有水氣藏特性及開采對(duì)策淺議

何曉東

(中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院)

有水氣藏特性及開采對(duì)策淺議

何曉東

(中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院)

有水氣藏動(dòng)態(tài)特征具有特殊性，其氣水分布模式多樣，同一水動(dòng)力系統(tǒng)可能存在多個(gè)含氣圈閉，正確認(rèn)識(shí)氣藏地質(zhì)背景和水體驅(qū)動(dòng)能量非常重要。氣藏出水井可能出現(xiàn)在氣藏任何位置，對(duì)于裂縫發(fā)育、構(gòu)造平緩和高含水等氣藏，更是如此。不同類型有水氣藏，出水特征不同。產(chǎn)水氣井動(dòng)態(tài)特征可歸納為孔隙水產(chǎn)出、異層水產(chǎn)出和邊水產(chǎn)出特征。地層水一旦獲得必需的驅(qū)動(dòng)力，比天然氣更容易通過多孔介質(zhì)，根本原因是水分子和天然氣分子的物理特性不同，在一定驅(qū)動(dòng)力下，水比烴類流體更具“通過性”。有水氣藏在開采過程中發(fā)生水侵危害是必然的，合理布井、合理工作制度有利于延長(zhǎng)氣藏?zé)o水采氣期和自噴生產(chǎn)時(shí)間。排水采氣應(yīng)該是降低地層水危害，提高開采效果的首選措施。有水氣藏開采對(duì)策直接影響開采效果，開采對(duì)策應(yīng)兼顧近期生產(chǎn)目標(biāo)和遠(yuǎn)期開采效果，以提高氣藏采收率為終極目標(biāo)。圖5表1參5

有水氣藏 水侵機(jī)理 排水采氣 開采對(duì)策

1 有水氣藏氣水分布模式

有水氣藏氣水分布模式是多樣的，可以分別從地質(zhì)區(qū)域上和局部構(gòu)造上予以認(rèn)識(shí)。

地質(zhì)區(qū)域上，同一水動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)可能存在多個(gè)含氣圈閉，不同的含氣圈閉，通過水體連通，由于含氣圈閉高度的差異，導(dǎo)致不同氣藏壓力不同。一個(gè)水動(dòng)力系統(tǒng)只有一個(gè)含氣構(gòu)造高點(diǎn)，是一個(gè)特例，也是我們通常認(rèn)識(shí)的有水氣藏。

圖1展示了川東北茶園寺石炭系氣藏與黃牛坪石炭系氣藏橫向關(guān)系。兩個(gè)氣藏分別圈閉于茶園寺高點(diǎn)和黃牛坪高點(diǎn)，其間通過水體相連，屬于同一水動(dòng)力系統(tǒng)。前者氣水界面海拔高于后者氣水界面海拔。

就局部構(gòu)造而言，我們僅研究一個(gè)含氣構(gòu)造高點(diǎn)，即認(rèn)為所研究的氣藏是一個(gè)獨(dú)立的水動(dòng)力系統(tǒng)。譬如圖1中，僅研究茶園寺構(gòu)造，可以將茶園寺氣藏看作一個(gè)獨(dú)立的邊水氣藏，常規(guī)的氣藏工程方法和技巧均能應(yīng)用于該氣藏的研究工作。然而，當(dāng)使用常規(guī)的分析方法和技巧不能解釋氣藏動(dòng)態(tài)特征時(shí)，就應(yīng)該考慮該氣藏與同一水動(dòng)力系統(tǒng)中其它氣藏之間的聯(lián)系，這些聯(lián)系主要表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)能量的傳遞和消耗。

圖1 同一水動(dòng)力系統(tǒng)兩個(gè)含氣圈閉實(shí)例圖

2 有水氣藏驅(qū)動(dòng)能量

對(duì)所研究的有水氣藏氣水分布模式認(rèn)識(shí)不同，將影響對(duì)該氣藏驅(qū)動(dòng)能量的認(rèn)識(shí)，尤其會(huì)影響對(duì)該氣藏水體驅(qū)動(dòng)能量的認(rèn)識(shí)。

僅有一個(gè)含氣圈閉的水動(dòng)力系統(tǒng)與具有多個(gè)含氣圈閉的水動(dòng)力系統(tǒng)比較，水體表現(xiàn)出的驅(qū)動(dòng)能量差異大，可以理解為:

