四川盆地天然氣藏提高采收率技術進展與發(fā)展方向

雍 銳 胡 勇 彭 先 梅青燕 戚 濤 楊 建 李隆新 鄭 偉 陳穎莉 李 滔 張 理

1. 中國石油西南油氣田公司 2. 中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院

3. 中國石油西南油氣田公司工程技術研究院 4. 中國石油西南油氣田公司集輸工程技術研究所

0 引言

伴隨國民經(jīng)濟快速發(fā)展，近10年我國天然氣消費量年均增長12%，2021年天然氣對外依存度高達45%，大力發(fā)展天然氣對保障社會經(jīng)濟發(fā)展和能源安全、積極推進“碳中和”進程至關重要。根據(jù)自然資源部《“十三五”全國油氣資源評價》，四川盆地常規(guī)天然氣資源量約14×1012m3，探明儲量約2.5×1012m3，采出程度不足40%。采出程度每增加1%都意味著提高了成百上千億立方米的天然氣產(chǎn)量[1-6]。

四川盆地是中國天然氣工業(yè)的發(fā)源地，經(jīng)過60余年的探索實踐，建立了提高采收率的核心理念和成熟配套的技術體系。通過氣藏開發(fā)早期謀劃、中期調(diào)控和后期治理，以及氣藏—井筒—地面全生產(chǎn)系統(tǒng)精準施策，形成了氣田開發(fā)全生命周期提高采收率行之有效的做法。為此，本文從剖析四川盆地氣藏特點和提高采收率難點出發(fā)，回顧了氣藏提高采收率技術發(fā)展歷程，系統(tǒng)梳理總結(jié)了氣藏提高采收率關鍵技術體系，詳細介紹了近年針對復雜氣藏提高采收率的技術進展，并指出下一步技術攻關的方向，以期為國內(nèi)外氣藏的高效開發(fā)和提高采收率提供理論指導和技術借鑒。

1 氣藏特征及提高采收率難點

四川盆地是在上揚子克拉通基礎上發(fā)展起來的大型疊合盆地，經(jīng)歷了晚元古代—中三疊世的海相和晚三疊世—新生代陸相盆地階段。盆地內(nèi)已發(fā)現(xiàn)29套含油氣層系，埋藏深度介于600～7 700 m，已開發(fā)氣藏600余個，氣藏類型涵蓋已知大類的93%。由于天然氣成藏歷史長，歷經(jīng)多期構(gòu)造運動，四川盆地天然氣藏開發(fā)總體上具有3個特征：①氣藏整體物性較差，非均質(zhì)性強，易出現(xiàn)儲量非均衡動用；②氣藏普遍存在邊底水且水體活躍，非均勻水竄嚴重，易形成水封氣；③氣藏總體埋藏較深，工藝井較多，地面條件差異大，天然氣從地層到地面流動環(huán)節(jié)多，壓力損耗大[7-9]。因此，氣藏提高采收率的核心是實現(xiàn)均衡開采和降低廢棄地層壓力。

不同類型氣藏的采收率差異巨大，最高可達90%，最低僅為10%，四川盆地氣藏提高采收率具有以下4個方面的特殊性和難點[10-12]。

1）在開發(fā)早期評價方面，由于氣藏非均質(zhì)性強、水侵活躍，加上早期動靜態(tài)資料的豐富程度及氣藏描述方法適應性的影響，氣藏地質(zhì)特征認識存在較多不確定性，在開發(fā)早期評價階段制訂合理開發(fā)對策以實現(xiàn)均衡開采的難度較大。

2）在儲量動用方面，由于氣藏普遍低滲透、低豐度、非均質(zhì)性強，氣藏開發(fā)各階段準確落實剩余儲量分布的難度較大，不同類型的低品質(zhì)儲量有效動用難度加大。如磨溪雷一1亞段氣藏為典型的低滲透氣藏，一次井網(wǎng)采用大井距和直井開發(fā)方式，氣藏儲量動用嚴重不均衡，預測氣藏采收率僅為39.2%[13]。

3）在水侵治理方面，四川盆地90%的氣藏都受到了水侵影響，不同類型的氣藏在水侵識別、水侵前緣預判和全氣藏不同生產(chǎn)階段的防、控、堵、排優(yōu)化治水對策等方面還存在較大差異，防控和治理非均勻水侵的難度極大。例如威遠震旦系氣藏為典型縫洞型活躍底水氣藏[14]，開發(fā)過程中底水縱竄橫侵造成嚴重的非均勻水侵，將原本連通的氣藏分隔形成了7個水封區(qū)，氣藏一次開發(fā)自噴生產(chǎn)階段采出程度僅為28.3%。

4）在配套工藝方面，四川盆地生產(chǎn)井井型多樣，生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)復雜，氣井深度跨度大，地層壓力系數(shù)差異大。如果生產(chǎn)時不考慮工藝措施，氣井生命周期會變得較短，其中產(chǎn)水和含硫氣井采取工藝措施進行開采的時間會占到整個生命周期的一半以上。但是排水采氣和產(chǎn)能維護的工藝要求較高；地面管網(wǎng)節(jié)點多且分散，地面環(huán)形管網(wǎng)復雜，地面系統(tǒng)多節(jié)點優(yōu)化方式復雜，降低廢棄地層壓力難度較大。

