含邊水枯竭氣藏型儲氣庫動態達容理論研究

孫照勇 王曦

摘? ?要： 含邊水枯竭氣藏型儲氣庫達容是一個極其緩慢的過程，需要數個注采周期才可以達到方案設計值。以文96儲氣庫為研究對象，開展動態達容理論研究。對儲氣庫構造完整性、井筒密閉性進行評價，不斷優化注采參數，得到達容方案：位于構造高部位的氣井注氣，采氣期均衡采氣，在構造低部位部署排液井。歷經多個周期的注采運行，文96儲氣庫動態庫容超過設計指標，工作氣量同步提升，第五周期理論工作氣量達到1.80×108 m3，占整體庫存的36.5%。若地層壓力達到27 MPa，則冬季理論工作氣量將達到2.24×108 m3，占整體庫存的41.8%。文96儲氣庫實現了動態達容，工作氣量顯著提升，邊水得到有效控制，為榆濟管網平穩運行提供了充分保障。

關鍵詞： 含邊水枯竭氣藏;儲氣庫;動態達容;工作氣量;注采周期

引言

隨著地下儲氣庫建設進度的加快，提高儲氣庫運行效率，保障輸氣管網上下游平穩運行的需求日益迫切，儲氣庫達容理論研究成為焦點[1-2]。地下儲氣庫的達容是一個相對緩慢的過程，需要數個周期才可以達到方案設計值[3-4]。以大港儲氣庫群為例，其板中北儲氣庫、板中南儲氣庫在經歷七個注采周期后，仍未達到設計擴容量。再如文96儲氣庫，由于其含弱邊水，故達容周期與普通枯竭氣藏相當，達容更為緩慢[5-6]。因此，為了使得儲氣庫更大程度地發揮調峰能力，需對儲氣庫達容理論進行研究。

本文聚焦于含邊水枯竭氣藏型儲氣庫的動態達容理論研究，技術路線是：首先結合文96儲氣庫現場環境，進行構造完整性評價和井筒密閉性評價;其次以構造完整性和井筒密閉性為基礎，探索注采參數的優化方案;最后將達容（含擴容）技術應用于儲氣庫，并評價應用效果。

1? 技術路線

1.1? 構造完整性評價

1.1.1? 蓋層密閉性

蓋層地質特征分析：儲氣庫目的層上部發育兩套蓋層，沙一段鹽巖為鹽湖沉積物，為巖鹽、石膏夾灰色泥巖及薄層碳酸鹽巖和油頁巖組合，鹽類沉積范圍廣泛，厚度50～200 m;沙二段上泥巖為半深湖—深湖相（膏）泥巖，厚度200～450 m。根據枯竭油氣藏型儲氣庫蓋層巖性等級劃分標準，封閉性等級為“好”。

泥巖蓋層密閉性：選取儲氣庫新井泥巖段巖心，室內實驗顯示：當氮氣注入壓力達到50 MPa時，泥巖仍未被擊穿。文96儲氣庫注氣期井底流壓最高為29 MPa，可確保蓋層密閉。注入壓力與氮氣流量關系曲線如圖1所示。

1.1.2? 斷層密閉性

（1）不同層位斷層密封性評價

庫區內發育3條斷層，北部2條、南部1條。縱向上，斷層主要存在于S2X1、S2X2、S2X3-1、S2X3-2、S2X4-1、S2X5、S2X6小層內。根據數值模擬研究結果，在設計2.95億立方米工作氣量下，氣庫循環注采過程中斷層附近壓力為12.3～27 MPa，無高壓顯示。

（2）不同井口注氣壓力條件下斷層密封性評價

綜合分析表明，隨著井口注氣壓力提高，注采井井底最大地層壓力上升。在最大注氣量134.1萬立方米/天（工作氣量2.95億立方米）條件下，若要控制注采井井底壓力小于27 MPa，井口最大注氣壓力應控制在23.5 MPa以下。

（3）不同注采模式下斷層密封性評價

考慮文96儲氣庫為構造性氣藏，為加快儲氣庫達容，計劃采用頂部注氣、底部采氣模式運行。因此，設計了不同的注采模式，對比各模式下斷層及井點附近地層壓力變化特征，評價儲氣庫運行參數變化規律及安全風險。研究表明，當注采井數減少4口時，儲氣庫整體注采能力及工作氣量均略有降低;對于低部位采氣井，由于其并未注氣，故在注采井井點附近，井底壓力明顯低于全注全采條件下的井底流壓;對于高部位注采井，全注全采條件下初期分配注氣量增加，但后期降低，注氣期末井底壓力相差不大，且均未超過27 MPa，破裂風險較小。

1.2? 井筒密閉性評價

文96儲氣庫管理各類井70余口，其中14口注采井在交變載荷作用下，存在固井水泥環失效可能，容易導致注入天然氣漏失及套管起壓。通過井筒密閉性研究取得以下三點研究成果：

