渭河盆地水溶氣試采評價研究:以陜西渭南某區(qū)為例

李萌瑤,蔡鑫磊,張 陽,張國強

(1.陜西燃氣集團富平能源科技有限公司,陜西 西安 710000;2.陜西省燃氣儲運及綜合利用工程研究中心,陜西 西安 710000;3.陜西燃氣集團有限公司,陜西 西安 710000)

水溶氣為原始儲層條件下,溶解于水中的天然氣[1]。目前,水溶氣藏主要為生物成因氣,包括微生物降解氣、石油裂解氣、油氣藏分離氣、煤層游離氣[2],其富集程度主要通過溶解度來評價[3]。一般來說,地下水溶解氣量約在1～10 m3/m3[4]。據(jù)相關(guān)顯示,國外較高的水溶性氣藏甲烷氣在水中的溶解量可達9 m3/m3(印度托羅-班庫含油盆地)[5],我國東部沉積盆地這一數(shù)值約為1～6 m3/m3[6-7]。豐富的氣源、異常高地層壓力、儲集層和保存條件是形成該類氣藏的主要成藏條件。渭河盆地新生代各地層均發(fā)育湖相沉積,其中以固市凹陷張家坡組湖相泥巖最為發(fā)育[8]。近年來,部分地熱開發(fā)企業(yè)在渭河盆地渭南市LW區(qū)地熱資源開發(fā)過程中,在不同區(qū)域、不同深度發(fā)現(xiàn)有CH4、C2H6等7種烴類和He、H2、N2、CO2等非烴天然氣顯示,其中一種新的非常規(guī)天然氣類型——水溶氣[9],甲烷含量高達98.51%,經(jīng)初步測試水溶氣日產(chǎn)量可達數(shù)千立方米,水溶氣的發(fā)現(xiàn)為渭河盆地油氣勘探帶來了新契機[10]。

1 儲層物性概況

張家坡組河湖相砂巖儲層較為發(fā)育,是主要的儲集空間[11],其湖相沉積旋回特征顯著,縱向上為一套按一定生成順序有規(guī)律的交替出現(xiàn)、具有明顯的淺—深—淺及粗—細—粗的完整沉積旋回[12],顯示了湖泊形成—擴展—萎縮的沉積演化過程。

1.1 渭河盆地張家坡組

巖心和錄井資料顯示,砂巖成分以長石為主,石英次之。砂巖膠結(jié)物為灰質(zhì)和泥質(zhì),含量10%～20%,膠結(jié)類型以孔隙式為主,溶蝕式和基底式次之。儲集層物性較好,有效孔隙度10%～47%,多數(shù)在20%以上,滲透率一般為10×10-3μm2,最大9 739.3×10-3μm2。平均孔隙度受到砂體厚度控制,在南部陡坡帶存在戶縣—長安、臨潼、渭南三個異常孔隙度較高區(qū)域,北部緩坡區(qū)存在三原—涇陽孔隙度較高區(qū)域,孔隙度大于25%(見圖1)。在扶風、南部陡坡山前以及渭南平均滲透率高,大于1 000 mD,固市凹陷沉積區(qū)以及西安凹陷局部滲透率極低,小于10 mD(見圖2)。

1.2 渭南市LW區(qū)張家坡組

LW 區(qū)塊位于固市凹陷,張家坡組巖性砂層厚度0.7～26.6 m,砂體總厚度82.4～370.1 m,砂巖百分比為5.21%～49.02%;膠結(jié)物含量10%～64%,平均35%,主要為灰質(zhì)和泥質(zhì),膠結(jié)類型多為基底式。根據(jù)巖性特征、沉積韻律、旋回、砂地比、孔隙度、沉積相和含氣性的綜合分析,張家坡組地層由上而下可進一步劃分成上張家坡組、中張家坡組及下張家坡組。

