水驅氣藏水淹風險描述及防控對策

李江濤 孫凌云 項燚偉 李潤彤 王海成 陳芳芳

1.中國石油青海油田公司 2.中國石油西南油氣田公司

0 引言

近年來，我國氣田的開發水害日趨嚴重，水淹問題已成為困擾氣藏上產、穩產的頑疾[1-6]。水驅氣藏中賦存的地層水具有多種類型，如邊水、底水、層間水和層內水，若氣藏儲層物性具較強非均質性，則氣藏易受到水侵的影響。由于水驅復雜氣藏的氣水關系、水體特征、水源識別等認識難度大，使得開發方案的合理制定面臨較大的困難，從而造成氣藏正式投入開采后活躍的地層水易侵入氣藏中，使得部分氣井較快產出地層水，且日產氣量、油壓迅速降低直至水淹停產。為消減水驅氣藏水淹風險，實現氣藏避水和控水開發，深入分析導致水淹風險存在的因素、對比水淹風險因素影響的程度、制訂氣藏水淹風險管控和預防性開發技術對策是非常必要的[7]。

1 水淹風險描述

氣藏水淹如同煤礦透水，造成的危害很大，同時治理的難度也很大，且投入很高，因此，該風險應以預防為主。礦場的水文地質[8]條件認識是水淹風險防控的基礎，包括水源識別、水體大小、涌水通道等客觀因素，同時，非客觀的影響因素也是需要重點探討的內容。

1.1 客觀因素

氣藏水淹風險源是風險存在的客觀因素，主要包括以下5個方面：①氣藏存在活躍的邊、底水；②氣藏內部存在與水體溝通的高滲條帶（如斷層附近的裂縫發育帶）；③氣井距離邊/底水近，且隔離遮擋條件差；④氣藏內部存在層間水或含水飽和度高的氣水層；⑤氣藏蓋層上部存在水層。

1.2 非客觀因素

氣藏水淹風險點即是導致水淹風險存在的非客觀因素，主要包括以下3個方面。

1.2.1 地質認識不深入

1）對氣藏規模的認識過于理想化，實則是水體大的小氣藏。原因在于：氣層含氣飽和度的確定并沒有通過保壓取心進行驗證，僅靠理論計算求得；氣層有效厚度在確定時僅有很少的試油資料且以點帶面，使得對有效儲層的頂/底面認識不足且對隔夾層的扣除不夠；含氣邊界劃定時僅有少量探邊資料，僅按構造等高線來圈定等；對試井或試采資料解釋的含氣邊界、動態儲量、彈性產率（即單位壓降下的產氣量）等參考得少。

2）對邊、底水及層內、層間水的水體特征缺乏認識。主要表現為：不重視或缺少對氣藏水文地質條件的研究；對氣藏驅動類型、氣水分布關系和邊界條件認識不夠；對水體壓力、氣/水產量等測試資料求取不足；對氣藏中水體的類型、大小、分布、活躍程度及不同部位氣水界面的位置等水文地質條件認識不夠。

3）對氣藏與水體之間的連通關系、竄流通道及遮擋條件的認識程度低，即對氣藏儲層層間/層內的非均質性描述不夠準確。

1.2.2 采速調配不合理

1）氣井配產過高，導致井底壓力下降過快、過大，使得井底附近的地層壓力與水區壓力形成大的壓差，從而引起邊、底水向氣藏內部侵入。通常，氣藏儲層的平面非均質性強，高滲條帶上的氣井壓降越大，邊水侵入速度越快。

2）在含氣范圍內不同井區的壓降幅度差異大時將打破氣水界面的均勻推進，圓弧狀氣水界面將出現凸峰，出現地層水局部指進的現象。

3）氣層間采出程度差異大將導致層間壓差大，壓力虧空的氣層會引起頂、底部高壓水層的地層水竄入。

4）隨著氣藏采出程度增大，氣藏內部地層壓力與水區壓力的差值逐年增大，水體變得越發活躍，從而導致水侵速度增快、水侵量增多。

1.2.3 誤射或溝通了層間水

1）測井解釋精度不夠。通常，為了挖掘含氣飽和度低的Ⅲ類氣層、低電阻率氣層的潛力，降低了測井解釋的氣層下限標準，將氣水層或水層射開。

2）射孔時卡層不準。由于測井現場校深及解釋等存在誤差，射孔時偏離了真正的氣層段，誤將鄰近的水層或氣水層射開，造成氣井出水。

3）固井質量差引起的管外竄。存在層間水的氣藏，由于氣井固井質量差和管外竄，造成層間水向氣層段的竄流。

1.3 水淹造成的危害

氣藏一旦發生水淹會造成氣井產氣量暴跌、油壓急劇下降，以及地下氣水關系的復雜化，形成難采的水包滯留氣，導致停產氣井復產難、水淹治理難及排水采氣措施工作量大。疏松砂巖氣藏出水還將加劇氣井出砂，由于井口壓力低、出水、出砂等促使地面集輸處理流程進行高低壓分輸、增壓、脫水及除砂凈化裝置改造，檢修頻次增加，并且大量產出水的外排處理困難、環保壓力大、開采成本劇增。