(1)僅有一個(gè)含氣圈閉的水動(dòng)力系統(tǒng)，流體封閉于有限的空間內(nèi)，水體表現(xiàn)出的驅(qū)動(dòng)能量?jī)H是水體自身的膨脹能量。

在具體地層環(huán)境中，就水體本身而言，其彈性能量不是想象的那樣大。為了理解地層水彈性對(duì)驅(qū)動(dòng)作用有多大的貢獻(xiàn)，不妨做一項(xiàng)簡(jiǎn)單的計(jì)算:假設(shè)100×108m3、體積系數(shù)為0.0025m3/Sm3的天然氣的地下容積用地層水替換，當(dāng)?shù)貙訅毫?0MPa減小至5MPa時(shí)，該容積內(nèi)的地層水自身膨脹能夠增加多大體積?計(jì)算表明，該容積內(nèi)的地層水體積為2500×104m3，根據(jù)油層物理學(xué)知識(shí)知道，地層水壓縮系數(shù)大致在 3.8 ×10－4MPa－1～5.1 ×10－4MPa－1之間，自身膨脹能夠增加體積在52×104m3～70×104m3之間，體積增加率最大為2.8%，最大能夠驅(qū)氣2.8×108m3。如果該水體同100×108m3以上氣藏相通，由于水體膨脹(活塞)驅(qū)氣而增加的天然氣采收率不大于2.8%。當(dāng)然，如果一個(gè)氣藏僅僅是一大片水域中的小氣頂，地層水對(duì)氣藏的影響效果就完全不同了。從此意義上說，正確認(rèn)識(shí)氣藏的地質(zhì)背景是非常重要的。

(2)具有多個(gè)含氣圈閉的水動(dòng)力系統(tǒng)，分析其中一個(gè)含氣圈閉，除了與其連通的水體外，在水體外還存在另一個(gè)含氣圈閉，該圈閉的天然氣膨脹能量將作用于水體，表現(xiàn)為水體的驅(qū)動(dòng)能量。因此，對(duì)于具有多個(gè)含氣圈閉的水動(dòng)力系統(tǒng)中的某一個(gè)含氣圈閉，其外圍水體表現(xiàn)出的驅(qū)動(dòng)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水體自身膨脹所能釋放出的驅(qū)動(dòng)能量。

3 地層水存在模式及動(dòng)態(tài)特征

3.1 地層水存在模式

氣藏出水井可能出現(xiàn)在氣藏的任何位置，尤其對(duì)于裂縫發(fā)育、構(gòu)造平緩、含水飽和度高的氣藏，更是如此。不同氣水關(guān)系、不同位置、不同時(shí)期，地層水存在模式不同，導(dǎo)致出水動(dòng)態(tài)特征不同。

(1)孔隙水

孔隙中含水飽和度大于束縛水飽和度的可動(dòng)水，稱之為孔隙水。開采過程中，由于驅(qū)動(dòng)力作用，這部分可動(dòng)水在一定的驅(qū)動(dòng)力作用下會(huì)流動(dòng)。

(2)異層水存在模式

異層水，顧名思義，水層、氣層不同層，根據(jù)氣層和水層的相互接觸關(guān)系(圖2)，可分為三種存在模式:夾層水，氣水互層，氣水獨(dú)立成層。

存在于氣層之間較薄的高含水層稱之為夾層水。井點(diǎn)處壓力降低時(shí)，夾水層在井點(diǎn)處壓力也會(huì)降低，壓力差導(dǎo)致夾層水產(chǎn)出。夾層水通常以兩種形式存在。①是相對(duì)高含水層，水體連通范圍不大，局部封存;②是具有較大連通范圍的含水層，形成原因可能是“先天”的，也可能是開采期間地層水運(yùn)動(dòng)所致。

圖2 異層水模式示意圖

對(duì)于氣水分離不徹底的氣水過渡帶氣藏，如果儲(chǔ)層縱向非均質(zhì)性強(qiáng)，導(dǎo)致縱向上儲(chǔ)層含水飽和度高低交互疊置，可簡(jiǎn)化為氣水互層模式。這種模式更多地出現(xiàn)在砂巖地層中。

