生如巖 馮其紅

中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院

有限底水驅(qū)氣藏氣水均衡同采的實(shí)例評(píng)價(jià)

生如巖 馮其紅

中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院

為提高有水氣藏的采收率,在物質(zhì)平衡原理分析的基礎(chǔ)上,提出了一種與水驅(qū)氣藏常規(guī)開采方式(排水采氣)不同的思路——?dú)馑馔?。具體地講,就是在氣田開發(fā)初期、氣藏尚未發(fā)生嚴(yán)重水侵之前,進(jìn)行主動(dòng)排水。在含氣區(qū)采氣的同時(shí),也在含水區(qū)排水,使兩區(qū)的地層壓力均衡下降、氣水界面保持穩(wěn)定,使水驅(qū)變?yōu)榧儦怛?qū)。實(shí)例分析證實(shí),氣水均衡同采是一種理論與技術(shù)上均可行的水驅(qū)氣藏有效開采方式,具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該開采方式避免了選擇性水侵的發(fā)生,大大提高了宏觀上的波及系數(shù)和微觀上的驅(qū)替效率,基本消除了水錐現(xiàn)象的發(fā)生,從而提高了氣藏的最終采收率。該研究成果為改善水驅(qū)氣藏的開采效果提供了新的技術(shù)思路。

水驅(qū)氣藏 物質(zhì)平衡方程 底水 錐進(jìn) 動(dòng)態(tài) 特征 水淹 采氣工藝

國內(nèi)外目前對(duì)水驅(qū)氣藏開發(fā)的基本認(rèn)識(shí)為:提高有水氣藏采收率實(shí)質(zhì)上就是在研究水封氣形成機(jī)理的基礎(chǔ)上,采取早期控制、中后期解封,盡可能多采出水封氣的過程[1]。在有水氣藏進(jìn)入開采的中后期,人工舉升的開采技術(shù)是開采有水氣藏產(chǎn)水氣井,提高氣藏采收率的基本措施,應(yīng)發(fā)揮工藝配套優(yōu)勢(shì),實(shí)施氣藏排水或主攻區(qū)塊多種措施綜合治理方案[2-4]。根據(jù)國外水驅(qū)氣藏的開發(fā)經(jīng)驗(yàn),利用各種防水、阻水措施,無水采氣期可以采出地質(zhì)儲(chǔ)量的60%左右;在目前的排水采氣工藝條件下,可以采出殘留氣或水封氣的10%～20%。但是由于氣藏地質(zhì)條件的復(fù)雜性和水侵的多樣性,目前的技術(shù)水平還無法滿足水驅(qū)氣藏開發(fā)的需要。目前我國水驅(qū)氣藏的采收率一般小于40%,而出水后期主要以排水采氣為主,和國外還有一定的差距[5]。

筆者旨在通過物質(zhì)平衡分析,提出一種開發(fā)水驅(qū)氣藏的技術(shù)思路[6-7]。提高水驅(qū)氣藏采收率研究不僅對(duì)合理開發(fā)水驅(qū)氣藏、老氣田穩(wěn)產(chǎn)及提高采收率具有現(xiàn)實(shí)意義,而且對(duì)我國大規(guī)模開發(fā)天然氣也具有重要意義。

1 理論基礎(chǔ)

根據(jù)物質(zhì)平衡原理,對(duì)于具有天然水侵作用、巖石和流體均可壓縮的非定容氣藏,其采收率為[8-9]:

氣藏的水侵體積系數(shù)(ω)定義為:

式中 ER為氣藏的采收率,小數(shù);pa為廢棄壓力,M Pa; pi為原始地層壓力,M Pa;Za為廢棄壓力時(shí)天然氣的壓縮因子,無因次;Zi為原始條件下天然氣的壓縮因子,無因次;Ce為有效壓縮系數(shù),M Pa-1;Eva為廢棄時(shí)的水驅(qū)波及體積系數(shù),小數(shù);Sgr為殘余氣飽和度,小數(shù);Sgi為原始含氣飽和度,小數(shù);We為水侵量,104m3; Wp為產(chǎn)水量,104m3;Bw為水的壓縮系數(shù),m3/m3;G為天然氣原始地質(zhì)儲(chǔ)量,108m3;Bgi為天然氣的原始體積系數(shù),m3/m3。

