崔國(guó)棟，任韶然，張亮，任博，莊園，李欣，韓波，張攀鋒

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院；2. The University of Texas at Austin）

高溫氣藏地層水蒸發(fā)鹽析規(guī)律及對(duì)產(chǎn)能的影響

崔國(guó)棟1，任韶然1，張亮1，任博2，莊園1，李欣1，韓波1，張攀鋒1

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院；2. The University of Texas at Austin）

為了研究高溫氣藏地層水蒸發(fā)鹽析規(guī)律，根據(jù)油-氣-水三相熱力學(xué)平衡及鹽類溶解/沉淀原理和地層水蒸發(fā)鹽析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了考慮地層水蒸發(fā)、水中NaCl沉淀和儲(chǔ)集層孔滲變化的綜合鹽析模型，對(duì)高溫氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中地層水蒸發(fā)鹽析現(xiàn)象及其影響因素進(jìn)行了分析，并提出了預(yù)防和解除儲(chǔ)集層鹽析傷害的方法。研究結(jié)果表明，氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中鹽析主要發(fā)生于生產(chǎn)井區(qū)域。含水飽和度小于束縛水飽和度時(shí)，生產(chǎn)井區(qū)域最終析出鹽濃度較小，鹽析對(duì)儲(chǔ)集層的影響可以忽略；含水飽和度高于束縛水飽和度時(shí)，流動(dòng)的地層水不斷將NaCl攜帶至井筒處，從而造成生產(chǎn)井區(qū)域NaCl大量析出，嚴(yán)重?fù)p害甚至完全堵塞儲(chǔ)集層，最終縮短氣藏開(kāi)發(fā)生命周期。儲(chǔ)集層溫度、地層水鹽度和儲(chǔ)集層孔隙度的增加會(huì)加劇鹽析對(duì)儲(chǔ)集層的傷害，開(kāi)采速率和儲(chǔ)集層滲透率的增加會(huì)降低鹽析對(duì)儲(chǔ)集層的傷害。圖17表3參20

高溫氣藏；蒸發(fā)鹽析；生產(chǎn)井區(qū)域；含水飽和度；儲(chǔ)集層傷害

0 引言

氣藏開(kāi)發(fā)時(shí)地層水礦化度較高，在儲(chǔ)集層特別是生產(chǎn)井附近析出大量的結(jié)晶鹽，從而傷害儲(chǔ)集層造成氣井產(chǎn)量下降［1-3］。北海氣井生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)表明，生產(chǎn)井持續(xù)開(kāi)采造成的壓力下降，會(huì)加速地層水蒸發(fā)，造成儲(chǔ)集層鹽析傷害，降低氣井產(chǎn)氣速度［4］。這些結(jié)晶鹽以NaCl為主，伴有其他鹽結(jié)晶［5］。近年來(lái)，高溫氣藏中地層水蒸發(fā)鹽析對(duì)儲(chǔ)集層的傷害得到研究者的高度重視［5-10］。研究發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)集層溫度升高，會(huì)加劇地層水蒸發(fā)［11］，造成水中NaCl較快析出，縮短氣藏產(chǎn)氣時(shí)間。氣藏儲(chǔ)集層的高溫特性決定了在地層水鹽度不高時(shí)，也有可能在生產(chǎn)井附近產(chǎn)生嚴(yán)重的鹽析現(xiàn)象［5，10］。

湯勇等［5］對(duì)高溫氣藏開(kāi)發(fā)時(shí)近井地帶地層水鹽度進(jìn)行了模擬，并通過(guò)靜態(tài)蒸發(fā)鹽析實(shí)驗(yàn)研究了NaCl鹽析對(duì)儲(chǔ)集層滲透率的影響。Kleinitz等通過(guò)研究實(shí)際氣井產(chǎn)量，分析了鹽析對(duì)產(chǎn)能的影響［2］。Zuluaga等［12］通過(guò)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，研究了溫度與壓力對(duì)地層水蒸發(fā)的影響。Van Drop等［4］更是通過(guò)CT掃描和數(shù)值模擬對(duì)析出鹽分布進(jìn)行了分析?？傮w而言，對(duì)高溫氣藏鹽析機(jī)理及其影響因素的研究，特別是氣藏開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)對(duì)鹽析和氣井產(chǎn)能的影響還鮮有文獻(xiàn)發(fā)表。

