潛山裂縫氣藏連續(xù)封隔體復(fù)合控水實驗評價
——以HZ凝析氣田為例

李中 ，邱浩 ，文敏 ，范白濤 ，黃輝 ，潘豪 ，李占東 ，鄭羽

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.黑龍江省天然氣水合物高效開發(fā)重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；3.東北石油大學(xué)三亞海洋油氣研究院，海南 三亞 572024；4.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠，黑龍江 大慶 163517）

0 引言

我國南海深層氣田鉆完井的突破給南海海域天然氣的有效開發(fā)利用帶來了極大的機遇［1-2］，深層氣田很大程度上伴隨著高能量邊底水的發(fā)育，由于氣田見水后產(chǎn)能迅速下降，尤其是裂縫發(fā)育的氣藏見水風(fēng)險更高，需要對見水風(fēng)險高的氣井（井型主要為水平井）針對性地設(shè)計控水方案，防止早期見水，以便為南海海域天然氣長久高效開發(fā)奠定堅實的基礎(chǔ)［3-4］。該控水方案設(shè)計的基礎(chǔ)是優(yōu)選適應(yīng)性強的控水工藝。目前，國內(nèi)外控水工藝從控水效果上主要分為水平段近端堵水和遠端控水2類。水平段近端堵水工藝主要包括ICD篩管控水[5-6]和AICD篩管控水工藝［7-9］；水平段遠端堵水工藝主要包括變密度篩管控水、中心管技術(shù)和DWS雙層完井排液壓錐技術(shù)［10-11］。其中，ICD/AICD在油田應(yīng)用廣泛，但是其控水原理是基于油水密度和黏度的差異，而氣水的密度和黏度與油水差異相反，造成該工藝無法在氣藏實行。變密度篩管、中心管技術(shù)的控水原理是平衡裂縫性氣藏生產(chǎn)過程中氣水界面［12-13］，具有更高的難度，需要掌握更加真實的水平段的儲層非均質(zhì)性和裂縫分布特征。

本文以HZ氣田為例，為解決氣田水平井見水快、產(chǎn)水高的問題，提出了一套基于連續(xù)封隔體的復(fù)合控水工藝。其原理是，在井壁與篩管間環(huán)空充滿細小的覆膜高分子顆粒，增加流體在環(huán)空內(nèi)軸向流動阻力，起到防止環(huán)空水竄的作用，且不影響氣的徑向流動，類似于每根篩管間存在一個裸眼管外封隔器。由于水平井生產(chǎn)過程中底水易在采氣單元錐進，造成水平段見水，尤其是氣藏，水平井見水后，產(chǎn)能迅速下降甚至整個水平段出現(xiàn)暴性水淹。通過封隔器的連續(xù)封隔作用，將水平段分為多個采氣單元段，一旦某段出水，無需進行找水作業(yè)，遇水膨脹橡膠管能夠迅速關(guān)閉該段且不影響其他采氣單元段的繼續(xù)生產(chǎn)，直到所有采氣段陸續(xù)產(chǎn)水然后關(guān)井。分段控水工藝能夠?qū)Τ鏊a(chǎn)段進行有效控制，并將無水采氣周期最大化。本文通過室內(nèi)實驗?zāi)M，闡明非均質(zhì)裂縫氣田水侵規(guī)律；根據(jù)控水工藝在延長無水采氣期、提高采收率方面的應(yīng)用效果，評價工藝適應(yīng)性。研究成果旨在建立潛山氣藏復(fù)合控水開發(fā)的模式，為海域同類氣藏開發(fā)提供借鑒的思路。

1 實驗方法

1.1 實驗設(shè)計

1.1.1 實驗參數(shù)設(shè)計

考慮到海上裂縫氣田高溫高壓的特點，實驗裝置采用全鋼制三維反應(yīng)釜（見圖1），釜體置于大型恒溫箱內(nèi)，最高工作溫度為150℃，最大工作壓力達75 MPa；斧體底部為測點連接處，為保證均衡水體能量，側(cè)面為多孔注入的“面注”方式，可有效降低注水補壓對水體錐進的影響，實現(xiàn)底面均衡補水。根據(jù)HZ氣田高倍水體特征的需要，ISCO泵實現(xiàn)恒壓或恒流注入。模型邊水傾角為5°～10°，底水層厚度為15.0 cm，用于模擬底水氣藏實驗。模型有效空間為50.0 cm×50.0 cm×50.0 cm，模型中上部放置水平井，內(nèi)部設(shè)有壓力和飽和度測點，均勻分布在距離底水不同的高度。

