裂縫—孔隙型有水氣藏開發數值模擬研究

劉念肖，王作豪，閔春榮，龔修俊,閆剛剛,王帥

（重慶科技學院石油與天然氣工程學院，重慶401331）

實際開發中氣藏采收率受諸多因素的影響[1]。對于川東石炭系氣藏，由于地下成巖的特殊性，氣藏均伴水存在，且多孔介質類型多為裂縫—孔隙型。隨著水體的侵入，由于裂縫及優勢通道的存在，水體沿高滲帶突進，地層中大量氣體被水體阻隔，導致最終采收率僅有40%～60%[1～3]。經調研，前人對于開發因素數值模擬研究多采用單重介質模型，將基質和裂縫看作一個整體，但是這忽略了氣體在基質和裂縫中的運移，導致數值模擬預測的最終采收率偏高。對于開發因素的研究，多以單一因素分析為主，且多為常見因素，并不能反映實際開發情況。

總結前人經驗，選取川東石炭系某有水氣藏（簡稱X氣藏），根據氣藏的實際地質情況，建立氣藏裂縫孔隙雙重介質模型。在該模型下對氣藏的采氣速度、井網密度、加密時機、排水綜合考慮。分析各開發因素對于氣藏采收率及水侵的影響程度，以達到更高效采收的目的。

1 基質—裂縫數學模型建立

針對X氣藏實際地質特征作出如下假設：

1）X氣藏中基質中的原生孔隙被劃分為相同的正方體，正方體間規則排列，間距被視為裂縫；2）氣藏具有非均質和各向異性；3）滲流過程視為等溫滲流過程；4）忽略孔隙和裂縫粘度差異。

1.1 狀態方程

1.1.1 氣體的狀態方程

其狀態方程為實際氣體狀態方程：

注:p—壓力，MPa；Z—壓縮因子；n—摩爾數，mol；R—氣體常量，8.314J/（k·mol）；T—溫度，k。

1.1.2 巖石的狀態方程

基質的狀態方程分別可以表示為：

裂縫的狀態方程分別可以表示為：

注：φf—裂縫孔隙度；

1.2 運動方程

1.3 連續性方程

1.4 基質—裂縫滲流數學方程

將巖石的狀態方程與天然氣的狀態方程相乘轉化為基質系統和裂縫系統后，結合各自運動方程分別帶入各自連續性方程后分別得到基質和裂縫的滲流數學方程如下：

裂縫系統內的滲流數學方程為：

基質系統內的滲流數學方程為：

2 典型有水氣藏數值模擬研究

X氣藏為石炭系碳酸鹽巖背斜構造氣藏，構造走向北東-南西，裂縫以構造縫為主，中、小縫居多，有效縫比例較大，孔隙度平均3.9%，滲透率平均4.5mD，含水飽和度平均12.12%。目前氣藏開發井均產水，且水氣比增長較快氣井壓力下降加大，油套壓差增加，生產受水侵、竄層氣影響。

網格系統采用基質—裂縫雙重介質網格系統，區塊網格劃分為7個層，模型總網格節點數為226×50×7=79100個，其中有效網格數11300個。

2.1 不同模型對采收率的影響

根據研究目標，分別建立單重基質模型和雙重孔隙加裂縫模型，其它開發因素不變，分別模擬開發20年。其方案配置和模擬結果見表1。

表1 不同模型方案配置

從圖2和圖3中可以看出：初期雙重介質產氣增長較快，但后期在單重介質下累計產氣量更高。雙重介質下后期產水量明顯加大，說明在有水氣藏中裂縫的存在不僅能給氣體提供高滲通道，而且也為水體的入侵提供的優勢通道，因此導致產水量大幅增加，最終采收率有所降低。雙重介質模型更接近實際儲層情況，因此選用雙重介質模型模擬以下開發因素對采收率的影響。

圖2 不同介質模型累產氣

圖3 不同介質模型累產水

2.2 采氣速度對采收率的影響

在有水氣藏開發方案制定中，采氣速度作為關鍵指標[4]，直接影響到地層水體的入侵程度。因此針對不同井網不同采速設計以下六種方案。

表2 采氣速度方案參數表

由圖4可知：相同生產井數下，當氣藏低采速生產時，生產壓差小，毛管力會束縛小孔隙中的地層水，此時裂縫中的水體會沿高滲帶伴隨氣體產出[5]，因此采出程度相對較高。因此，由模擬結果，在早期應將單井采速控制在2%作用可以有效氣田采出程度。

圖4 不同采速方案下累產氣量

2.3 井網密度對采收率的影響

合理的井網密度有利于緩解地層水體對單一氣井的入侵程度[6]。因此針對井網密度及加密時機設計以下方案。

表3 井網密度方案參數表

圖5 不同井網方案下累產氣量

表4 加密時機方案參數表

圖6 不同加密時機累產氣

由模擬結果可知：井網的加密會降低地層生產壓差使得局部壓差變小，滲流優勢通道為氣體，延長了氣井的開采年限。早期加密會減緩水體對于單一氣井的入侵程度，區塊累水量大幅降低，導致最終采出程度增大。

2.4 排水對氣藏采收率的影響

在排水措施中，合理的排水量及排水方案有助于減緩底層的水體能量[7]。因此，針對不同的排水量，設置六套方案。

由圖7、表5可知，在排水井工作的情況下消耗的地層水體的能量，減小了井底附近高滲帶含水飽和度，使得氣水之間的壓差減小，從而基質中的氣體可以沿高滲帶流向井筒。避免了氣井過早的水淹，延長開采年限。對于該區塊目前的排水量，應將排水量提高到60～90m3/d左右效果最好，區塊最終采出程度升高。

表5 排水方案參數

圖7 不同排水方案累產氣量

3 結論

水侵過程中，由于基質和裂縫雙重介質的存在，水相占據氣相滲流的有利通道，限制了氣相的流動，使得部分氣體滯留在儲層中難以采出。在實際數值模擬，考慮雙重介質模型更接近實際底層情況，相對于不考慮雙重介質模型，采收率有所降低。

合理控制采氣速度、井網密度會減緩地層水侵的程度，防止基質與裂縫壓差過大形成水封氣[8]，大幅提高氣井的采出程度。根據X氣藏實際區塊研究結果可知，氣藏采氣速度控制在單井2%左右最好，井網采用早期加密的形式，排水量控制在60%～90%之間，此時氣藏開采效果較好。