本文主要研究地層水中鈉和氯離子對(duì)鹽析的影響，對(duì)實(shí)際巖心樣品進(jìn)行了蒸發(fā)鹽析實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了鹽析對(duì)儲(chǔ)集層孔隙度和滲透率的影響。同時(shí)在多相滲流和能量守恒方程的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了耦合地層水蒸發(fā)、NaCl沉淀/溶解和孔隙度-滲透率變化的綜合鹽析模型。分析了高溫氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中地層水的流動(dòng)對(duì)蒸發(fā)鹽析的影響和蒸發(fā)鹽析對(duì)儲(chǔ)集層滲透率及產(chǎn)能的影響。對(duì)儲(chǔ)集層溫度、地層水鹽度、開(kāi)采速率、儲(chǔ)集層孔隙度和滲透率對(duì)蒸發(fā)鹽析的影響做了相應(yīng)的敏感性分析，并提出了鹽析相應(yīng)預(yù)防及解決措施。研究結(jié)果對(duì)預(yù)防及解決高溫氣藏蒸發(fā)鹽析、提高氣藏產(chǎn)能和開(kāi)展氣藏后期二次開(kāi)發(fā)（高溫廢棄氣藏地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)、儲(chǔ)氣庫(kù)、CO2埋存）具有一定的指導(dǎo)意義［13-16］。

1 地層水蒸發(fā)鹽析實(shí)驗(yàn)及分析

1.1 靜態(tài)蒸發(fā)鹽析實(shí)驗(yàn)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

①準(zhǔn)備11塊天然砂巖巖心，其中前5塊為高滲巖心，后6塊為低滲巖心，采用飽和蒸餾水稱重法測(cè)量巖心孔隙度，然后烘干巖心，用氮?dú)鉁y(cè)滲透率，巖心初始物性見(jiàn)表1；②采用抽真空方法，將一定濃度，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、15%和25%的NaCl溶液飽和至巖心中；③將巖心烘干后，稱重并計(jì)算孔隙度，用氮?dú)鉁y(cè)滲透率；④清洗巖心，重復(fù)試驗(yàn)，分別測(cè)得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、15%和25%的NaCl溶液鹽析前后的孔隙度和滲透率。

1.1.2 結(jié)果分析

3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。飽和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、15%和25% NaCl溶液的巖心蒸發(fā)后，孔隙度和滲透率均有不同程度的降低（樣品1飽和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液實(shí)驗(yàn)結(jié)果滲透率升高，疑似實(shí)驗(yàn)操作失誤）。說(shuō)明地層水蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致鹽析的產(chǎn)生，進(jìn)而對(duì)儲(chǔ)集層產(chǎn)生一定的傷害。鹽析導(dǎo)致的巖心孔隙度、滲透率下降與地層水礦化度有較好的正相關(guān)關(guān)系。高滲和低滲巖心孔隙度降低率相近；總體上來(lái)看，受巖心孔喉影響，鹽析對(duì)低滲巖心滲透率造成的損傷稍微明顯于高滲巖心。

表1 實(shí)驗(yàn)用巖心初始物性參數(shù)

圖1 靜態(tài)蒸發(fā)鹽析前后巖心孔隙度變化

圖2 靜態(tài)蒸發(fā)鹽析前后巖心滲透率變化

1.2 動(dòng)態(tài)蒸發(fā)鹽析實(shí)驗(yàn)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

動(dòng)態(tài)鹽析實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，主要包括高溫烘箱、巖心夾持器、中間容器、恒壓恒速泵、高低壓干燥器、溫度壓力傳感器等。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

①準(zhǔn)備3塊天然砂巖巖心，采用飽和蒸餾水稱重法測(cè)量巖心孔隙度；②按照?qǐng)D3連接實(shí)驗(yàn)裝置，將飽和質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的NaCl溶液的巖心按編號(hào)依次放入巖心夾持器中，設(shè)置烘箱溫度90 ℃，回壓7 MPa；③溫度、壓力穩(wěn)定后，以0.005 09 m3/min（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）速度持續(xù)注入CH4，同時(shí)記錄低壓干燥劑質(zhì)量；④待低壓干燥劑質(zhì)量不再增加，并穩(wěn)定一段時(shí)間后，停止CH4的注入，巖心中水分全部蒸發(fā)；⑤取出巖心，依據(jù)低壓干燥劑質(zhì)量曲線突然減小時(shí)的值，計(jì)算出巖心束縛水飽和度；⑥巖心取出后，稱重計(jì)算鹽析后巖心質(zhì)量，用氮?dú)鉁y(cè)巖心滲透率。

圖3 動(dòng)態(tài)鹽析實(shí)驗(yàn)驅(qū)替裝置示

1.2.3 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，3塊巖心質(zhì)量增加率分別為0.600%、0.530%和0.535%，說(shuō)明CH4的持續(xù)注入會(huì)導(dǎo)致NaCl沉淀于巖心孔隙中。反應(yīng)后巖心滲透率分別降低12.49%、9.91%和9.61%，與析出鹽質(zhì)量有較好的正相關(guān)性。其中巖心夾持器中不同區(qū)域析出鹽質(zhì)量從注入端至采出端呈先變小后增加規(guī)律。初步分析認(rèn)為，注入的干燥CH4在不斷驅(qū)替地層水的同時(shí)先蒸發(fā)注入?yún)^(qū)域，從而造成注入?yún)^(qū)域地層水NaCl濃度始終高于其他區(qū)域，最終造成注入端鹽析量較大。值得注意的是，本驅(qū)替實(shí)驗(yàn)不同于氣藏徑向流動(dòng)，巖心夾持器前后端壓差較小，流動(dòng)至后端的地層水無(wú)法因壓力降低而進(jìn)一步蒸發(fā)，從而導(dǎo)致后端析出鹽量與中間區(qū)域析出鹽量接近。

