高壓—超高壓碳酸鹽巖氣藏滲流機理及開發(fā)特征
——以阿姆河盆地M區(qū)為例

2020-04-09 03:23:12劉榮和冷有恒蔡坤赤高儀君孟中華劉媛媛

天然氣工業(yè) 2020年3期

張李劉榮和冷有恒蔡坤赤高儀君孟中華劉媛媛

1.中國石油川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院 2.中國石油（土庫曼斯坦）阿姆河天然氣公司3.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院

0 引言

在中國石油海外油氣合作項目——土庫曼斯坦阿姆河盆地M區(qū)分布著20多個大小不一的高壓—超高壓碳酸鹽巖氣藏，氣藏主要產(chǎn)層位于中上侏羅統(tǒng)卡洛夫—牛津階，其中3個主力建產(chǎn)氣田儲層埋藏深度介于3 000～4 000 m，壓力系數(shù)介于1.70～1.85，平均孔隙度介于6%～7%，滲透率介于0.1～1 000.0 mD，儲集空間類型以裂縫—孔隙型為主。隨著高壓—超高壓氣藏開發(fā)的實施，越來越多氣井的生產(chǎn)動態(tài)特征表現(xiàn)出與常壓氣井存在著差異。為了弄清影響高壓—超高壓氣井生產(chǎn)動態(tài)的根本原因，筆者選取阿姆河盆地M區(qū)多個碳酸鹽巖氣藏儲層巖心，開展了多回次變圍壓應力敏感、衰竭式開發(fā)、CT掃描及三維數(shù)字巖心模擬等實驗，研究了隨著壓力降低，不同類型儲層孔隙結構及物性的變化特征，進而明確了阿姆河盆地M區(qū)碳酸鹽巖氣藏不同類型儲層的應力敏感程度及氣井衰竭式開發(fā)的動態(tài)變化規(guī)律。在此基礎上，深入剖析了高壓—超高壓氣井的生產(chǎn)動態(tài)特征，研究了不同產(chǎn)狀裂縫及其發(fā)育程度對氣井產(chǎn)能的影響，進而提出了阿姆河盆地高壓—超高壓碳酸鹽巖氣藏在開發(fā)早期需采取的合理對策，以期為該盆地新投產(chǎn)氣田以及國內(nèi)外同類型氣田的合理高效開發(fā)提供借鑒。

1 滲流規(guī)律實驗研究

1.1 多回次變圍壓應力敏感實驗

應力敏感實驗采用變圍壓方式模擬氣藏開采過程中地層有效應力的變化；對孔隙型、孔洞型及裂縫—孔隙型3類巖心分別進行5回次測試，每一回次的應力敏感測試包括升壓和降壓兩個階段。在升壓階段，圍壓由2 MPa逐漸增加至60 MPa，在降壓階段，圍壓由60 MPa逐漸降至2 MPa，每個壓力點穩(wěn)定30 min后測試巖樣滲透率。重復上述過程，完成5回次的應力敏感實驗。具體實驗方法詳見本文參考文獻[1-6]。

分析不同儲集空間類型巖心在不同圍壓下的滲透率變化趨勢（表1、圖1），可以看出：①孔隙型及孔洞型巖心應力敏感程度中等偏弱；裂縫—孔隙型巖心應力敏感程度強，滲透率不可逆損害率高；②滲透率受損主要發(fā)生在加壓初期（壓力降在10 MPa以內(nèi)）；③滲透率不可逆損害率主要產(chǎn)生于第一回次測試。根據(jù)該實驗研究成果，認為在氣藏開發(fā)早期，位于強應力敏感區(qū)的氣井應盡量避免頻繁開關井和大壓差下生產(chǎn)。

表1 巖心應力敏感實驗結果統(tǒng)計表

1.2 衰竭式開發(fā)實驗

衰竭式開發(fā)實驗采用變內(nèi)壓的方式（最高壓力為40 MPa）模擬氣藏開采過程，得到累計產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)。選取孔隙型、孔洞型及裂縫—孔隙型3類巖心，對每一類巖心設定3個壓降速率（0.25 MPa/30 min、0.50 MPa/30 min、1.50 MPa/30 min），分別測定壓力由40 MPa降至0.1 MPa的過程中，每個壓力點下的累計產(chǎn)氣量。