圖1 高溫高壓三維反應(yīng)釜及釜內(nèi)測點鋪設(shè)

模型采用與地層相同的孔隙介質(zhì)、流體密度與黏度，若要滿足氣相、水相重力和驅(qū)動力之比這2個相似準則，則采氣速度比例為長度比例的平方。由氣藏、水平井、儲層滲透率與模型設(shè)置的比例，近似計算出物理模型等效采氣速度約為50 L/d（見表1）。

表1 裂縫氣藏實驗?zāi)Ｐ团c礦場參數(shù)對比

1.1.2 潛山裂縫地層設(shè)計

實驗利用充填石英砂模擬地層，地層各參數(shù)見表2。為了構(gòu)造裂縫氣藏，需要對潛山裂縫形態(tài)進行分析。通常情況下，裂縫類型需要結(jié)合HZ氣田巖心、巖石薄片和裂縫測井資料［14］，設(shè)計潛山裂縫地層參數(shù)。HZ氣田目的層儲層平均滲透率為4×10-3μm2，潛山發(fā)育網(wǎng)狀縫、中高角度縫、低角度縫和誘導(dǎo)縫，裂縫長度不等，裂縫寬度為0.1～0.4 cm，平均滲透率為1 000×10-3μm2。本次實驗?zāi)Ｐ偷膬雍土芽p滲透率設(shè)計為實際巖心滲透率的25倍，即模型儲層平均滲透率為100×10-3μm2，裂縫滲透率為 25 μm2。模型中地層和裂縫的滲透性是基于填砂模型的不斷夯實、取心，并進行測試才完成的。模型中裂縫完整性的建立是通過分層搭接鋪設(shè)完成的。將人工裂縫體內(nèi)部共劃分3層，由下至上在每個層段內(nèi)對釜內(nèi)砂體進行切割，以10～30目陶粒作為裂縫支撐劑，構(gòu)造了平行裂縫和網(wǎng)狀裂縫（見圖2）。設(shè)計裂縫長度為10.0 cm、寬度為0.1 cm，裂縫與地層夾角為80°，保證人工切割過程中同一裂縫在不同層段的連通性，從而完成釜體人工裂縫模型制作。

表2 連續(xù)封隔體復(fù)合控水模型參數(shù)設(shè)計

圖2 潛山裂縫室內(nèi)實驗?zāi)M示意

1.1.3 連續(xù)封隔體工藝

連續(xù)封隔體工藝是一種應(yīng)用于水平井、適合于裸眼完井的控水工藝。連續(xù)封隔體實驗設(shè)計基于覆膜礫石阻水原理，在水平井外包裹一層隔水透氣覆膜礫石，鋪設(shè)參數(shù)為長40.0 cm、寬10.0 cm、厚4.0 cm，以此模擬裸眼井筒和篩管之間環(huán)空（見圖3），當?shù)貙铀黄魄熬壡秩霑r，覆膜礫石的隔水透氣作用起到了限水采氣作用。與連續(xù)封隔體配合使用的篩管孔眼密度為1.0孔/cm，孔眼直徑為0.1 cm，篩管直徑為0.5 cm。

圖3 連續(xù)封隔體覆膜礫石鋪設(shè)過程

1.2 實驗步驟

實驗有5個步驟：1）測點鋪設(shè)。釜體內(nèi)鋪設(shè)壓力測點共計32個，其中，縱向分4層，每層鋪設(shè)8個測點；含水飽和度測點共計90個，與壓力測點錯位鋪設(shè)，縱向上分5層，每層16個測點。2）過裂縫水平井布置。水平井井筒采用耐壓的PVC管代替，布置在壓力測點第4層中心部位。為了模擬裂縫氣藏條件，參照裂縫與水平段空間匹配特征，將提前預(yù)設(shè)好的水平井嵌入裂縫模型內(nèi)，按照實驗設(shè)計的底水高度，水平段和人工裂縫模型置于分層填砂模型內(nèi)，繼續(xù)填砂直至填滿，夯實并加蓋密封。3）氣藏飽和水。為了達到底水均衡注入的效果，采用多點面注代替單點點注方式，即利用ISCO泵同時通過2，3，4號3個水閥門持續(xù)注水（見圖1），通過含水飽和度測點在計算機終端實時監(jiān)測水體飽和情況，直至底水層100%飽和度。4）原始地層壓力預(yù)設(shè)。打開1號閥門注氣，利用空氣壓縮機持續(xù)注氣，通過壓力測點實時監(jiān)測地層壓力變化情況，直至達到實驗初始壓力。5）氣水均衡。靜止釜體24 h，觀察壓力和飽和度變化，當水體界面小幅下降時，則打開恒流注水閥門，直至水體界面重新恢復(fù)到預(yù)設(shè)位置，釜體壓力和氣水界面穩(wěn)定在預(yù)設(shè)位置。