2 氣藏提高采收率技術探索歷程

四川盆地氣藏提高采收率技術探索先后經(jīng)歷了空間（由單井到氣藏）和時間（由氣藏開發(fā)中后期到全生命周期）的轉(zhuǎn)變升級，整個發(fā)展歷程可分為以下3個階段[15-17]。

1） 探索起步階段（20世紀50年代—80年代末）：開發(fā)對象以蜀南地區(qū)二疊、三疊系中小型裂縫型氣藏為主，該類氣藏氣水關系復雜，90%以上的氣井產(chǎn)地層水，絕大部分氣井需要通過排水采氣維持正常生產(chǎn)。該階段認識氣藏主要依賴地質(zhì)調(diào)查和模擬地震等手段，難以有效描述氣藏，氣藏整體認識薄弱。提高采收率的技術對策主要針對單井制訂，以單井控水排水采氣為主，缺乏提高整個氣藏采收率的全局系統(tǒng)策略。

2） 快速發(fā)展階段（20世紀80年代末—“十一五”末）：20世紀80年代末四川盆地氣藏在開發(fā)方案指導下走上了科學、規(guī)范的開發(fā)之路，開發(fā)對象涉及須家河組和石炭系等構(gòu)造整裝非均質(zhì)有水氣藏，二疊系、三疊系復雜巖性、構(gòu)造—巖性氣藏和須家河組致密砂巖氣藏等多種類型氣藏。氣藏開發(fā)經(jīng)歷了從發(fā)現(xiàn)、上產(chǎn)到穩(wěn)產(chǎn)、遞減的全生命周期，氣藏整體認識得到深化，不同階段的開發(fā)重心進一步明確。在這一階段，提高采收率技術實現(xiàn)了由“單井”到“氣藏”的轉(zhuǎn)變升級，并初步形成了剩余儲量分布精細描述、氣藏整體治水、低滲透儲層改造、老井產(chǎn)能維護和地面系統(tǒng)優(yōu)化等一系列主體技術，為氣藏提高采收率技術模式的建立奠定了基礎。但是該階段主要針對開發(fā)中后期出現(xiàn)的非均衡開采和非均勻水侵進行應對和治理，因此催生了全生命周期提高采收率的需求。

3）創(chuàng)新集成階段（“十二五”以來）：開發(fā)對象以二疊系、寒武系、震旦系等深層、超深層復雜構(gòu)造氣藏、復雜巖性碳酸鹽巖氣藏為主。復雜氣藏的科學高效開發(fā)技術要求更高，以往的提高采收率技術難以發(fā)揮復雜氣藏的最大開發(fā)潛力。因此，該階段提出從開發(fā)早期制訂提高采收率技術的思路，形成以有利區(qū)優(yōu)選、高產(chǎn)井部署和開發(fā)指標優(yōu)化設計為核心的早期評價和部署技術系列，從而打破氣藏開發(fā)中后期才開始制訂提高采收率對策的傳統(tǒng)思維模式，樹立全生命周期統(tǒng)籌的理念。由此制訂了早期謀劃、中期調(diào)控和后期治理的整體策略，提高采收率技術實現(xiàn)了由“氣藏開發(fā)中后期”到“全生命周期”的轉(zhuǎn)變升級，并形成了氣藏全生命周期提高采收率技術模式。在該技術模式的指導下，提高采收率關鍵技術體系還一直在不斷創(chuàng)新和完善。

3 氣藏提高采收率技術進展

3.1 建立了氣藏提高采收率的技術模式

圍繞“實現(xiàn)均衡開采，降低廢棄地層壓力”兩大目標，經(jīng)過長期探索與實踐，形成了“全生命周期統(tǒng)籌、全生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同”的提高采收率核心技術理念?！叭芷诮y(tǒng)籌”將最優(yōu)化采收率的理念應用于氣藏開發(fā)全生命周期的各個階段，開發(fā)評價階段重點關注開發(fā)方式和開發(fā)指標的優(yōu)選，防控氣藏認識的不確定性風險，合理制訂提高采收率的早期策略；開發(fā)建產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)階段持續(xù)優(yōu)化開發(fā)對策，均衡動用儲量，預防和減緩非均勻水侵，做好提高采收率中期調(diào)控；開發(fā)后期階段完善工藝配套設施，延長氣井生命期和降低氣藏廢棄條件，做好提高采收率后期治理?！叭a(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同”的重點是實現(xiàn)多專業(yè)融合的“地質(zhì)工程一體化”，通過地質(zhì)與氣藏工程落實基礎資源和優(yōu)化開采方法，由井工程提供最優(yōu)化技術方案以暢通采出路徑，全面持續(xù)優(yōu)化地面工程，做好工藝配套的適應性調(diào)整。

在提高采收率核心技術理念的指導下，建立了以“早期評價與部署、儲量刻畫與動用、水侵診斷與治理、開采工藝與優(yōu)化”為核心的提高采收率技術模式（圖1）?！霸缙谠u價與部署”主要解決有利區(qū)的評價優(yōu)選和開發(fā)對策優(yōu)化設計，奠定氣藏均衡開發(fā)的認識基礎和動用基礎；“儲量刻畫與動用”主要通過剩余儲量分布的精細描述、經(jīng)濟可動性評價和改進單井產(chǎn)量配套工藝來提升儲量動用率；“水侵診斷與治理”通過認識水侵機理、分析水侵動態(tài)、預判水侵影響并制訂治水對策以減緩水侵影響；“開采工藝與優(yōu)化”通過氣井采氣配套工藝和地面集輸系統(tǒng)優(yōu)化來延長氣井生命期和降低氣藏廢棄壓力。

