低滲透底水氣藏水侵動態模擬實驗及其對采收率的影響

高樹生 楊明翰 葉禮友 劉華勛 朱文卿

1.中國石油勘探開發研究院 2.中國科學院大學

0 引言

氣藏產水會嚴重降低氣井產能，但是根據氣藏的水環境成藏機理，所有氣藏都會有不同程度的含水，只是含水飽和度的不同而已。含水飽和度小于35%的氣藏一般不產水或少量產水，而含水飽和度60%左右的氣藏一般都會產水[1-4]。如果氣藏存在邊底水，那意味著氣藏產水的可能性更大。我國現階段開發的氣藏中，大部分均為不同程度的水驅氣藏[5-7]，其中邊、底水活躍的氣藏占40%～50%[8]。以四川盆地為例，在約500個氣藏和含氣構造中，水驅氣藏近250個，占總氣藏數的50%，已經見水氣藏的剩余儲量約占全部剩余儲量的40%。研究表明，水驅氣藏的采收率比氣驅氣藏要低31%～40%[9]。近年來，氣水同產井所占比例逐年上升，水患形勢逼人。氣藏開發過程中一旦孔隙水發生流動或邊底水侵入，就會在儲層中形成氣、水兩相滲流，大大增加滲流阻力[10-12]；同時由于儲層非均質性引起的水繞流或竄流會導致大量的氣體水鎖，甚至氣藏分割[13-14]，特別是對于低滲透致密氣藏或非均質性嚴重的氣藏，水鎖、水封現象更加嚴重，最終會導致氣井產能驟降，直至水淹，導致氣藏廢棄壓力大增，采收率顯著降低。針對似均質的邊底水氣藏，水體能量在開發初期有助于氣藏的高效開發；針對存在明顯高滲帶或裂縫發育的非均質嚴重的邊底水氣藏，水沿局部高滲通道快速侵入，會導致大部分氣體被圈閉而難以動用，同時邊底水快速流入井底，導致井筒液面激增，管柱能量損失嚴重，廢棄壓力增高，從而最終大大降低氣藏采收率[15-16]。因此，如何合理、有效地開發產水氣藏是提高采收率的關鍵問題。

但是，如何準確獲取邊底水氣藏衰竭開發過程中的真實水侵動態，一直是業界的一個難題。本文設計了可以精準測試壓力的多測壓點長巖樣模擬底水氣藏的開發實驗，通過均勻分布在長巖樣上的3個測壓點結合入口與出口共5個壓力，可以動態描述底水氣藏衰竭開發過程中巖樣不同部位的壓力變化，以此來確定水侵位置、見水時間及見水后該測點的壓力變化，從而實現對水侵動態的準確描述，結合巖樣出口對應的累計產氣量，進一步研究水侵動態對于氣藏采收率的影響。鑒于實驗的難度，本次模擬實驗主要在均質低滲透巖樣和兩層縱向非均質巖樣上開展，研究成果對于其他類型的復雜氣藏具有一定的借鑒和指導意義。

此外，運用氣藏物質平衡方程導出的兩個典型的邊、底水氣藏采收率計算模型對巖樣采收率進行了模擬，計算與實驗結果具有很好的一致性，誤差很小，說明邊底水氣藏采收率計算模型可以有效預測邊底水氣藏的生產動態與采收率。