一是通過所建模型計算水泥環受載，以等效應力相等為約束條件，將實際井筒載荷轉換到模擬井筒上，完成了應力等效。再結合時間等效設計，從應力等效和時間等效兩個方面形成了注采交變載荷等效實驗方法。其中抗拉強度為2.89 MPa時的水泥環內壁三向應力如圖2所示，抗壓強度為30.58 MPa時的水泥環內壁等效應力如圖3所示。

二是進行了生產設計工況的等效實驗。結果顯示：50個周期內水泥環不會發生破壞，說明在儲氣庫正常生產情況下（生產壓差小于2 MPa），可確保井筒密閉性。

三是將注采壓差擴大到5 MPa，實驗單周期循環時間縮短至10 min，發現水泥環經過276個周期后出現徑向裂紋破壞，屬于拉伸破壞。而注采井生產井段固井質量遠遠差于室內實驗情況，同時儲氣庫注采運行制度存在頻繁切換的問題，因此注采井運行應嚴格控制生產壓差。

1.3? 注采參數優化研究

1.3.1? 邊水侵入氣藏對儲氣庫注采的影響

邊水侵入氣藏后，造成氣藏儲氣空間減小，同時降低了儲層滲流能力，即影響了儲氣庫冬季采氣期生產能力。因此需要確定能夠通過注入天然氣驅替邊水的方案，以提高儲氣庫儲氣空間及提升儲層滲流能力。

（1）邊水運移微觀特征

氣驅水微觀實驗圖如圖4所示。微觀實驗顯示：氣驅水時，毛管力為阻力，氣沿大孔道粘性指進，存在明顯的間斷式跳躍前進現象;水驅氣時，毛管力為吸吮力，水首先進入小喉道沿壁連續運移。

在注采過程中，注氣時為氣驅水，氣沿大孔道驅替地層水，在小喉道處形成束縛水;采氣時，地層水優先進入小喉道。在往復注采過程中，儲層滲透率低的小孔隙中形成不可動束縛水。

（2）氣水相滲透率變化規律

氣體注入和采出是交互進行而又不穩定的，同時伴隨著儲氣庫含水飽和度的變化，水往復地侵入和被驅出儲氣庫內。因而，研究不穩定注采對探討地層壓力的變化和多次氣、水互驅后流體滲流能力的變化對儲氣庫注采能力的影響顯得至關重要。

文96儲氣庫雖然受邊水的影響，但在同一注采周期內，儲氣庫注氣期注入的天然氣可驅替邊水，向注氣井井周擴散，采氣期邊水向生產井井眼流動。因此，在儲氣庫邊水分布差異的大前提下，必須采用相應分析技術，合理確定文96儲氣庫注采制度，保障儲氣庫有效工作氣量及庫容。

1.3.2? 注采運行模式研究

（1）儲氣庫注入方式優選

為了優選儲氣庫注入方式，設計、計算了五套方案。

方案1：注入能力高的6口井先注氣，當儲氣庫注入能力整體下降時，其他7口井開始注氣;

方案2：注入能力低的7口井先注氣，當儲氣庫注入能力整體下降時，其他6口井開始注氣;

方案3：位于構造高部位的7口井先注氣，當儲氣庫注入能力整體下降時，其他6口井開始注氣;

方案4：位于構造低部位的6口井先注氣，當儲氣庫注入能力整體下降時，其他7口井開始注氣;

方案5：儲氣庫14口井同時注氣，注氣壓力最高23.5 MPa。

不同注氣方式下儲氣庫累計注氣量如圖5所示。從注入動態數據來看，在注入前期，方案1、方案3、方案5整體注氣能力沒有受到大的限制，平均日注氣量基本達到200×104 m3/d，而方案2、方案4整體注氣能力受到限制，平均日注氣量僅100×104 m3/d左右。但從整個注氣過程來看，到10月31日注氣結束時，各方案總注氣量差別不大，基本在1.77×108 m3左右。從氣水分布的角度考慮，頂部注氣時邊水外推比較均勻，因此推薦實施頂部先注氣，當注氣能力受到限制時，構造低部位井再注氣。

（2）儲氣庫采氣方式優選

同樣設計、計算了五套方案。從開采動態數據來看，有三個方案最終采氣量差別不大，但開采構造高部位氣井的最終采氣量相對較多，而產水相對較少，邊水推進較慢。另兩個方案雖然產水量少，但已影響采氣量，使采氣量相對較少。因此綜合各因素，開采方式優選為先開采構造高部位氣井，當采氣能力下降后，再開采低部位氣井，均衡采氣。