圖1 氣藏提高采收率技術模式圖

3.2 形成了氣藏提高采收率的關鍵技術體系

以氣藏提高采收率技術模式為指導，圍繞“早期評價與部署、儲量刻畫與動用、水侵診斷與治理、開采工藝與優(yōu)化”四大技術方向，建立了4大技術系列、12項專項技術和100余項子技術，形成了地質(zhì)與氣藏工程、鉆完井工程、地面工程等多專業(yè)協(xié)同的提高采收率技術體系（圖2）。

圖2 氣藏提高采收率技術體系圖

早期評價與部署技術系列主要解決非均質(zhì)氣藏和有水氣藏開發(fā)早期地質(zhì)特征認識難度大、開發(fā)方案編制不確定性風險大的問題，包括3項專項技術：①以優(yōu)質(zhì)儲層空間展布、氣水分布描述為核心的有利區(qū)評價與優(yōu)選技術；②以高產(chǎn)井地質(zhì)模式、地震模式、井型及軌跡設計為核心的高產(chǎn)井評價與部署技術；③以合理開發(fā)方式、井網(wǎng)和采速設計為核心的開發(fā)指標優(yōu)化設計技術。該技術系列結(jié)合了地質(zhì)、地震、氣藏動態(tài)分析和經(jīng)濟評價等多種手段，明確了開發(fā)有利區(qū)塊和井位部署模式，制訂了合理開發(fā)對策，為均衡開發(fā)奠定了基礎。

儲量刻畫與動用技術系列主要解決不同類型氣藏剩余儲量分布精細刻畫和開發(fā)中后期氣藏有效提升低滲透儲量動用率難度大等問題，包括4項專項技術：①以儲層精細對比、流體分布描述、氣藏動態(tài)分析、三維地質(zhì)建模、精細數(shù)值模擬和儲量分類評價為核心的剩余儲量分布精細描述技術；②以微觀滲流模擬、氣藏采收率預測物理模擬、氣井產(chǎn)能遞減分析和經(jīng)濟評價為核心的低滲透儲量可動性評價技術；③以井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、鉆井井眼軌跡精準控制、深層尾管優(yōu)質(zhì)固井為核心的特殊工藝井鉆井工藝技術；④以深層高溫碳酸鹽巖全耦合酸壓模型、水平井/大斜度井差異化改造工藝、耐高溫酸液體系、高性能暫堵材料為核心的特殊工藝井儲層改造技術。該技術系列通過氣藏描述、機理揭示、開發(fā)效果評價等手段，明確剩余經(jīng)濟可動用儲量分布；通過建立針對性地提高單井產(chǎn)量鉆完井配套工藝，保障開發(fā)中后期儲量動用率的提升。

水侵診斷與治理技術系列主要解決不同類型氣藏水侵機理認識不清、水侵危害差異大、水侵規(guī)律預判及針對性治水難度大等問題，包括3項專項技術：①以水侵模擬及微觀可視化、三重介質(zhì)滲流分析、水侵動態(tài)仿真物理模擬等為核心的“水封氣”機理模擬技術；②以水侵能量動態(tài)監(jiān)測、水侵量計算、水侵前緣分析及定量預測、氣水井數(shù)值試井分析及水侵活躍性評價等為核心的非均勻水侵預報技術；③以氣藏整體治水及開發(fā)優(yōu)化、有水氣藏二次開發(fā)為核心的整體治水技術。該技術系列從揭示微觀—宏觀的氣水滲流特征及水侵機理出發(fā)，利用豐富的動態(tài)監(jiān)測及分析技術，為地層水防治提供精準認識，為不同類型氣藏提供針對性的治水措施。

開采工藝與優(yōu)化技術系列主要解決盆地內(nèi)不同壓力系數(shù)條件下，具有復雜管柱結(jié)構(gòu)的氣井采氣工藝選擇、地面環(huán)形管網(wǎng)多節(jié)點模擬和地下—井筒—地面一體化優(yōu)化等難題。包括3項專項技術：①以低壓深井柱塞、含硫高壓氣舉、泡排、電潛泵為核心的排水采氣工藝技術；②以復雜落魚打撈、高強度封隔器處理、暫堵壓井和低壓氣井井筒清潔為核心的老井產(chǎn)能維護技術；③以地面集輸優(yōu)化簡化、地下—井筒—地面一體化模擬、降低井口壓力為核心的地面集輸系統(tǒng)優(yōu)化技術。該技術系列通過積液規(guī)律及井筒復雜處理研究，研發(fā)配套關鍵工具，完善施工工藝，為延長氣井生命期和降低氣藏廢棄壓力提供支撐。

