常規(guī)天然氣藏均衡開發(fā)理論與關(guān)鍵核心技術(shù)

何東博 賈愛林 位云生 郭建林閆海軍 孟德偉 劉華勛 劉群明

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 2. 提高油氣采收率全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

近20年，我國天然氣產(chǎn)量增長迅猛[1]，常規(guī)天然氣藏（含致密氣，下同）仍是我國天然氣效益開發(fā)的主體，普遍具有儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)或邊底水發(fā)育的特征[2]。據(jù)中國石油第四次資源評(píng)價(jià)[3]，我國常規(guī)天然氣藏可采資源量達(dá)58.3×1012m3，主要分布在四川盆地、鄂爾多斯盆地、塔里木盆地和南海海域。截至2021年底，我國累計(jì)探明常規(guī)天然氣藏地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)15.5×1012m3。因此，常規(guī)天然氣藏的科學(xué)高效開發(fā)對(duì)提升我國天然氣開發(fā)水平以及保障國家能源安全有積極作用。

不同于石油的開發(fā)，天然氣通常采用衰竭式開發(fā)，主要圍繞地層壓力開展工作，壓力是天然氣藏開發(fā)的核心[4]。國外常規(guī)氣主要通過井網(wǎng)加密和控水采氣等技術(shù)方法提高氣藏采收率[5-6]，國內(nèi)通過對(duì)威遠(yuǎn)震旦系、克拉2、蘇里格、磨溪龍王廟等諸多氣藏的開發(fā)實(shí)踐，認(rèn)識(shí)到常規(guī)天然氣藏開發(fā)主要表現(xiàn)為兩方面特征：①天然氣在連通的“縫—洞—孔”微觀儲(chǔ)滲介質(zhì)、“井底—有效儲(chǔ)層邊界”宏觀儲(chǔ)滲體中實(shí)現(xiàn)壓力逐級(jí)降落，受儲(chǔ)層的非均質(zhì)性影響，氣藏壓降波及范圍有限，導(dǎo)致平面及剖面上部分儲(chǔ)量未動(dòng)用或未充分動(dòng)用，壓降波及范圍內(nèi)壓力衰竭效率低，影響最終采收率；②如果氣藏含水，儲(chǔ)層的非均質(zhì)性和流體分布的復(fù)雜性導(dǎo)致邊底水過早、過快侵入氣藏，造成局部“水封氣”，部分氣井過早無法生產(chǎn)，大幅縮短氣藏?zé)o水產(chǎn)氣期，進(jìn)一步影響氣藏采收率[7-8]。

針對(duì)非均衡動(dòng)用與非均勻水侵兩個(gè)核心問題，從壓力衰竭和地層水驅(qū)替兩個(gè)角度，分析影響氣藏采收率低的主要因素，依據(jù)物質(zhì)平衡方程和天然氣狀態(tài)方程，構(gòu)建氣藏均衡開發(fā)數(shù)學(xué)模型，提出均衡開發(fā)基本原理，總結(jié)提升實(shí)現(xiàn)常規(guī)天然氣藏均衡開發(fā)的技術(shù)方法，并在蘇里格致密氣和龍王廟邊底水兩類氣藏開發(fā)實(shí)踐中得到應(yīng)用。研究成果對(duì)常規(guī)天然氣藏開發(fā)評(píng)價(jià)、開發(fā)方案編制和開發(fā)調(diào)整優(yōu)化措施制訂，實(shí)現(xiàn)氣藏科學(xué)高效開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義，對(duì)推動(dòng)我國常規(guī)天然氣藏提高采收率有積極作用。

1 面臨的主要問題

國內(nèi)外常規(guī)天然氣開發(fā)實(shí)踐表明[9-11]，影響常規(guī)天然氣藏采收率大小和開發(fā)效果好壞的2個(gè)關(guān)鍵因素是儲(chǔ)層物性與連通性、地層水水體大小與水侵模式。整體來說，常規(guī)天然氣藏開發(fā)主要面臨2方面問題：①非均衡動(dòng)用。該問題主要是針對(duì)常規(guī)無水氣藏，特別是強(qiáng)非均質(zhì)性常規(guī)天然氣藏，受巖性或物性較差儲(chǔ)層的阻擋，氣藏不能完全連通，被分隔成多個(gè)氣藏單元，同一單元內(nèi)部儲(chǔ)層品質(zhì)、儲(chǔ)層類型、儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)等組合特征也不盡相同（圖1），由于有效儲(chǔ)層本身的強(qiáng)非均質(zhì)分布和三維地震及地質(zhì)認(rèn)識(shí)精度的局限，部分氣藏單元儲(chǔ)量不能得到有效動(dòng)用，故從整個(gè)氣藏來看，儲(chǔ)量在平面上和縱向上動(dòng)用不均衡，影響氣藏最終采收率；②非均勻水侵。這一問題主要針對(duì)常規(guī)水驅(qū)氣藏，特別是邊底水氣藏。處理好氣水接觸關(guān)系和水體能量利用，最大限度發(fā)揮天然氣自身彈性能量是開發(fā)的關(guān)鍵。常規(guī)天然氣藏邊底水水體能量可劃分為三個(gè)層次：①最理想的“正能量”，即通過部署科學(xué)的井網(wǎng)密度和制訂合理的氣井生產(chǎn)制度，維持水體均勻推進(jìn)，緩慢補(bǔ)充地層能量為氣藏賦能，延長氣藏?zé)o水采氣期并持續(xù)高產(chǎn)；②“零能量”，即通過有效的堵水或排水措施，保證核心區(qū)域氣井不見水或盡可能晚見水，最大限度發(fā)揮氣藏本身的彈性能量；③最差的“負(fù)能量”，即由于井網(wǎng)部署或開發(fā)技術(shù)策略不合理導(dǎo)致氣井過早見水，一方面儲(chǔ)層孔隙中形成水封氣，阻礙氣體本身能量的發(fā)揮，另一方面儲(chǔ)層和井筒中出現(xiàn)氣水 兩相流，消耗儲(chǔ)層中氣體彈性能量。有水氣藏高效開發(fā)的過程就是追求地層水的“正能量”，做到地層水的“零能量”，避免地層水的“負(fù)能量”，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)氣井、天然裂縫或高滲通道與邊底水接觸關(guān)系（圖2），并在此基礎(chǔ)上制訂科學(xué)合理的井網(wǎng)與生產(chǎn)制度。如果地層水非均勻水侵造成氣井過早見水，氣藏?zé)o水采氣期將大幅縮短，對(duì)氣藏造成不可逆的傷害，影響氣藏最終采收率和開發(fā)效果。