2 水淹風險防控

由于不同類型的地層水不會同時都存在，導致水淹風險存在的主要是非客觀因素，所以防控的主動權在于人為，可以采取適宜的技術措施使水侵可控。水驅氣藏水淹風險防控則是指采取各種措施和方法，消滅或減少氣藏水淹風險事件發生的可能性，由此減少風險事件發生后造成的損失。水淹風險防控的措施包括風險規避、損失控制、風險轉移等[9]。

2.1 風險規避

風險規避是指通過對氣藏開發方案設計的補充和調整，盡早消減導致水淹風險發生的條件，確定出使氣藏少受水淹影響的開發技術政策和措施。水淹風險規避不意味著完全消除風險，而是要盡可能減小風險造成的危害。首先要降低危害發生的概率，這主要是采取淹前控制措施[10]；其次要降低危害程度，這主要包括淹前調控和淹后補救兩個方面。

由于氣藏本身不可避免地受到邊、底水水侵或層間水、層內水竄流的影響，最終被水淹是不可避免的，只是時間早晚的問題。因此，水淹風險規避只是規避在氣藏開發早期發生水淹，盡量延長氣井的無水采氣期。

在編制氣田開發方案[11-12]時就應充分考慮水侵的影響，明確易發生邊水指進或底水錐進的水侵區帶，及早提出防水、控水對策，制訂相配套的水侵防控專題技術方案，先期部署控水井進行排采泄壓、鄰層轉蓄、阻隔攔截、誘導轉向等控水措施，消減地層水的活躍程度，減緩邊、底水對氣藏開發的危害，達到水驅氣藏水淹風險防控的目的。

開發過程中采氣速度的合理調控也是減緩水侵，控制邊、底水指進或錐進的主要手段。因此，在正確認識氣水關系和水體性質的基礎上，開展數值模擬研究，進行水侵預測，把控制采速、優化配產、調控壓差、均衡采氣貫穿于氣田的整個精細開發管理中，避免局部井區出現強采而導致壓降漏斗的形成，使邊、底水的非均勻突進程度減少。

針對縱向上存在層間水的氣藏，應保證固井質量以避免管外竄；同時，應提高氣層解釋精度，實現射孔時的精準卡層，控制氣層和水層間的壓差使其不宜過大以避免層間倒灌的發生。對于層內水，氣井投產即產水，但是由于氣體的流動性要優于液體，保持氣井在小壓差下的均衡生產即可避免近井筒地層中層內水湍流的產生。

2.2 損失控制

邊底水活躍的水驅氣藏采收率介于40%～60%；而邊底水不活躍的水驅氣藏或無水氣藏采收率可介于70%～90%。因此，控制地層水的活躍程度是實現水驅氣藏高效開發的最佳途徑。如果水侵得到有效控制，氣藏采收率將增加30%以上，且無水采氣期內氣田開采成本低，采取避水和控水開發將大大減少早期水淹對氣藏開發帶來的損失，節約大量的人力、物力和財力。

氣藏水淹損失控制是指在不可能避免的水淹風險面前，減少水淹損失、降低損失程度而采取的各項控水技術，內容涵蓋兩個方面，即損失預防和損失控制。前已述及，水淹損失預防是對與氣藏相關聯水體快速侵竄的預防，即在對氣藏水體性質認識的基礎上，對其侵入氣藏的趨勢進行剖析和化解，進行水淹早預防、早治理。損失控制就是發生水侵后，對水侵程度進行評價，明確治理方向，制訂不同治理方案并進行效果預測，優選最佳方案。但是，在氣藏開發早期往往對避水和控水的重視程度不夠，給后期治理帶來巨大困難。因此，在水驅氣藏的開發早期必須重視先期控水技術的應用與實施。