3.3 氣藏提高采收率關鍵技術進展

3.3.1 早期評價與部署技術

3.3.1.1 有利區(qū)評價與優(yōu)選技術

針對深層強非均質(zhì)性碳酸鹽巖氣藏，形成了有利區(qū)評價與優(yōu)選技術，包括白云巖巖溶小尺度縫洞儲集體精細刻畫和分散小礁體精細刻畫等技術。采用沉積相模式約束的地震多屬性融合丘灘預測方法，實現(xiàn)了四級層序格架內(nèi)20 m級丘灘體精細雕刻；發(fā)明了“殘厚+印?！彪p界面古地貌恢復方法，刻畫出巖溶有利微地貌；通過建立神經(jīng)網(wǎng)絡井震多信息融合縫洞儲層定量預測方法，首次實現(xiàn)了10 m級小尺度縫洞儲集體刻畫，形成了白云巖巖溶小尺度縫洞儲集體精細刻畫技術，揭示了“丘灘控有無、巖溶控品質(zhì)”的儲層發(fā)育機理，明確了五類優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育模式（圖3）。通過地震“雙高”一體化處理、數(shù)據(jù)驅(qū)動的“盒狀體”透視、殘厚法沉積古地貌恢復和三維可視化，建立分散小礁體精細刻畫技術，使礁體的刻畫精度提升至1～5 km2，刻畫準確率由60%提高到90%以上。

圖3 燈影組巖溶模式示意圖

針對復雜流體描述，形成了大型低幅構(gòu)造有水氣藏氣水分布精細刻畫技術。通過保幅寬頻高分辨率處理，構(gòu)建井控高精度數(shù)據(jù)體，實現(xiàn)了深層低緩構(gòu)造背景下高差小于20 m的微幅構(gòu)造精細描述。結(jié)合儲層對比、壓力系統(tǒng)分析、氣水界面分析，確定了低緩構(gòu)造背景下氣藏氣水過渡區(qū)的內(nèi)外邊界，刻畫出氣藏內(nèi)部局部封存水范圍[18]，實現(xiàn)了氣藏水體分布的精細刻畫（圖4）。

圖4 磨溪龍王廟組氣藏氣水分布模式圖

3.3.1.2 高產(chǎn)井部署技術

利用巖心—成像—地震綜合標定有利儲層地震相特征，明確了有利儲層地震識別標志，結(jié)合高分辨率儲層地震反演預測，形成了不同地質(zhì)特征的優(yōu)質(zhì)儲層識別技術，例如龍王廟組氣藏的“灘控巖溶儲層+內(nèi)部強波峰”識別技術，震旦系氣藏的“巖溶縫洞儲層+寬波谷亮點”識別技術，生物礁氣藏的“地震反射同相軸‘頂凸底凹’特征”識別技術。針對不同儲層分布特征，優(yōu)選井點，基于地震剖面響應特征，優(yōu)選最有利的靶體目標，設計不同的井型及軌跡，建立“地質(zhì)模式定點、地震響應定軌”的高產(chǎn)井部署模式（圖5）。

圖5 震旦系氣藏高產(chǎn)井模式圖

3.3.1.3 開發(fā)指標優(yōu)化設計技術

基于氣井生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)，采用多種現(xiàn)代動態(tài)分析方法（例如Blasingame方法等）計算動態(tài)儲量。通過容積法反推算井控半徑，并結(jié)合經(jīng)濟極限法，建立“復合地質(zhì)因素+經(jīng)濟極限約束”的氣井合理井距確定方法，解決了強非均質(zhì)氣藏非規(guī)則井網(wǎng)的優(yōu)化難題，支撐了儲量均衡高效動用[19]。

3.3.2 儲量刻畫與動用技術

3.3.2.1 剩余儲量分布精細描述技術

針對低孔超壓氣藏儲量精細描述的需求，形成了特大型異常高壓有水氣藏超精細數(shù)值模擬技術。通過精細描述氣藏構(gòu)造、儲層和流體特征，建立了8 000×104網(wǎng)格超精細數(shù)值模擬模型；利用搭載網(wǎng)格與壓力殘差預處理技術的新一代模擬器，建立了分布式多核并行運算系統(tǒng)（近2000CPU核）；通過耦合巖石壓縮系數(shù)、應力敏感實驗數(shù)據(jù)與模擬器前處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了高效計算并精細刻畫氣藏剩余儲量分布。該技術解決了描述大型氣藏剩余儲量時，受限于儲層非均質(zhì)性差異表征不足、多相態(tài)、多因素等情況下全氣藏數(shù)值模擬耗時巨大的問題。

針對開發(fā)中后期氣藏形成了剩余儲量快速描述技術。開發(fā)中后期氣藏地質(zhì)特征認識相對清楚、動態(tài)資料較為豐富，依靠動態(tài)資料可明確氣藏剩余壓力分布。耦合氣藏儲層參數(shù)和剩余壓力分布，采用網(wǎng)格離散技術快速描述氣藏剩余儲量分布，可以使單個氣藏剩余儲量分布描述耗時從2～4個月降低至3～10天，解決了傳統(tǒng)評價方法過程復雜、剩余儲量描述工作時效率低的問題。

3.3.2.2 儲量可動性評價技術

采用CT掃描技術構(gòu)建數(shù)字巖心，提取孔喉網(wǎng)絡模型，分析孔喉參數(shù)，基于微觀流動模擬建立孔喉尺寸、孔喉比、形狀因子、配位數(shù)及裂縫寬度等微觀孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)與模擬滲透率的關系（圖6），在此基礎上考慮了氣井經(jīng)濟極限產(chǎn)量，提出儲量效益動用的儲層參數(shù)下限，形成了低滲透碳酸鹽巖氣藏儲量可動性評價技術，實現(xiàn)了10余項微米級孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)在儲量效益動用下限評價中的定量化運用[20]。