圖1 強(qiáng)非均質(zhì)性氣藏非均勻動(dòng)用示意圖

圖2 邊底水氣藏非均勻水侵示意圖

四川盆地威遠(yuǎn)氣田震旦系氣藏是我國發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)整裝碳酸鹽巖氣藏，為裂縫—孔洞型強(qiáng)非均質(zhì)性底水氣藏，探明地質(zhì)儲(chǔ)量400×108m3。氣藏儲(chǔ)層為燈影組二段巖溶孔洞型儲(chǔ)層，儲(chǔ)集空間主要為溶孔、溶洞和裂縫，儲(chǔ)層基質(zhì)非常致密，平均孔隙度僅2%左右，滲透率介于0.001～0.04 mD，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，氣藏表現(xiàn)出“雙氣水”界面特征，裂縫、洞穴原始?xì)馑缑媾c孔隙儲(chǔ)層不同[12-13]。1964—1965年發(fā)現(xiàn)并試采，1968年正式投入開發(fā)，1970年底開始產(chǎn)水。由于對(duì)有水氣藏開發(fā)規(guī)律認(rèn)識(shí)不足，氣藏長期不均衡高速開采，底水快速沿高角度裂縫侵入氣藏，多點(diǎn)突破，過早大規(guī)模出水，致使分布于孔隙中的大量天然氣被水包圍，導(dǎo)致“水封氣”形成，產(chǎn)能大幅度下降[14]。雖然后期采取了系列排水采氣措施復(fù)產(chǎn)，但生產(chǎn)效果均不太理想。截至2022年底，該氣藏在開發(fā)過程中受非均勻水侵影響，導(dǎo)致水封氣形成，開發(fā)52年共采出天然氣159×108m3，采出程度僅為39.75%，氣藏最終采收率較低、開發(fā)效果較差。

2 均衡開發(fā)理論

2.1 均衡開發(fā)內(nèi)涵

常規(guī)天然氣藏儲(chǔ)層非均質(zhì)性和流體分布的復(fù)雜性，往往造成氣藏儲(chǔ)量動(dòng)用程度低和“水封氣”的形成。氣藏均衡開發(fā)就是通過控制氣水關(guān)系或疏通壓降通道，調(diào)整地下流體滲流場，降低氣藏廢棄地層壓力，保障地層彈性能量的有效釋放，深度挖掘氣藏開發(fā)潛力，實(shí)現(xiàn)地層能量利用效率最大化和采收率最大化。即氣藏均衡開發(fā)的過程就是追求采收率最大化的過程。

2.2 均衡開發(fā)數(shù)學(xué)表征

依據(jù)均衡開發(fā)內(nèi)涵，均衡開發(fā)追求采收率最大化，影響氣藏采收率量化評(píng)價(jià)包括4個(gè)方面：①壓降波及系數(shù)（ED），表示氣藏開發(fā)過程中壓力波及范圍內(nèi)儲(chǔ)量占比，用于表征氣藏開發(fā)過程中儲(chǔ)量動(dòng)用程度；②純氣區(qū)壓力衰竭效率（Ep），表示壓力波及范圍內(nèi)衰竭區(qū)由于壓力下降所采出天然氣儲(chǔ)量占比，用于表征氣藏開發(fā)過程中衰竭區(qū)儲(chǔ)量的采出效率；③水侵波及系數(shù)（Ev），表示壓力波及范圍內(nèi)水侵區(qū)體積占比，用于表征氣藏開發(fā)過程中地層水侵入氣藏程度；④宏觀水驅(qū)氣效率（Ew），表示壓力波及范圍內(nèi)水侵區(qū)由于壓力衰竭和含氣飽和度變化采出天然氣儲(chǔ)量占比，用于表征氣藏開發(fā)過程中水侵區(qū)儲(chǔ)量采出效率。

4個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)表達(dá)式為：

以物質(zhì)平衡理論為基礎(chǔ)，忽略儲(chǔ)層孔隙壓縮和地層水膨脹，純氣區(qū)地層壓力為p1，對(duì)應(yīng)水侵區(qū)地層壓力為p2時(shí)，氣藏壓降波及范圍內(nèi)剩余地質(zhì)儲(chǔ)量[15]：