為減少水淹帶來的損失，應采取以下6項措施：①氣藏進入水侵階段，重點是進行水侵動態分析，在找水、找竄上下功夫，明確來水方向，確定水源，制訂氣藏綜合治水方案，加大對水侵的治理與調控力度；②迅速調減一批采出程度較高且壓降較大的氣井的工作制度，對出水且未停噴的氣井強化產氣剖面測試，避免水淹停產后難以判斷出水層段，進而無法制訂調堵措施；③加大藏外排水量，強化藏內堵水調層作業，減小氣藏內部和周邊水域的壓差，減緩水侵速度而使水侵可控，同時適度開展藏內排水工作，避免氣井生產壓差過大溝通水侵通道而造成水害泛濫；④保護和預留未水淹區帶的高壓氣井以作為氣舉工藝實施的高壓氣源井，單井進站管線實施雙管下溝，以便站內實施集中增壓循環氣舉，地面應及早鋪設高、低壓分輸管線；⑤強化排水采氣工藝技術的試驗和儲備，特別是藏外強排工藝，同時加強找水、找竄和堵水工藝技術的儲備，以保證措施治理效果好；⑥強化剩余氣挖潛研究，利用老井進行調層補孔作業或開窗側鉆，在潛力條帶上部署挖潛調整井。

2.3 風險轉移

通過風險轉移來保障安全是最有效的風險防控手段。氣藏水淹風險轉移是指將水淹風險及其可能造成的水淹損失轉移給氣藏附近的低壓、高孔高滲地質儲集體內。針對水驅氣藏，水淹風險轉移的實質是選擇與主力氣藏有一定安全距離的地下虧空的廢棄油氣藏或選擇低壓、高孔高滲的地下儲集體作為高壓水體轉儲泄壓的儲庫，在高壓水體和地下儲集體相應部署排水井和回注井以對高壓水體進行排采泄壓，從而實現減緩水侵速度的同時利用人工干預的手段轉移高壓水體。

為此，在氣田開發早期，應該對氣藏驅動類型及相關水體的水文地質特征開展研究，同時對水體周邊的低壓、高孔高滲儲集體加強研究，以尋求合適的采出水地下儲集庫，為轉移采出水提供可靠的場所，同時還需關注氣藏的開發動態，實時跟蹤研究氣藏縱向上和平面上的壓力分布情況。

3 案例綜合分析

某基巖氣藏于2013年底提交天然氣探明地質儲量（容積法）近 450×108m3，含氣面積約 19 km2。2014年6月完成開發方案編制，2015年底基本建成，為近年發現并快速開發的典范氣藏[13-15]。2016年年初該氣藏日產氣最高達到402×104m3，現常開氣井為11口，受水淹影響的停產井及間歇生產井分別為14口和6口，氣藏日產氣降至23.8×104m3。該氣藏僅有兩年的上產期，沒有穩產期（圖1）。目前，規模為400×104m3/d的地面天然氣集輸處理裝置勉強低位運行；排采復產、增壓氣舉、采出水回注（日產水達404.9 m3）、場站改造等措施工作量急劇增加。可見，氣藏水淹風險造成的損失是巨大的[16]。

造成該氣藏水淹的主要原因可以歸結為以下方面。

3.1 對氣藏儲量規模的認識有一定偏差

在提交天然氣探明地質儲量時，無動態法計算的儲量做參考，僅使用容積法計算儲量，在對基巖氣藏有效孔隙度、有效厚度、氣水邊界等參數取值時保證其準確性很困難。

該氣藏正式投入開發以后，隨著井數及生產動態資料的增加，采用動態法對單井控制儲量進行測算，合計得到氣藏動態法儲量已不及探明地質儲量的1/3，目前已累計采出天然氣28.45×108m3，采出程度近1/3，而氣藏地層壓力下降幅度為52.86%。依據31口井的資料確定氣水界面并圈定含氣面積僅約11 km2，通過產出剖面測試結果證實氣藏頂、底面之間部分層段射開后并未產氣，因此氣藏有效厚度變小。可見該基巖氣藏的儲量規模明顯較2013年底所提交的探明地質儲量小。

3.2 對存在的水體類型認識不足，邊、底水特征認識不清

在試采時沒有進行氣藏水體評價及水文地質條件研究，對邊、底水分布、水體大小、能量等不清楚。從氣藏水侵區域可看出，產水量高的氣井大多分布在東邊斷層一帶及構造南端低部位，產水量較高的氣井在構造中高部位也有分布，說明水平裂縫和條帶狀破碎帶溝通了邊部水體，底水和邊水彼此連通、互為一體。