圖6 建立微觀孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)與模擬滲透率關系的流程圖

3.3.2.3 水平井/大斜度井軌跡控制技術

基于氣藏剩余儲量分布動用情況，建立了多因素量化評估井眼軌跡優(yōu)化設計方法。研發(fā)了鉆柱扭擺系統(tǒng)、大功率水力振蕩器及旋轉(zhuǎn)閥式脈沖器，優(yōu)選高效破巖鉆頭、耐高溫高壓定向測量儀器及動力鉆具（圖7），以及配套的抗高溫高潤滑性的油基鉆井液，形成了超深水平井/大斜度井井眼軌跡高效控制技術，可大幅降低鉆井摩阻，提升定向效率，水平段最長可延伸至1 610 m。雙魚001-H6井完鉆井深9 010 m，創(chuàng)造了中國陸上最深天然氣水平井紀錄。

圖7 高效PDC鉆頭切屑齒布局示意圖

3.3.2.4 水平井/大斜度井增產(chǎn)改造技術

針對深層超深層高溫碳酸鹽巖儲層酸蝕裂縫短、導流能力低的難題，研發(fā)了耐160～180 ℃高溫低摩阻自生酸、膠凝酸和轉(zhuǎn)向酸體系，優(yōu)選膠凝酸酸壓、前置液酸壓、2～3級交替注入酸壓工藝，采用固—流—熱—化四場全耦合酸壓模型優(yōu)化酸壓施工參數(shù)（圖8），實現(xiàn)了深穿透高導流酸壓改造[21]。

圖8 “機械分段+段內(nèi)暫堵”復合分段酸壓示意圖

針對儲層非均質(zhì)性強、改造井段長的難題，基于機械封隔器、可降解暫堵材料、自轉(zhuǎn)向酸等物理化學措施，形成了“變密度割縫襯管+變強度轉(zhuǎn)向酸”和“轉(zhuǎn)向酸+可降解暫堵球”均勻酸化、“機械分段+段內(nèi)暫堵”復合分段酸壓等技術體系，大幅度提高了強非均質(zhì)儲層動用程度。雙魚001-X3井、云安012-X16等井運用該技術，測試產(chǎn)量均達到100×104m3/d，大幅度調(diào)高了儲量有效動用程度。

3.3.3 水侵診斷與治理技術

3.3.3.1 “水封氣”機理模擬技術

針對水封氣機理認識不清的問題，形成了在線驅(qū)替協(xié)同CT掃描與數(shù)字仿真相結(jié)合的創(chuàng)新氣水兩相滲流分析技術。通過優(yōu)化探測器數(shù)據(jù)高速讀取算法，引入全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡和條件隨機場，改進數(shù)字巖心的圖像識別算法，建立了水驅(qū)氣在線驅(qū)替協(xié)同CT掃描技術。通過邊驅(qū)替邊掃描，實現(xiàn)了整個驅(qū)替過程的可視化，然后定量化表征與分析不同時刻的氣水分布特征，明確了水封氣形成的位置及內(nèi)在原因?；诜欠€(wěn)態(tài)滲流理論，考慮氣體壓縮性、毛細管力和黏滯力的共同作用，采用GPU并行運算，融合多重網(wǎng)格算法，建立基于孔隙網(wǎng)絡模型的非穩(wěn)態(tài)氣水兩相滲流數(shù)字仿真技術，實現(xiàn)了微米級到米級巖心的高溫高壓水驅(qū)氣的快速精準模擬，可以從不同尺度量化表征水封氣的形成條件與機理。通過物理模擬與數(shù)字仿真的耦合分析，全方位揭示“水封氣”形成的內(nèi)在機理，并首次提出了水封氣的臨界點效應，即當含水飽和度超過臨界含水飽和度時，水相滲透率將急劇上升，氣相將難以流動，從而發(fā)生水鎖（圖9）。臨界點效應的發(fā)現(xiàn)為氣藏“水封氣”的預防及控水措施的制訂提供了理論指導[22-27]。

圖9 水封氣臨界點效應圖

3.3.3.2 非均勻水侵診斷及預報技術

針對水侵氣儲量難以定量評價的問題，基于氣藏水侵活躍程度及儲層非均質(zhì)性表征方法，建立考慮“水封氣”效應的物質(zhì)平衡新模型，定量表征地層水侵入氣藏對地層的能量補給和對儲層中天然氣的封隔效應，以此形成了不同水侵模式的診斷圖版，實現(xiàn)了水侵模式定量判別及動態(tài)儲量和水封氣量的精準預測，解決了傳統(tǒng)物質(zhì)平衡法無法精細表征“水封氣”影響的局限性，進一步提升了治水措施的針對性及有效性[28]。

針對水侵預報精度低的問題，基于氣水兩相滲流理論，引入氣體壓縮性預測和氣水高密度差求解方法，建立有水氣藏井間代理模型；耦合井筒多相流模型與地面集輸管網(wǎng)模型，并結(jié)合人工智能算法，形成氣藏水侵前緣定量分析及非均勻水侵動態(tài)預報技術（圖10）。實現(xiàn)了水侵危害提前半年預警，增強了地層水防治工作的前瞻性，為地層水防治提供了充足的準備時間[29-31]。