如圖2、3所示，相對于高壓降速率而言，以低壓降速率開采時各類儲層最終的累計產(chǎn)氣量都較高；對于裂縫—孔隙型巖心而言，最終累計產(chǎn)氣量受壓降速率的影響最顯著，該類氣藏在開采時應控制采氣速度，以減緩裂縫閉合的速度，降低氣井產(chǎn)能遞減速度，進而獲得較高的氣藏采收率。

圖1 巖心多回次應力敏感曲線圖

圖2 不同壓降速率下巖心最終累計產(chǎn)氣量柱狀圖

1.3 CT掃描及三維數(shù)字巖心模擬實驗

圖3 不同壓降速率下累計產(chǎn)氣量與壓力變化曲線圖

對孔隙型、孔洞型及裂縫—孔隙型3類巖心進行一回次的變圍壓實驗，圍壓依次從0 MPa逐漸上升至20 MPa，然后又逐漸降至0 MPa；每一壓力點穩(wěn)定30 min后，對巖心進行CT掃描實驗，獲取巖心微米級圖像，對獲得的二維切片進行圖像的平滑去噪、分割等處理，建立不同應力下的三維數(shù)字巖心骨架化模型，然后提取孔隙網(wǎng)絡模型參數(shù)進行孔隙結構的表征[7-9]（圖4）。其中，圖4-b藍色部分表示孔隙空間、灰色部分表示巖石骨架，圖4-c灰色線條表示喉道、藍/紅色球體表示孔隙。

研究結果表明：①裂縫—孔隙型巖心在升壓初期，裂縫被擠壓，相對較大的孔隙在一定程度上被壓縮為相對較小的孔隙，平均孔隙半徑、喉道半徑減小，平均配位數(shù)、迂曲度增加；在降壓階段，隨著被壓縮的孔隙發(fā)生擴張，各參數(shù)指標有所恢復，但由于相對較大的孔隙被壓縮后產(chǎn)生了不可恢復的損傷，即使圍壓又降至0 MPa，與原始狀態(tài)的物性相比，整體仍變差；②孔隙型巖心在升壓初期，相對較小的孔隙閉合后成為無效孔隙，進而引起有效孔隙和喉道的數(shù)目減少，平均孔隙及喉道半徑增加，配位數(shù)降低，與裂縫—孔隙型巖心表現(xiàn)出的特征相反；在降壓階段，大量閉合孔隙發(fā)生擴張，巖石物性參數(shù)指標有所恢復，恢復程度強于裂縫—孔隙型巖心，但也達不到原始狀態(tài)的水平；③巖心孔喉結構的變化主要表現(xiàn)在升壓初期，升壓后期變化不明顯，這與多回次變圍壓應力敏感實驗的結果一致（表2）。

圖4 裂縫—孔隙型巖心二維切片、三維數(shù)字巖心及基于數(shù)字巖心提取的孔隙網(wǎng)絡模型圖

表2 不同儲集類型巖心孔隙結構參數(shù)、物性統(tǒng)計表

利用格子Boltzmann方法計算裂縫—孔隙型巖心滲透率，并將模擬得到的數(shù)據(jù)導入Paraview數(shù)據(jù)可視化分析程序，繪制出流線圖[10]。如圖5所示，裂縫是流體流動的主要通道，隨著有效應力增大，裂縫中流線明顯減少，裂縫導流能力迅速下降；而后隨著有效應力減小，裂縫中流線部分恢復，但與原始狀態(tài)相比，流體流動通道已大量減少。

圖5 數(shù)字巖心模擬流線圖（裂縫—孔隙型）

基于孔隙網(wǎng)絡模型進行氣水兩相滲流模擬[11-12]，得到氣水相對滲透率曲線。如圖6所示，在不同圍壓下，裂縫—孔隙型巖心氣水相滲曲線的等滲點對應的含水飽和度介于65%～87%；隨著圍壓增大，等滲點逐漸右移。原因是隨著圍壓增大，巖心孔隙半徑逐漸減小，毛細管力壓力曲線向右上方移動，即在相同毛細管壓力下，潤濕相飽和度（含水飽和度）增加（圖7），從而使等滲點右移。