表2 動(dòng)態(tài)蒸發(fā)鹽析實(shí)驗(yàn)相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)

2 地層水蒸發(fā)鹽析數(shù)學(xué)模型

2.1 地層水蒸發(fā)模型

基于油-氣-水三相熱力學(xué)平衡理論，采用三相閃蒸方程計(jì)算水蒸氣在天然氣中的溶解度［17］?；痉匠倘缦拢?/p>

物質(zhì)守恒方程：

i組分質(zhì)量守恒方程：

逸度相等準(zhǔn)則：

約束方程：

利用模型計(jì)算出不同溫度、壓力下，水蒸氣在天然氣中的溶解度，其中天然氣由76.36%的CH4、15.38%的H2S和8.26%的CO2組成。水蒸氣在天然氣中的溶解度隨儲(chǔ)集層溫度升高而增大，隨儲(chǔ)集層壓力降低而升高。當(dāng)儲(chǔ)集層壓力降至10 MPa左右時(shí)，天然氣中水蒸氣含量顯著增加。

2.2 NaCl沉淀/溶解模型

本文建立了水中NaCl析出和固體鹽溶解動(dòng)力學(xué)模型，用來(lái)描述水中NaCl溶解/析出過(guò)程：

當(dāng)水中NaCl濃度超過(guò)其溶解度時(shí)，溶解的NaCl從水中析出沉淀；當(dāng)水中NaCl濃度低于其溶解度時(shí)，固體NaCl發(fā)生溶解。由于壓力對(duì)水中NaCl溶解度影響不大，模擬中忽略壓力對(duì)NaCl溶解度的影響，僅考慮溫度對(duì)溶解度的影響，通過(guò)采用插值法，計(jì)算不同溫度下的xequ。

2.3 儲(chǔ)集層孔隙度-滲透率模型

鹽析會(huì)影響儲(chǔ)集層孔隙度，模擬時(shí)儲(chǔ)集層孔隙度與析出的NaCl關(guān)系為：

儲(chǔ)集層孔隙度的變化會(huì)影響滲透率，孔隙度-滲透率關(guān)系可采用Kozeny-Carman方程描述［18-19］：

儲(chǔ)集層孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，若析出的NaCl大都附著于孔喉附近，較小的析出量即可嚴(yán)重影響儲(chǔ)集層滲透率。為了確定（8）式中參數(shù)b的取值，以靜態(tài)鹽析實(shí)驗(yàn)測(cè)得的初始孔隙度、初始滲透率及鹽析后孔隙度為自變量，帶入（8）式，計(jì)算出b不同取值下的滲透率，與鹽析后測(cè)得滲透率進(jìn)行誤差分析，所取b值為0～10，所得方差分別為2.74、2.31、1.90、1.37、1.24、1.29、1.38、1.56、1.78、1.97、2.16。可見(jiàn)，b為4時(shí)，兩者方差最小，故模型中b值取4。

3 模型驗(yàn)證及氣藏蒸發(fā)鹽析模擬

3.1 地層水蒸發(fā)鹽析模型驗(yàn)證

依據(jù)上文動(dòng)態(tài)蒸發(fā)鹽析實(shí)驗(yàn)參數(shù)，建立了動(dòng)態(tài)蒸發(fā)鹽析模擬模型。模型尺寸為13.87 cm×2.21 cm×2.21 cm，網(wǎng)格為20×1×1。模擬時(shí)孔隙度、滲透率取巖心平均值18.64%、45.92×10-3μm2。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中低壓干燥劑質(zhì)量變化曲線，取巖心束縛水飽和度為30%，儲(chǔ)集層比熱容840 J/（kg·K），模擬溫度90 ℃，模擬壓力7 MPa，儲(chǔ)集層導(dǎo)熱系數(shù)2 W/（m·K），圍巖比熱容840 J/（kg·K），圍巖導(dǎo)熱系數(shù)2 W/（m·K），CH4注入速率0.005 09 m3/min，殘余氣飽和度5%，初始鹽度15%。束縛水的蒸發(fā)會(huì)增加氣相相對(duì)滲透率，本文采用修正的Corey相滲曲線（見(jiàn)圖4），模擬高溫氣藏開(kāi)發(fā)時(shí)地層水蒸發(fā)特別是束縛水蒸發(fā)對(duì)氣相相滲和產(chǎn)能的影響。