而對(duì)于定容氣驅(qū)氣藏,由于 Eva=0,即ω=0,則其采收率可以表示為:

則水驅(qū)氣藏與氣驅(qū)氣藏二者采收率之差為:

與氣藏的水侵體積系數(shù)(ω)相比,常壓水驅(qū)氣藏的有效壓縮系數(shù)(Cef)一般均小于0.10。根據(jù)張倫友提出的標(biāo)準(zhǔn),當(dāng) Cef≤0.10時(shí),變?nèi)葑饔每梢院雎圆挥?jì)[10]。則式(4)可簡(jiǎn)化為:

分析式(5)可見,表面看來,由于水侵占據(jù)了部分儲(chǔ)氣空間,水驅(qū)氣藏的采收率要高于氣驅(qū)氣藏的采收率。實(shí)際上,廢棄壓力(pa)的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣藏水侵體積系數(shù)(ω)的影響。因此,式(5)在數(shù)值上總小于0,即水驅(qū)氣藏的采收率一般均低于氣驅(qū)氣藏的采收率。

2 氣水均衡同采的可行性

目前水驅(qū)氣藏的常規(guī)開采方式主要是以控制采氣速度、控制氣井鉆開程度、均衡布井、盡可能地延長氣藏的無水采氣期和邊底水的侵入速度,以達(dá)到提高氣藏采收率的目的。發(fā)生水侵后,多以降低出水井的產(chǎn)量、控制邊底水的侵入速度或采用加速排水措施為主,以防止過早水淹和“封閉氣”的形成。這種開采方式的主要缺點(diǎn)有:①以犧牲采氣速度、降低單井產(chǎn)能、降低資金回收速度為代價(jià);②等到發(fā)生水侵后才采取排水措施,使開發(fā)工作陷入被動(dòng)局面;③從工藝的角度講,后期排水更困難、成本更高;④無法避免“封閉氣”、“死氣區(qū)”的形成,廢棄壓力成倍增高,使采收率大大降低[11-12]。

氣水均衡同采的思路是:在氣田開發(fā)初期,氣水接觸面間尚未形成壓力差或未發(fā)生嚴(yán)重水侵之前,就做出主動(dòng)排水的選擇。即在氣藏含氣區(qū)內(nèi)采氣的同時(shí),也在含水區(qū)排水,使兩區(qū)的地層壓力均衡下降。

在極限情況下,氣藏一投產(chǎn)就同時(shí)采水,則至氣藏廢棄時(shí),需采出的總水量為:

式中m為原始條件下地層水與天然氣的體積比;Cw為地層水的壓縮系數(shù)。

即只要在采出 Gp氣量的同時(shí),射開水層并采出Wp2的水量,就能使氣水界面保持穩(wěn)定,使水驅(qū)變?yōu)榧儦怛?qū)。

3 實(shí)例分析

已知某底水驅(qū)氣藏埋深1 830 m,原始?xì)馑缑鏋? 936 m,原始地層壓力為19.7 M Pa,天然氣原始地質(zhì)儲(chǔ)量為500×108m3,原始條件下地層水與天然氣的體積比為2.5,天然氣的原始體積系數(shù)為5.360 1× 10-3m3/m3,原始條件下天然氣的壓縮因子為0.916 7,原始條件下地層水的體積系數(shù)為1.016 5 m3/m3,地層水的壓縮系數(shù)為4.41×10-4M Pa-1。pa1=5.9 M Pa,pa2=1.7 M Pa。則該氣藏的氣驅(qū)采收率為91.17%,氣水均衡同采需采出的總水量為201.30 ×104m3。

