譚玉涵，郭京哲，鄭 鋒，徐衛(wèi)峰

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系 大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 西安 710069； 2.中國石油 長慶油田分公司采油十一廠，陜西 西安 710069； 3.中國石化 華北分公司 第一采氣廠，河南 鄭州 450042)

氣井多層合采滲流特征及接替生產(chǎn)物理模擬

譚玉涵1，郭京哲2，鄭 鋒3，徐衛(wèi)峰3

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系 大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 西安 710069； 2.中國石油 長慶油田分公司采油十一廠，陜西 西安 710069； 3.中國石化 華北分公司 第一采氣廠，河南 鄭州 450042)

對于低孔、低滲氣藏，為了提高單井產(chǎn)能和改善氣田開發(fā)效益,許多生產(chǎn)井都采用了多層合采方式進(jìn)行生產(chǎn)。為了更真實(shí)地認(rèn)識低滲氣藏多層合采的滲流特征以及確定最佳合采接替時機(jī)，通過設(shè)計室內(nèi)物理模擬實(shí)驗，模擬氣藏多層合采開發(fā)過程，研究了地層壓力、滲透率及主控因素共同作用下的氣藏滲流特征對開發(fā)效果的影響以及合采接替生產(chǎn)時機(jī)，認(rèn)為多層合采時，高壓、高滲層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率始終高于低壓、低滲層；而對于低壓、高滲層，實(shí)驗初始階段低壓、高滲層的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率高于高壓、低滲層，實(shí)驗后期從主產(chǎn)氣層變?yōu)榇萎a(chǎn)氣層；在不同的接替時機(jī)下，隨著接替點(diǎn)壓力的降低，采出程度呈現(xiàn)出降低的趨勢；低滲層接替生產(chǎn)要比高滲層接替生產(chǎn)效果要好。采用物理模擬實(shí)驗研究多層合采產(chǎn)氣滲流特征尚屬新的嘗試，其研究成果對制定類似氣藏的合理開發(fā)技術(shù)策略提供了參考依據(jù)。

合采接替生產(chǎn)；滲流特征；多層合采；致密低滲透氣藏；大牛地氣田；鄂爾多斯盆地

鄂爾多斯盆地大牛地氣田屬于典型的低孔、低滲氣藏，其氣井單層產(chǎn)能普遍偏低，為了獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能，很多氣井都采用多層合采的方式進(jìn)行生產(chǎn)。這種開發(fā)方式不僅能夠提高單井產(chǎn)能，而且能改善整個氣田的開發(fā)效益。多層合采在現(xiàn)場上已應(yīng)用多年，雖在井下管柱及合采方式等方面進(jìn)行了較深入的研究，但對多層合采滲流特征、產(chǎn)量預(yù)測以及合理配產(chǎn)等方面的研究相對較少，特別在低滲氣藏方面更是如此。本文通過開展氣井多層合采和接替生產(chǎn)室內(nèi)物理模擬實(shí)驗研究，初步掌握了多層合采井層間產(chǎn)出特征、滲流規(guī)律與合采接替生產(chǎn)最佳時機(jī)，可進(jìn)一步指導(dǎo)多層合采井的有效開發(fā)，提高氣田開發(fā)效益。

1 研究背景

大牛地氣田位于陜西省榆林市與內(nèi)蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗交界地區(qū)，總面積2 003 km2，構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡北部東段，是一個大型致密低滲透砂巖巖性氣藏[1-2]。研究區(qū)B1井區(qū)位于大牛地氣田的東區(qū)，面積約200 km2，其地質(zhì)儲量為614.01×108m3，共有合采井204口。該區(qū)目前開發(fā)有盒3、盒2、盒1、山2、山1、太2[3]及太1等7套地層。主力產(chǎn)氣層為盒3和太2，次產(chǎn)層為盒1、山2和太1，儲層物性整體較差[4-13]，單層單采經(jīng)濟(jì)效益較低，故采用多層合采的形式進(jìn)行開發(fā)，以提高經(jīng)濟(jì)效益[13-23]。