編制開發方案時受資料不足的影響，認為氣藏具有統一的氣水界面，為構造控制的裂縫型底水塊狀高壓濕氣氣藏。從后面的開發情況來看，之前認識的基巖含氣層段內不同部位都存在著出水問題，可見該氣藏沒有統一的氣水界面，藏內縱向流體分布復雜。

圖1 某基巖氣藏開發指示曲線圖

3.3 對基巖氣藏內幕地質認識不夠，對邊、底水的侵入預測不足

在試采時沒有開展水侵速度、水侵量、水侵路線及方向預測等專題研究，對水淹風險分析不充分。試井及試采資料表明，氣藏不同井區的動態法儲量、單井產氣量、物性參數等差異很大，說明基巖儲集體的強非均質性、裂縫發育的分散性以及不同井區采氣強度的差異性、壓降的不均衡性都給邊、底水的竄進創造了條件。所建立的基巖儲集體地質模型精度低，對氣水的分布規律認識不明確，采用數值模擬技術進行氣水動態預測基本未開展。

3.4 采氣速度過高，氣藏壓降快，形成較大水進壓差

由于儲量基數大掩蓋了較高的采氣速度會帶來的不利影響，且對較大的生產壓差也沒有引起警覺。在開發過程中，該氣藏地層壓力降幅大，平均每年降低約5 MPa，至2018年8月氣藏的平均地層壓力為22.47 MPa，主產區、低效區及水淹區的地層壓力分別為21.47、24.71及28.02 MPa，水淹區因邊、底水能量補充使地層壓力高于主產區，水進壓差（即水域地層壓力和產氣區地層壓力之差）為6.55 MPa，主產區面臨著水侵加劇的形勢，同時外圍水域地層壓力和產氣區地層壓力之差介于13～20 MPa。

3.5 產能試井解釋被氣井短期試采高產的假象所惑，部分單井配產過高

制訂開發方案配產時雖然該氣藏氣井的無阻流量普遍不高，但是認為主要是儲層污染所致，而實際上針對致密基巖氣藏近井地帶鉆井液是不易侵入且傷害地層的。由于單井試采時生產壓差大（大于10 MPa），且壓降快，說明氣井的供給半徑小、供給能力弱、井控儲量有限。而采用大的生產壓差進行強采將引起局部壓力降幅大，邊、底水的活躍程度增大、推進不均，出現水體向氣藏內部竄進的問題。

3.6 開發方案中的風險提示沒有引起足夠的重視，水淹的風險意識缺乏

開發方案不確定性分析中提示到：對基巖內部的認識和氣水界面還不夠確定，對氣井生產指標評價結果存在一定的不確定性等，但是在后續的上產中沒有引起足夠的重視。

綜上所述，該氣藏水淹的主要原因中非客觀的因素占主導地位。雖然針對單井無阻流量、穩產時間、合理配產；氣井連通性、單井控制儲量、氣藏可采儲量、合理采速；對地層水的賦存狀態及縱橫向分布特征、水體活躍程度、水侵方式及地層水對氣井生產的影響程度等進行了分析和評價，并提出了建議和要求，但是沒能引起重視，水侵、水竄跑到了沒有樹立水淹風險和先期控水意識的人們前面。當前提出以“構造高部位控壓差＋助排、構造低部位強排水、低效區提高儲量動用”為主線的整體治水復產思路，但是投入的多措并舉工作量和大量資金收效微不足道，該氣藏水淹的教訓是深刻的。

4 結論和建議

1）針對氣藏開發須樹立水淹風險管理意識，為規避水侵失控，應開展水淹風險描述，并制訂避水、控水、治水的階段性措施方案，進行全過程控水管理。

2）強化氣藏水文地質勘察研究，在開發早期利用探井獲取相關資料，尋找鄰近氣藏水體周邊的高孔高滲儲集體及縱橫向壓力虧空的儲集體作為侵入水轉移的場所。

3）在氣藏內幕刻畫、儲層非均質性研究、氣水關系分析的基礎上，分井區優化配產并適時調整，力求邊、底水和層間水均衡推進。

4）對氣田開發方案編制規范進行修訂，對邊、底水水源識別、滲流通道及水體大小進行評價，對氣藏水淹的風險進行評估和預測，增加氣藏先期控水的專題方案，使水侵受控，規避水淹風險。

5）對復雜氣藏的儲量采用容積法和多種動態法進行計算，互為參考，且在進行試采評價后正式提交探明儲量，在開展可動用儲量評估后再提交開發項目建議書，謹慎大規模投資建產。