圖4 氣液相對(duì)滲透率曲線

模型中最終析出鹽濃度分布與動(dòng)態(tài)蒸發(fā)鹽析實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致（見(jiàn)圖5），注入端區(qū)域較早受干燥CH4注入影響，具有較高的鹽析濃度；模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果中鹽析后滲透率降低率總體相符。擬合存在差值主要原因在于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為整塊巖心平均值，從而與模擬結(jié)果有所差別。本文建立的蒸發(fā)鹽析模型可較準(zhǔn)確模擬地層水蒸發(fā)鹽析現(xiàn)象及其對(duì)儲(chǔ)集層物性的影響。

圖5 動(dòng)態(tài)鹽析模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.2 高溫氣藏蒸發(fā)鹽析數(shù)值模擬模型

為分析高溫氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中儲(chǔ)集層地層水蒸發(fā)鹽析規(guī)律及其對(duì)儲(chǔ)集層和產(chǎn)能的影響，建立了高溫氣藏蒸發(fā)鹽析數(shù)值模型。采用徑向模型模擬氣藏開(kāi)發(fā)，氣藏儲(chǔ)集層半徑為995 m，厚度為10 m，考慮到布井方式對(duì)稱性及運(yùn)算速度，模擬時(shí)僅采用模型大小的1/8。網(wǎng)格數(shù)目及徑向尺寸由井筒向外依次為1×1 m、1×2 m、1×3 m、1×4 m、1×5 m、1×6 m、1×7 m、1×8 m、1×9 m、95×10 m，徑向共104個(gè)網(wǎng)格。所建模型劃分網(wǎng)格為104×1×1，參考?jí)毫?5 MPa，開(kāi)采速率5×104m3/d，參考深度4 000 m，儲(chǔ)集層、圍巖比熱容均為840 J/（kg·K），儲(chǔ)集層溫度130 ℃，儲(chǔ)集層導(dǎo)熱系數(shù)2 W/（m·K），儲(chǔ)集層孔隙度10%，水平、垂直儲(chǔ)集層滲透率分別為50×10-3μm2、5×10-3μm2，圍巖導(dǎo)熱系數(shù)2 W/（m·K），束縛水飽和度30%，殘余氣飽和5%，初始鹽度5%，采用修正的Corey相滲曲線，模擬時(shí)采用摩爾分?jǐn)?shù)表征水中NaCl濃度。儲(chǔ)集層上下為封閉邊界，僅有能量傳遞。當(dāng)井底流壓低于3 MPa時(shí)，生產(chǎn)井關(guān)閉，模擬結(jié)束。

為分析高溫氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中儲(chǔ)集層物性及開(kāi)采速率等對(duì)蒸發(fā)鹽析的影響，在保持高溫氣藏蒸發(fā)鹽析基本模型參數(shù)不變情況下，只改變模型中儲(chǔ)集層初始溫度、地層水初始鹽度、儲(chǔ)集層初始孔隙度、儲(chǔ)集層初始滲透率和開(kāi)采速率，對(duì)其做了相應(yīng)的敏感性研究，方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析討論

4.1 地層水蒸發(fā)鹽析規(guī)律

儲(chǔ)集層初始含水飽和度會(huì)影響高溫氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中蒸發(fā)鹽析現(xiàn)象。小于或等于束縛水飽和度時(shí)，地層水僅發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象。高于束縛水飽和度時(shí)，地層水不僅會(huì)蒸發(fā)至天然氣中，同時(shí)也會(huì)在生產(chǎn)壓差下流向生產(chǎn)井。分別建立了地層水初始飽和度為20%和40%的2個(gè)模型，用于分析地層水流動(dòng)對(duì)蒸發(fā)鹽析規(guī)律的影響。

表3 敏感性方案設(shè)計(jì)

初始含水飽和度為20%時(shí)，氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中儲(chǔ)集層析出鹽濃度和壓力分布見(jiàn)圖6。隨著氣藏的持續(xù)開(kāi)發(fā)，儲(chǔ)集層壓力逐漸下降，最終在生產(chǎn)井區(qū)域（半徑在10 m范圍內(nèi)）發(fā)生鹽析。這是因?yàn)樯a(chǎn)井區(qū)域壓力最低，蒸發(fā)作用最為嚴(yán)重。分析生產(chǎn)井區(qū)域蒸發(fā)鹽析過(guò)程可知，隨著壓力的持續(xù)下降，地層水不斷蒸發(fā)至天然氣中造成地層水飽和度持續(xù)下降，水中NaCl濃度逐漸升高。開(kāi)采1 300 d左右時(shí)，水中NaCl濃度達(dá)到其溶解飽和度（摩爾分?jǐn)?shù)0.11）進(jìn)而從水中析出，最終析出量可達(dá)160 mol/m3左右（見(jiàn)圖7）。同時(shí)可以看出，鹽析會(huì)造成生產(chǎn)井區(qū)域孔隙度下降，但幅度較小。