2 多層合采滲流特征室內(nèi)實(shí)驗

設(shè)計氣藏物理實(shí)驗，模擬氣藏的多層合采開發(fā)過程，計算最終達(dá)到氣藏報廢壓力時的采收率?？偨Y(jié)歸納氣藏多層合采在主要影響因素下的滲流特征及最佳合采接替時機(jī)，研究成果對類似氣藏的開發(fā)將起到一定指導(dǎo)作用。

2.1 實(shí)驗裝置

該套實(shí)驗裝置由泵、并聯(lián)巖心夾持器、氣瓶、壓力控制與監(jiān)測系統(tǒng)、氣液分離與計量系統(tǒng)組成(圖1)。

圖1 多層合采滲流實(shí)驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram showing equipment of multilayer commingled production seepage experiment

2.2 實(shí)驗樣品

進(jìn)行實(shí)驗之前，需根據(jù)實(shí)際地層參數(shù)選擇適宜的實(shí)驗?zāi)M參數(shù)值，使得各參數(shù)接近研究區(qū)地層真實(shí)情況，以確保實(shí)驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和適用性(表1)。

本次實(shí)驗選取大牛地氣田B1井區(qū)和鄰區(qū)的4口探井及評價井，分別取心，測試各樣品的常規(guī)物性(表2)。

2.3 實(shí)驗步驟

① 裝配并標(biāo)記裝有不同巖心的并聯(lián)雙巖心夾持器，打開氣源閥，待巖心初始條件達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后關(guān)閉氣源閥。

② 以回壓閥模擬井口采氣裝置，控制不同的開啟時機(jī)，模擬氣藏初期合采及不同時機(jī)產(chǎn)層合采接替的生產(chǎn)方式，記錄實(shí)驗數(shù)據(jù)，評價不同合采方式對氣藏開發(fā)效果的影響。

③ 采氣端壓力達(dá)到氣藏廢棄壓力后，將殘余氣體放出，分別統(tǒng)計各層模擬實(shí)驗氣藏的地質(zhì)儲量，計算各開采階段的采收率，模擬開采實(shí)驗結(jié)束。

3 多層合采模擬實(shí)驗

在進(jìn)行多層合采模擬實(shí)驗之前，先進(jìn)行單層開采實(shí)驗。對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和整理，發(fā)現(xiàn)滲透率和地層壓力是影響開發(fā)效果的主要因素，其次為采氣速度、巖石圍壓和含水飽和度。故在進(jìn)行多層合采實(shí)驗?zāi)M時設(shè)置兩個變量，即地層壓力和滲透率。

表1 氣藏參數(shù)實(shí)驗?zāi)M值統(tǒng)計Table 1 Statistics of the experimental simulation value for parameters of gas reservoirs

表2 實(shí)驗樣品常規(guī)物性參數(shù)統(tǒng)計Table 2 Statistics of conventional physical parameters of samples

3.1 地層壓力對開發(fā)效果的影響

第一組實(shí)驗樣品為1-1號和13-3號，壓力分別為27.34 MPa和24.13 MPa，模擬地層原始壓力比值為1.1；第二組實(shí)驗壓力為27.34 MPa和21.69 MPa，模擬地層原始壓力比值為1.3，模擬產(chǎn)層孔隙度、滲透率相似、壓力不同的開采效果。

在第一組模擬開采實(shí)驗過程中，可觀察到兩產(chǎn)層氣體流速達(dá)到峰值之后均以指數(shù)趨勢遞減(圖2a)；上產(chǎn)層(高壓層)氣體平均流量略高于下產(chǎn)層(低壓層)，累計產(chǎn)量也略高于下產(chǎn)層?？梢娚袭a(chǎn)層壓力較高，開發(fā)效果優(yōu)于下產(chǎn)層(表3)。

模擬地層壓力比值為1.3時，與壓力比值為1.1

時的開發(fā)效果相比，高壓層的優(yōu)勢更為明顯(圖2b)，可見對于物性相似的合采層位，層間原始地層壓力差異越大，開發(fā)效果差異就越明顯(表3)。

第一組整個實(shí)驗過程中，高壓層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率始終高于低壓層(圖3a)；第二組實(shí)驗與前一組實(shí)驗相比，高壓層的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率較低壓層更高(圖3b)。從兩組實(shí)驗各層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率可以看出，層間原始地層壓力差異越大，產(chǎn)量貢獻(xiàn)率差異就越明顯。實(shí)驗開始階段，高、低壓產(chǎn)層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率差異最大，隨實(shí)驗的進(jìn)行，各層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率逐漸接近。