氣層和水層在縱向上獨(dú)立分布，彼此被非儲(chǔ)層分隔，形成氣、水獨(dú)立成層的模式。這種模式在碳酸鹽巖和砂巖地層中均有出現(xiàn)。

(3)氣藏邊水及產(chǎn)出機(jī)理

氣藏含氣區(qū)外賦存的與氣藏連通的地層水，稱之為氣藏邊水。

隨著氣藏開采在氣藏內(nèi)形成大的壓降漏斗，氣藏邊水在驅(qū)動(dòng)力作用下沿著滲流通道侵入到井底從氣井產(chǎn)出。一定開采階段，為什么氣藏邊水比天然氣更容易流動(dòng)而從氣井中產(chǎn)出呢?可以從幾個(gè)角度予以分析、理解:

①?gòu)姆肿游锢韺W(xué)的角度分析，水分子直徑(0.4nm)小于烴類流體分子直徑(甲烷分子直徑為0.414nm)，在一定的驅(qū)動(dòng)壓差下，地層水比烴類流體更具“通過性”;② 從油層物理學(xué)的角度分析，儲(chǔ)層孔隙介質(zhì)具有“先天”的親水性，孔喉內(nèi)壁對(duì)地層水更具“吸引”性，對(duì)烴類流體更具“排斥”性;③ 從分子力學(xué)的角度分析，水分子具有很強(qiáng)的極性力，將它們牢牢地粘在一起。可以設(shè)想，在微細(xì)孔喉中，當(dāng)一個(gè)水分子獲得“通行權(quán)”，其它水分子將在極性力牽引下，接踵而至，形成源源不斷的水侵通道;④ 相比而言，甲、乙烷分子間不具有水分子間一樣的極性力，在氣水共存流動(dòng)環(huán)境里，在水分子流的沖擊下，甲烷、乙烷分子間很容易失去“聯(lián)系”，分散滯留在孔喉或孔隙中，表現(xiàn)出被“卡斷”或被“水鎖”的現(xiàn)象;⑤從相滲透率的角度分析，由于水分子比烴類流體分子更具“通行”優(yōu)勢(shì)，因此無論是裂縫中還是孔隙中，含水飽和度會(huì)隨著地層水的侵入和滲吸作用而增高，進(jìn)而表現(xiàn)為烴類流體相對(duì)滲透率降低，地層水相對(duì)滲透率增加;⑥有水氣藏，氣區(qū)和水區(qū)不會(huì)截然分開，氣水過渡帶氣藏更是如此，存在著氣水共存區(qū)，其范圍由儲(chǔ)層特性確定。由于毛管力作用，孔喉細(xì)小的儲(chǔ)層，共存區(qū)會(huì)寬泛一些，反之，共存區(qū)會(huì)狹窄一些。由于儲(chǔ)層的非均質(zhì)性，氣水共存區(qū)前沿也不是一條整齊的幾何線;⑦由于氣、水粘度差，水流動(dòng)必須獲得大于氣流動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)力。地層水一旦獲得了必需的驅(qū)動(dòng)力，將向氣區(qū)挺進(jìn)，由此擴(kuò)展了氣水共存區(qū)范圍。由于儲(chǔ)層非均質(zhì)性，不同部位，地層水挺進(jìn)速度不同，對(duì)于似均勻介質(zhì)區(qū)域、或網(wǎng)狀小裂縫區(qū)域，挺進(jìn)速度差異較小，表現(xiàn)出“舌進(jìn)型”水侵特征，對(duì)于非均質(zhì)強(qiáng)的介質(zhì)區(qū)域或大裂縫發(fā)育區(qū)域，地層水挺進(jìn)速度差異大，表現(xiàn)出“竄入型”水侵特征［1］;

圖3 水分子結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 甲烷分子結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 乙烷分子結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 地層水產(chǎn)出動(dòng)態(tài)特征

對(duì)應(yīng)于三類地層水存在模式，地層水產(chǎn)出表現(xiàn)出三類動(dòng)態(tài)特征，有相似之處，也有不同之處(表1)，掌握其異同，是正確辨識(shí)地層水入侵方式之關(guān)鍵［2］。