由圖8可知，與含水飽和度為20%時(shí)相似，含水飽和度為40%時(shí)鹽析主要發(fā)生于生產(chǎn)井區(qū)域，但是生產(chǎn)井區(qū)域最終析出鹽濃度高達(dá)1.7×104mol/m3，遠(yuǎn)超過(guò)含水飽和度為20%時(shí)的析出鹽濃度（160 mol/m3）。分析生產(chǎn)井區(qū)域蒸發(fā)鹽析過(guò)程可以看出（見(jiàn)圖9），氣藏開(kāi)發(fā)前期，含水飽和度下降較慢，而相應(yīng)NaCl濃度上升較快。1 050 d時(shí)，含水飽和度僅降為32%左右，而水中NaCl濃度已到達(dá)其溶解度。這是因?yàn)闅獠亻_(kāi)采過(guò)程中，地層水在生產(chǎn)壓差下不斷流向生產(chǎn)井，補(bǔ)償了生產(chǎn)井區(qū)域蒸發(fā)導(dǎo)致的地層水損失。在地層水不斷補(bǔ)充和蒸發(fā)雙重作用下，被水?dāng)y帶的NaCl不斷在生產(chǎn)井區(qū)域富集沉淀，造成嚴(yán)重的鹽析現(xiàn)象。氣藏開(kāi)發(fā)結(jié)束時(shí)，生產(chǎn)井區(qū)域孔隙度降幅50%左右，會(huì)縮短氣藏開(kāi)發(fā)時(shí)間。

圖6 初始含水飽和度為20%時(shí)析出鹽濃度與壓力分布

圖7 初始含水飽和度為20%時(shí)井筒所在網(wǎng)格區(qū)域蒸發(fā)鹽析變化圖

圖8 初始含水飽和度為40%時(shí)析出鹽濃度與壓力分布

圖9 初始含水飽和度為40%時(shí)井筒所在網(wǎng)格區(qū)域蒸發(fā)鹽析變化圖

4.2 蒸發(fā)鹽析敏感性分析

4.2.1 含水飽和度

由上文分析可知，地層水的流動(dòng)對(duì)蒸發(fā)鹽析影響顯著。為此，進(jìn)行了不同含水飽和度下高溫氣藏開(kāi)采模擬，模擬結(jié)果見(jiàn)圖10、圖11。Sw≤30%時(shí)，析出的鹽全部來(lái)自不流動(dòng)的地層水，其濃度隨含水飽和度增加緩慢增加，對(duì)氣藏最終產(chǎn)量影響不大。30%≤Sw≤45%時(shí)，析出鹽濃度隨含水飽和度增加迅速增加，對(duì)應(yīng)滲透率迅速減小。此時(shí)地層水流動(dòng)造成NaCl不斷在生產(chǎn)井區(qū)域富集析出，給氣藏開(kāi)發(fā)造成嚴(yán)重傷害。Sw=45%時(shí)，最終析出鹽濃度高達(dá)4.3×104mol/m3左右（見(jiàn)圖11），滲透率降至0，造成氣藏最終產(chǎn)量降低8%。Sw＞50%時(shí)，地層水含量較高，天然氣可采儲(chǔ)量降低，使得氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中地層水蒸發(fā)至天然氣中含量較小，水中NaCl難以達(dá)到其飽和溶解度，從而無(wú)鹽析發(fā)生。

4.2.2 儲(chǔ)集層溫度

圖12為不同儲(chǔ)集層初始溫度下生產(chǎn)井區(qū)域最終析出鹽濃度。Sw≤30%時(shí)，儲(chǔ)集層溫度的變化幾乎不會(huì)影響析出鹽濃度。Sw＞30%時(shí)，地層水蒸發(fā)受儲(chǔ)集層溫度影響，生產(chǎn)井區(qū)域最終析出鹽濃度隨儲(chǔ)集層初始溫度升高而增加。儲(chǔ)集層初始溫度高于130 ℃后，鹽析甚至可完全堵塞生產(chǎn)井區(qū)域儲(chǔ)集層。儲(chǔ)集層初始溫度越高，產(chǎn)生鹽析現(xiàn)象的含水飽和度范圍越大，蒸發(fā)鹽析現(xiàn)象越嚴(yán)重，氣藏最終產(chǎn)量受鹽析影響降幅越大。

4.2.3 地層水鹽度

圖13為不同地層水初始鹽度下生產(chǎn)井區(qū)域最終析出鹽濃度?？傮w上析出鹽濃度隨地層水鹽度增加而增加。Sw≤30%時(shí)，析出鹽全部來(lái)自不流動(dòng)的地層水，鹽度的變化對(duì)析出鹽濃度影響較小；Sw＞30%時(shí)，受地層水的流動(dòng)影響，最終析出鹽濃度不與地層水初始鹽度成正比關(guān)系。水中NaCl摩爾分?jǐn)?shù)高于0.016時(shí)，在一定含水飽和度時(shí)鹽析甚至將完全堵塞生產(chǎn)井區(qū)域，從而嚴(yán)重影響氣藏后續(xù)開(kāi)發(fā)。模擬結(jié)果表明，儲(chǔ)集層地層水初始鹽度越高，蒸發(fā)鹽析現(xiàn)象越嚴(yán)重，氣藏最終產(chǎn)量受鹽析影響降幅越大。