在ω=0.20的情況下,水驅(qū)氣藏的采收率為75.05%,則ΔER=16.12%,即增加產(chǎn)氣量為80.59× 108m3,總產(chǎn)水量與增加氣量的比為2.498 m3/104m3。若氣藏采用氣水均衡同采、衰竭降壓方式投產(chǎn),以5.05%的年采氣速度生產(chǎn),則氣、水產(chǎn)量同步下降(圖1、2)。以遞減非常緩慢、近似于恒定的水氣比控制生產(chǎn),氣、水產(chǎn)量同升同降,累積生產(chǎn)水氣比略高于年生產(chǎn)水氣比(圖3);以國內(nèi)通行的油氣當(dāng)量折算標(biāo)準(zhǔn)(一般取1 255 m3天然氣=1 t原油)測(cè)算,年度含水基本保持在12.6%左右。

圖1 實(shí)例氣藏的產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)曲線圖

圖2 實(shí)例氣藏的產(chǎn)水量預(yù)測(cè)曲線圖

圖3 實(shí)例氣藏生產(chǎn)水氣比變化曲線圖

由于早期地層能量高,可供選擇的排水工藝技術(shù)多,尤其是有足夠的高壓氣源可供氣舉選擇。自然氣舉就是一種較好的選擇,它是利用天然氣儲(chǔ)層或氣頂中的天然氣進(jìn)行采油或輔助舉升的開采方式。對(duì)于底水氣藏,生產(chǎn)中可以將氣水層同時(shí)射開,用套管采氣,油管排水(機(jī)抽或電潛泵),達(dá)到同井自然氣舉、氣水均衡同采的目的。還可以將地層水在井下分離并回注地層,不僅會(huì)降低井筒內(nèi)的壓力損失,而且也解決了水的處理問題,可以通過電潛泵或桿舉升系統(tǒng)(如DH I, Disposal Hole Injection工具)來實(shí)現(xiàn)[13]。對(duì)于邊水氣藏,可以在含氣邊界外側(cè)鉆排水井。

由實(shí)例分析可見:①原始條件下地層水與天然氣的體積比(m)、氣藏的水侵體積系數(shù)越大(ω),氣水均衡同采需采出的總水量則越多。因此,存在一個(gè)極限的m、ω值,超過該值,氣水均衡同采在經(jīng)濟(jì)上則失去可能性。②水驅(qū)氣藏與氣驅(qū)氣藏的廢棄壓力越接近,則增加的產(chǎn)氣量降低,而在總排水量一定的情況下,也存在一個(gè)極限值。

在ω=0.50的情況下,水驅(qū)氣藏的采收率為84.41%,則ΔER=6.76%,即增加產(chǎn)氣量33.81×108m3,總產(chǎn)水量與增加氣量的比為5.954 m3/104m3。在ω=0.717的情況下,水驅(qū)氣藏的采收率與氣驅(qū)氣藏相等。

但是,根據(jù)國內(nèi)外水驅(qū)氣藏的實(shí)際開發(fā)經(jīng)驗(yàn),氣藏的水侵體積系數(shù)一般均小于0.50。因?yàn)椴痪鶆虻倪x擇性水侵會(huì)形成封閉氣,水的滲吸作用會(huì)形成殘余氣[14]。水驅(qū)氣藏中水的舌進(jìn)和沿裂縫等高滲透帶的水竄會(huì)造成封閉氣,據(jù)前蘇聯(lián)克拉斯諾達(dá)爾氣區(qū)統(tǒng)計(jì),水封堵氣量占天然氣原始地質(zhì)儲(chǔ)量的15%～50%。如其中列寧格勒凝析氣田,是一個(gè)白堊系彈性水壓驅(qū)砂巖氣田。氣藏為底水襯托,由于氣藏超前水淹,造成殘余氣量達(dá)到天然氣原始地質(zhì)儲(chǔ)量的34.8%,氣田內(nèi)封閉氣的體積為殘留在含氣帶中封閉氣體積的31倍。因此微觀與宏觀的共同作用,使得氣藏的水侵體積系數(shù)均小于0.50。所以,在實(shí)際應(yīng)用中,重點(diǎn)在于根據(jù)地質(zhì)分析,評(píng)價(jià)不同原始條件下地層水與天然氣的體積比時(shí)的經(jīng)濟(jì)效果。