圖10 有水氣藏非均勻水侵預報技術示意圖

3.3.3.3 差異化整體治水技術

基于四川盆地60余年的有水氣藏開發(fā)實踐經(jīng)驗，結(jié)合大尺度非均質(zhì)氣藏水侵動態(tài)、治水效果仿真物理模擬技術和超精細數(shù)值模擬技術，再現(xiàn)不同地質(zhì)條件、水體能量、開采方式及主動治水條件下氣藏全生命周期開發(fā)動態(tài)過程，定量預判措施效果，形成了以“防+控+堵+排”為核心的不同類型氣藏差異化技術。治水對象從單井、井區(qū)到氣藏遞進，治水目標從早期防水、中期控水到晚期主動排水遞進，技術對策從井網(wǎng)優(yōu)化、采速優(yōu)化、配產(chǎn)優(yōu)化到排水優(yōu)化遞進。通過優(yōu)化開發(fā)指標防水、均衡開采控水、氣水同產(chǎn)井排水、水侵通道強排水和選擇性堵水等差異化措施，實現(xiàn)了整體治水及氣藏采收率提升。

3.3.4 工藝配套與優(yōu)化技術

3.3.4.1 排水采氣工藝技術

針對小液量低壓深井，建立了低壓深井柱塞氣舉設計方法。通過自主研制彈塊式卡定器、測溫測壓柱塞等一系列工具，研發(fā)柱塞工藝管理系統(tǒng)，形成了低壓深井柱塞氣舉技術。工具成本降幅達70%，設計符合率提高至90%，實現(xiàn)了工藝制度實時動態(tài)跟蹤，運維成本降低了61%。技術可應用于地層壓力系數(shù)最低至0.1、井深4 946 m、最大井斜角59°的條件下。

針對帶永久式封隔器的含硫深井，首創(chuàng)了構(gòu)建單向工藝通道與重建工藝通道的技術理念。通過建立流動主動控制方法，研制預置式、隔離式、跨隔式排水采氣工具（圖11），形成了永久式封隔器完井氣井排水采氣技術，實現(xiàn)了免修井開展氣舉排水，最深應用深度為6 058 m，填補了國內(nèi)技術空白。

圖11 隔離式排水采氣工具圖

3.3.4.2 老井產(chǎn)能維護新技術

針對井下復雜落魚難撈、高強度封隔器處理困難等難題，通過研制閉窗打撈筒、套銑打撈一體等關鍵修井工具，建立適用于不同工況的高耐磨封隔器處理工藝模版，形成了復雜工況井筒處理技術，實現(xiàn)了不同井徑、井深的情況下不同材質(zhì)封隔器的處理及落魚打撈。目前已初步具備井深7 000 m小井眼內(nèi)封隔器處理能力，為高溫高壓氣井產(chǎn)能發(fā)揮提供了技術支撐[32]。

針對低壓氣井漏失嚴重無法建立循環(huán)、井內(nèi)堵塞物多樣的問題，通過研制真空抽砂、旋轉(zhuǎn)射流清砂、局部負壓清潔等關鍵工具，優(yōu)選清潔工作液，完善配套施工工藝，形成了低壓井井筒清潔技術，實現(xiàn)了在低壓深井中打撈碎屑、沉砂及小件落物，作業(yè)井壓力系數(shù)低至0.12，為低壓深井井筒解堵提供了有力保障。

3.3.4.3 地面系統(tǒng)優(yōu)化簡化技術

針對傳統(tǒng)分析手段難以兼顧均衡配產(chǎn)與管網(wǎng)最優(yōu)運行的問題，基于流體力學和滲流力學理論，將地質(zhì)模型、數(shù)值井筒、管網(wǎng)仿真緊密結(jié)合，形成了氣藏—井筒—地面一體化仿真模擬技術（圖12），實現(xiàn)了井底壓力、井口壓力與管網(wǎng)壓力的耦合計算，為保持井口壓力最優(yōu)運行提供了有力支撐。

圖12 磨溪龍王廟組氣藏的氣藏—井筒—地面一體化仿真模擬技術示意圖

針對開發(fā)后期井口壓力不足的問題，通過構(gòu)建氣藏增壓效果的量化評價指標體系，明確了增壓時機和增壓規(guī)模等氣藏工程優(yōu)化的關鍵參數(shù)，建立了合理增壓時機和增壓規(guī)模預測圖版，實現(xiàn)了關鍵技術指標快捷分析預測。形成并完善了氣田增壓站標準化設計系列和壓縮機組變工況調(diào)整技術，井口廢棄壓力最低降至0.2 MPa。

4 氣藏提高采收率技術典型應用實例

通過早期謀劃、中期調(diào)控和后期治理相結(jié)合，氣藏—井筒—地面措施聯(lián)動精準施策，促進了四川盆地氣藏采收率的提高。碳酸鹽巖氣藏平均采收率為79%，整體居行業(yè)先進水平；碎屑巖氣藏平均采收率為53.3%，其中活躍水侵氣藏采收率居行業(yè)領先水平；一些開發(fā)疑難問題突出的典型氣藏平均采收率從62%提高到80%。

4.1 提高采收率技術模式指導強非均質(zhì)碳酸鹽巖氣藏實現(xiàn)儲量均衡動用

五百梯石炭系氣藏是典型的裂縫—孔隙型強非均質(zhì)碳酸鹽巖氣藏，受古構(gòu)造及古沉積環(huán)境的控制，儲集空間和滲流能力的橫向變化劇烈，高、低滲透區(qū)間隔分布，低滲透區(qū)儲量占比為44%（圖13）。氣藏開發(fā)初期采用少井高產(chǎn)、利用高滲區(qū)井采低滲透區(qū)儲量的模式開發(fā)，未能達到方案設計的穩(wěn)產(chǎn)規(guī)模，氣藏不均衡開采現(xiàn)象突出。