圖10 氣藏開(kāi)發(fā)結(jié)束時(shí)生產(chǎn)井區(qū)域析出鹽濃度

圖11 不同含水飽和度下鹽析對(duì)氣藏產(chǎn)量的影響

圖12 不同儲(chǔ)集層初始溫度下生產(chǎn)井區(qū)域析出鹽濃度

圖13 不同地層水初始鹽度下生產(chǎn)井區(qū)域析出鹽濃度

4.2.4 開(kāi)采速率

圖14反映了氣藏開(kāi)采速率對(duì)生產(chǎn)井區(qū)域鹽析現(xiàn)象的影響。Sw≤30%時(shí)，開(kāi)采速率對(duì)儲(chǔ)集層最終析出鹽濃度影響不大。Sw＞30%時(shí)，受地層水的流動(dòng)和開(kāi)采速率等因素影響，總體上最終析出鹽濃度隨開(kāi)采速率的增加逐漸減小。這是因?yàn)殡S著開(kāi)采速率的增加，單位距離生產(chǎn)壓差增大，導(dǎo)致天然氣最終產(chǎn)量降低。天然氣產(chǎn)量越低，蒸發(fā)至天然氣中的水分越少，導(dǎo)致最終析出鹽減小。模擬結(jié)果表明，隨著開(kāi)采速率的增加，鹽析對(duì)氣藏最終產(chǎn)量的影響幾乎相同。這是因?yàn)榈烷_(kāi)采速率下較長(zhǎng)的開(kāi)采時(shí)間減弱了鹽析對(duì)儲(chǔ)集層產(chǎn)量的影響，故隨著開(kāi)采速率的增加，雖然生產(chǎn)井區(qū)域鹽析對(duì)儲(chǔ)集層傷害降低，但氣藏最終產(chǎn)量受鹽析影響降幅幾乎相同。

圖14 不同開(kāi)采速率下生產(chǎn)井區(qū)域析出鹽濃度

4.2.5 儲(chǔ)集層孔隙度

圖15為不同儲(chǔ)集層初始孔隙度下生產(chǎn)井區(qū)域最終析出鹽濃度。Sw≤30%時(shí)，受地層水流動(dòng)性限制，不同孔隙度下最終析出鹽濃度相同。Sw＞30%時(shí)，生產(chǎn)井區(qū)域最終析出鹽濃度隨儲(chǔ)集層孔隙度的增加而增大。儲(chǔ)集層孔隙度變化主要影響儲(chǔ)集層天然氣和地層水儲(chǔ)量?？紫抖仍黾雍?，儲(chǔ)集層內(nèi)天然氣儲(chǔ)量和地層水儲(chǔ)量相應(yīng)增加，流經(jīng)生產(chǎn)井區(qū)域的天然氣和地層水量均增加，加劇了生產(chǎn)井區(qū)域地層水蒸發(fā)和鹽析的累計(jì)作用，使得更多NaCl被攜帶至生產(chǎn)井區(qū)域并沉淀下來(lái)，最終造成生產(chǎn)井區(qū)域析出鹽濃度增加。模擬結(jié)果表明，孔隙度越大，生產(chǎn)井區(qū)域鹽析現(xiàn)象越嚴(yán)重，相應(yīng)儲(chǔ)集層傷害越大，最終產(chǎn)量受鹽析影響越大。

圖15 不同儲(chǔ)集層初始孔隙度下生產(chǎn)井區(qū)域析出鹽濃度

4.2.6 儲(chǔ)集層滲透率

圖16反映了儲(chǔ)集層初始滲透率對(duì)生產(chǎn)井區(qū)域鹽析現(xiàn)象的影響。Sw≤30%時(shí)，儲(chǔ)集層滲透率對(duì)最終析出鹽濃度影響不大。Sw＞30%時(shí)，析出鹽濃度隨滲透率的變化較為復(fù)雜，但可以看出，當(dāng)Sw=45%時(shí)，生產(chǎn)井區(qū)域最終析出鹽濃度隨滲透率增加呈先降低后升高的變化規(guī)律，這是因?yàn)闈B透率較低時(shí)，需要較高的生產(chǎn)壓差維持產(chǎn)氣速率，從而造成儲(chǔ)集層壓力下降幅度增加。儲(chǔ)集層壓力下降會(huì)增加水蒸氣在天然氣中的溶解度，加劇地層水蒸發(fā)，從而使得生產(chǎn)井區(qū)域析出鹽濃度升高。而隨著滲透率的繼續(xù)增加（大于100×10-3μm2），氣藏產(chǎn)量增加對(duì)地層水蒸發(fā)的影響超過(guò)了壓降對(duì)地層水蒸發(fā)的影響，使得生產(chǎn)井區(qū)域析出鹽濃度又開(kāi)始上升。模擬結(jié)果表明，總體上滲透率越低，生產(chǎn)井區(qū)域鹽析現(xiàn)象越嚴(yán)重，相應(yīng)儲(chǔ)集層傷害越大，氣藏最終產(chǎn)量受鹽析影響越大。