3.2 滲透率對開發(fā)效果的影響

第一組實(shí)驗樣品為1-2和11-2號，保證原始壓力一致，滲透率比值為3.6，分別放入上、下巖心夾持器，模擬上、下產(chǎn)層；第二組實(shí)驗樣品為1-2和6-1號，保證原始壓力一致，滲透率比值為7.4，分別放入上、下巖心夾持器。

圖2 壓力比值為1.1和1.3時氣體流速隨試驗時間變化趨勢Fig.2 Change trend of gas flow velocity with the testing time when the pressure ratio are 1.1 and 1.3表3 模擬地層壓力比值為1.1時和1.3各層開發(fā)效果統(tǒng)計Table 3 Statistics of development effects for each layer when the simulative formation pressure ratio are 1.1 and 1.3

壓力比值生產(chǎn)層位平均流量/(mL·min-1)累積產(chǎn)量/mL采出程度/%1.1上產(chǎn)層(高壓層)82.431648.673.68下產(chǎn)層(低壓層)65.491357.469.641.3上產(chǎn)層(高壓層)82.431648.673.68下產(chǎn)層(低壓層)59.251185.066.76

圖3 壓力比值為1.1和1.3時各產(chǎn)層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率變化趨勢Fig.3 Change trend of the yield contribution rate of each production layer when the pressure ratio are 1.1 and 1.3

圖4 滲透率比值為3.6和7.4時各產(chǎn)層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率變化趨勢Fig.4 Change trend of the yield contribution rate of each production layer when the permeability ratio is 3.6 and 7.4

當(dāng)模擬層間滲透率比值為3.6時，實(shí)驗初期氣體流速迅速達(dá)到峰值，之后以指數(shù)趨勢遞減，上產(chǎn)層(高滲層)滲透率較高，平均流量、累計產(chǎn)量和最終采收率均高于下產(chǎn)層(低滲層)，開發(fā)效果優(yōu)于下產(chǎn)層。

當(dāng)滲透率比值為7.4時，實(shí)驗初期氣體流速迅速達(dá)到峰值，之后以指數(shù)趨勢遞減，上產(chǎn)層(高滲層)滲透率較高，平均流量、累計產(chǎn)量和最終采收率均高于下產(chǎn)層(低滲層)。與滲透率比值為3.6時的開發(fā)效果相比，高滲層的優(yōu)勢更為明顯，可見對于原始地層壓力相當(dāng)?shù)暮喜蓪游?，層間滲透率比值越大，開發(fā)效果差異就越明顯。

第一組整個實(shí)驗過程中，高滲層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率始終高于低滲層(圖4a)；第二組實(shí)驗與前一組實(shí)驗相比，高滲層的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率較低滲層更高(圖4b)。從兩組實(shí)驗各層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率可以看出，層間滲透率比值越大，產(chǎn)量貢獻(xiàn)率差異就越明顯。實(shí)驗開始階段，高、低滲產(chǎn)層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率差異最大，且比值越大，差異越大。隨實(shí)驗的進(jìn)行，各層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率逐漸接近。其原因在于相近生產(chǎn)壓差下，高滲層會抑制低滲層產(chǎn)氣。但隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，高滲層壓力降低、可采儲量減少，而低滲層地層壓力下降幅度較小，且仍有較多儲量未被動用，因而通過壓力及剩余儲量的差異來彌補(bǔ)滲透率的差異。

3.3 主控因素共同作用對開發(fā)效果的影響

選定樣品1-1號和4-3號，滲透率比值為3.7，第一組實(shí)驗壓力為27.34 MPa和25.34 MPa，模擬地層原始壓力比值為1.1，分別放入上、下巖心夾持器；第二組實(shí)驗壓力為21.69 MPa和25.34 MPa，模擬地層原始壓力比值為0.9，分別放入上、下巖心夾持器。