據(jù)此，可得壓降波及范圍內(nèi)純氣區(qū)地層壓力為p1，對(duì)應(yīng)水侵區(qū)地層壓力為p2時(shí)氣藏采出程度：

式中η表示氣藏采收率或采出程度，無因次。

代入天然氣狀態(tài)方程，整理式（6）得：

式（8）為氣藏采出程度統(tǒng)一計(jì)算公式。當(dāng)氣藏?zé)o水侵時(shí)，Ev=0，氣藏采出程度η=EDEp；當(dāng)純氣區(qū)地層壓力為p1，取廢棄地層壓力為pa時(shí)，式（8）則為采收率計(jì)算公式。

3 均衡開發(fā)基本原理

從氣藏采收率計(jì)算的通用數(shù)學(xué)模型可看出，常規(guī)天然氣藏均衡開發(fā)需要遵循基本原理：①對(duì)于儲(chǔ)滲空間復(fù)雜的強(qiáng)非均質(zhì)性氣藏，在儲(chǔ)層精細(xì)預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過合理井網(wǎng)密度提高氣藏壓降波及系數(shù)，通過儲(chǔ)層改造和地面增壓等措施提高壓力衰竭效率，力爭做到“儲(chǔ)量均衡動(dòng)用”；②對(duì)于氣水關(guān)系復(fù)雜的氣藏，在水體發(fā)育特征與氣水接觸關(guān)系認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，通過合理部署井型、井位、配產(chǎn)及排采措施保持水體均勻整體推進(jìn)，提高水侵波及系數(shù)和宏觀水驅(qū)氣效率，降低殘余氣量，力爭做到“氣藏均衡壓降”。

3.1 儲(chǔ)量均衡動(dòng)用

儲(chǔ)量均衡動(dòng)用主要針對(duì)強(qiáng)非均質(zhì)性衰竭開發(fā)氣藏，對(duì)于該類氣藏開發(fā)，儲(chǔ)量均衡動(dòng)用主要面臨3方面矛盾：①有效儲(chǔ)層空間疊置樣式、展布規(guī)模及分布頻率與經(jīng)濟(jì)極限井網(wǎng)密度之間的矛盾；②有效儲(chǔ)層層間非均質(zhì)性與射孔選層優(yōu)化之間的矛盾；③有效儲(chǔ)層層內(nèi)非均質(zhì)性與層內(nèi)儲(chǔ)量充分動(dòng)用之間的矛盾。

針對(duì)3方面的矛盾，從氣藏采收率評(píng)價(jià)模型出發(fā)，制訂3方面措施：①差異化部署井網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)兼顧井間產(chǎn)量干擾的最大化儲(chǔ)量控制，最終達(dá)到儲(chǔ)量平面上均衡動(dòng)用；②通過加大儲(chǔ)層改造強(qiáng)度和規(guī)模即可實(shí)現(xiàn)多層合采動(dòng)用，最終達(dá)到儲(chǔ)量縱向上均衡動(dòng)用；③采用MRC井+儲(chǔ)層改造是解決層內(nèi)非均質(zhì)性所造成儲(chǔ)量動(dòng)用困難的有效方式，可以有效穿透層內(nèi)物性阻流夾層，充分溝通有效儲(chǔ)層，最終達(dá)到儲(chǔ)量的整體均衡動(dòng)用。這要求在具體氣藏開發(fā)過程中，要基于儲(chǔ)層精細(xì)描述與預(yù)測(cè)結(jié)果，明確有效儲(chǔ)層空間結(jié)構(gòu)、規(guī)模尺度與分布特征，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層平面、層間、層內(nèi)等空間非均質(zhì)性對(duì)提高壓降波及系數(shù)和壓力衰竭效率的影響機(jī)理，提出井網(wǎng)井型優(yōu)化部署、射孔選層及儲(chǔ)層改造等實(shí)施方案，支撐該類氣藏開發(fā)全過程實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)量均衡動(dòng)用。

3.2 氣藏均衡壓降

對(duì)于邊底水氣藏，通常儲(chǔ)層連通性好，壓降波及系數(shù)普遍較高，氣藏開發(fā)重點(diǎn)圍繞均衡壓降開展工作。邊底水氣藏在開發(fā)不同階段面臨2方面問題：①開發(fā)初期，受氣藏采氣和井位部署不合理影響，很容易造成氣藏開發(fā)的非均勻水侵；②開發(fā)中后期，單井見水后，受氣井生產(chǎn)制度和治水對(duì)策不合理，氣藏即大面積水侵，水侵區(qū)殘余氣量大、廢棄壓力高，整體導(dǎo)致該類氣藏開發(fā)采收率偏低。

