受水侵影響的常規(guī)氣藏中，地層壓力與累積產(chǎn)氣量的關(guān)系大部分為一條直線。與常規(guī)氣藏不同的是，超高壓氣藏壓力降曲線表現(xiàn)出上“冠”屬性，初期下降緩慢，后期下降迅速;如果考慮巖石變形，曲線較凸，顯示出相同的壓降，超高壓氣藏的累積產(chǎn)氣量要大于常壓氣藏[5]。研究表明，氣井產(chǎn)量分配越高，巖石變形時地層壓力下降得越快;在穩(wěn)產(chǎn)期，地層壓力幾乎呈線性下降。

5 結(jié)語

在考慮儲層裂縫和基質(zhì)巖石變形的基礎(chǔ)上，建立了碳酸鹽巖氣藏高速非達(dá)西滲流模型以及數(shù)據(jù)模型，并以此進(jìn)行了生產(chǎn)動態(tài)研究，分析了碳酸鹽巖超高壓氣藏氣井的開采特征。

[參考文獻(xiàn)]

[1]馬健，楊永華，何頌根，等.川西超深海相碳酸鹽巖超高壓分段酸壓技術(shù)實踐[J].鉆采工藝，2021（1）：57-60.

[2]張李，劉榮和，冷有恒，等.高壓-超高壓碳酸鹽巖氣藏滲流機(jī)理及開發(fā)特征—以阿姆河盆地M區(qū)為例[J].天然氣工業(yè)，2020（3）：92-98.

[3]王衛(wèi)紅，劉傳喜，劉華，等.超高壓氣藏滲流機(jī)理及氣井生產(chǎn)動態(tài)特征[J].天然氣地球科學(xué)，2015（4）：725-732.

[4]賴楓鵬，李治平，郭艷東，等.川東北碳酸鹽巖氣藏巖石滲透率變化試驗[J].石油與天然氣地質(zhì)，2012（6）：932-937.

[5]郭艷東.碳酸鹽巖超高壓氣藏數(shù)值模擬方法研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2010.