當(dāng)滲透率比值為3.7、壓力比值為1.1時，上產(chǎn)層(高壓高滲層)氣體平均流量，累計產(chǎn)量、采出程度均比下產(chǎn)層(低壓低滲層)高?？梢娚袭a(chǎn)層物性較好、壓力較高，開發(fā)效果優(yōu)于下產(chǎn)層(表4)。

當(dāng)滲透率比值為3.7、壓力比值為0.9時，實(shí)驗初期氣體流速達(dá)到峰值，之后以指數(shù)趨勢遞減。由于原始地層壓力的減小，上產(chǎn)層(低壓高滲層)的開發(fā)效果較前一組實(shí)驗差，但因物性較好，平均流量仍高于下產(chǎn)層(高壓低滲層)，最終采收率較高(表4)?？梢妼τ诙鄬雍喜蓪游?，日產(chǎn)量的主控因素為物性，最終采收率的主控因素為壓力。

表4 各層開發(fā)效果統(tǒng)計Table 4 Statistics of development effects for each layer

第一組整個實(shí)驗過程中，高壓高滲層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率始終高于低壓低滲層(圖5a)；第二組實(shí)驗初始階段，低壓高滲層的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率高于高壓低滲層，實(shí)驗后期，低壓高滲層的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率不斷下降，從主產(chǎn)氣層變?yōu)榇萎a(chǎn)氣層，而高壓低滲層的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率不斷上升，從次產(chǎn)氣層變?yōu)橹鳟a(chǎn)氣層(圖5b)。

4 合采接替生產(chǎn)模擬實(shí)驗

4.1 低滲層接替高滲層

首先生產(chǎn)滲透率較高的3-2號樣品，當(dāng)模擬地層壓力下降至18.0 MPa和13.5 MPa時，以接替生產(chǎn)的方式合采滲透率較低7-1號樣品，記錄實(shí)驗結(jié)果并與初期合層開采實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行對比。達(dá)到地層廢棄壓力時，合層開采對應(yīng)的試驗時間為23 min，接替生產(chǎn)對應(yīng)

的實(shí)驗時間分別為25 min和28 min。

從開發(fā)效果的角度來看，合層開采采出程度和氣體單位時間流量，均高于接替生產(chǎn)(圖6a；表5)，且在不同的接替時機(jī)下，隨著接替點(diǎn)壓力的降低，氣體流量與采出程度均呈現(xiàn)出降低的趨勢。因此，針對B1井區(qū)各氣層埋深接近，原始地層壓力相近的特點(diǎn)，應(yīng)盡快將主力層合層開采，以獲得最佳的開發(fā)效果，并保證供氣穩(wěn)定。

4.2 高滲層接替低滲層

首先生產(chǎn)滲透率較低的7-1號樣品，當(dāng)模擬地層壓力下降至18.0 MPa和13.5 MPa時，以接替生產(chǎn)的方式合采滲透率較高的3-2號樣品，記錄實(shí)驗結(jié)果并與初期合層開采實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行對比。達(dá)到地層廢棄壓力時，合層開采對應(yīng)的試驗時間為23 min，接替生產(chǎn)對應(yīng)的實(shí)驗時間分別為27 min和31 min。

圖5 各產(chǎn)層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率變化趨勢Fig.5 Change trend of the yield contribution rate of each production layer

圖6 試驗時間與采出程度關(guān)系Fig.6 Relation between testing time and reserve recovery degreea.低滲層接替高滲層；b.高滲層接替低滲層表5 低滲層接替高滲層時不同接替時機(jī) 對開發(fā)效果的影響程度統(tǒng)計Table 5 Statistics of the influences of production conversion time on development effect when low permeability layers replacing high permeability layers

接替時機(jī)平均流量/(mL·min-1)累積產(chǎn)量/mL采出程度/%合采131.043077.369.6218.0MPa120.773045.168.8913.5MPa110.173039.668.77

表6 高滲層接替低滲層時不同接替時機(jī) 對開發(fā)效果的影響程度統(tǒng)計Table 6 Statistics of the influences of production conversion time on development effect when high permeability layers replacing low permeability layers