1 長巖樣模擬實驗流程與方法

1.1 多測壓點長巖樣模擬實驗流程設計

根據低滲透砂巖底水氣藏的衰竭開發動態，設計物理模擬實驗流程（圖1）。實驗流程共包括3個部分：高壓氣水供給部分、多測壓點長巖樣氣藏模擬部分、出口氣量采集與計量部分。其中為了模擬底水氣藏，長巖樣夾持器垂直放置，底部入口與底水相連，底水置于10 000 mL的高壓容器中，水侵量充足，壓力與模擬氣藏初始壓力相同，巖樣入口壓力即底水壓力，在巖樣段由下往上設計3個均勻分布的小孔，分別連接3個壓力傳感器，用來測試不同開發狀態時巖樣不同位置的壓力動態變化，出口與測試產氣量的中間容器相連，巖樣兩端與中間3個測壓點設置的5個壓力傳感器，可以全過程有效監測整個模擬氣藏不同時間、不同位置的氣水開發動態。在巖樣夾持器中置入一段長30 cm、直徑3.8 cm的巖樣，模擬均質底水氣藏，置入兩段（10 cm+20 cm）不同滲透率的巖樣模擬兩層縱向非均質底水氣藏。出口部分連接一個1 000 mL的中間容器（容器的大小由巖樣孔隙度和壓力決定）收集產氣量，通過容器頂部的高精度壓力傳感器來計量瞬時產氣量與不同時間段的累計產氣量。

圖1 底水氣藏衰竭開發模擬實驗流程示意圖

1.2 模擬實驗巖樣參數

為了提高模擬實驗的精度和有效性，運用直徑3.8 cm、長度30 cm的長巖樣開展實驗。巖樣由鄂爾多斯盆地露頭鉆取，模擬均質儲層的巖樣在同一塊露頭上一次鉆取成型，模擬縱向非均質儲層的巖樣在不同物性的兩塊露頭上鉆取組合而成，測試露頭巖樣的孔隙度、滲透率參數，選擇符合實驗要求的低滲透巖樣。具體參數如表1所示。

表1 模擬實驗長巖樣基礎參數表

1.3 模擬實驗方法

根據底水氣藏衰竭開發物理模擬實驗目的和實驗流程示意圖，具體開展的實驗過程如下：

1）選擇符合實驗要求的長巖樣，烘干后測量滲透率、孔隙度。

2）將巖樣抽真空加壓飽和地層水，置于巖樣夾持器內進行氣驅水建立實驗要求的原始含水飽和度，約30%。

3）將巖樣夾持器接入烘箱內（50 ℃）的實驗流程，打開高壓天然氣源給巖樣充氣到30 MPa，關閉進氣閥，靜置3 h左右，期間根據巖樣內不同測壓點壓力的變化隨時補充天然氣，直至巖樣前后的5個壓力傳感器都穩定在30 MPa不再發生變化為止。