（3）多周期注采評價

對于含邊水枯竭氣藏，其生產過程必須對氣井壓差進行控制，防止邊水快速舌進造成氣井水淹停產。根據老氣田開發經驗，采用合理生產壓差經驗公式對單井合理生產壓差進行計算。從儲氣庫多周期注采氣開發生產指標來看，每個注采輪次采氣量大約為2.2×108 m3，注氣量大約為2.3×108 m3，即儲氣庫調峰采氣量大約為2.2×108 m3，調峰注氣量大約為2.3×108 m3。隨著注采輪次的增加，每輪次注氣量增加，儲氣庫儲氣量增大。

1.4? 達容擴容技術研究

含弱邊水枯竭氣藏型儲氣庫達容及擴容的主要手段是：通過控制邊水合理分布，提升儲氣庫天然氣儲集空間。通過五個周期合理注采運行，文96儲氣庫邊水得到有效控制，同時通過排液措施，四個周期累計出液5 305.69 m3。通過體積置換，可增加天然氣存氣量111.4×104 m3，但相比5.88億立方米庫容，通過注采井排液擴容的方式是極為緩慢的。

1.4.1 “高部位注氣、均衡采氣”模式下儲氣庫動態特征

綜合分析表明，文96儲氣庫為封閉氣藏，自身水體能量弱，生產過程中地層水不斷被帶出，含氣飽和度略有上升。但儲氣庫循環過程中，含氣飽和度往復波動，基本保持穩定，含水飽和度不斷降低，未出現明顯擴容現象，如圖6所示。

1.4.2? 達容及擴容

通過注氣期構造高部位氣井注氣，可有效控制邊水向低部位的運移，同時降低氣水過渡帶范圍，保障冬季采氣量。采氣期均衡采氣，可確保邊水不發生突進現象，但該運行方式無法進一步提升儲氣庫動態庫容及冬季采氣期工作氣量。而根據等體積置換原理，可考慮在構造低部位邊水部署排液井，進行強制排液，從而提升儲氣庫邊水的排出，提高天然氣的儲集空間，達到儲氣庫達容及擴容的目的。

部署后，文96儲氣庫工作氣量及動態庫容得到大幅提升，僅通過兩個周期的運行，工作氣量就達到方案設計值的92.7%。工作氣量、動態庫容提升速度遠快于不部署排液井的方案，在儲氣庫儲氣空間增大的同時，水淹層滲流能力也得到改善，儲氣庫調峰能力的提高有利于更好地保障榆濟管網平穩運行。

2? 應用效果分析

2.1? 儲氣庫實現了動態達容

通過第1章生產制度的控制，文96儲氣庫主塊動態庫容在五個周期運行下，呈逐年增加趨勢，在第五周期，文96儲氣庫主塊動態庫容已達到設計值水平，如圖7所示。

2.2? 儲氣庫工作氣量顯著提升

文96儲氣庫的建設目的是保障榆濟管網的平穩運行，同時擔負著應急調峰和應對突發事件的作用，而衡量文96儲氣庫運行的重要指標即為冬季采暖期的整體工作氣量。

運行五個周期以來，儲氣庫第五周期理論工作氣量達到了1.80×108 m3，占整體庫存的36.5%。若地層壓力達到27 MPa，則冬季理論工作氣量將達到2.24×108 m3，占整體庫存比例將上升到41.8%，該工作氣量在國內同類型儲氣庫中處于前列。

2.3? 邊水得到有效控制

在安全評價的基礎上，確定文96儲氣庫的安全運行參數。根據室內實驗數據，對含邊水枯竭氣藏型儲氣庫的注采運行模式及運行參數進行設定，進行數值模擬。如前所述，文96儲氣庫注采運行應避免頻繁的注氣、采氣制度切換，從而避免水泥環應力疲勞失效;同時考慮邊水的影響，注采運行過程中應堅持構造高部位氣井注采，采氣期均衡采氣的原則。在此背景下，文96儲氣庫的動態庫容、工作氣量等相關參數得到大幅提升，單井注采氣能力整體平穩且略有提高，未受到邊水的影響，如圖8所示。

3? 結論與建議

本文以文96儲氣庫為例，對含邊水枯竭氣藏型儲氣庫的動態達容理論進行了研究，儲氣庫運行五個周期以來，第五周期理論工作氣量達到了1.80×108 m3，占整體庫存的36.5%。若地層壓力達到27 MPa，則冬季理論工作氣量將達到2.24×108 m3，占整體庫存比例將上升到41.8%，在國內同類型儲氣庫中處于前列。主要結論與建議有：

（1） 當井口最大注氣壓力不超過23.5 MPa時，構造完整性不會受到破壞;

（2） 應采用構造高部位氣井注氣，采氣期均衡采氣方式，控制氣庫邊水合理分布，提升冬季有效工作氣量。

（3） 僅采取排液措施難以達到快速達容的目的，應考慮在構造低部位部署排液井，提升氣庫達容、擴容速度。

參考文獻

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