針對(duì)不同階段面臨的主要問題，從氣藏采收率評(píng)價(jià)模型出發(fā)，制訂3方面具體措施：①井型井位優(yōu)化部署，兼顧儲(chǔ)量最大程度動(dòng)用和氣水界面緩慢抬升，構(gòu)筑地下氣水滲流通道，實(shí)現(xiàn)地層水在全氣藏范圍內(nèi)均勻侵入； ②生產(chǎn)制度優(yōu)化，兼顧氣藏生產(chǎn)規(guī)模、不同井區(qū)氣井產(chǎn)能和地層水緩慢推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)水侵區(qū)殘余氣量最小化；③綜合治水，包括地層水侵入通道上部署排水井控制水侵前緣侵入速度、局部水封氣解封、排水采氣清除井底積液等手段，進(jìn)一步降低氣藏廢棄地層壓力。這要求在具體的氣藏開發(fā)過程中，地震與地質(zhì)相結(jié)合精細(xì)刻畫儲(chǔ)層的非均質(zhì)性特征，準(zhǔn)確部署氣藏開發(fā)井網(wǎng)，準(zhǔn)確刻畫氣藏開發(fā)過程中水侵優(yōu)勢(shì)通道，優(yōu)化不同氣井、不同井區(qū)和全氣藏生產(chǎn)制度，動(dòng)靜態(tài)綜合預(yù)測(cè)水侵方向及水侵量，提出針對(duì)性排水采氣等綜合治水對(duì)策，在壓力衰竭效率最大化的前提下，提高水侵波及系數(shù)，追求宏觀水驅(qū)氣效率最大化，從而實(shí)現(xiàn)全氣藏均衡壓降。

4 均衡開發(fā)核心技術(shù)方法

受氣藏全過程開發(fā)機(jī)理的差異影響，不同類型氣藏實(shí)現(xiàn)均衡開發(fā)的影響因素具有較大差異，開發(fā)思路和核心技術(shù)方法各有側(cè)重。對(duì)于邊底水不發(fā)育的強(qiáng)非均質(zhì)性氣驅(qū)氣藏，核心是提高壓降波及系數(shù)和壓力衰竭效率，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)量均衡動(dòng)用；對(duì)于邊底水發(fā)育的水驅(qū)氣藏，核心是在壓力衰竭效率最大化的前提下，提高水侵波及系數(shù)，追求宏觀水驅(qū)氣效率最大化，實(shí)現(xiàn)氣藏均衡壓降（表1）。

表1 氣藏提高采收率技術(shù)方向、手段及作用機(jī)理表

4.1 儲(chǔ)量均衡動(dòng)用技術(shù)

強(qiáng)非均質(zhì)性氣驅(qū)氣藏優(yōu)勢(shì)是沒有連通水體，或者僅有少量的凝析水或?qū)娱g滯留水，難點(diǎn)是有效儲(chǔ)層在空間上的展布及高效的工程技術(shù)措施，綜合來看，儲(chǔ)量均衡動(dòng)用主要需要4個(gè)方面的技術(shù)方法（表1）。

4.1.1 開發(fā)單元精細(xì)劃分技術(shù)

儲(chǔ)層非均質(zhì)性體現(xiàn)在縱向、平面、層間和層內(nèi)三維空間上的非均勻分布，有效儲(chǔ)層識(shí)別與空間展布預(yù)測(cè)是開發(fā)單元?jiǎng)澐值幕A(chǔ)。通過三維地震處理解釋預(yù)測(cè)有效儲(chǔ)層“體”、井點(diǎn)成像測(cè)井校正井筒鉆遇的有效儲(chǔ)層“線”、取心和巖心分析校正有效儲(chǔ)層“點(diǎn)”，結(jié)合沉積相、巖石相等地質(zhì)學(xué)特征，預(yù)測(cè)井間、層間的有效儲(chǔ)層分布[14]。在此基礎(chǔ)上，考慮流體和壓力系統(tǒng)，劃分縱向和平面開發(fā)單元，為井型、井網(wǎng)部署提供地質(zhì)依據(jù)。

4.1.2 井型井網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)

強(qiáng)非均質(zhì)性氣藏有效儲(chǔ)層多分散發(fā)育的特征決定了直井+叢式井的主力開發(fā)方式。在有效儲(chǔ)層空間結(jié)構(gòu)、發(fā)育規(guī)模等精細(xì)表征的基礎(chǔ)上，開展井網(wǎng)優(yōu)化研究，確定經(jīng)濟(jì)有效的合理井網(wǎng)密度，是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)量均衡動(dòng)用和兼顧效益采收率最大化的關(guān)鍵。基于密井網(wǎng)解剖、開發(fā)效果分析及數(shù)值模擬論證，建立井網(wǎng)密度—單井EUR—采收率—經(jīng)濟(jì)效益協(xié)同約束評(píng)價(jià)模型，確定井間干擾平衡點(diǎn)與效益最優(yōu)控制點(diǎn)，從而分別獲得技術(shù)與經(jīng)濟(jì)兩個(gè)層面的合理井網(wǎng)密度，兩者之間范圍即兼顧經(jīng)濟(jì)效益和采收率的合理井網(wǎng)密度區(qū)間（圖3）。直井+叢式井作為主要開發(fā)方式的同時(shí)，保持氣田長期規(guī)模穩(wěn)產(chǎn)需要大量的建產(chǎn)井和接替井，為減少開發(fā)井?dāng)?shù)和管理工作量，加快建產(chǎn)節(jié)奏并提高經(jīng)濟(jì)效益，需要優(yōu)選地質(zhì)目標(biāo)，在有效儲(chǔ)層集中發(fā)育程度高的區(qū)域進(jìn)行水平井開發(fā)。例如蘇里格氣田，在多期次河道頻繁遷移與切割疊置的沉積特征下，可優(yōu)選出厚層塊狀型、物性夾層垂向疊置型、泥質(zhì)夾層垂向疊置型、橫向切割疊置型和橫向糖葫蘆串型等5種適于水平井部署的氣層分布模式[15-16]。在此基礎(chǔ)上，建立4項(xiàng)水平井部署條件標(biāo)準(zhǔn)：①具有儲(chǔ)集層發(fā)育及產(chǎn)量較高的入靶端和出靶端對(duì)比井；②砂巖厚度大于15 m且橫向分布穩(wěn)定；③氣層厚度大于6 m且縱向儲(chǔ)量集中度大于60%；④儲(chǔ)集層含氣性檢測(cè)顯示良好。優(yōu)化設(shè)計(jì)4項(xiàng)水平井開發(fā)參數(shù)：①南北向的水平段方位；②1 000～1 200 m的水平段長度；③100～150 m的裂縫間距；④(500～600) m×1 400 m的近似梯形井網(wǎng)。最終形成與蘇里格致密氣地質(zhì)特征相適應(yīng)的水平井優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)量高效動(dòng)用，支撐氣田加快產(chǎn)建節(jié)奏和減輕工作量壓力。

