高溫高壓低滲氣藏可動(dòng)水飽和度及水氣比定量評價(jià)方法*

王雯娟 魯瑞彬 雷 霄 張喬良 胡 琳

(中海石油(中國)有限公司海南分公司 海南?？?570311)

近年來隨著中國油氣對外依存度的不斷攀升[1]，南海西部油田不斷加大勘探開發(fā)力度，在鶯瓊盆地發(fā)現(xiàn)大量(超)高溫高壓、低滲天然氣藏，氣藏最高溫度達(dá)220 ℃，最高壓力達(dá)100 MPa(壓力系數(shù)1.7～2.3)，滲透率0.3～33.7 mD，高溫高壓低滲氣藏是南海西部未來產(chǎn)能接替的主力[2-4]。南海西部高溫高壓低滲氣藏探井測試及生產(chǎn)井生產(chǎn)過程中產(chǎn)水現(xiàn)象普遍，嚴(yán)重影響開發(fā)效果[5-6]。該類氣藏初始含水飽和度高，可動(dòng)水是該類氣藏氣井產(chǎn)水的主要來源之一[7-9]。高溫高壓低滲氣井可動(dòng)水飽和度及其水氣比的定量計(jì)算，對指導(dǎo)該類氣藏合理開發(fā)具有重要意義[10-13]。

常用的可動(dòng)水飽和度評價(jià)方法多是基于室內(nèi)驅(qū)替、離心和核磁共振等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立靶區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式(圖版)，進(jìn)而評價(jià)靶區(qū)可動(dòng)水飽和度，具有較強(qiáng)的靶區(qū)適用性，在南海西部油田使用受限，且如何利用可動(dòng)水飽和度計(jì)算結(jié)果，評價(jià)氣井生產(chǎn)過程中由于可動(dòng)水造成的生產(chǎn)水氣比變化，相關(guān)研究較少，在南海西部高溫高壓低滲氣藏難以應(yīng)用借鑒[14-16]。

依據(jù)靶區(qū)核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立南海西部高溫高壓低滲氣藏不同壓力梯度下可動(dòng)水飽和度預(yù)測模型，結(jié)合氣水相滲曲線及滲流理論，建立生產(chǎn)水氣比和可動(dòng)水飽和度關(guān)系，實(shí)現(xiàn)可動(dòng)水飽和度到生產(chǎn)水氣比的精細(xì)計(jì)算，進(jìn)而指導(dǎo)高溫高壓低滲氣藏合理開發(fā)。

1 可動(dòng)水飽和度評價(jià)實(shí)驗(yàn)

依據(jù)GB/T29172—2012《巖心分析方法》、SY/T5345—2007《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法》，通過室內(nèi)驅(qū)替、離心和核磁共振實(shí)驗(yàn)，分析可動(dòng)水產(chǎn)出機(jī)理，研究可動(dòng)水飽和度變化規(guī)律。

1.1 可動(dòng)水產(chǎn)出機(jī)理

隨著氣藏壓力的降低，壓力降傳導(dǎo)到孔隙內(nèi)的氣體時(shí)會(huì)導(dǎo)致氣體膨脹，對孔隙表面水相進(jìn)行擠壓并產(chǎn)生推動(dòng)力，當(dāng)推動(dòng)力大于某一細(xì)孔喉處的毛細(xì)管力時(shí)，這部分毛細(xì)管處及其控制的孔隙內(nèi)的殘余水就會(huì)被推動(dòng)，變?yōu)榭蓜?dòng)水，隨氣體一起產(chǎn)出。另一方面，由于開發(fā)過程中的壓力梯度遠(yuǎn)大于成藏過程，故成藏過程中的部分未被驅(qū)替出的殘余水可以在開發(fā)過程被驅(qū)替出來，成為可動(dòng)水隨氣體一起產(chǎn)出[17-20]。

氣藏開發(fā)過程中可動(dòng)水飽和度通常用以下公式計(jì)算：

Sw動(dòng)=Swi儲(chǔ)-Swi

(1)

