高樹生

葉禮友，熊偉 （中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊065007）

鐘兵，楊洪志 （中石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都610041）

胡志明，劉華勛，薛蕙 （中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊065007）

中國在四川、鄂爾多斯、柴達木、塔里木、松遼等地區(qū)先后發(fā)現(xiàn)了大量低滲致密氣田，資源評估量達到16×1012m3。預計2030年中國低滲致密氣藏年產量將達到約600×108m3[1]。低滲致密氣藏的有效開發(fā)存在諸多問題，迫切需要解決。如單井產量低，儲量動用程度差，采收率低，且氣井產水現(xiàn)象嚴重，穩(wěn)產難度大等[2，3]。因此，需要從氣藏儲層特征出發(fā)，認清低滲致密氣藏滲流機理，建立相應的氣藏工程方法，針對瓶頸問題研究關鍵解決技術，提出有效開發(fā)對策。

1 儲層特征

1.1 大面積分布，低構造，低豐度

以鄂爾多斯盆地蘇里格氣田、四川盆地川中地區(qū)須家河組氣藏為代表的大型低滲致密砂巖氣藏以構造－巖性氣藏為主，具有平緩構造背景，儲層大面積廣泛分布的特征。沉積相有河流相、三角洲相、濱淺湖相等多種類型。層狀儲層往往沉積于濱海環(huán)境，包括三角洲前緣和陸盆沉積。大多數(shù)透鏡體低孔隙度儲層沉積在河流相環(huán)境中[4～6]。

中國低滲致密砂巖氣藏儲量豐度較低，蘇里格氣田儲量豐度僅為1.32×108m3/km2，為低豐度氣田[7]。川中須家河組氣藏儲量豐度為1×108～3×108m3/km2，為中低豐度天然氣藏[8]。

1.2 低孔滲、強非均質性

蘇里格氣田和川中須家河組儲層滲透率0.0001～5mD，孔隙度一般為2%～15%。目前得到有效開發(fā)的致密砂巖層，孔隙度一般都在8%以上，8%～12%多見。

儲層具有嚴重的非均質性，儲層物性在縱、橫向上各向異性明顯，產層厚度和巖性都很不穩(wěn)定。氣藏低滲致密，豐度低，導致開發(fā)動用難度大。

1.3 透鏡狀砂體發(fā)育，連續(xù)性差

透鏡狀砂巖主要為河流相沉積，在縱向上呈疊置狀，整體上疊置連片分布，其基質滲透率極低。受河流相沉積控制，各砂體規(guī)模大小不一，連通性較差。我國低滲致密氣藏中透鏡狀儲層儲量占比高達72% （美國約為43%），加劇了開發(fā)動用難度。

1.4 次生孔隙發(fā)育

壓實 （壓溶）和膠結作用使低滲致密砂巖儲層孔隙度減少，次生孔隙是最主要的孔隙類型，占孔隙總體積的70%～80%[9]。溶蝕作用是次生孔隙的主要來源，次生孔隙中最有意義的是粒間溶蝕孔。

1.5 孔喉細小、毛細管壓力高

毛細管壓力特別高，排驅壓力1～2MPa，在50%的潤濕相飽和度下，毛細管壓力達到7.0MPa。微細孔喉發(fā)育，小于0.1μm喉道控制孔隙比例超過50%，且隨滲透率的降低，其控制比例升高，最高達到90%。儲層滲流能力主要受喉道控制，大孔喉不發(fā)育，微細孔喉發(fā)育，導致儲層滲流能力低，儲量動用難。

1.6 無明顯的氣/水界面，氣水關系復雜

由于儲層滲透性差，天然氣單靠浮力不能產生長距離運移和大規(guī)模聚集，因此天然氣往往呈區(qū)域性廣泛分布于致密層中，一般無明顯的氣/水界面[10]。在低滲儲層內部有一定氣水分異，而致密儲層內氣水分異困難。所以低滲致密交互共存的氣藏，儲層氣水關系十分復雜。因此，整體上，氣藏氣水分布不受構造控制，只在單個連通體內，受構造和巖性共同控制。

1.7 含水飽和度高

由于巖樣喉道細小，毛細管壓力高，導致儲層含水飽和度高，含水飽和度一般為30%～70%。滲透率越低，殘余水飽和度越高。由小于0.072μm的孔喉控制的水相為難以動用的束縛水。儲層高含水給氣藏開發(fā)帶來了一系列難題，如何防水、治水是氣藏有效開發(fā)迫切需要解決的關鍵問題。

2 儲層滲流機理

2.1 含水對氣相滲流能力影響大

不同滲透率巖樣在不同含水飽和度下的氣相滲流能力測試結果表明，隨著含水飽和度的增大，氣相滲透率急劇降低；當含水飽和度達到60%～80%時，氣相滲透率就基本降為零；儲層氣相滲流能力發(fā)生突變的臨界含水飽和度為40%[11]。