圖3 井網(wǎng)密度—單井EUR—采收率—經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)模型

4.1.3 儲(chǔ)層改造技術(shù)

儲(chǔ)層改造一方面可提高氣井泄氣范圍，另一方面可疏通或打開流動(dòng)通道，降低氣體在地層中的滲流阻力。儲(chǔ)層改造技術(shù)經(jīng)歷了單井單層壓裂到多層多段“改造”油氣藏的發(fā)展升級(jí)[17]。直井壓裂立足縱向多層的有效控制和動(dòng)用，水平井采用長水平段多段壓裂，在人工裂縫方位與砂體展布特征有利、砂體平面上連續(xù)性好、氣層厚度較大等地質(zhì)條件具備的情況下，開展大規(guī)模壓裂，使裂縫最大程度接觸油氣藏，提高水平段整體滲流能力，以期獲得最大泄流范圍，盡可能實(shí)現(xiàn)提高儲(chǔ)量動(dòng)用程度和單井產(chǎn)量的目的。除此之外，側(cè)鉆水平井、查層補(bǔ)孔，針對(duì)老井的二次改造措施通過打開新的有效儲(chǔ)層，提高井間未動(dòng)用儲(chǔ)量動(dòng)用程度，挖掘老井潛在生產(chǎn)能力，進(jìn)一步提高了氣藏整體的壓降波及系數(shù)。

4.1.4 地面增壓技術(shù)

人工增壓是提升氣藏壓力衰竭效率的有效手段，通過降低氣井廢棄壓力進(jìn)而降低廢棄產(chǎn)量、實(shí)現(xiàn)提高氣井最終累計(jì)產(chǎn)量和采收率的目的。增壓措施通常應(yīng)用于氣井生產(chǎn)的中后期，地層彈性能量衰竭嚴(yán)重，氣井進(jìn)入定壓降產(chǎn)或間歇生產(chǎn)階段，開展增壓措施以維持氣井工業(yè)氣流開采[18]，從而降低氣藏廢棄壓力，進(jìn)一步提高氣藏整體衰竭效率。

4.2 氣藏均衡壓降技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)邊底水驅(qū)氣藏均衡壓降，主要思路是通過井震結(jié)合準(zhǔn)確刻畫儲(chǔ)滲介質(zhì)的非均質(zhì)性，動(dòng)靜態(tài)綜合分析地層水賦存狀態(tài)，建立氣水分布模式；通過優(yōu)選井位和儲(chǔ)層改造，構(gòu)建有利于降低氣藏快速水侵風(fēng)險(xiǎn)的氣水滲流通道，提高水侵波及系數(shù)。通過氣井優(yōu)化配產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)水侵前緣均勻推進(jìn)，提高水侵波及系數(shù)和純氣區(qū)壓力衰竭效率。通過綜合治水，進(jìn)一步挖掘氣藏開發(fā)潛力，最大程度發(fā)揮天然氣彈性能量，降低殘余氣含量，提高宏觀水驅(qū)氣效率，追求氣藏采收率最大化（表1）。核心技術(shù)方法包括4項(xiàng)：

4.2.1 水侵通道刻畫技術(shù)

水侵通道一般包括小斷層、小裂縫和高滲透率條帶3種類型，水侵通道刻畫技術(shù)主要是基于動(dòng)靜態(tài)資料綜合分析，預(yù)測(cè)3種類型水侵通道分布。水侵通道刻畫結(jié)合動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬方法[19]，可以有效預(yù)測(cè)不同井型井網(wǎng)部署模式下地層水侵前緣形態(tài)、地層水推進(jìn)范圍與速度，從而優(yōu)化井位部署方案，形成有利于天然氣彈性膨脹能量釋放，延緩地層水不均勻水侵的氣水滲流場。其中，小斷層刻畫一般是利用正演技術(shù)，分析不同斷距斷層在地震剖面上的響應(yīng)特征，建立微小斷層識(shí)別模板，預(yù)測(cè)小斷層分布，結(jié)合儲(chǔ)層發(fā)育厚度和斷層封堵性分析，將其劃分為封堵性好的小斷層和封堵性差的小斷層。小裂縫預(yù)測(cè)主要利用地震的幾何屬性—曲率體結(jié)合螞蟻體追蹤方法，將小裂縫空間展布刻畫出來。高滲透率條帶刻畫基于對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)結(jié)果，通過滲透率級(jí)差或變異系數(shù)，動(dòng)靜態(tài)綜合建立高滲透率條帶門檻值，刻畫高滲透率條帶分布。依據(jù)小斷層、小裂縫和高滲透率條帶分布特征，結(jié)合開發(fā)井連通性分析、開發(fā)動(dòng)態(tài)分析，建立水侵模式，預(yù)測(cè)不同井區(qū)水侵風(fēng)險(xiǎn)，為生產(chǎn)制度優(yōu)化、水侵預(yù)警和綜合治水提供依據(jù)。