2 開發(fā)特征研究

2.1 彈性驅動能量構成

圖6 裂縫—孔隙型巖心不同圍壓條件下氣水兩相相滲曲線圖

圖7 裂縫—孔隙型巖心不同圍壓條件下毛細管壓力曲線圖

高壓氣藏的彈性驅動能量包括：①天然氣的彈性能；②邊水和底水的彈性能；③巖石及孔隙內(nèi)束縛水的彈性能；④夾層、蓋層和底層擠出水的驅動力。相比于常壓氣藏，高壓—超高壓氣藏的前兩種彈性能更大，而后兩種彈性驅動能是高壓—超高壓氣藏所特有的[13]。

以壓力變化后單位巖石體積內(nèi)不同因素引起的流體體積或儲集空間變化率為參照，近似評價高壓氣藏彈性驅動能量的構成[14]。各類驅動指數(shù)的計算式為：

式中Ig表示天然氣驅動指數(shù)，無因次；Cg表示天然氣壓縮系數(shù)，MPa－1；Sgi表示初始含氣飽和度；φ表示氣藏平均孔隙度；?p表示地層壓力下降值，MPa；Ip表示巖石骨架驅動指數(shù)，無因次；Cf表示巖石壓縮系數(shù)（由實驗確定），MPa－1；Iw表示地層水驅動指數(shù)，無因次；Cw表示地層水壓縮系數(shù)，MPa－1。

根據(jù)式（1）～（3）計算得到阿姆河盆地B氣田各類驅動指數(shù)，進而折算成相應彈性驅動能量比例。如表3、圖8所示，巖石彈性膨脹是高壓氣藏高壓階段的主要驅動能量；隨著地層壓力下降，巖石彈性能量降低，由巖石、天然氣雙重彈性驅動過渡到單純的天然氣彈性驅動。為了充分利用開采早期高壓氣藏巖石的彈性能量，B氣田大部分氣井在地層壓力未降至45 MPa時，應以小生產(chǎn)壓差進行生產(chǎn)。

2.2 氣藏單位壓降采氣量

單位壓降采氣量是表征氣藏采氣能力的指標，高壓—超高壓氣藏單位壓降采氣量與采氣速度相關。C氣藏開發(fā)初期以較高的采氣速度進行開采，地層壓力下降較快（年遞減率約15%），氣藏單位壓降采氣量整體較低（僅0.56×108m3/MPa），降低采氣速度之后氣藏單位壓降采氣量提升明顯（圖9-a），說明采氣速度在開發(fā)早期對累計產(chǎn)氣量影響顯著。A氣藏投產(chǎn)后一直保持合理采氣速度進行開采，地層壓力平穩(wěn)下降（年遞減率約8%），氣藏單位壓降采氣量整體較高且相對穩(wěn)定（平均為6.2×108m3/MPa）（圖9-b），與C氣藏相比，A氣藏在開發(fā)早期累計產(chǎn)氣量明顯提高。由此可知，高壓—超高壓氣藏在開發(fā)早期應控制采氣速度，從而提高階段采出程度，獲得好的開發(fā)效果[15-17]。

2.3 單井產(chǎn)能變化特征

由于高壓—超高壓氣藏在開采初期彈性驅動能量大，氣井初始產(chǎn)能普遍較高。隨著地層壓力下降，受應力敏感的影響，儲層滲流通道變窄或者局部閉合，滲流能力下降，通常會導致單井產(chǎn)能快速遞減[18-20]。阿姆河盆地高壓—超高壓氣藏的實際開發(fā)動態(tài)表明部分井的產(chǎn)能在開發(fā)初期遞減較快，而另一部分井受應力敏感的影響較弱、產(chǎn)能保持較好。若單井所在儲層的儲集空間類型為裂縫—孔隙型，單井初始產(chǎn)能主要受裂縫發(fā)育程度控制，而產(chǎn)能遞減幅度則主要受裂縫產(chǎn)狀控制。以發(fā)育低角度裂縫為主的儲層，隨著地層壓力降低，裂縫易閉合，氣井產(chǎn)能變化大。而高角度裂縫發(fā)育的儲層，隨著地層壓力下降，滲流通道基本保持不變，單井產(chǎn)能變化幅度小一些。因此，對發(fā)育低角度裂縫的儲層，在開發(fā)早期應嚴格控制氣井生產(chǎn)壓差，避免提產(chǎn)。