圖13 五百梯石炭系氣藏開發(fā)現(xiàn)狀圖

以提高采收率技術模式為指導，從剩余儲量分布精細描述、低滲透儲量可動性評價、排水采氣工藝技術優(yōu)化等方面開展攻關研究，明確了地層水、斷層和儲層物性是氣藏剩余儲量分布的主要控制因素，并將氣藏剩余儲量劃分為4類：正常生產(chǎn)型、動用不徹底型、斷層封堵未動用型和低滲透未動用型[33]。從而及時調(diào)整了氣藏開發(fā)分區(qū)，優(yōu)化各區(qū)井網(wǎng)和采速，即氣藏按主產(chǎn)區(qū)、南低滲透區(qū)、北低滲透區(qū)3個單元進行開發(fā)，主產(chǎn)區(qū)通過井網(wǎng)調(diào)整實現(xiàn)了穩(wěn)產(chǎn)，南、北低滲透區(qū)通過水平井動用低滲透儲量提高了采速。得益于特殊工藝井配套技術的進步，氣藏南北低滲透區(qū)實施水平井大幅度提高了單井產(chǎn)量，補充開發(fā)井19口（其中水平井16口），新增動用儲量79×108m3，實際日產(chǎn)規(guī)模最高達320×104m3，較之前最高產(chǎn)量增加了18.5%，氣藏采收率從60%提高到74.73%[33]。

4.2 提高采收率技術模式指導有水氣藏實現(xiàn)“水封氣”解封

茶園寺石炭系氣藏為裂縫—孔隙型活躍水侵氣藏，2007年產(chǎn)出地層水后，氣藏產(chǎn)氣量急劇下降，雷15井停噴，雷14井瀕臨水淹?；谶@種復雜情況，利用非均勻水侵診斷及預報技術定量分析水侵前緣及水封氣量，認識到地層水對氣藏不同部位產(chǎn)生的“水封氣”效應是不同的。雷15井區(qū)域的地層水對儲層中天然氣產(chǎn)生了強封隔效應，水侵劇烈，表現(xiàn)出裂縫水竄特點，而雷14井區(qū)域封隔作用較弱，水侵較為平穩(wěn)，為舌進水侵，氣藏水侵特點是由西南方向的邊水沿高滲通道首先侵入氣藏雷15井，進而越過雷15井侵入雷14井[34]。

基于差異化的水侵特征，以氣藏整體治水技術理念為指導，從“防、控、堵、排”等不同治水技術出發(fā)，針對不同部位采用了差異化的治水策略。在位于主要水侵通道上的雷15井實施連續(xù)氣舉以實現(xiàn)主動排水，相對低部位的雷14井實施優(yōu)化配產(chǎn)以實現(xiàn)控水采氣，通過井間的“排控結(jié)合”實現(xiàn)氣藏整體治水的優(yōu)化平衡，取得了明顯的治水效果：雷15井水淹復產(chǎn)，雷14井從瀕臨水淹的狀態(tài)恢復為連續(xù)自噴生產(chǎn)，其產(chǎn)水量也逐漸下降，水侵前緣有所回縮，氣藏整體由瀕臨停產(chǎn)狀態(tài)恢復到22×104m3/d的產(chǎn)氣規(guī)模，實現(xiàn)了氣藏“水封氣”的解封（圖14），采收率提高了11.7%。

圖14 茶園寺石炭系氣藏整體治水前后氣水分布變化圖

5 氣藏提高采收率技術未來發(fā)展方向

到2030年，四川盆地年產(chǎn)天然氣量有望獲得大幅提升，建成年產(chǎn)1 000×108m3的國家天然氣戰(zhàn)略生產(chǎn)基地。隨著新領域的不斷發(fā)現(xiàn)，“十四五”及以后，盆地開發(fā)重心將逐步向深層/超深層、強水侵、強非均質(zhì)性、非常規(guī)等方向轉(zhuǎn)移，氣藏地質(zhì)條件更加復雜，開發(fā)難度更大，給提高采收率技術帶來新的挑戰(zhàn)。川南頁巖氣和川中致密氣的勘探突破已經(jīng)揭開了非常規(guī)氣藏開發(fā)的序幕，與常規(guī)氣相比，盆地非常規(guī)氣資源量更大，其中頁巖氣資源量約22×1012m3，致密氣資源量約4×1012m3，勘探開發(fā)潛力巨大，非常規(guī)氣藏提高采收率的技術準備和儲備應該引起更大程度的重視。筆者認為盆地氣藏提高采收率技術的未來發(fā)展方向需要從五個方面開展持續(xù)攻關和技術研發(fā)。

5.1 深層/超深層氣藏薄儲層精細描述技術

深層/超深層的巖性（構(gòu)造—巖性）氣藏普遍具有構(gòu)造、斷裂更復雜，儲層非均質(zhì)性更強，儲層單層厚度更薄的特征，有效儲層空間分布預測難度更大。需要開展地質(zhì)與地震的聯(lián)合攻關。地質(zhì)上精細描述沉積演化和儲層成因特征，地震上消除原始地震資料中的干擾現(xiàn)象，提高地震數(shù)據(jù)分辨率，利用多方法、多屬性綜合分析，建立復雜構(gòu)造精細描述技術，提高深層/超深層復雜構(gòu)造描述精度；形成薄儲層地震響應模式，提高薄儲層識別精度。