4.2.2 生產(chǎn)制度優(yōu)化技術(shù)

在井網(wǎng)完善的條件下，有水氣藏采氣速度是影響氣藏水侵強(qiáng)弱最重要的影響因素，由于氣藏水侵通道、水侵模式和地層水能量存在差異，不同井區(qū)、不同部位井的生產(chǎn)制度優(yōu)化是影響非均勻水侵的核心因素。對(duì)于水侵氣藏生產(chǎn)制度優(yōu)化，目前形成了基于大數(shù)據(jù)分析的產(chǎn)水氣藏運(yùn)行痕跡智能追蹤方法，通過改進(jìn)氣藏分區(qū)物質(zhì)平衡、地下—井筒—地面一體化模型數(shù)據(jù)自動(dòng)交互迭代、地面生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)擬合技術(shù)，形成人工認(rèn)知適度約束條件下的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法，實(shí)現(xiàn)智能評(píng)估可動(dòng)水體儲(chǔ)量、預(yù)測(cè)水侵趨勢(shì)變化、確定最佳生產(chǎn)制度。

4.2.3 水侵動(dòng)態(tài)預(yù)警技術(shù)

氣井見水后產(chǎn)能將大幅降低，嚴(yán)重影響氣井開發(fā)效果。國內(nèi)外對(duì)于氣井見水風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估主要在見水時(shí)間預(yù)測(cè)以及水侵量評(píng)價(jià)，考慮因素相對(duì)單一，同時(shí)對(duì)于非均質(zhì)性較強(qiáng)的氣藏適用性較差。還有通過生產(chǎn)水氣比、油壓下降速度等生產(chǎn)動(dòng)態(tài)來判斷氣井產(chǎn)水來源及水侵強(qiáng)度的方法，水侵預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較差。也有通過物質(zhì)平衡曲線、試井曲線等對(duì)水侵特征進(jìn)行識(shí)別與分析，但是主要針對(duì)單井水侵動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析，很難對(duì)全氣藏水侵情況進(jìn)行定量化統(tǒng)一評(píng)價(jià)。針對(duì)上述水侵評(píng)價(jià)存在的問題，圍繞全氣藏水侵預(yù)警，形成了以嵌入式離散裂縫建模與差分網(wǎng)格建模為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬預(yù)報(bào)水侵方法。裂縫作為主要的水侵優(yōu)勢(shì)通道，裂縫建模的精確度是氣藏三維地質(zhì)建模中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，嵌入式離散裂縫建模在裂縫建模方法中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，裂縫外區(qū)域應(yīng)用差分網(wǎng)格建模與數(shù)值模擬，能夠與裂縫建模較好地耦合，實(shí)現(xiàn)不同介質(zhì)高精度準(zhǔn)確還原氣藏開發(fā)動(dòng)態(tài)過程，擬合產(chǎn)水氣井產(chǎn)水特征，實(shí)時(shí)掌握氣藏水侵動(dòng)態(tài)，從而達(dá)到水侵預(yù)報(bào)的目的。

4.2.4 綜合治水技術(shù)

在早期有水氣藏開發(fā)中，由于經(jīng)驗(yàn)的缺乏和有限的技術(shù)手段，治水措施常常表現(xiàn)出一些不完善之處，治水效果也達(dá)不到理想的效果。治水效果不理想主要包括以下4個(gè)方面：①對(duì)氣藏構(gòu)造、小斷層、小裂縫、高滲透率條帶等特征認(rèn)識(shí)不夠深入；②對(duì)水體活躍性認(rèn)識(shí)不足；③忽視井網(wǎng)對(duì)避免水侵通道形成、促使氣藏均衡開發(fā)的重要性；④水侵預(yù)測(cè)手段有限導(dǎo)致治水被動(dòng)，延誤了最佳治水時(shí)機(jī)。基于準(zhǔn)確刻畫水侵通道、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)氣水界面變化、大數(shù)據(jù)氣井動(dòng)態(tài)分析、高精度數(shù)值模擬等手段，形成遞進(jìn)式整體治水模式，指導(dǎo)氣藏科學(xué)合理開發(fā)。遞進(jìn)式治水新模式以理論認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)，治水對(duì)策因時(shí)而異，由完整監(jiān)測(cè)體系數(shù)據(jù)分析驅(qū)動(dòng)，更為側(cè)重監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)獲取和系統(tǒng)分析。早期階段，合理部署井型井網(wǎng)，優(yōu)化氣井配產(chǎn)，適當(dāng)防控劇烈水竄危害，大產(chǎn)水氣井控產(chǎn)防止過早水淹停產(chǎn)，水侵優(yōu)勢(shì)通道部署排水井，做到早期重點(diǎn)防范。中期階段，注重生產(chǎn)井功能轉(zhuǎn)化，建立完善的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有針對(duì)性地治理水淹風(fēng)險(xiǎn)井，延緩氣井生產(chǎn)狀態(tài)惡化，系統(tǒng)開展氣藏開發(fā)優(yōu)化調(diào)整。后期階段，保障產(chǎn)水水平井、大斜度井正常攜液生產(chǎn)；氣藏生產(chǎn)、監(jiān)測(cè)、排水井重新調(diào)配優(yōu)化；評(píng)價(jià)氣井技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，實(shí)施低效井關(guān)停優(yōu)化。在遞進(jìn)式高效控水開發(fā)模式中，除氣藏直接治水防控措施之外，以氣藏間接治水作為有效輔助，以井網(wǎng)完善為主，包括生產(chǎn)井網(wǎng)完善、監(jiān)測(cè)井網(wǎng)完善和井功能動(dòng)態(tài)調(diào)整。同時(shí)，在水侵通道認(rèn)識(shí)較清楚的情況下，還可采用封堵水侵通道的方法，如俄羅斯奧倫堡氣藏為裂縫—孔隙型碳酸鹽巖氣藏，與我國威遠(yuǎn)氣田極為相似，開發(fā)過程中在地層水活躍的裂縫發(fā)育帶注入高分子聚合物黏稠液建立阻水屏障，變水驅(qū)為氣驅(qū)，開發(fā)效果良好。