圖16 不同儲(chǔ)集層初始滲透率下生產(chǎn)井區(qū)域析出鹽濃度

4.3 鹽析預(yù)防及解決措施

含水飽和度高于束縛水飽和度后，地層水的流動(dòng)加劇了生產(chǎn)井區(qū)域鹽析現(xiàn)象，從而嚴(yán)重?fù)p害儲(chǔ)集層。氣藏儲(chǔ)集層較厚時(shí)，Sw＞30%時(shí)，地層水受重力、毛管力作用會(huì)在垂向上具有不同的飽和度。圖17為氣藏垂向分層（10層）射孔模擬結(jié)果，可以看出，隨著氣藏的開(kāi)采，儲(chǔ)集層壓力逐漸降低，地層水蒸發(fā)導(dǎo)致生產(chǎn)井區(qū)域水中NaCl濃度顯著上升。受儲(chǔ)集層流體垂向分布影響，儲(chǔ)集層下部較高的含水飽和度導(dǎo)致井筒下部射孔處析出鹽濃度遠(yuǎn)高于井筒上部射孔處析出鹽濃度。為預(yù)防高溫氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中鹽析堵塞儲(chǔ)集層情況發(fā)生，井筒射孔位置應(yīng)位于含水飽和度較小區(qū)域，如氣藏儲(chǔ)集層上部。

由蒸發(fā)鹽析敏感性分析可知，生產(chǎn)井鉆遇高含水飽和度氣藏儲(chǔ)集層區(qū)域時(shí)，地層水鹽度、儲(chǔ)集層溫度和開(kāi)采速率會(huì)對(duì)儲(chǔ)集層蒸發(fā)鹽析產(chǎn)生較大的影響。在不影響氣藏最終產(chǎn)量基礎(chǔ)上，應(yīng)以較快的開(kāi)采速率開(kāi)發(fā)氣藏，以降低鹽析對(duì)儲(chǔ)集層的傷害。通過(guò)壓裂等增產(chǎn)措施，可提高儲(chǔ)集層滲透率，從而減緩鹽析對(duì)儲(chǔ)集層的傷害，但壓裂亦會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)集層孔隙度的增加，從而加劇鹽析對(duì)儲(chǔ)集層的傷害。可見(jiàn)，采取相應(yīng)措施避免高溫氣藏鹽析損害時(shí)，應(yīng)根據(jù)氣藏具體儲(chǔ)集層特征和地層水鹽度，采用不同的方法。若高溫氣藏開(kāi)發(fā)時(shí)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的鹽析現(xiàn)象，可采用生產(chǎn)井注低礦化度水方法溶解井筒及生產(chǎn)井區(qū)域處析出的NaCl［5，20］。

圖17 儲(chǔ)集層垂向物性分布圖

5 結(jié)論

根據(jù)油-氣-水三相熱力學(xué)平衡及鹽類溶解/沉淀理論，建立了耦合地層水蒸發(fā)、水中NaCl沉淀和儲(chǔ)集層孔隙度和滲透率變化的綜合鹽析模型，可對(duì)高溫氣藏開(kāi)發(fā)中發(fā)生的蒸發(fā)鹽析現(xiàn)象及其對(duì)產(chǎn)能的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

高溫氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，初始含水飽和度對(duì)蒸發(fā)鹽析影響顯著。小于束縛水飽和度時(shí)，近井區(qū)域析出鹽濃度較小，鹽析對(duì)儲(chǔ)集層和產(chǎn)能的影響可以忽略；高于束縛水飽和度時(shí)，流動(dòng)的地層水不斷將NaCl攜帶至井筒處，會(huì)造成生產(chǎn)井區(qū)域NaCl大量析出，嚴(yán)重?fù)p害甚至完全堵塞儲(chǔ)集層，縮短氣藏開(kāi)發(fā)時(shí)間；但當(dāng)含水飽和度更高時(shí)，地層水蒸發(fā)量的相對(duì)減少導(dǎo)致鹽析不會(huì)發(fā)生。

儲(chǔ)集層初始溫度、地層水初始鹽度、開(kāi)采速率、儲(chǔ)集層孔隙度和儲(chǔ)集層滲透率均會(huì)影響儲(chǔ)集層蒸發(fā)鹽析現(xiàn)象。儲(chǔ)集層溫度、地層水鹽度和儲(chǔ)集層孔隙度的增加會(huì)使生產(chǎn)井區(qū)域最終析出鹽濃度升高，加劇鹽析對(duì)儲(chǔ)集層的傷害，導(dǎo)致氣藏最終產(chǎn)量降幅增加；開(kāi)采速率和儲(chǔ)集層滲透率的增加會(huì)使生產(chǎn)井區(qū)域最終析出鹽濃度降低，減輕鹽析對(duì)儲(chǔ)集層的傷害，導(dǎo)致氣藏最終產(chǎn)量降幅減小。