5.2 多重介質(zhì)跨尺度數(shù)值模擬技術

四川盆地碳酸鹽巖儲集空間類型多樣，孔、洞、縫發(fā)育且搭配關系復雜，在空間上呈現(xiàn)跨尺度非均勻分布，不同尺度縫洞搭配下的滲流規(guī)律差異巨大，而現(xiàn)有數(shù)值模擬技術和工程推廣應用均難以考慮微觀滲流特征。需要開展多重介質(zhì)跨尺度滲流數(shù)值模擬技術研究，構(gòu)建離散裂縫網(wǎng)絡模型，將微觀滲流特征等效融入數(shù)值模擬模型，實現(xiàn)微觀滲流規(guī)律與宏觀動態(tài)預測的有機結(jié)合，提高數(shù)值模擬預測精度。

5.3 氣藏注CO2提高采收率技術

氣藏開發(fā)到中后期常會出現(xiàn)地層能量不足，產(chǎn)氣量降低，地層水入侵等情況，使得氣藏采收率和開采經(jīng)濟效益下降。結(jié)合CCOS-EGR技術，可以開展氣藏注CO2提高采收率的大型物理模擬實驗及數(shù)字仿真模擬技術攻關，弄清CO2在儲層中的相態(tài)特征變化及擴散機理、CO2與CH4的混合機制及驅(qū)替機理，確定注CO2的時機，從而起到保持地層能量和避免水侵的作用，在提高氣藏采收率的同時實現(xiàn)CO2的地質(zhì)埋存。

5.4 超深特殊工藝井排水采氣技術

特殊工藝井普遍具有較高的生產(chǎn)能力，但是超深特殊工藝井的井筒流態(tài)變化更為復雜，井筒攜液能力要求更高，水淹停產(chǎn)風險更大。需要開展超深特殊工藝井氣水兩相流體管流實驗與數(shù)字仿真模擬，采用圖像識別、概率密度統(tǒng)計、功率譜密度統(tǒng)計、大數(shù)據(jù)算法統(tǒng)計等技術對流態(tài)數(shù)據(jù)進行分析，弄清井筒流態(tài)形成機制及流型流態(tài)變化規(guī)律，掌握氣井積液規(guī)律；研發(fā)超深井井下工具及相關配套設施，建立特殊工藝井裸眼封隔器處理技術，在兼顧開發(fā)效益和提高采收率的情況下，探索6 000 m以上超深井排水采氣技術。

5.5 中淺層/深層頁巖氣井提高采收率核心技術

頁巖氣井產(chǎn)氣量差異性較大且穩(wěn)產(chǎn)能力弱，提高單井產(chǎn)量、延長單井生命周期是提高采收率的關鍵。針對中淺層頁巖氣，需要開展優(yōu)化排采制度、多層段立體開發(fā)等技術攻關；深層頁巖氣可借鑒中淺層頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗，研發(fā)抗高溫抗高壓的鉆井工具，開展深層頁巖氣藏水平井優(yōu)快鉆井、體積壓裂等技術攻關，建立深層頁巖氣提高采收率的指標體系，明確不同階段提高采收率主體工藝技術。

5.6 致密氣地質(zhì)工程一體化提高采收率技術

致密氣藏儲層滲透率低，非均質(zhì)性強，砂體連續(xù)性和連通性差，開發(fā)過程中易造成儲量動用不充分及壓降不均衡。開展河道砂儲層的精細刻畫技術研究，弄清河道砂組分布特征，優(yōu)選開發(fā)有利區(qū)，建立高產(chǎn)井部署模式；進一步攻關孔隙型致密砂巖高強度壓裂技術，增大氣體在儲層的滲透能力，增加單井產(chǎn)量；針對開發(fā)后期面臨的低壓開采、井底積液等問題，攻關完善井口增壓與井筒排水采氣相結(jié)合的提高采收率配套技術，延長氣井壽命、提高采出程度。

6 結(jié)束語

四川盆地經(jīng)過60余年的探索與實踐，形成了“全生命周期統(tǒng)籌、全生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同”的氣藏提高采收率技術理念，建立了以“早期評價與部署、儲量刻畫與動用、水侵診斷與治理、開采工藝與優(yōu)化”為核心的提高采收率技術模式，實現(xiàn)了由單井到氣藏、由氣藏開發(fā)中后期到全生命周期提高采收率技術的升級，全面支撐了四川盆地氣藏科學和高效開發(fā)，也為全國氣藏高效開發(fā)提供了有力的技術支持。隨著四川盆地開發(fā)對象向深層/超深層復雜巖性氣藏、頁巖氣、致密氣等非常規(guī)氣藏轉(zhuǎn)移，需要持續(xù)堅持提高采收率的核心理念，持續(xù)推動提高采收率的關鍵技術創(chuàng)新，不斷優(yōu)化、豐富和完善提高采收率技術體系，才能確保氣藏開發(fā)實現(xiàn)最大效益。這既是氣藏高效開發(fā)的根本需求，也是氣藏開發(fā)技術發(fā)展的目標，更是推動天然氣加快發(fā)展、保障國家能源安全的責任所在。