表1 孔隙水、異層水及邊水產(chǎn)出動(dòng)態(tài)特征異同對(duì)比表

3.3 底水氣藏產(chǎn)水動(dòng)態(tài)特征

底水氣藏出水，其特征與底水進(jìn)入位置有關(guān)。如果底水進(jìn)入位置在井底或近井區(qū)，將更大程度地表現(xiàn)出異層水產(chǎn)出特征;如果底水在遠(yuǎn)井區(qū)通過裂縫竄入氣層，竄入氣層的水會(huì)繼續(xù)橫向運(yùn)動(dòng)進(jìn)入氣井，表現(xiàn)出邊水侵入動(dòng)態(tài)特征。

4 有水氣藏開采對(duì)策

有水氣藏的開采對(duì)策應(yīng)兼顧近期目標(biāo)和遠(yuǎn)期效果兩方面。近期目標(biāo)指產(chǎn)量規(guī)模、穩(wěn)產(chǎn)年限，遠(yuǎn)期效果指氣藏采收率。

有水氣藏近期目標(biāo)將直接影響其遠(yuǎn)期效果。合理的近期目標(biāo)，將取得良好的遠(yuǎn)期效果，反之，遠(yuǎn)期效果會(huì)差一些，會(huì)降低氣藏采收率，最終導(dǎo)致較差的遠(yuǎn)期效果。

正確認(rèn)識(shí)有水氣藏氣水分布，是制定合理近期目標(biāo)、兼顧遠(yuǎn)期效果的基礎(chǔ)。

然而許多情況下，正確認(rèn)識(shí)有水氣藏氣水分布，不可能一撮而就，需要一個(gè)認(rèn)識(shí)過程。

要在氣藏開采前認(rèn)識(shí)清楚該氣藏的氣水分布，需要鉆一定數(shù)量的控制井，根據(jù)這些控制井試氣結(jié)果，判斷氣藏氣水邊界。但實(shí)際工作中，為了盡早認(rèn)識(shí)清楚氣藏的氣水分布而鉆一定數(shù)量的控制井，并不是最經(jīng)濟(jì)的。因此，通過已有井試采，通過氣藏生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征和水侵動(dòng)態(tài)特征分析，逐步認(rèn)識(shí)氣藏氣水分布，更為實(shí)際。

清楚氣藏氣水分布后，如何延長(zhǎng)氣藏?zé)o水采氣期?如何延長(zhǎng)已出水氣井帶水采氣時(shí)間?是應(yīng)該先期思索的問題。核心問題歸結(jié)為:如何減小水侵危害，達(dá)到最好的開采效果?

延長(zhǎng)氣藏或氣井無水采氣期，延長(zhǎng)已經(jīng)出水的氣井帶水采氣期，通過合理布井和合理工作制度，在一定程度上是可以做到的。

對(duì)于已經(jīng)水淹的區(qū)域，是否能夠減小水侵危害，直接影響到最終的開采效果。如果地層水均勻掃過氣區(qū)，不會(huì)影響氣藏開采效果，也不存在如何減小水侵危害的問題。但是，實(shí)際儲(chǔ)層具有非均質(zhì)性，地層水不可能均勻掃過氣區(qū)，進(jìn)而表現(xiàn)出地層水非均勻侵入，形成“卡斷”或“水鎖”的“死氣區(qū)”。如果不能采出“死氣區(qū)”的天然氣，必將影響氣藏開采效果。

前蘇聯(lián)奧倫堡氣田碳酸鹽巖試驗(yàn)表明［3］，當(dāng)氣體發(fā)生膨脹，占據(jù)50%以上的孔隙空間時(shí)，被封閉的氣將會(huì)流動(dòng)。由此得出重要結(jié)論:氣藏部分氣井水淹后，繼續(xù)降壓開采，使被水封閉的天然氣不斷膨脹，沖破水封，進(jìn)入生產(chǎn)井底。該氣田實(shí)驗(yàn)表明，提高有水氣藏采收率的方法是從水淹井中強(qiáng)化排水采氣，地層能量逐漸消耗后，借助壓力差和水在基質(zhì)孔隙的滲吸驅(qū)氣作用，使“死氣區(qū)”的天然氣逐漸“復(fù)活”釋放，能夠提高采收率10% ～20%。

綜上所述，有水氣藏開采對(duì)策應(yīng)該把握5點(diǎn):

