多井協同開發水侵規律物理模擬實驗研究

方飛飛,高樹生,劉華勛,肖前華,馬小登,張春秋

(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 工程技術學院，北京 100190;3.中國石油勘探開發研究院 滲流流體力學研究所，北京 100190；4.中國石油新疆油田分公司 實驗檢測研究院計量監督檢測中心,新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

天然氣藏的邊緣地帶一般存在不同大小的邊、底水[1-4]，如果水體較為活躍，在氣藏開采的過程中將面臨著水侵的風險，氣藏一旦水侵，不但會造成單井產量和采出程度的降低，而且還會增加生產成本[5-8]。同時氣藏一般存在非均質性，不同區域不同儲層之間孔隙度、滲透率差異較大，為了能夠達到氣藏快速高效開采的目的，氣藏在實際生產過程中，會在不同區域同時布井進行協同開采[9-14]，因此含邊、底水氣藏在多井協同開采時，開采難度大大增加。

為了解決這一問題，焦春燕等[15]通過對均質砂巖巖心進行水侵模擬，認為邊、底水氣藏采出程度主要取決于采氣速度和滲透率，水體可以為氣藏提供一定能量，但影響較小；劉華勛等[16]認為孔隙型氣藏儲層滲透性較好時才可能發生大規模水侵，而對于致密儲層，水侵對其生產效果幾乎沒有影響。Fang等[17]等通過對不同滲透率的孔隙型巖心進行了不同采氣速度、不同水體大小的實驗模擬，認為不同水體大小對孔隙型氣藏采出程度的影響存在一個拐點，滲透率越低，拐點對應的水體倍數越大；采氣速度越大，水侵速度越快，采出程度越低，但隨著滲透率的增加，采氣速度對采出程度的影響逐漸減弱；沈偉軍等通過對孔隙型巖心進行壓裂并填充支撐劑制成裂縫型巖心研究了不同水體大小、不同采氣速度和不同裂縫開度等因素對氣藏采出程度的影響，認為裂縫開度越大，滲透率越高，采出程度越低；底水對裂縫性氣藏影響很大，但底水大小超過一定程度，對氣井生產影響的變化幅度不大；胡勇等認為儲層滲透率越高、水體越大，水體沿裂縫推進速度越快，儲層滲透率越低，基質對水相的滲吸作用越大。不同研究者針對水侵機理、水侵規律等進行研究，但多集中在孔隙型或裂縫型等單一類型儲層，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采效果，本文結合前期的研究結果，將氣藏作為一個整體，利用多個巖心進行串并聯組合來模擬邊、底水氣藏在多個氣井同時開采時水侵和生產動態的變化過程，更進一步的研究不同配產方式、不同開采順序和不同生產制度對水侵規律和開發效果的影響，為氣藏合理高效開采提供實驗支持。

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同一氣藏在非均質嚴重的條件下，不同開采方式對氣藏開發效果的影響，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，巖心基本物性參數見表1。

表1 巖心基本物性參數

地層水體與實驗氣體：選用不同容積大小的中間容器進行組合，填充80 g/L的實驗室配置的標準地層水，模擬地層水體。采用實驗室高純氮氣(99.99%)作為氣源，模擬儲層條件下的天然氣。

1.2 實驗裝置與流程

多井開采水侵規律模擬裝置如圖1所示，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；在開采模式上采用定產量的衰竭開采模式，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。

圖1 水侵規律物理模擬實驗流程

1.3 實驗方案設計

為了模擬多井開發對氣藏開發效果的影響，選取平均滲透率為0.1 mD的1和2號巖心模擬低滲區儲層，選取平均滲透率為100 mD的3和4號巖心模擬高滲區儲層，在7倍水體條件下分別進行如下實驗(見表2)：①不同配產方式：分別模擬兩口井以相同的采氣速度開采和高滲區儲層高采氣速度、低滲區儲層低采氣速度時水侵對氣藏開發的影響；②不同開采順序：分別模擬先開采低滲區儲層再開采高滲區儲層、同時開采高滲區儲層與低滲區儲層和先開采高滲區儲層再開發低滲區儲層時水侵對氣藏開采的影響；③不同生產制度：分別模擬高滲區儲層見水后不關井和高滲區儲層見水后關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

通過實驗室模擬邊、底水氣藏在多個氣井同時開采時水侵和生產動態變化過程，并考慮不同配產方式、不同開發順序、不同生產制度等因素對水侵規律與氣藏開發效果的影響，以獲取水侵量、采出程度等參數。綜合分析與處理這些參數，能夠更加清晰的認識和掌握多井同時開采時氣藏的水侵規律，為后續氣藏的開采和評價提供實驗依據。