式(1)中：Sw動(dòng)為可動(dòng)水飽和度，%；Swi儲(chǔ)為儲(chǔ)層原始含水飽和度，%；Swi為束縛水飽和度(某一驅(qū)替壓力下巖心含水飽和度，通常通過驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、核磁共振實(shí)驗(yàn)等確定。本文利用核磁共振實(shí)驗(yàn)方法確定)，%。

1.2 可動(dòng)水評價(jià)實(shí)驗(yàn)原理

可動(dòng)水實(shí)驗(yàn)評價(jià)主要是測試不同驅(qū)替壓力下巖心含水飽和度的變化，進(jìn)而計(jì)算不同驅(qū)替壓力下巖心的可動(dòng)流體飽和度。一般利用核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)合氣驅(qū)水、離心實(shí)驗(yàn)完成。

1) 不同驅(qū)替壓力巖心實(shí)驗(yàn)。

不同驅(qū)替壓力巖心實(shí)驗(yàn)主要是通過驅(qū)替實(shí)驗(yàn)和離心實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)，驅(qū)替實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)高驅(qū)替壓差，但在低壓差下計(jì)量誤差較大，而離心實(shí)驗(yàn)在低壓差下精度較高，高壓差對設(shè)備要求高，實(shí)現(xiàn)難度大。本次通過離心和驅(qū)替實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，模擬生產(chǎn)過程中的不同生產(chǎn)壓差。

2) 可動(dòng)水飽和度實(shí)驗(yàn)。

核磁共振實(shí)驗(yàn)是利用原子核和磁場之間的相互作用原理，核磁共振技術(shù)已廣泛應(yīng)用于油氣田儲(chǔ)層參數(shù)的研究，應(yīng)用核磁共振技術(shù)結(jié)合離心技術(shù)、驅(qū)替技術(shù)可測量巖心可動(dòng)水飽和度。測量不同離心力P(驅(qū)替壓力)后的巖心T2譜曲線(圖1)。

圖1 低滲透儲(chǔ)層巖樣的T2弛豫時(shí)間示意圖Fig.1 T2 relaxation time diagram of low permeability reservoir rock sample

圖1中從上到下依次為飽和水巖心T2譜圖、P1、P2、P3離心力(驅(qū)替壓力)后的T2譜圖，各壓力下對應(yīng)的T2譜與橫軸包圍的面積代表巖心含水飽和度信息，兩次驅(qū)替壓力下的T2譜與橫軸圍成的面積差即代表該驅(qū)替壓力下巖心可動(dòng)水飽和度信息，由此可計(jì)算出實(shí)驗(yàn)巖心可動(dòng)水飽和度[21-23]。

1.3 靶區(qū)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)南海西部高溫高壓低滲氣藏物性分布范圍，充分考慮離心、驅(qū)替實(shí)驗(yàn)設(shè)備能力，設(shè)計(jì)26塊巖心不同壓差下驅(qū)替實(shí)驗(yàn)(140 ℃、50 MPa)，巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。依據(jù)物性可將其分為3組，第1組巖心滲透率小于1 mD，共5塊巖心，平均滲透率為0.21 mD；第2組巖心滲透率在1～10 mD，共有13塊巖心，平均滲透率為6.12 mD；第3組巖心滲透率大于10 mD，共有8塊巖心，平均滲透率為14.95 mD。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Basic data and experimental results of experimental core

離心實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的離心機(jī)轉(zhuǎn)速依次為500、1 000、2 000、5 000 r/min，對應(yīng)的驅(qū)替壓差依次為0.032、0.130、0.510、3.20 MPa，受限于離心機(jī)能力，在高壓差實(shí)驗(yàn)時(shí)采取滲流驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)驅(qū)替壓差為5 MPa，因此本次實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的壓差共計(jì)5組，巖心長度約為5 cm，計(jì)算得到本次驅(qū)替實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的壓力梯度為0.64、2.60、10.20、64、100 MPa/m，驅(qū)替壓力梯度范圍較大，足以涵蓋實(shí)際氣藏生產(chǎn)壓力梯度，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)較為合理。由于礦場尺度和巖心尺度差異較大，采用驅(qū)替壓力進(jìn)行對比分析指導(dǎo)意義不強(qiáng)，為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更好地指導(dǎo)礦場應(yīng)用，在結(jié)果分析等方面均采用驅(qū)替壓力梯度數(shù)據(jù)。