與低滲層接替生產(chǎn)實(shí)驗相比，高滲層接替生產(chǎn)采出程度和氣體單位時間流量，較合層開采更低(圖6b;表6)。而在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)存在層間壓力差較大時，會發(fā)生氣體的倒灌現(xiàn)象，高壓氣層中的氣會因壓差流入低壓氣層中。當(dāng)高壓氣層物性越好時，高壓層向低壓層倒灌氣量越大，層間干擾越嚴(yán)重。故低滲層接替高滲層和高滲層接替低滲層相比，低滲層接替生產(chǎn)要比高滲層接替生產(chǎn)效果要好，而且還可以較好地回避層間干擾問題的存在。

5 結(jié)論

1) 對于原始地層壓力相當(dāng)?shù)暮喜蓪游?，滲透率大的儲層，產(chǎn)量貢獻(xiàn)大，層間滲透率比值越大，開發(fā)效果差異就越明顯。

2) 在儲層物性相同的條件下，原始地層壓力大的儲層，產(chǎn)量貢獻(xiàn)大，層間原始地層壓力差異越大，產(chǎn)量貢獻(xiàn)率差異就越明顯。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)合采氣層初始壓差過大時，會造成低壓層產(chǎn)氣不利。

3) 對于多層合采井，儲層物性較好的產(chǎn)層，平均產(chǎn)量貢獻(xiàn)率相對較大，累計產(chǎn)氣量相對較高。部分物性相對較差的產(chǎn)層，生產(chǎn)中后期多數(shù)呈產(chǎn)量貢獻(xiàn)率上升的趨勢，可為生產(chǎn)中后期提供穩(wěn)產(chǎn)的保障，為后期調(diào)整指明了方向。

4) 在不同的接替時機(jī)下，隨著接替點(diǎn)壓力的降低，采出程度也隨之降低。使合采效果最好，接替生產(chǎn)時機(jī)越早越好。所以在決定進(jìn)行多層合采時，最好在氣藏開發(fā)初期就進(jìn)行。

5) 低滲層接替高滲層和高滲層接替低滲層相比，低滲層接替生產(chǎn)要比高滲層接替生產(chǎn)效果要好，而且還可以較好地回避層間干擾問題的存在。所以當(dāng)補(bǔ)開的潛力層位的物性差于正在生產(chǎn)的層位時，可以直接打開潛力層進(jìn)行合采。

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(編輯 張玉銀)

Physical simulation on seepage features of commingled production and right time of production conversion for gas wells

Tan Yuhan1，Guo Jingzhe2，Zheng Feng3，Xu Weifeng3

(1.StateKeyLaboratoryofContinentalDynamics,DepartmentofGeology，NorthwestUniversity,Xi’an，Shaanxi710069，China；.TheNo.11OilProductionPlant,ChangqingOilfieldCompany，PetroChina,Xi’an，Shaanxi710069，China；3.TheNo.1GasProductionPlant,NorthChinaBranch，SINOPEC，Zhengzhou，Henan450042，China)

In order to increase single-well productivity and improve development economics of low porosity and low permeability gas reservoirs,many production wells adopt the way of commingled production.By laboratory physical experimental analysis,the development process of commingled production was simulated to study the influences of seepage features of gas reservoir under the combined action of formation pressure,permeability and the main controlling factors on the development effect，and also the timing of production conversion.The results suggest that when commingled production is adopted in gas reservoirs,the yield contribution rate of high pressure and high permeability layers is always higher than that of low pressure and low permeability layers;As for low pressure and high permeability layers,their yield contribution rate is higher than that of high pressure and low permeability layers in the initial phase of the experiment,and they turn from the primary gas pay zones to the secondary gas pay zones in the later phase;Along with the pressure at the conversion points going down,the degree of reserve recovery presents a decreasing trend among different times of production conversion;the effect of production conversion of low permeability layers is better than that of high permeability layers.This is still a new attempt to analyses the seepage features of commingled production through physical simulation experiment and the results provide a reference for making a reasonable development technology strategy for similar gas reservoirs.

commingled production conversion,seepage feature,commingled production,low-permeability tight gas reservoir,Daniudi gas field,Ordos Basin

2014-09-30;

2015-08-11。

譚玉涵(1990—)，女，碩士，油氣田開發(fā)和石油地質(zhì)。E-mail:390817824@qq.com。

國家自然科學(xué)基金項目(41330315)。

0253-9985(2015)06-1009-07

10.11743/ogg20150616

TE37

A