實驗以HZ26-6-2井參數(shù)為基礎(chǔ)，總體實驗設(shè)計包含2個方案：第1個方案假定為不采取控水措施開采實驗，第2個方案為采用連續(xù)封隔體控水措施實驗?zāi)M。與不采用控水實驗方案進行對比，研究氣藏底水水侵規(guī)律，分析連續(xù)封隔體控水效果，計算了實際生產(chǎn)井的井筒延程壓降。模型中避水高度為35.0 cm，底水能量保證控制在30 MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 開采特征

連續(xù)封隔體可以有效地改變生產(chǎn)壓差的差異，相比未采取控水工藝，生產(chǎn)壓差調(diào)節(jié)幅度大，不僅可以阻止底水從水平井跟端錐入，而且亦可調(diào)節(jié)裂縫帶或高滲層快速錐進。同時，通過調(diào)整底水前緣界面形態(tài)，達到均衡控水效果。

連續(xù)封隔體控水技術(shù)主要通過充填于控水井筒與井壁環(huán)空中的封隔體顆粒來平衡水平井段沿程壓力損失和流入量的方式實現(xiàn)控水功能。通過連續(xù)封隔體顆粒起到封隔器作用，把水平井段分隔成若干個彼此獨立的流動單元，從而達到軸向限流的目的。封隔體顆粒充填于水平段后，產(chǎn)生各向同性的流動阻力，據(jù)達西定律得：

式中：Q 為流量，m3/d；K 為地層滲透率，10-3μm2； L 為巖石長度，m；A為巖石截面積，m2；Δp為井兩端壓差，MPa。

依據(jù)Lee-Gonzalez-Eakin方程式可知：

式中：μg為在給定溫度和壓力下天然氣的黏度，mPa·s；ρg為天然氣密度，g/cm3；Mg為天然氣相對分子質(zhì)量；T為溫度，K；C，X，Y 為過程變量。

當?shù)貙铀馗邼B帶徑向進入井筒時，流體由地層至篩管距離短、接觸面積大，天然氣黏度低，徑向流阻力小。但由于水平段流動單元長，井周礫石顆粒橫截面積小，流體軸向阻力大，隔水透氣覆膜礫石軸向限制竄流，從而達到控水作用。

從平行裂縫連續(xù)封隔體控水實驗?zāi)Ｐ涂梢钥闯觯ㄒ妶D4a，4b），未采取控水模型實驗早期底水錐進快，隨著采氣量增加，靠近井底處水波程度越高，即水平井跟端水錐進速度越快，水平井趾端水錐進速度較慢，總體上表現(xiàn)為跟部底水優(yōu)先脊進的特征。同時，垂直于水平段的人工裂縫具有高滲透率的特點，后期水錐脊進突進點發(fā)生轉(zhuǎn)移，由單調(diào)式脊進轉(zhuǎn)變成雙肩式脊進。相比于采用連續(xù)封隔體控水實驗，相同采氣量條件下底水錐進不明顯，但仍受裂縫高流導(dǎo)性能的影響，裂縫發(fā)育段水錐進剖面較高。同理，無論是否采用連續(xù)封隔體控水工藝，網(wǎng)狀裂縫發(fā)育區(qū)形成的高滲帶是底水波及程度最高區(qū)域（見圖4c，4d），較平行裂縫連續(xù)封隔體控水見水時間早，底水前緣界面呈錐狀，采用連續(xù)封隔體控水后能夠調(diào)整底水前緣界面形態(tài)，達到了均衡控水的效果，具有一定的控水潛力。

圖4 不同措施下水平井開發(fā)的水脊形態(tài)效果

連續(xù)封隔體控水工藝能最大程度地滿足邊底水均勻緩慢上升，防止邊底水錐進效應(yīng)，氣藏控水效果較好。裂縫形態(tài)不同的氣藏開采時，其見水時間和采氣量略有差別，如平行裂縫模型控水措施實施前后生產(chǎn)動態(tài)對比（見圖5a），無措施開采總采氣時間為18.0 d，總采氣量22 L；采用連續(xù)封隔體技術(shù)后，總采氣時間為20.0 d，時間延長占比為11.1%，總采氣量提高至25 L，相比而言總采收率提高了13.6百分點；網(wǎng)狀裂縫模型控水措施前總采氣時間為14.5 d（見圖5b），總采氣量21 L，采用連續(xù)封隔體控水措施后，生產(chǎn)16.0 d后見水，累計采氣量24 L，總采氣時間延長了10.3%，采收率提高了14.3百分點。