5 應(yīng)用實(shí)踐

均衡開發(fā)理論與技術(shù)方法有效推動(dòng)了我國氣田開發(fā)水平的不斷提升，以我國最大的天然氣田——蘇里格致密砂巖氣田和我國最大的整裝碳酸鹽巖氣藏——安岳氣田龍王廟組氣藏為例，分析均衡開發(fā)的實(shí)踐過程及其重要意義。

5.1 蘇里格氣田開發(fā)實(shí)踐

蘇里格氣田是強(qiáng)非均質(zhì)性氣藏衰竭開發(fā)的典型代表，其含氣面積1.5 ×104km2，探明地質(zhì)儲(chǔ)量2.3×1012m3，累計(jì)投產(chǎn)氣井17 000余口，2022年產(chǎn)氣302×108m3，是我國儲(chǔ)量和產(chǎn)量規(guī)模最大的天然氣田。該氣田在構(gòu)造平緩的盆地斜坡背景上沉積了廣泛分布的河流相砂體，有效砂體以心灘沉積的中粗粒石英砂巖為主，含氣砂體呈透鏡體狀分散分布，厚度介于2～5 m，寬度介于100～500 m，長度介于300～700 m，70%以上的含氣砂體互不連通[20]。總體看，有13×104～15×104個(gè)相對(duì)獨(dú)立的氣藏單元（單砂體）構(gòu)成了氣田的復(fù)雜地質(zhì)面貌。

針對(duì)氣藏儲(chǔ)層發(fā)育特征，從氣藏采收率模型出發(fā)，按照均衡開發(fā)理念，重點(diǎn)依靠開發(fā)單元?jiǎng)澐帧⒕途W(wǎng)優(yōu)化和地面增壓，提高壓降波及系數(shù)和壓力衰竭效率。由于氣藏的開發(fā)是一個(gè)漸進(jìn)的過程，對(duì)砂體規(guī)模、尺度、物性分布等特征的認(rèn)識(shí)也是一個(gè)不斷加深的過程，本質(zhì)上說該氣藏的開發(fā)是氣藏采收率和經(jīng)濟(jì)效益之間的一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程，主體開發(fā)方式主要依靠不斷加密井網(wǎng)密度從而提高壓降波及系數(shù)和壓力衰竭效率。井網(wǎng)密度的調(diào)整大致經(jīng)歷3個(gè)階段：①開發(fā)早期階段，由于砂體分布預(yù)測(cè)難度大，氣田采用600 m×800 m直井井網(wǎng)開發(fā)，受單井控制范圍和砂體控制程度不足影響，該階段壓降波及系數(shù)只有35%左右，同時(shí)蘇里格氣田地面采用中低壓集氣，且普遍采用地面增壓，實(shí)際動(dòng)態(tài)控制范圍內(nèi)的壓力衰竭效率可達(dá)到85%，因此該階段的采收率約30%[21]；②當(dāng)前隨著多個(gè)密井網(wǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)的實(shí)施及地質(zhì)認(rèn)識(shí)的逐步加深，井網(wǎng)逐步調(diào)整至 500 m×650 m，單井井均面積內(nèi)的壓降波及系數(shù)提高到51%，采收率相應(yīng)地由30%提高到43%；③未來，隨著開發(fā)技術(shù)進(jìn)步和開發(fā)成本、銷售氣價(jià)等經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)向好，開發(fā)井網(wǎng)有望進(jìn)一步優(yōu)化、加密至4口井/km2，全氣藏井均面積內(nèi)的壓降波及系數(shù)將超過63%，同時(shí)在開發(fā)中后期排水采氣、地面增壓等工藝措施的實(shí)施，進(jìn)一步降低廢棄地層壓力，提高壓降衰竭效率，氣田采收率將超過50%。