4）打開巖樣出口閥，定流量（130 mL/min）模擬封閉氣藏的衰竭開發動態，產氣量由出口的中間容器壓力傳感器來計量，直到生產結束，關閉出口閥。

5）重復實驗步驟3的注氣過程，將巖樣壓力注天然氣重新恢復到30 MPa，關閉高壓天然氣源，連通巖樣底部進口與底水，保持系統壓力30 MPa，靜置 1 h。

6）重復實驗步驟4，模擬底水氣藏的衰竭開發動態，直至廢棄壓力結束實驗。根據實驗數據分析水侵動態，計算巖樣的甲烷氣體采出程度。

7）更換巖樣，重復上述實驗步驟1～6，開展下一個實驗。

2 水侵動態物理模擬實驗結果與分析

2.1 均質巖樣水侵實驗結果分析

第1組實驗運用1號、2號均質低滲透巖樣（表1），首先開展封閉氣藏（束縛水飽和度30%左右）衰竭開發模擬實驗，根據實驗結果（圖2），運用氣藏物質平衡方程[17]，計算2塊均質巖樣束縛水狀態下的模擬地質儲量，1 號巖樣地質儲量 8 828.6 mL（圖 2-a），2號巖樣8 813.0 mL（圖2-b）。之后接通與巖樣飽和壓力相同的高壓底水容器（10 000 mL，相對于巖樣孔隙近似于無限大底水），開展底水氣藏衰竭開發模擬實驗。運用巖樣段入口到出口的5個測壓點監測底水侵入巖樣與產氣動態，并同時記錄其對應的累采氣量（圖3）。可以看出，均質氣藏底水侵入動態過程非常清晰，每一個測壓點見水后壓力特征開始趨穩，在巖樣水淹前入口壓力（底水壓力）與巖樣段3個測壓點壓力基本保持穩定，下降十分緩慢；兩塊巖樣滲透率相近，各測壓點見水時間間隔相近（表2），1號巖樣測壓點2、3和出口見水時間間隔縮短，最終見水時間小于滲透率更高的2號巖樣，原因可能是1號巖樣內部的非均質性更強或實驗本身的誤差引起的。見水后由于底水能量補充足，各測點壓力相繼進入階段相對穩定狀態，到巖樣出口見水后阻力減小，壓力才開始明顯下降，直到廢棄壓力。1號巖樣廢棄壓力5.8 MPa，最終累采氣量 7 502.4 mL，用時 150 min ；而滲透率較高的2號巖樣滲流能力更強，見水后壓力一直在緩慢下降，階段穩定能力更弱，出口見水后測壓點壓力迅速降低到廢棄壓力4.5 MPa，最終累計產氣量 7 888.4 mL，用時 61 min。

圖2 模擬束縛水氣藏與底水氣藏水侵衰竭開發巖樣平均擬壓力與累計產氣量曲線圖

圖3 模擬均質底水氣藏衰竭開發水侵過程不同測壓點壓力與累計產氣量曲線圖

表2 長巖樣上3個測壓點及出口見水時間表

圖2清楚地反映了均質低滲透底水氣藏水侵過程對于累計產氣量的影響，巖樣出口見水前后生產動態差距明顯，即氣井產水前后氣藏的生產動態差距很大。見水前氣藏平均壓力下降緩慢，而且在相同的累計產氣量下，高于模擬封閉束縛水氣藏衰竭開發過程的壓降曲線，單位壓降產氣量更高，證明底水能量補充正效應明顯，此時的水侵有利于氣田的高效開發，是正能量。1號巖樣生產28 min見水（表2），見水前累計產氣量達到4 227.2 mL，無水采出程度48%，而見水后到生產結束用時遠大于2號巖樣，累計產氣量只有3 400 mL左右，氣水共采期采出程度38.5%（圖2-a）。2號巖樣生產39 min見水，見水前累計產氣量達到4 920.4 mL，無水采出程度高達56%，而見水后到生產結束累計產氣量只有3 100 mL左右（圖2-b），氣水共采期采出程度35.2%。兩塊巖樣出口見水后平均壓力都迅速降低（圖2），單位壓降產氣量顯著下降，廢棄壓力較束縛水氣藏大大提高，累計產氣量明顯減少，表明氣井見水后，水侵負能量作用明顯。證明氣井見水是底水氣藏開發效果發生突變的臨界點，巖樣最終的高平均廢棄壓力主要由于底水侵入引起，而最終殘余氣量并不多，均質底水模擬氣藏開發效果較好。

由于實驗條件限制，模擬巖樣產水量容易處理，且沒有井筒水柱壓力影響，因此，見水后還可以繼續氣水同產增加巖樣采收率；但是對于真實氣藏而言，氣井見水后井底壓力大增，而且會大量產水，導致排水困難，關井停產。因此，巖樣實驗見水后持續長期采氣的過程在礦場實際可操作難度很大。一般情況下，如果不采取特殊工藝措施，氣井后續帶水產氣增加的采收率極其有限，遠低于巖樣模擬實驗氣藏的采收率。總的來看，由于低滲透均質儲層滲流阻力較大，水侵均勻緩慢，在氣藏的整個開發過程中見水較晚，無水期采出程度較高。