利用核磁共振實(shí)驗(yàn)測試不同驅(qū)替壓力下巖心含水飽和度，結(jié)果見表1，從表中可以看出，隨著驅(qū)替壓力的增加，巖心含水飽和度逐漸降低。

2 可動(dòng)水飽和度及水氣比精細(xì)計(jì)算

依據(jù)靶區(qū)核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立不同物性巖心可動(dòng)水飽和度隨壓力梯度計(jì)算模型，結(jié)合氣水相滲曲線及滲流理論，建立生產(chǎn)水氣比和可動(dòng)水飽和度關(guān)系，實(shí)現(xiàn)可動(dòng)水飽和度到生產(chǎn)水氣比的精細(xì)計(jì)算。

2.1 可動(dòng)水飽和度計(jì)算模型建立

依據(jù)核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將3組不同物性巖心做平均化處理，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖2)。從圖2中可以看出，在同一物性下，隨著驅(qū)替壓力梯度(驅(qū)替壓力)的增加，條件束縛水飽和度(含水飽和度)逐漸降低；隨著巖心滲透率K增加，相同驅(qū)替壓力梯度下條件束縛水飽和度逐漸降低。

圖2 靶區(qū)巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Experimental results of target core

進(jìn)一步分析可以看出，在某一物性下，條件束縛水飽和度與驅(qū)替壓力梯度呈現(xiàn)對數(shù)關(guān)系，可以用如下通式表示。

Swit=mlnPm+n

(2)

式(2)中：m、n為系數(shù)，無量綱；Pm為驅(qū)替壓力梯度，MPa/m。

對于靶區(qū)3組不同物性的巖心，其條件束縛水飽和度與驅(qū)替壓力梯度關(guān)系式見式(3)。

(3)

式(3)中：K為滲透率，mD。

利用式(1)和式(3)，考慮氣藏開發(fā)實(shí)踐，可得到南海西部高溫高壓低滲氣藏可動(dòng)水飽和度計(jì)算公式，即

(4)

從式(4)可以看出，當(dāng)在某一生產(chǎn)壓力梯度下，利用式(3)計(jì)算出來的條件束縛水飽和度大于儲(chǔ)層原始含水飽和度時(shí)，說明該生產(chǎn)壓力梯度下，儲(chǔ)層沒有可動(dòng)水，即此時(shí)可動(dòng)水飽和度為0；隨著生產(chǎn)壓力梯度的增大，當(dāng)在某一生產(chǎn)壓力梯度下，利用式(3)計(jì)算出來的條件束縛水飽和度小于儲(chǔ)層原始含水飽和度時(shí)，此時(shí)儲(chǔ)層部分束縛水轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓜?dòng)水，隨氣體一起被采出，此時(shí)可動(dòng)水飽和度為原始含水飽和度與計(jì)算得到的條件束縛水飽和度之差(可用式(4)計(jì)算)。

利用式(4)對南海西部高溫高壓低滲氣藏不同物性儲(chǔ)層可動(dòng)水飽和度進(jìn)行計(jì)算，得到可動(dòng)水飽和度在25%以內(nèi)。

2.2 可動(dòng)水水氣比計(jì)算方法

水氣比(WGR)定義為氣井每產(chǎn)出104m3天然氣所產(chǎn)出的水量，井底含水率定義為井底產(chǎn)出自由水量與井底總流量之比。通過氣井水氣比及井底含水率的定義，可得到如下水氣比與井底含水率關(guān)系式[24-25]。

(5)

式(5)中：Bw為地層條件下水的體積系數(shù)，m3/m3；WGR為氣井水氣比，m3/104m3；Bg為天然氣體積系數(shù)，m3/m3。

另外，根據(jù)相對滲透率曲線中的相對滲透率與含水率關(guān)系，可以得到含水率的另外一種表達(dá)式，如式(6)所示。

(6)

式(6)中：Krg為氣相相對滲透率，小數(shù)；Krw為水相相對滲透率，小數(shù)；μw為水相黏度，mPa·s；μg為氣相黏度，mPa·s。

聯(lián)立式(5)和式(6)，即可得到可動(dòng)水水氣比計(jì)算公式為

(7)