上張家坡組厚381～428 m,頂面海拔在-850～-700 m;砂巖孔隙度16.0%～56.3%,平均31.37%,砂巖孔隙度分布頻率顯示大于30%居多,占57%,多屬特高孔隙度儲層;砂巖滲透率4.62～15 268.26 mD,平均477.25 mD,滲透率主要分布在10～100 mD,占54%,多屬于中高滲透率儲層。中張家坡組厚382～452 m,頂面海拔在-1 250～-1 100 m;砂巖孔隙度11.1%～58.1%,平均31.9%,砂巖孔隙度分布頻率顯示大于30%居多,占62%,多屬中高孔隙度儲層;砂巖滲透率0.8～5 665.3 mD,平均400.6 mD,主要分布在10～100 mD,占36.5%,多屬于中高滲透率儲。下張家坡組地層厚度在400 m 左右,頂面海拔-1 650～-1 550 m;砂巖孔隙度11.1%～50.5%,平均28.9%,砂巖孔隙度分布頻率顯示大于15%～25%居多,占43%,多屬于中高孔隙度儲層;砂巖滲透率0.8～6 078.9 mD,平均628.2 mD,主要分布在10～100 mD,占30.9%,多屬中高滲透率儲層。同時,LW區(qū)上、中、下張家坡組孔隙度和滲透率之間均存在明顯的正相關(guān)(見圖3～圖5),且數(shù)據(jù)相關(guān)性很高,說明其孔隙結(jié)構(gòu)比較單一,即LW區(qū)張家坡組儲層為孔隙型儲層,上張家坡組物性好于中下段。

2 水溶氣求產(chǎn)工藝及方案

2.1 求產(chǎn)工藝

水溶氣井以水為主,水的含氣量相對穩(wěn)定,獲得地層水產(chǎn)能參數(shù)即可計算水溶氣井產(chǎn)能,相關(guān)參數(shù)包括地熱流體壓力、產(chǎn)量、溫度、采灌量比及儲層物性等參數(shù)。水溶氣井井口壓力較小或為負壓,其求產(chǎn)裝置較為簡單,包括抽汲設(shè)備(螺桿泵)、井口采油樹、氣水分離器、輸氣和排水管匯、氣表(渦街流量計)、水表、排污池和火炬等(見圖6)。在選擇氣表時應(yīng)選擇計量下限較小的渦街流量計,一般小于10 m3/h;排污池尺寸則要求較大,應(yīng)保證整個求產(chǎn)過程的排水需求。

2.2 求產(chǎn)方案

地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范[13]對單井試驗做如下規(guī)定:一般情況做三次壓降的穩(wěn)定流或非穩(wěn)定流實驗,最大一次降壓的延續(xù)時間不少于48 h,單井產(chǎn)量小于10 m3/(d·m),流體壓力持續(xù)下降的應(yīng)適當延長實驗時間。實驗期間宜采用井下壓力計測量壓力變化,條件不具備時直接測量動液面深度,依次推算井口壓力,注意測量孔內(nèi)流體溫度。水溶氣井可借鑒地熱井測試規(guī)范,借助螺桿泵求取最佳抽水量和穩(wěn)定氣水比,確定水溶氣產(chǎn)能。水溶氣求產(chǎn)核心是取得水溶氣穩(wěn)定氣水比條件下的大產(chǎn)量,應(yīng)選取后階段的參數(shù)作為求產(chǎn)依據(jù)。求產(chǎn)前期,由于鉆井或前期作業(yè)導(dǎo)致原始地層壓力降低,水溶氣在井筒內(nèi)或鄰近井筒的地層內(nèi)自然分離,其特征為井口水溫較低,產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量以及氣水比處于不穩(wěn)定狀態(tài),隨著求產(chǎn)階段的逐步深入,井口水溫、產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量和氣水比等參數(shù)趨于穩(wěn)定。LW區(qū)某井張家坡上段通過以上工藝及方案,抽水試驗穩(wěn)定后求產(chǎn)結(jié)果為:單井產(chǎn)水量約240 m3/d,產(chǎn)氣量約800 m3/d,氣水比1∶3.3,溫度約50 ℃(見圖7)。

3 水溶氣試采存在的問題

渭河盆地水溶氣主要富集層段為埋深較淺的張家坡組,該儲層為新生界新近系地層,沉積時間短,僅為300萬年,與我國東部渤海灣盆地部分含油氣層位沉積時間相仿。因此,在試采過程中存在以下三方面主要問題:

1)渭河盆地水溶氣主要產(chǎn)層段位于張家坡組上段,上覆壓力較小,地層極為疏松,膠結(jié)作用微弱,壓實作用對孔隙的擠壓作用較弱。此外,該段巖性較細,地層砂篩析結(jié)果表明,粒度中值為0.063 mm,巖性以細粉砂巖為主,黏土含量高,無大的格架砂阻擋微小顆粒,極易出砂,造成砂埋產(chǎn)層段事故。