2.2 縱向非均質巖樣水侵實驗結果分析

為了進一步研究氣藏非均質性對于底水水侵動態的影響，繼續開展第2組模擬實驗，巖樣參數如表1所示。運用兩塊巖樣滲透率的差異模擬縱向非均質氣藏。同第1組實驗一樣，首先進行封閉氣藏衰竭開發模擬實驗，獲取模擬巖樣的地質儲量，3號巖樣（3-1 號 +3-2 號）地質儲量 8 341.1 mL（圖4-a），4號巖樣（4-1號+4-2號）7 036.2 mL（圖4-b），5號巖樣（5-1 號 +5-2 號）8 721.8 mL（圖5-b）。然后開展底水水侵衰竭開發模擬實驗，圖6與圖5-a通過繪制3號、4號、5號巖樣累計產氣量的監測數據曲線，清晰反映了縱向非均質底水氣藏的水侵前緣動態。3號巖樣出口滲透率低，與水體相連的入口滲透率高，整個儲層滲流阻力大，位于高滲巖樣的測壓點1在第18 min就見水（表2），而位于低滲透巖樣的測壓點2在第44 min才見水，由于出口壓力梯度增大，測壓點3在第51 min后見水，同時出口也很快見水，最終廢棄平均壓力9.15 MPa，累計產氣量6 384.2 mL（圖4-a），采收率 76.4% ；5 號與 3 號巖樣一樣出口滲透率低，與水體相連的入口滲透率更高，且入口低滲透段是出口致密段長度的2倍，與3號巖樣正好相反（表2），整個儲層滲流阻力大，位于低滲透段的測壓點1在第18 min就見水（表2），同樣位于低滲透段的測壓點2在第32 min見水，見水時間較3號巖樣更短，位于致密段的測壓點3在第59 min后見水，同時出口也很快見水，由于水侵量大，導致最終廢棄平均壓力高達18.6 MPa，遠高于3號巖樣，累計產氣量5 100.7 mL（圖5-b），采收率只有58.7%；4號巖樣與3號巖樣正好相反，出口滲透率高，與水體相連的入口滲透率低，出口滲流阻力低，水侵入口儲層滲流阻力大，位于致密巖樣段的測壓點1在第53 min才見水，由于致密巖樣段長，滲流阻力大，同樣位于致密段上的測壓點2到實驗結束還沒有見水，模擬氣藏最終廢棄平均壓力只有2.59 MPa，分別低于 3、5 號巖樣 6.56 MPa、14.01 MPa，水侵影響小，衰竭開發效率更高，累計產氣量 6 622.8 mL（圖4-b），采收率達到了93.2%，分別較3、5號巖樣高16.8%、34.5%，可見水侵對于4號巖樣采收率影響很小。說明致密儲層可有效阻止邊底水向氣藏侵入，顯著降低水侵對實際氣藏采收率的影響。

圖4 模擬封閉束縛水氣藏與底水氣藏水侵衰竭開發巖樣平均擬壓力與累計產氣量曲線圖

圖6 模擬非均質底水氣藏衰竭開發水侵過程不同測壓點壓力與累計產氣量曲線圖

2.3 儲層非均質性影響采收率分析

圖7是底水氣藏衰竭開發模擬過程中，巖樣中部不同測壓點（1、2、3）及出口順序見水時對應的巖樣平均壓力與采出程度關系曲線。第1組實驗是1號與2號相對均質低滲透巖樣開展的均質底水氣藏衰竭開發模擬（圖7-a），可以看出，衰竭開發過程中各測壓點見水時，巖樣的平均壓力與對應的采出程度基本相當，1號巖樣的廢棄壓力為5.80 MPa，采收率87.5%；2號巖樣的廢棄壓力4.50 MPa，采收率92.2%。由于2號巖樣滲透率高于1號巖樣，因此其對應的廢棄壓力也略低，最終采出程度也偏高。