(1)利用氣、水粘度差異，抑制地層水“通過性”優(yōu)勢(shì)，延緩形成地層水流動(dòng)必需的驅(qū)動(dòng)力，采氣速度不宜高，對(duì)于非均質(zhì)性強(qiáng)的儲(chǔ)層，采氣速度更不宜高。在氣藏總體采速的控制下，根據(jù)不同區(qū)帶的地質(zhì)情況，各區(qū)帶采氣速度可以不同，通過適當(dāng)布井與合理配產(chǎn)，以達(dá)到某個(gè)區(qū)塊或氣藏均衡壓降，力爭(zhēng)氣水界面均勻推進(jìn)，盡力避免水竄而形成“死氣區(qū)”。

(2)對(duì)于高滲透區(qū)(氣藏)，宜采用高滲區(qū)中部或高點(diǎn)布井方式，有利于延長(zhǎng)頂部氣井的無水采氣時(shí)間。

(3)對(duì)于低滲透區(qū)(氣藏)，宜采用均勻布井方式，有利于平衡井區(qū)壓降漏斗，避免形成“死氣區(qū)”。

(4)氣藏出水后，排水采氣應(yīng)該是降低地層水危害，提高開采效果的首選措施。通過排水采氣，降低地層能量，使“死氣區(qū)”的天然氣膨脹能量得以表現(xiàn)，在推動(dòng)地層水向井底流動(dòng)同時(shí)，自身突破水封而復(fù)活。

(5)高滲透區(qū)(氣藏)生產(chǎn)規(guī)模作為近期生產(chǎn)目標(biāo)的基礎(chǔ)，低滲透區(qū)(氣藏)產(chǎn)能作為遠(yuǎn)期開采效果的保障。話句話說，作為近期生產(chǎn)規(guī)劃，以高滲透區(qū)(氣藏)能夠形成的合理產(chǎn)量為主，低滲透區(qū)(氣藏)產(chǎn)量為補(bǔ)充，最終達(dá)到良好的整體開采效果。

1 何曉東.邊水氣藏水侵特征識(shí)別及機(jī)理初探［J］.天然氣工業(yè)，2006，26(3).

2 何曉東.氣藏孔隙水、夾層水及邊水產(chǎn)出特征［J］.天然氣工業(yè)，2008，28(增刊 A).

3 岡秦麟.國(guó)外六類氣藏開發(fā)模式及工藝技術(shù)［M］，石油出版社，1995，12.

4 何曉東.應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)認(rèn)識(shí)氣藏地質(zhì)特征［J］.天然氣工業(yè)，2002，22(增刊).

5 何曉東.利用試井資料綜合分析氣藏產(chǎn)層特征［J］.古潛山，1995，(1).

CHARACTERISTICS AND PRODUCTION POLICY OF GAS RESERVOIRS WITH WATER

HE Xiaodong(Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company)

For gas reservoirs with water，not only the dynamic characteristics are very special，but also the gas－water distribution pattern is various．In the same hydrodynamic system，there may be several gas－bearing traps．Therefore，it's very important to understand correctly both geologic setting and waterbody drive energy．Water－producing wells may appear anywhere in the reservoir，especially for ones featured by developed fracture，gently structure and high water－cut．Different gas reservoirs with water have different water－producing characteristics．The dynamic characteristics can be concluded as pore water producing，producing water of other layers and edge water producing．Formation water can pass through porous media more easily than gas just because of the difference in physical properties of water and gas molecules．Under a certain driving pressure differential，the"pass ability"of water is better than that of hydrocarbon．Water invasion occurring during production of gas reservoirs with water is inevitable．So suitable well pattern and working system are beneficial to increasing water－free gas production and extending flowing production period．Production policy has a direct effect on production and must give consideration to both short－term goal and long－term effect in order to enhance a final recovery．

gas reservoirs with water，water－ invasion mechanism，drainage gas recovery，production policy

何曉東，男，1956年出生，高級(jí)工程師;1982年畢業(yè)于西南石油學(xué)院采油工程專業(yè)。獲國(guó)家、中國(guó)科學(xué)院、四川省多項(xiàng)科技進(jìn)步獎(jiǎng)。現(xiàn)從事油氣田開發(fā)綜合研究工作。地址:(610051)四川省成都市府青路一段一號(hào)中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院。電話:(028)86015549;13981840247。E－mail:hexiaodong@petrochina.com.cn

．NAT-URALGAS EXPLORATION＆DEVELOPMENT．v．34，no．3 ，pp．27 －30，7/25/2011

(修改回稿日期 2011－02－23 編輯 文 敏)