非均質氣藏水侵規律物理模擬實驗研究

方飛飛， 劉華勛， 肖前華， 青紅艷， 楊棽垚

(1.重慶科技學院石油與天然氣工程學院，重慶401331;2.中國科學院大學工程科學學院，北京100190;3.中國石油勘探開發研究院，北京100190)

0 引言

在氣藏形成的過程中，氣藏的邊緣地帶會形成不同大小的水體［1-3］，如果水體較為活躍，隨著氣藏開發的進行，氣藏壓力將逐漸降低，在壓力勢能的作用下，邊、底水不斷侵入含氣區，在氣藏儲層中形成氣、水兩相滲流，降低氣相滲流能力，造成單井產能下降較快［4-6］;同時隨著水侵的加劇，水體侵入井底，導致井筒液面激增，廢棄壓力增高，圈閉儲層中的天然氣，降低了氣藏的采收率［7-10］;而且當井筒中過低的氣相流速不能提供足夠的能量來攜帶出井底的積液時，需要進行排水等作業，增加了生產成本。總之邊、底水的侵入，不但會造成整個天然氣藏采收率的降低，而且會增加單井的生產成本和生產困難［11-14］。因此，針對邊、底水活躍的氣藏而言，是否能夠認清水侵機理的本質，掌握水侵規律，將直接關系到邊、底水氣藏能否高效合理的開發。

迄今為止，雖然很多學者針對水侵做了大量研究，但多集中在孔隙型或裂縫型等單一類型儲層［15-19］，而實際氣藏儲層存在非均質性，不同區域儲層類型不一樣，一般同時存在著孔隙(洞)型與裂縫型儲層，而且在氣藏的實際開發過程中，一般需要在不同的區域同時布井，以達到氣藏快速高效開發的目的［20］，因此氣藏在多個氣井同時開發時，水侵規律將表現為不同類型儲層組合下的水侵規律，但由于不同類型儲層之間連通性和采出程度的不均衡，導致氣藏整體水侵規律不是簡單的不同類型儲層水侵規律的疊加，水侵規律將更為復雜。

因此為了能夠深入認清多井同時開發時，邊、底水氣藏的水侵規律與開發效果，將氣藏作為一個整體研究水侵和生產動態的變化過程，分析不同儲層區域滲透率級差及不同布井方式對非均質氣藏水侵規律和開發效果的影響，為氣藏整體防水、治水提供實驗依據。

1 實驗裝置與實驗方法

1.1 實驗樣品

結合以往研究者針對孔隙型和裂縫型氣藏水侵規律的實驗研究，同時為了能夠準確的表征非均質氣藏在不同區域滲透率差異較大，選取了不同類型、不同滲透率的巖心進行串并聯組合，模擬真實氣藏儲層，研究氣藏的水侵規律和開發效果，巖心基本物性參數如表1。

表1 巖心基本物性參數

采用實驗室配置的80 g/L氯化鈉型標準地層水模擬氣藏邊緣水體，選用實驗室99.99%的高純氮氣模擬氣藏儲層中的天然氣。

1.2 實驗裝置與流程

非均質氣藏水侵規律模擬裝置如圖1，選用高純氮氣模擬儲層條件下的天然氣;采用裝滿80 g/L的實驗室配置的標準地層水的不同容積的中間容器模擬地層水體;在開發模式上采用定產量的衰竭開發模式，即初期通過調節出口端閥門大小，將流量穩定在設定的采氣速度進行開采;當水侵前緣到達實驗模型出口端之后，氣水經過氣液分離器進行氣水分離，分別計量產水量和產氣量。在實驗過程中，利用壓力傳感器、流量計等記錄整個實驗過程的壓力與流量數據，用于分析水侵過程中不同時刻的水侵規律。

1.3 實驗方案設計

圖1 水侵規律物理模擬實驗流程

為了模擬不同儲層區域滲透率級差及不同布井方式對非均質氣藏水侵規律和開發效果的影響，設計了如下實驗內容(見表2)。①不同區域儲層滲透率級差:分別選用平均滲透率為0.01 mD的1和2號巖心模擬低滲區儲層，選用平均滲透率為0.1～100 mD的巖心模擬高滲區儲層，在7倍水體、采氣速度為1 L/min的條件下研究不同區域儲層之間滲透率級差不同時水侵對氣藏開發的影響。②不同布井方式:分別選用平均滲透率為0.01 mD的1和2號巖心與平均滲透率為0.1 mD的3和4號巖心模擬低滲區儲層，選取平均滲透率為100 mD的11和12號巖心模擬高滲區儲層，在7倍水體、采氣速度為1 L/min的條件下，分別模擬只在低滲區布井、僅在高滲區布井和在高滲區與低滲區同時布井時水侵對氣藏開發的影響。

表2 實驗方案

2 實驗結果與分析

通過實驗室模擬非均質氣藏水侵和生產動態變化過程，獲取水侵量、出水量、采出程度等關鍵參數。綜合處理這些參數，分析不同滲透率級差和不同布井方式對非均質氣藏開發效果的影響，為后續氣藏的開發和評價提供實驗依據。