圖5 不同裂縫形態(tài)下控水措施前后見水曲線

基于上述實驗結(jié)果，有必要就以下3個問題進行解釋。1）關(guān)于差異氣體產(chǎn)量的問題。未采取措施控水差異的氣體由于水體封隔，致使水體的氣鎖以殘余氣方式滯留在釜體內(nèi)。2）連續(xù)封隔體控水機制。連續(xù)封隔體控水只作用在井周區(qū)域，在一定程度上起到了限水采氣的作用，控制底水軸向竄流，因此，采用連續(xù)封隔體控水與未控水措施后期水侵特征差別較大。3）不同裂縫形態(tài)組合見水時間不同。一方面，由于裂縫相交形成網(wǎng)狀，裂縫分布相對集中，增強了地層導(dǎo)流能力；另一方面，水平裂縫與地層夾角走向大體一致，相比網(wǎng)狀裂縫，見水時間晚。

2.2 裂縫氣藏控水影響因素

2.2.1 裂縫導(dǎo)流能力評價

基于上述實驗設(shè)計可知，縫內(nèi)為高滲，基質(zhì)為低滲，天然氣具有可壓縮性，開采時具有比油井更高的滲流速度，且由于潛山裂縫對氣體的導(dǎo)流能力強，氣井開采見水風(fēng)險高［15-16］。不同階段非均質(zhì)氣藏開采水侵受裂縫發(fā)育影響較明顯。開采初期，氣藏能量充足且均衡，氣藏氣水界面均勻上升；但隨著采氣量增加和開采時間推移，高滲透地層或裂縫地層對水平井采氣量貢獻大，氣水界面空間形態(tài)由原來均勻水線逐漸脊進成單斜水線，形成多個高低不等水脊。氣的黏度低，地層滲透率越高，底水水線脊進速度越快，水線沿高導(dǎo)流能力裂縫快速向上推進，且裂縫長度越長，水體波及速度越快，水侵特征越明顯。

為了揭示不同裂縫參數(shù)對控水效果的影響，針對底水裂縫氣藏開展水平井不同開采時限的底水錐進模擬研究（見圖 6）。分別設(shè)計了 10～20，30～40，50～60，70～80 m的裂縫縫長，研究不同長度的裂縫對水侵的影響規(guī)律。通過模擬可以看出，隨著裂縫縫長增大，晚期水體脊進速度越快，水錐很容易推進至井底，井筒水淹風(fēng)險越高。且當裂縫長度小于40 m時，累計產(chǎn)水量增長較為緩慢，裂縫長度大于40 m時，隨裂縫長度增加，累計產(chǎn)水量急劇上升，控水難度增大。

圖6 不同裂縫縫長氣藏開采水侵模擬

2.2.2 鉆采策略評價

合理的鉆采策略是氣藏長效開發(fā)的重要因素。海上油田鉆完井工藝難度大，主要有以下4個環(huán)節(jié)：1）在鉆井過程中，鉆井軌跡控制不當，造成井周圍巖物性發(fā)生改變，不規(guī)則井軌跡的避水高度不均衡，易導(dǎo)致控水難度大；2）在完井過程中，完井污染造成的儲層強非均質(zhì)性，可能導(dǎo)致連續(xù)封隔體間發(fā)生竄流；3）不合理的開采制度，如過高要求產(chǎn)量和過快采氣速度，易形成井筒暴水淹；4）酸化壓裂措施造成氣層裂縫延展，從而發(fā)生后期水竄。

3 結(jié)論

1）相比未采取控水措施，連續(xù)封隔體控水流體軸向阻力大，隔水透氣覆膜礫石軸向限制竄流，從而達到控水作用，可調(diào)節(jié)裂縫帶或高滲層快速錐進速度。

2）不同裂縫形態(tài)氣藏開采見水時間和采氣量略有差別，網(wǎng)狀裂縫發(fā)育區(qū)是底水波及程度最高區(qū)域。

3）裂縫強導(dǎo)流能力是氣藏見水風(fēng)險重要的控制因素，因此合理的鉆采策略是氣藏控水的根本。氣藏開發(fā)更應(yīng)重視前期控水工藝的實施，后期見水以堵水工藝為主。