圖7 非/均質氣藏水侵開發過程中不同測壓點見水時平均壓力與采收率關系曲線圖

縱向非均質低滲透模擬氣藏3、5號與4號巖樣的采出程度模擬實驗結果相差很大（圖7-b），3號、5號巖樣出口滲透率低（0.15 mD、0.15 mD），與底水相連的入口滲透率高（1.78 mD、2.26 mD），測壓點1見水時間早（18 min），對應的采出程度分別只有27.7%、15.8%，出口見水時對應的無水期采出程度分別達到了64.3%、53.9%，水淹后廢棄壓力高（9.15 MPa、18.6 MPa），采收率低（76.4%、58.7%），氣水同產期采出程度只有12.1%、4.8%，說明與底水接觸的低滲透段和出口致密段長度的比值（3號是1∶2，4號是2∶1）嚴重影響水侵動態及其最終采收率；4號巖樣出口滲透率高（1.61 mD），與底水相連的入口滲透率低（0.12 mD），較3號巖樣測壓點1見水時間很晚（53 min），期間出口較高滲巖樣段和測壓點2控制的低滲透巖樣段內大量氣體被采出，采出程度高達81.4%，由于4號巖樣位于下面的巖致密心段滲透率極低，導致底水侵入非常緩慢，一直到巖樣實驗結束，廢棄壓力很低（2.59 MPa）時，出口都沒有見水，巖樣最終采出程度高達93.2%。由此可見，氣藏儲層縱向非均質段的比值、滲透率的差異與疊置位置會對底水侵入動態產生嚴重影響，從而影響氣藏采收率。

3 采收率模型及其實驗驗證

3.1 采收率計算模型

根據物質平衡方程[17-19]，建立水驅氣藏廢棄時采氣量的表達式為：

式中Gp表示水驅氣藏廢棄時采氣量，m3；G表示天然氣原始體積，m3；Bgi表示原始地層壓力狀態下天然氣體積系數；Ev表示水侵波及系數；Bg表示當前壓力狀態下天然氣體積系數；Sgr水淹區殘余氣飽和度；Swi表示儲層原始含水飽和度。

將氣藏分為水淹和未水淹兩部分，水淹區域的含氣飽和度為殘余氣飽和度，未水淹部分的含氣飽和度是氣藏原始含氣飽和度。式（1）右邊第二項為未水侵區域剩余地質儲量；第三項為水侵區域剩余地質儲量。

式（2）乘以式（3）可得：

式中We表示累計水侵量，m3；Wp表示累計產水量，m3；Bw表示水體積系數；ER表示水驅氣效率；ω表示存水率。

式（1）兩邊除以G，代入天然氣狀態方程，可得水驅氣藏采收率表達式為：

式中η表示水驅氣藏采收率；Zi表示原始地層壓力下天然氣壓縮因子；pi表示原始地層壓力，MPa；Z表示當前地層壓力下天然氣壓縮因子；p表示當前地層壓力，MPa。

整理公式（5），再引入2個參數，可得強水驅氣藏采收率計算公式（模型1）為：

式中Ep表示氣藏衰竭效率。

將式（4）代入式（6）可以導出水驅氣藏采收率模型的另一種表達式為：

式中η1表示式（7）計算的采收率。

由式（6）、（7）可知，水驅氣藏采收率主要受水侵波及系數、水驅氣效率、存水率和衰竭效率影響。

根據物質平衡方程還可以推導出邊底水氣藏平衡關系式為：

式中Sw表示水飽和度；Cw、Cf分別表示水和巖石孔隙壓縮系數。

變形式（8）可得水驅氣藏采收率計算公式的另一種表達式（模型2）為：

式中η2表示式（9）計算的采收率。

3.2 采收率模型的實驗驗證

將上述兩種采收率計算模型式（5）與式（8）計算的結果與巖樣衰竭開發模擬實驗得到的采收率進行對比（圖8～10），可以發現三者具有較好的一致性，由實驗得到的采收率最低、式（5）計算的結果居中、式（8）計算的結果最大，生產過程中同一平均壓力狀態下對應的采收率差別不大。實驗結果獲得的采收率偏低的主要原因應該是實驗裝置的死體積造成的；模型1與模型2計算結果的差異主要是由于模型2考慮了水與巖石壓縮系數引起的；見水后模型計算結果與實驗差距統一變大，應該是系統誤差，可以通過調整模型參數來減小誤差。總的來看，三種方法得到的結果基本一致，證明水驅氣藏采收率模型的計算結果是準確、可靠的，可以用來計算邊底水氣藏衰竭開發過程中的動態采收率。因此，氣藏開發過程中的采收率計算可以根據氣藏的地質與生產特征和關鍵參數獲取的難易來決定使用那個模型更加準確有效。