4 結(jié)論

氣水均衡同采適用于非均質(zhì)性強(qiáng)、選擇性水侵嚴(yán)重的水驅(qū)氣藏,其優(yōu)勢(shì)在于:①避免發(fā)生嚴(yán)重的選擇性水侵,大大提高了宏觀上的波及系數(shù)和微觀上的驅(qū)替效率;②采用同井自然氣舉或機(jī)抽排水,不會(huì)形成壓降漏斗,基本消除了水錐現(xiàn)象的發(fā)生;③有效地降低了廢棄壓力,大大提高了氣藏的最終采收率;④可以充分發(fā)揮單井產(chǎn)能,高速開采。其缺點(diǎn)是大大增大了產(chǎn)水量,增加了水的處理費(fèi)用。

氣水均衡同采是一種理論與技術(shù)上均可行的水驅(qū)氣藏有效開采方式,具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì),實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)早期地質(zhì)認(rèn)識(shí),通過氣藏?cái)?shù)值模擬等手段評(píng)價(jià)方案的經(jīng)濟(jì)效果。

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Cases analysis and evaluation of gas-water proportionally simultaneous production for lim ited bottom water-drive gas reservoirs

Sheng Ruyan,Feng Qihong
(School of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Dongying,Shandong 257061,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 2,pp.63-65,2/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

To increase the recovery rate of water-drive gas reservoirs,based on an analysis of the material balance p rinciples,the technology of gas-water p roportionally simultaneous p roduction is p resented hereby w hich is distinguished from the conventional method of drainage gas recovery.In detail,in the early stage of gas field development w hile the water invasion in the gas reservoir is not very acute,active water drainage w ill be carried out.Gas p roduction is carried out in gas region;simultaneously,water drainage is carried out in aquifer region.In thisway,formation p ressuresof gas and water regionsw ill decrease in balance,the gas/water interface w ill be kep t stable,as a good result,the water drive w ill totally be turned into gas drive.An analysisof real cases show that gas-water p roportionally simultaneous p roduction is amethod w ith excellent technical advantage that is both theoretically and p ractically app licable.With thismethod,selective water invasion w ill be avoided;both macroscopic sweep efficiency and microscopic disp lacement efficiency are increased greatly;coning is almost eliminated,thus the ultimate recovery rate of gas reservoirs w ill be imp roved.This study has p rovided novel technical solutions to imp rove the development of water-drive reservoirs.

water-drive gas reservoir,material balance,bottom water,coning,perfo rmance,characteristic,flooding,gasp roduction technology

生如巖,1969年生,高級(jí)工程師,博士;主要從事油氣田開發(fā)技術(shù)研究工作,現(xiàn)為中國石油大學(xué)(華東)在站博士后。地址:(257061)山東省東營市東營區(qū)北一路739號(hào)。電話:13864739820。E-mail:shengry0929@163.com

生如巖等.有限底水驅(qū)氣藏氣水均衡同采的實(shí)例評(píng)價(jià).天然氣工業(yè),2011,31(2):63-65.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.015

(修改回稿日期 2010-12-13 編輯 韓曉渝)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.015

Sheng Ruyan,senior engineer,bo rn in 1969,holds a Ph.D degree,being mainly engaged in oil and gas development and technical research.

Add:No.739,Beiyi Rd.,Dongying District,Dongying,Shandong 257061,P.R.China

Tel:+86-13864739820 E-mail:shengry0929@163.com