2.2 儲層束縛水可轉化為可動水

對于氣藏來講，水相一般為潤濕相，主要分布在微細孔喉內及巖石表面，氣體賦存在孔隙內，微細孔喉包圍、控制孔隙體，形成氣水互封的狀態(tài)。開發(fā)過程中，氣相產出要突破孔喉處水相的束縛。氣藏開發(fā)過程中，隨著儲層壓力逐步下降，壓力降傳導到孔隙內的氣體中時，氣體體積迅速膨脹，對孔隙表面水相進行擠壓，并對微細孔喉處的水相產生推動力，這種推動力只要大于某一微細孔喉處的毛細管力束縛，則這部分微細孔喉處及其控制的孔隙內的殘余水就會被推動，從而運移產出，成為可動水。對于低滲致密氣藏，由于微細孔喉發(fā)育，殘余水飽和度較高，衰竭式開發(fā)過程中壓力梯度大，因而可動水產出量較大，嚴重影響氣藏產能。

2.3 儲層產水主控因素影響

儲層不同水封氣量和可動水飽和度下氣井開發(fā)過程中的水侵動態(tài)數(shù)值計算結果表明，水封氣量和可動水飽和度共同影響儲層產水特征 （見圖1）。在水封氣量不足時，即使可動水飽和度較高，由于儲層水相滲透率極低，也難以產水。如川中安岳氣田部分高含水儲層，既不產氣也不產水。在水封氣量充足時，隨可動水飽和度增加，氣井開發(fā)過程中的產水量顯著增加。由此可見，水封氣和可動水是低滲致密儲層產水的兩個必要條件，二者相互作用，可動水越多，水封氣量越大，氣井生產過程中的產水量就越大，對于產能的影響就越顯著。

儲層產水還受驅替壓力梯度影響，驅替壓力梯度越大，儲層越容易產水。在高含水飽和度階段，驅替壓力梯度對產水的影響更大，在低含水飽和度階段，影響逐漸降低 （圖2）。因而，對于高含水儲層，在早中期階段，需要適當控制生產壓差，避免短時間內大量產水，導致氣井暴性水淹。

圖1 不同水封氣量及可動水飽和度下的水侵量

圖2 不同驅替壓力梯度下的殘余水飽和度

2.4 氣水滲流能力受壓力梯度影響

低滲巖樣在不同壓力梯度下的氣、水兩相相對滲透率曲線表明，壓力梯度能顯著地影響氣、水相相對滲透率曲線特征 （見圖3）[12]。隨著壓力梯度的增大，氣相相對滲透率曲線存在左移的特點，即在相同含水飽和度下，壓力梯度越大，氣相相對滲透率越低。在較小的壓力梯度下這種影響程度較大，壓力梯度增大到一定范圍后，這種影響減弱。而水相相對滲透率隨壓力梯度的增大而增大，尤其在較高含水飽和度下這種情況更明顯。隨著壓力梯度的增大，束縛水飽和度點和殘余氣飽和度點都逐漸左移，等滲點也逐漸左移并降低。這說明壓力梯度的增大降低了氣相的滲流能力，提高了水相的滲流能力，導致開發(fā)過程中壓力梯度越大，氣井生產水氣比越高 （圖4）[12]。

圖3 不同壓力梯度下的氣水兩相滲流曲線

圖4 不同驅替壓力梯度下的生產水氣比

2.5 儲層極易傷害

在鉆井和壓裂時，高毛細管壓力使得儲層極易吸收泥漿濾液或壓裂夜，造成儲層污染。各種作業(yè)過程中侵入的流體及在生產過程中因近井地帶溫度、壓力降低由于凝析作用產生的液體 （包括油和水），由于地層能量的不足不能采出而滯留在近井地帶，形成液相滯留傷害，使近井地帶的氣相滲透率降低。含凝析油條件下的相滲測試對比結果表明，儲層內含凝析油后，液相滲流能力降低，液相排出難度加大；液相飽和度增加，大幅降低氣相滲流能力。在束縛液相飽和度的基礎上，液相飽和度增加10%，氣相滲透率降低50%左右。其他類型的儲層傷害有泥漿顆粒侵入、巖石－流體反應 （黏土膨脹）、微粒運移和潤濕反轉等。

3 有效開發(fā)對策

3.1 富集區(qū)優(yōu)選

低滲致密砂巖氣藏有效開發(fā)的前提是準確優(yōu)選富集有效開發(fā)區(qū)。低滲致密氣藏儲量動用性差，需要從儲量大小、儲量動用性和動用速度三個方面出發(fā)，結合儲層靜、動態(tài)特征，形成相應的儲層評價方法，在該基礎上結合地質特征，進一步優(yōu)選有效開發(fā)區(qū)，優(yōu)先開發(fā) “甜點”，技術成熟后，再逐步開發(fā)致密區(qū)，實現(xiàn)有序、滾動開發(fā)。