圖8 均質低滲透氣藏底水侵開發過程中實驗與計算采收率曲線圖

圖9 非均質低滲透氣藏底水侵開發過程中實驗與計算采收率曲線圖

圖10 5號巖樣非均質低滲透模擬氣藏底水侵開發過程中實驗與計算采收率曲線圖

4 底水氣藏開發采收率的實例分析

克拉2氣田底水氣藏從2004年正式投產至今已經開發了17年[20-21]，大量的生產數據分析預測氣田動態儲量為 2 369.4×108m3，水體倍數 4.5 倍，屬于強水驅氣藏。根據原始/當前氣藏的壓力、水侵量、產水量和累計產氣量，計算氣藏的衰竭效率為0.40，水驅效率為0.5，水侵波及系數為0.54，存水率為0.27。運用邊底水氣藏采收率模型1、模型2分別計算克拉2氣田開發至當前的采收率（圖11）。可以發現：①兩個采收率模型的計算結果與氣田的實際采收率基本一致，開發初期模型1計算結果與氣田實際采收率一致性更好；②進入中后期，模型2的計算結果與氣田實際采收率更加一致。因此，可以用模型2有效預測克拉2氣田開發至廢棄壓力時的采收率，按照當前氣田預測的廢棄壓力27 MPa來計算，克拉2氣田的最終采收率約為66%，與開發方案設計結果基本一致。

圖11 克拉2氣田計算采收率與實際采收率對比曲線圖

5 結論

1）創新研發了長巖樣多點精準測壓實驗系統，通過在巖樣上均勻鉆孔配合測壓管線，實現了長巖樣高壓衰竭開發實驗過程中多巖樣段壓力的連續準確監測，可以準確判斷底水侵前緣動態和見水時間，為底水氣藏水侵動態及其對采收率影響的準確分析研究奠定了基礎。

2）均質低滲透底水氣藏衰竭開發過程中水侵相對均勻，不同測壓點間的見水時間間隔基本一致，氣井見水前水體可以有效補充地層能量，維持段間測壓點壓力相對穩定，利于氣體開發；見水后滲流阻力明顯增加，測壓點壓力迅速降低，氣藏廢棄壓力增大，水侵負面效應明顯。

3）低滲透儲層的縱向非均質性嚴重影響底水在氣藏中的水侵動態，氣藏下部儲層滲透率低、上部儲層滲透率高，水侵緩慢，廢棄壓力低，采出程度高，有利于氣藏的高效開發；相反，水侵快，廢棄壓力高，采出程度低，不利于氣藏開發，且滲透率高段與滲透率低段的長度比越大，即高滲段越長，水侵量越大，采收率越低。氣藏儲層縱向非均質段的長度比值、滲透率差異與疊置位置都會對底水侵入動態產生嚴重影響，從而最終影響氣藏采收率。

4）根據物質平衡方程可以推導出兩個邊底水驅氣藏采收率計算模型，兩個模型的采收率計算結果與實驗獲得的結果具有很好的一致性。證明水驅氣藏采收率模型的計算結果是準確、可靠的。

5）克拉2氣田底水氣藏實例分析結果證明，邊底水氣藏采收率計算模型可以用來準確計算氣藏衰竭開發過程中的動態采收率。開發初期模型1的計算結果更準確，中后期模型2的計算結果準確度更高。