2.1 不同配產方式

在氣藏開采過程中，通常配產大小由無阻流量來確定，高滲儲層滲透率高，無阻流量大，配產高，而低滲儲層滲透率低，無阻流量小，配產低。為了探究在含有地層水體條件下，不同配產對氣藏水侵和開采效果的影響，選用同時在高滲區儲層與低滲區儲層的布井方式，其中一組實驗兩口井采氣速度相同，均以1 L/min速度采氣，另一組高滲區儲層滲透率高，采氣速度配產為1.5 L/min，低滲區儲層滲透率低，采氣速度配產為0.5 L/min，整體氣藏的配產與第1組一致，總體配產(低滲儲層與高滲儲層配產之和)均為2 L/min，在7倍水體條件下模擬水侵氣藏的開發，實驗結果如表3和圖2所示。

對比分析兩組實驗，低滲區儲層和高滲區儲層均勻采氣的最終采出程度與高滲區儲層高采、低滲區儲層低采的最終采出程度接近，但無水采出程度更高，氣藏產水量更小，這是由于均勻采氣時儲層動用較為均勻，水侵前緣推進速度相對較慢，因此在氣藏開采過程中要限制高滲區儲層的采氣速度，避免因為過高的采氣速度導致地層水體沿著高滲區儲層快速錐進，造成氣藏的過早水淹。

表3 不同配產方式的水侵規律模擬結果

(a)采出程度

(b)水侵量

2.2 不同開采順序

由前面實驗得知，同時在高滲區儲層與低滲區儲層布井具有較高的采出程度，但開采后期出水嚴重，而僅在低滲區儲層布井雖最終采出程度低，但具有較高的無水采出程度，因此為了研究能否通過改變氣藏的開采順序，以達到更高的采出程度同時產水較少的效果，在采氣速度均為1 L/min，7倍水體條件下，分別進行低滲區儲層與高滲區儲層同時開發、先開發低滲區儲層后開發高滲區儲層和先開發高滲區儲層后開發低滲區儲層3組水侵模擬實驗，實驗結果如表4和圖3所示。

表4 不同開發順序水侵規律模擬結果

對比分析3組實驗，最終出水量和最終采出程度差別不大，但先開發低滲區儲層再開發高滲區儲層具有更高的無水采出程度和最終采出程度，明顯優于其他兩組實驗結果，這是因為先動用均質程度好的低滲區儲儲層，使更多水侵集中在低滲區儲層區域，可有效降低水侵能量，延緩邊、底水在后期沿高滲區儲層的推進速度。

(a)采出程度

(b)水侵量

2.3 不同生產制度

考慮到邊底水氣藏氣井見水后是繼續生產還是關井，目前業界還無統一的認識，針對此問題，在采氣速度均為1 L/min，7倍水體條件下，分別開展高滲區儲層氣井見水后繼續生產和高滲區儲層氣井見水后關井兩組水侵模擬實驗，實驗結果如表5和圖4所示。

表5 不同生產制度水侵規律模擬結果

(a)采出程度

(b)水侵量

對比分析兩組實驗，當高滲區儲層見水時，低滲區儲層還未見水，此時高滲區儲層氣井關井，隨著開發的進行，氣藏壓力逐漸降低，邊、底水繼續向低滲區儲層侵入，但由于低滲區儲層滲透率相對較低，在氣藏開采結束時，氣藏還沒見水，此時采出程度為65%；如果高滲區儲層見水后繼續開發，則氣藏的采出程度為71.41%，大于高滲區儲層見水后直接關井的采出程度，這是由于高滲區儲層水侵見水后氣井采取繼續生產政策，通過高滲區儲層的排水能有效的降低整體水侵能量，延緩還未見水氣井區域的水侵速度，改善周邊未見水氣井的開發效果，整體提高了氣藏采出程度，但也面臨著產出水處理的問題。

3 結 語

氣藏在多井協同開采時，要限制高滲區儲層的采氣速度，避免因為過高的采氣速度導致地層水體沿著高滲區儲層快速錐進，造成氣藏的過早水淹，從而降低氣藏的整體采出程度；不同的開采順序水侵量和產水量差別不大，但是先開發低滲區儲層再開發高滲區儲層具有更高的無水采出程度和最終采出程度；高滲區儲層水侵見水后氣井采取繼續生產能有效提高氣藏的整體采出程度，但也面臨著產出水處理的問題，需要提前做好產出水處理工作。