從儲量大小、可動用性及動用速度3個方面篩選了7個儲層評價參數(shù)：孔隙度、滲透率、含氣飽和度、儲層有效厚度、主流喉道半徑、閾壓梯度和可動水飽和度[13，14]，構建了低滲砂巖含水氣藏儲層綜合分類評價參數(shù)體系。該參數(shù)體系能綜合反映低滲砂巖含水氣藏儲層滲流及開發(fā)的靜、動態(tài)特征。應用模糊分析法和灰色關聯(lián)度分析法對川中須家河組部分儲層進行了分類評價，所得的儲層分類評價標準如表1所示[12]。

廣安地區(qū)須家河組自下而上劃分為六段，分別為須一段～須六段。圖5和圖6是廣安2井區(qū)須六段120km2儲層和廣安106井區(qū)須四段400km2儲層評價圖，在此基礎上優(yōu)選了須六段中南部和須四段西北翼和南部為局部有效富集開發(fā)區(qū)。在富集區(qū)優(yōu)選時應注重地質與地震 （二維、三維地震、微地震）相結合，靜態(tài)資料與動態(tài)資料相結合。

表1 儲層分類評價標準

圖5 廣安2井區(qū)須六段儲層區(qū)塊評價圖

圖6 廣安106井區(qū)須四段儲層區(qū)塊評價圖

3.2 井位優(yōu)選

對于低滲致密產水氣藏，需要繪制儲層可動水飽和度平面和垂向分布圖，優(yōu)先選擇可動水飽和度低的區(qū)域布井，然后再根據(jù)可動水飽和度的垂向分布規(guī)律，選擇低產水層位射孔，確保射孔的有效性，提高氣層產氣能力，降低產水風險；對于可動水飽和度較高的區(qū)域，如需布井，應當提前考慮配套的防水和排水工藝措施，在氣井完井階段實施相關措施，為后期有效排水提供方便。圖7和圖8是廣安氣田2井區(qū)須六段和廣安106井區(qū)須四段儲層可動水飽和度平面分布圖。廣安2井區(qū)須六段儲層總體可動水飽和度分布在5.8%～10%之間，儲層中南部可動水飽和度較低，為低產水風險區(qū)塊。廣安106井區(qū)須四段可動水飽和度總體較高，分布在8%～13%之間，中部儲層可動水飽和度較低 （8%～10%），為較低產水區(qū)，西南和東南兩翼可動水飽和度高，產水風險大。

圖7 廣安2井區(qū)須六層可動水飽和度分布圖

圖8 廣安106井區(qū)須四層可動水飽和度分布圖

3.3 開發(fā)方式優(yōu)化 （直井與水平井）

水平井開發(fā)低滲致密氣藏能有效增加井控儲量，提高單井產量，減少氣井井數(shù)，降低開發(fā)成本，便于氣田開發(fā)管理，具有明顯的優(yōu)勢[15，16]。但并非所有的儲層都適合水平井開發(fā)，存在臨界儲層厚度。當儲層厚度小于臨界厚度時更適合水平井開采，反之更適合直井開采。儲層滲透率不同，則對應的適合水平井開發(fā)的臨界儲層厚度不同 （見圖9）。

3.4 密井網

低滲致密含水儲層存在閾壓梯度，井控儲量低，開發(fā)一般采用逐漸加密方法。鉆加密井是低滲致密砂巖氣藏提高產量和采收率的重要手段，加密鉆井后，可增加氣田產量約56%～100%，增加整體井控儲量10%～60%。一個氣藏的最終井網密度，要經過幾年的生產動態(tài)資料積累，并逐漸將井網加密到適度才能確定下來。蘇里格氣田蘇6加密區(qū) （生產時間超過6a）實施20口加密井，井距已加密到400～600m。蘇14加密區(qū)實施加密井10口，與原有8口老井配合，最小井距300m。

3.5 控壓開采

合理制定氣井生產制度，對于提高單井產量至關重要。低滲致密砂巖高含水氣藏放壓和控壓開采條件下的氣藏開發(fā)動態(tài)物理模擬試驗結果表明，放壓開發(fā)采氣速度快，采氣時間短，但累計產氣量和采收率相對較低 （見圖10）?？貕洪_采能更加有效地利用地層壓力，單位壓降采氣量更高，采收率也更高。在5MPa的相同廢棄壓力下，控壓開采比放壓開采的采收率更高。這主要是由于放壓開采過程中，儲層內壓差更大，更易產生氣水兩相滲流，導致氣相滲流阻力加大。