5.2 安岳氣田龍王廟組氣藏開發(fā)實(shí)踐

安岳氣田龍王廟組氣藏是邊底水氣藏水驅(qū)開發(fā)的典型實(shí)例，該氣藏含氣面積823 km2，探明地質(zhì)儲(chǔ)量4 404×108m3，是我國目前發(fā)現(xiàn)最大的特大型海相單體碳酸鹽巖氣藏[22-25]。龍王廟組氣藏地質(zhì)條件復(fù)雜，氣藏構(gòu)造幅度低，氣水過渡帶占含氣面積比例高達(dá)37%；儲(chǔ)層孔隙度低，平均孔隙度僅4.3%，易水鎖；儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，滲透率級(jí)差高達(dá)450倍，易發(fā)生非均勻水侵；同時(shí)超壓水體彈性膨脹能量強(qiáng)，估算水體體積超過25×108m3。2022年水侵替換系數(shù)介于0.15～0.4，為次活躍水驅(qū)氣藏。

針對(duì)氣藏特征，按照均衡開發(fā)理念，重點(diǎn)突出全氣藏、不同井區(qū)均衡壓降，依靠水侵通道刻畫、生產(chǎn)制度優(yōu)化、水侵動(dòng)態(tài)預(yù)警等措施，綜合形成“早期防控水突進(jìn)、中期防控水淹、晚期防控水封”的全生命周期遞進(jìn)式控水開發(fā)模式。①開發(fā)早期，該階段氣藏表現(xiàn)為超壓特征，通過井網(wǎng)優(yōu)化與采速優(yōu)化達(dá)到“邊控內(nèi)放”，防止邊底水過早侵入氣藏，從而提高純氣區(qū)壓降波及系數(shù)和壓力衰竭效率，實(shí)現(xiàn)氣藏范圍內(nèi)壓力均衡壓降。②開發(fā)中期，該階段氣井能夠充分?jǐn)y液，重點(diǎn)通過生產(chǎn)制度優(yōu)化和生產(chǎn)井功能轉(zhuǎn)化，一方面控制水侵通道前緣地層水過快侵入井底，另一方面合理利用氣藏能量，保持一部分氣井?dāng)y液正常生產(chǎn)，防止氣井水淹停產(chǎn)，從而進(jìn)一步提高壓力衰竭效率和宏觀水驅(qū)氣效率，實(shí)現(xiàn)不同井區(qū)壓力均衡壓降。③開發(fā)晚期，地層水大量侵入氣藏，重點(diǎn)通過排水采氣優(yōu)化，低部位排水井排水、高部位優(yōu)化采氣，防止水封氣形成，從而提高水侵波及系數(shù)、持續(xù)提高宏觀水驅(qū)氣效率，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)氣藏壓力均衡壓降。整體來說，氣藏采用全生命周期遞進(jìn)控水開發(fā)模式，在不同開發(fā)階段實(shí)現(xiàn)了壓力均衡壓降。綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為，龍王廟組氣藏原始地層壓力達(dá)76 MPa，偏差因子1.36，主要開發(fā)單元磨溪 8、9、10井區(qū)的平均廢棄地層壓力為15 MPa，對(duì)應(yīng)偏差因子1.42，全氣藏壓降波及系數(shù)83%、壓力衰竭效率為71%。根據(jù)龍王廟組氣藏?cái)?shù)值模擬結(jié)果計(jì)算水侵波及系數(shù)60%，考慮水侵后殘余氣飽和度計(jì)算宏觀水驅(qū)氣效率81%。按照采收率模型，龍王廟組氣藏計(jì)算采收率將達(dá)到64%。

6 結(jié)論

1）常規(guī)天然氣藏均衡開發(fā)理論是在不斷總結(jié)國內(nèi)外不同類型氣藏開發(fā)經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)的實(shí)踐中逐步形成的。均衡開發(fā)采用人工措施和系列技術(shù)方法，調(diào)控氣水關(guān)系、疏通或建立壓降通道，在壓力衰竭效率最大化的前提下，提高水侵波及系數(shù)，追求宏觀水驅(qū)氣效率最大化，從而實(shí)現(xiàn)全氣藏均衡壓降，支撐氣藏采收率最大化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。圍繞均衡開發(fā)基本內(nèi)涵，建立了均衡開發(fā)采收率的理論通式，提出了均衡動(dòng)用和均衡壓降兩個(gè)基本原理，以此指導(dǎo)系列均衡開發(fā)配套技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)。

2）儲(chǔ)量均衡動(dòng)用技術(shù)主要包括開發(fā)單元精細(xì)劃分技術(shù)，明確儲(chǔ)量空間發(fā)育與分布模式；井型井網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)，提高壓降波及系數(shù)；儲(chǔ)層改造和地面增壓技術(shù)，提高壓力衰竭效率。氣藏均衡壓降技術(shù)主要包括水侵優(yōu)勢(shì)通道刻畫技術(shù)，明確水侵優(yōu)先路徑；生產(chǎn)制度優(yōu)化技術(shù)，優(yōu)化水侵波及系數(shù)，提高宏觀水驅(qū)氣效率；排水采氣及地面增壓技術(shù)，進(jìn)一步提高壓力衰竭效率。

3）均衡開發(fā)理論與技術(shù)支撐了蘇里格氣田強(qiáng)非均質(zhì)致密砂巖氣藏與安岳氣田龍王廟組碳酸鹽巖邊底水氣藏開發(fā)實(shí)踐，有效提高氣藏壓降波及系數(shù)、壓力衰竭效率、水侵波及系數(shù)和宏觀水驅(qū)氣效率，最大程度利用地層原始彈性能量，指導(dǎo)了氣藏高效開發(fā)和優(yōu)化調(diào)整，蘇里格氣田采收率可超過50%，安岳氣田龍王廟組氣藏采收率可達(dá)到64%。