2)試采的多口水溶氣井均有出砂現(xiàn)象,且含砂量極高,高達20%,抽水泵瞬間砂卡、磨蝕設(shè)備,檢泵頻率極高,經(jīng)常造成極高的維護成本。部分出砂巖大的水溶氣井已經(jīng)出現(xiàn)地層坍塌現(xiàn)象,導(dǎo)致套管變形、單井報廢,常造成水溶氣井幾乎無法正常測試運行和巨大的經(jīng)濟損失。

3)在前期水溶氣單層測試工作過程中,地層水含砂量極高,嚴重影響水溶氣正常試氣、求產(chǎn)工作,致使單井無法獲得真實產(chǎn)能狀況,難以為商業(yè)化開發(fā)提供可靠、穩(wěn)定的第一手數(shù)據(jù),甚至曾一度對該地區(qū)資源儲量產(chǎn)生質(zhì)疑。

渭河盆地張家坡組出砂問題,嚴重制約水溶氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,因此水溶氣井防砂是解決水溶氣能否商業(yè)化生產(chǎn)的重要技術(shù),事關(guān)水溶氣產(chǎn)業(yè)未來工業(yè)化發(fā)展。

4 水溶氣防砂技術(shù)

為解決張家坡地層出砂問題,了解水溶氣井實際產(chǎn)能狀況,為地熱水溶氣工業(yè)化開發(fā)提供技術(shù)參數(shù),科學(xué)合理地選擇防砂技術(shù)至關(guān)重要。目前,防砂方法主要有機械防砂、化學(xué)防砂、焦化防砂和復(fù)合防砂四大類[14-15],其防砂方式優(yōu)劣對比如表1所示。

表1 防砂方式優(yōu)劣

渭河盆地水溶氣防砂方法的選擇要點:①考慮渭河盆地水溶氣井產(chǎn)層多、層間跨度大、非均值性嚴重,大跨度近800 m,地層砂細、出砂嚴重的特點;②水溶氣品位較低,對經(jīng)濟性要求較高,成本控制是關(guān)鍵;③水溶氣井產(chǎn)液量是油井的近十倍,防砂既能防止地層細小砂進入井筒,又要保證單井產(chǎn)能。綜合經(jīng)濟成本、作業(yè)風險、地層適應(yīng)性以及后期處理等因素,渭河盆地張家坡組水溶氣生產(chǎn)不適合應(yīng)用化學(xué)防砂技術(shù),礫石充填、壓力防砂易形成砂橋,導(dǎo)致充填不密實,施工成本增高,因此,選擇機械管柱防砂為宜。

經(jīng)多方調(diào)查研究,采油技術(shù)中應(yīng)用廣泛的精密濾砂管防砂工藝為最佳選擇。精密濾砂管防砂工藝是一種機械防砂工藝,主要是依據(jù)現(xiàn)場砂樣粒度分析資料,科學(xué)選擇合理的精密濾砂網(wǎng),制作適應(yīng)水溶氣井生產(chǎn)的高強度、耐腐蝕、徑流量大的防砂管(見圖8)。通過井下作業(yè)將防砂管下入井筒,使用防砂管和封隔器封隔產(chǎn)層段與非產(chǎn)層段,濾砂網(wǎng)將地層水攜帶的地層砂過濾,僅有地層水進入井筒直至井口,從而達到濾砂采水效果。