3.6 合理配產

在氣藏合理配產過程中，需要根據(jù)儲層滲流特征，選擇合適理論方法計算無阻流量和配產。蘇里格儲層具有較強的壓敏效應，考慮壓敏效應與否，無阻流量計算結果差別較大。在配產時，應當考慮壓敏效應的影響。對于蘇里格氣田，配產越低，對儲層的傷害越?。坏硪环矫?，產量要能滿足攜液要求。綜合考慮，確定蘇里格氣田合理配產為無阻流量的1/5～1/6。

3.7 壓裂、酸化

目前國內外比較成功的幾種壓裂、酸化工藝主要有：①大型水力壓裂；②大型再壓裂 （二次壓裂）；③限流量壓裂；④泡沫壓裂；⑤醇處理。通過醇處理近井地帶，可減少濾液對地層的傷害。其作用為：一是降低液相的界面張力，從而降低毛細管阻力；二是醇與濾液混合后可有較低的共沸點，返排時易于成為氣態(tài)物排出；此外，醇還有使膨脹黏土收縮的作用，從而使地層滲透率得以恢復。

圖9 適合水平井開發(fā)的臨界厚度圖版

圖10 氣藏放壓和控壓開采物模結果 （累計產氣量）

低滲致密氣藏孔喉微細，固液作用強，極易受到外來液傷害，需要進一步提升壓裂酸化增產改造水平，開發(fā)低傷害壓裂液，實現(xiàn)人工裂縫與井網的合理匹配，改善近井地帶的滲流能力，解除近井地帶污染，提高低滲氣藏的產量和采收率。

3.8 加強儲層保護

低滲致密儲層極易受傷害，且傷害具有不可恢復性，因而需要更加重視對儲層的保護。降低鉆井和完井過程中對地層的損害，正確地鑒定和封隔氣藏，提高水力壓裂設計和質量水平，可更好地開采低滲致密砂巖氣藏。國內外實踐表明，采用空氣鉆井或負壓鉆井和新的壓裂液有助于降低地層損害[17，18]。

3.9 強化排水采氣

低滲致密氣藏的有效開發(fā)在很大程度上取決于如何將儲層壓力有效釋放，使得更多的天然氣依靠彈性膨脹能量采出。儲層中水相的存在，使得地層壓力難以整體下降，壓力降在近井地帶呈現(xiàn)。另外，水相在近井地帶和井筒聚集嚴重降低氣相滲流能力，嚴重的還會導致氣井水淹。需要進一步轉變思想，建立 “要采氣先排水”的開發(fā)思路。川中須家河組氣藏排水采氣實踐表明，泡沫排水采氣和優(yōu)選管柱的排水采氣工藝對增產具有顯著效果，已累計增產天然氣約2400×104m3。

3.10 增壓開采

開發(fā)動態(tài)物理模擬試驗表明，開發(fā)后期氣藏采出程度與廢棄壓力呈反比，廢棄壓力越低，采收率越高。氣藏開發(fā)過程中，應最大限度地降低氣藏廢棄壓力。在地面管線入口壓力一定的條件下，通過增壓開采能有效降低氣藏廢棄壓力。西南油氣田2011年氣區(qū)增壓處理量已經占年產氣量比例的46%。

4 結論

1）低滲致密砂巖含水氣藏具有大面積分布、低構造、低孔滲、強非均質性，次生孔隙發(fā)育，孔喉細小，毛細管壓力高，無明顯的氣/水界面，氣水關系復雜，含水飽和度高等儲層特征。

2）儲層水相對氣相滲流能力影響顯著；在氣水互封狀態(tài)下，氣體彈性膨脹導致部分束縛水轉化為可動水；氣、水兩相滲流能力受壓力梯度影響，壓力梯度增大，氣相滲流能力降低，水相滲流能力升高。

3）基于儲層特征及滲流機理認識，提出了針對性的開發(fā)對策：①加強富集區(qū)優(yōu)選，從儲量大小、儲量動用性和動用速度三個角度出發(fā)，結合儲層靜、動態(tài)特征，形成相應的儲層評價方法，在此基礎上結合地質特征，優(yōu)選富集區(qū)，實現(xiàn)有序、滾動開發(fā)；②根據(jù)儲層可動水飽和度分布，優(yōu)選井位、射孔層位，降低產水風險；③依據(jù)臨界儲層厚度圖版，選擇合適井型；④采用密井網開發(fā)；⑤控壓開采；⑥根據(jù)儲層性質，合理配產；⑦提升壓裂酸化增產改造水平，開發(fā)低傷害壓裂液；⑧采用空氣鉆井或負壓鉆井，降低地層損害；⑨強化排水采氣，建立 “要采氣，先排水”的開發(fā)思路；⑩增壓開采，提高采收率。

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