利用式(4)即可得到南海西部高溫高壓低滲氣藏可動(dòng)水飽和度，結(jié)合地層條件下水驅(qū)氣相滲曲線，即可得到式(7)中各參數(shù)值，進(jìn)而計(jì)算可動(dòng)水飽和度造成的氣井水氣比。

3 實(shí)例應(yīng)用

南海西部F氣田位于鶯歌海盆地中央泥底辟構(gòu)造帶，主力氣組為黃流組一段Ⅱ氣組，地層溫度為140 ℃，地層壓力為54 MPa，壓力系數(shù)為1.9，滲透率在10 mD以下，是一個(gè)高溫高壓低滲氣藏。按照氣水相滲測試行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，開展地層條件下水驅(qū)氣相滲實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 靶區(qū)相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental results of target phase permeability curve

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用氣水相對滲透率與飽和度指數(shù)式經(jīng)驗(yàn)公式(式(8)～(12))對相滲曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，獲取相滲曲線的水相系數(shù)和氣相系數(shù)(表2)。

(8)

(9)

其中

(10)

(11)

(12)

利用式(3)和式(4)計(jì)算結(jié)果，得到南海西部高溫高壓低滲氣藏可動(dòng)水飽和度，代入下式即可得到該驅(qū)替壓力梯度下含水飽和度。

Sw=Swi+Sw動(dòng)

(13)

利用式(13)得到任意驅(qū)替壓力梯度下的含水飽和度后，結(jié)合相滲曲線水相系數(shù)a和氣相系數(shù)b后，即可利用式(8)～(12)計(jì)算任意含水飽和度下的水相相對滲透率和氣相相對滲透率，利用式(7)即可得到此時(shí)水氣比。經(jīng)計(jì)算得到南海西部高溫高壓低滲氣藏開發(fā)過程中可動(dòng)水飽和度在25%以內(nèi)變化，可動(dòng)水造成的水氣比在2.3 m3/104m3以下(表2)。以F氣田探井4井DST測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，該井在井底流壓14.238 MPa，生產(chǎn)壓差39.562 MPa時(shí)(外推壓力53.8 MPa)，測試日產(chǎn)氣為8.306 5×104m3，日產(chǎn)水為17.3 m3，水氣比為2.07 m3/104m3，與計(jì)算相比誤差僅為8.47%(計(jì)算水氣比為2.26 m3/104m3)，本文計(jì)算結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)踐認(rèn)識較為一致。

表2 南海西部高溫高壓低滲氣藏不同可動(dòng)水飽和度下水氣比計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of water gas ratio caused by movable water in high temperature, high pressure and low permeability gas reservoirs in western South China Sea

高溫高壓低滲氣藏由于可動(dòng)水造成的氣井水氣比的計(jì)算受可動(dòng)水飽和度、氣水相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，具體靶區(qū)可參考該方法，結(jié)合靶區(qū)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)論

1) 利用室內(nèi)驅(qū)替、離心和核磁共振實(shí)驗(yàn)，明確了南海西部高溫高壓低滲氣藏可動(dòng)水飽和度變化規(guī)律，并建立了可動(dòng)水飽和度隨驅(qū)替壓力梯度變化計(jì)算公式；南海西部高溫高壓低滲氣藏開發(fā)過程中層內(nèi)可動(dòng)水飽和度在25%以內(nèi)變化。

2) 基于可動(dòng)水飽和度研究成果，結(jié)合水驅(qū)氣相滲實(shí)驗(yàn)，建立可動(dòng)水飽和度造成水氣比變化預(yù)測模擬，得到高溫高壓低滲氣藏在25%以內(nèi)的可動(dòng)水造成的水氣比變化在2.3 m3/104m3以內(nèi)。

3) 建立的高溫高壓低滲氣藏可動(dòng)水飽和度及水氣比計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了可動(dòng)水及水氣比的精細(xì)評價(jià)，評價(jià)結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)踐認(rèn)識較為一致，同時(shí)為氣藏開發(fā)過程中產(chǎn)能、廢棄壓力、采收率等的研究奠定了理論基礎(chǔ)，在南海西部高溫高壓低滲氣藏應(yīng)用效果較好。