2.1 不同滲透率級差

非均質氣藏不同區域滲透率差異較大，為了研究不同區域滲透率差異對氣藏開發效果的影響，選用平均滲透率為0.01 mD的1和2號巖心模擬低滲區儲層，選用平均滲透率約為 0.1、0.5、1、10、100 mD 的巖心模擬高滲區儲層，整體氣藏儲層滲透率級差分別為10、50、100、1 000、10 000，在 7 倍水體、采氣速度為 1 L/min的條件下開展不含邊、底水與含邊、底水時氣藏開發規律物理模擬實驗，實驗結果如圖2所示。

當氣藏不含邊、底水時，采出程度隨著滲透率級差的增加逐漸增大，這是因為滲透率級差越大，氣藏整體儲層物性越好，在氣藏開發過程中氣體受到的滲流阻力越小，因此采出程度越高。當氣藏存在邊、底水時，采出程度隨著滲透率級差的增加呈現先增大后減小的趨勢，這是因為隨著滲透率級差的增加，氣藏儲層整體物性逐漸改善，但同時氣藏非均型性更加嚴重，高滲區域滲流能力更強，這也造成了一方面減小了氣體滲流阻力，增強了氣藏的滲流能力，另一方面，也為地層水體的快速向前推進提供了優勢滲流通道。當滲透率級差較小時，此時通過提高滲流能力為氣藏帶來的正效應大于水體快速突進圈閉氣體的能力，采出程度增加，相反隨著滲透率級差的增加，水體極易通過高滲區儲層快速水侵而造成氣藏過早見水，造成采出程度的快速下降。

圖2 采出程度隨滲透率級差變化曲線

2.2 不同布井方式

由前面實驗可知，當氣藏非均質嚴重時，地層水體極易通過高滲區域快速水侵而造成氣藏整體采出程度的降低，因此能否通過改變在不同區域的布井方式，以達到整體氣藏的最佳開采狀態成為研究內容。為此分別選取低滲區儲層平均滲透率為0.01和0.1 mD、高滲區儲層平均滲透率為100 mD的巖心，在7倍水體，高滲區儲層與低滲區儲層采氣速度均為1 L/min條件下開展不同布井方式(只在低滲儲區儲層布井、高滲區儲層布井和同時在低滲區儲層與高滲區儲層布井)的水侵規律物理模擬實驗。

2.2.1 低滲區儲層滲透率為0.01 mD

當低滲區儲層滲透率為0.01 mD時，實驗結果如表3和圖3所示，此時低滲區儲層較為致密，滲流能力差，因此只在低滲區儲層布井，雖然水侵量小，氣藏在開發結束時也未有地層水體產出，能夠有效的抑制整體氣藏的水侵，但氣藏的整體采出程度小，僅為33.3%;當只在高滲區儲層布井時，由于高滲區儲層滲流能力強，水體沿著高滲區儲層快速向前推進，無水期采出程度較低，僅有33.8%，而且氣井水侵量大，最終采出程度為63.3%;而同時在低滲區儲層與高滲區儲層布井時，無水采出程度相對較高(55.9%)，比僅在高滲區儲層布井無水采出程度高出22.1%，最終采出程度也相對較高(65.6%)，開發效果最好，因此，當低滲區儲層滲透率較為致密時，建議同時在高滲區儲層和低滲區儲層同時布井，以提高氣藏的整體采出程度。

表3 不同布井方式的水侵規律模擬結果(0.01 mD)

圖3 不同布井方式采出程度與水侵量變化圖

2.2.2 低滲區儲層滲透率為0.1 mD

當低滲區儲層滲透率為0.1 mD時，實驗結果如表4和圖4所示，此時低滲區儲層滲流能力較儲層滲透率為0.01 mD時強，與高滲區儲層連通性更好，此時僅在低滲區儲層布井，采出程度達到58.7%，能夠有效的動用整個氣藏的氣體，同時在實驗結束時，氣藏并未產水，這也說明在低滲區儲層布井水侵速度較慢，能夠有效的抑制整體氣藏的水侵;而僅在高滲區儲層布井時，最終采出程度與僅在低滲區儲層布井時的采出程度相當，但無水采出程度僅為49.9%，低于僅在低滲區儲層布井時的無水采出程度，而且后期氣藏還面臨著大量產水的問題;同時在低滲區儲層與高滲區儲層布井，最終采出程度最高，但后期氣藏出水嚴重。因此當氣田具有較強的產出水處理能力時，建議同時在高滲區儲層與低滲區儲層布井，以獲取較高的氣藏采出程度，而當氣田產出水處理能力較弱時，建議僅在低滲區儲層布井，以達到最大的無水采出程度，獲取最大的經濟效益。

表4 不同布井方式的水侵規律模擬結果(0.1 mD)

圖4 不同布井方式采出程度與水侵量變化圖

3 結論

(1)氣藏不存在邊、底水時，同一氣藏不同區域滲透率級差越大，采出程度越高;但存在邊底水時，氣藏采出程度隨著滲透率級差的增加先增大后減小;當氣藏具有較強的水處理能力時，建議在高滲區儲層與低滲區儲層同時布井，以獲取較高的氣藏采出程度，而當氣田水處理能力較弱時，建議僅在低滲區儲層布井，以達到最大的無水采出程度，獲取最大的經濟效益。

(2)通過實驗研究明確了不同的布井方式對氣藏開發效果的影響，但研究還有局限性，后期實驗可以繼續開展不同的配產方式、不同的開發順序、不同的壓裂規模、不同的生產制度等因素對氣藏水侵規律及開發效果的影響，為氣藏的更好開發提供依據。