5 精密濾砂管防砂試產(chǎn)案例

以LW區(qū)某井防砂求產(chǎn)作業(yè)為例,開展水溶氣井精密濾砂管防砂求產(chǎn)先導(dǎo)試驗。

第一階段:環(huán)控與套管共同生產(chǎn),平均抽水速度4 m3/h,持續(xù)30 h,累計產(chǎn)氣984 m3、產(chǎn)水120 m3,平均產(chǎn)氣32.8 m3/h,氣水比8.2,動液面-89 m。第二階段:持續(xù)70 h,累計產(chǎn)水量517.33 m3、產(chǎn)氣量5 672.83 m3,平均產(chǎn)水量為7.5 m3/h,平均產(chǎn)氣量81.04 m3/h,日產(chǎn)水180 m3,日產(chǎn)氣1 945 m3,氣水比10.8,動液面-135 m。第三階段:增大泵速至250/40 Hz,14 h平均產(chǎn)水13.6 m3/h,平均產(chǎn)氣123.64 m3/h,日產(chǎn)水326.4 m3,日產(chǎn)氣2 967.45 m3,氣水比9.1;繼續(xù)增大泵速至300/50 Hz,共試采5 h,最大產(chǎn)水量16.622 m3/h,最大產(chǎn)氣量175.14 m3/h,平均氣水比為8.69,此階段氣液產(chǎn)出不穩(wěn)定。降低泵速調(diào)至200/30 Hz,12 h產(chǎn)水136.46 m3,平均10.5 m3/h,產(chǎn)氣1 137.9 m3,平均94.83 m3/h,氣水比9.03,動液面-266 m。第四階段:繼續(xù)降低變頻器輸出頻率,試采73 h,累計產(chǎn)水575.5 m3,產(chǎn)氣5 429.14 m3,平均產(chǎn)水7.9 m3/h,產(chǎn)氣74.4 m3/h,氣水比9.4。

按照抽水量4、7.5、10.5 m3/h以及降深89、135、266 m三個落程數(shù)據(jù),繪制抽采量Q與降深S的曲線類型為拋物線型(見圖9),曲線方程為Q=-0.000 1S2+0.0756S,R2=0.999 5。由此可知:該井的最大涌水量為14.23 m3。生產(chǎn)過程中若抽采速度大于14.23 m3/h將造成動液面持續(xù)降低,無法有效地進行可持續(xù)、穩(wěn)定的生產(chǎn)活動。同時,從氣水比曲線(見圖10)可以看出,在抽采速度大于7.5 m3/h,由于氣水分離不夠徹底,氣水比趨于下降態(tài)勢。

因此,通過四個階段測試尤其是第二、四階段的試驗,基本上可以確定最佳抽水量及額定泵速(頻率),100 r·min-1/50 Hz為該井最佳轉(zhuǎn)速范圍,求得氣產(chǎn)量為81 m3/h,日產(chǎn)氣1 945 m3,氣水比10.8。

6 結(jié)論

渭河盆地固市凹陷張家坡組生物氣生、儲、蓋組合優(yōu)良,縱向上具有多套烴源巖與儲層砂巖組合,且儲層砂巖物性極好,均屬高孔高滲砂巖儲層。LW區(qū)水溶氣井防砂求產(chǎn)進一步證明了渭河盆地固市凹陷良好的天然氣資源前景。

1)首次創(chuàng)新性地將常規(guī)油氣井防砂工藝技術(shù)引入渭河盆地水溶氣井,精密濾砂管防砂工藝技術(shù)有效解決了地層疏松、出砂嚴重,地層出水量大、攜砂能力強以及氣層多、層間跨度大、防砂難度大等問題,明顯控制出砂量小于0.03%,實現(xiàn)了水溶氣井連續(xù)求產(chǎn)。

2)首次完成水溶氣井長時間求產(chǎn)工作,單井產(chǎn)量由之前的最高620 m3/d,提高至平均2 000 m3/d,氣水比由3.4提高至10.8,獲得了第一手數(shù)據(jù);同時,據(jù)多項數(shù)據(jù)綜合測算,基本可實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn),經(jīng)濟效益可觀。

3)機械管柱防砂是在完井狀態(tài)下適合渭河盆地水溶氣井的防砂方法,但其缺點也較為突出,精密濾砂管壽命一般為10年,后期施工成本較高,且施工難度大,處理較為復(fù)雜。因此,水溶氣井防砂方法的選擇、創(chuàng)新是水溶氣開發(fā)的關(guān)鍵,需要不斷在實踐中探索、完善,達到費用低、操作簡單、效果穩(wěn)定、有效期長的目的。

4)水溶氣井求產(chǎn)層位多、層間跨度大,最大跨度約800 m,屬于典型的多層混采。因此,由于層間干擾的存在,目前的產(chǎn)能很可能存在著巨大損失。若進行精細化研究,分層試采,盡可能消除層間干擾帶來的影響,渭河盆地固市凹陷張家坡水溶氣產(chǎn)能可獲得進一步突破,LW區(qū)某井單層試采結(jié)果顯示最高氣水比已達到1比100左右。