井筒位于氣水過(guò)渡帶時(shí)，下部射孔處含水飽和度較高，會(huì)加劇儲(chǔ)集層鹽析，使得井筒下部射孔區(qū)域鹽析現(xiàn)象嚴(yán)重。為預(yù)防高溫氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中蒸發(fā)鹽析對(duì)氣藏產(chǎn)能的影響，射孔位置應(yīng)盡量在低含水飽和度處，如氣藏上部區(qū)域。若鹽析影響到氣井生產(chǎn)時(shí)，可采用注低礦化度水方法溶解井筒及近井區(qū)域鹽類物質(zhì)。

符號(hào)注釋：

b——關(guān)系指數(shù)，取整數(shù)；Cs——單位孔隙體積中析出的鹽量，mol/m3；Cs0——初始時(shí)刻單位孔隙體積中析出的鹽量，模擬中為0，mol/m3；C——巖石壓縮系數(shù)，kPa-1；cs——NaCl的反應(yīng)濃度系數(shù)，%；Ea——活化能，與具體反應(yīng)相關(guān)，本文不考慮鹽析過(guò)程中儲(chǔ)集層溫度的變化，假定其值為0，J/mol；fli——組分i在油相中的逸度，kPa；fvi——組分i在氣相中的逸度，kPa；fwi——組分i在水相中的逸度，kPa；K——儲(chǔ)集層當(dāng)前滲透率，10-3μm2；K0——儲(chǔ)集層初始滲透率，10-3μm2；L——平衡時(shí)油相摩爾分?jǐn)?shù)；Lw——平衡時(shí)水相摩爾分?jǐn)?shù)；n——組分個(gè)數(shù)；p——儲(chǔ)集層當(dāng)前壓力，kPa；p0——儲(chǔ)集層初始?jí)毫?，kPa；R——通用氣體常數(shù)，J/（mol·K）；Sw——含水飽和度，%；T0——參考溫度，℃；V——平衡時(shí)氣相摩爾分?jǐn)?shù)；v——單位體積水中NaCl沉淀速率，mol/（s·m3）；xi——油相中組分i的摩爾分?jǐn)?shù)；xequ——NaCl在水中溶解度，%；xs——NaCl在水中的實(shí)際濃度，%；xwi——水相中組分i的摩爾分?jǐn)?shù)；yi——?dú)庀嘀薪M分i的摩爾分?jǐn)?shù)；zi——組分i的總摩爾分?jǐn)?shù)；κ——常數(shù)，與具體反應(yīng)相關(guān)，本文取值為100，s-1；ρs——析出鹽物質(zhì)的量濃度，mol/m3；ρw——地層水物質(zhì)的量濃度，mol/m3；φ——鹽析（或溶解）及儲(chǔ)集層壓力變化后的儲(chǔ)集層孔隙度，%；φ0——儲(chǔ)集層初始孔隙度，%。

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（編輯 張敏）

Formation water evaporation induced salt precipitation and its effect on gas production in high temperature natural gas reservoirs

CUI Guodong1，REN Shaoran1，ZHANG Liang1，REN Bo2，ZHUANG Yuan1，LI Xin1，HAN Bo1，ZHANG Panfeng1
（1.School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.The University of Texas at Austin，Texas 78712，USA）

To study the pattern of formation water evaporation and salt precipitation，based on the oil-gas-water three phase thermodynamic equilibrium，the principle of salt dissolution/precipitation，and results of formation water evaporation and salt precipitation experiment，a comprehensive salt precipitation model considering formation water evaporation，precipitation of NaCl in water，and reservoir porosity and permeability variations was established to analyze the salt precipitation and its influence factors during the development of high temperature gas reservoir，and some methods preventing and removing salt precipitation were proposed. The study results show that salt precipitation usually occurs in production well area during development of gas reservoir. When the initial formation water saturation is less than the irreducible water saturation，the concentration of precipitated salt from production well area will be lower，and the influence of salt precipitation on reservoir can be ignored. When initial formation water saturation is higher than irreducible water saturation，the flowing formation water constantly carries NaCl to the well bore，leading to massive precipitation of NaCl in the production well area，damaging or even plugging the reservoir completely，and shortening the development life cycle of gas reservoir at last. The increase of reservoir temperature，formation water salinity and reservoir porosity will intensify reservoir damage caused by salt precipitation. But the increase of production rate and reservoir permeability will reduce reservoir damage caused by salt precipitation. The results of this study can guide the prevention and removal of salt precipitation，enhancement of gas reservoir productive capacity and secondary development of high temperature gas reservoir.

high temperature gas reservoir； water evaporation and salt precipitation； production well area； formation water saturation；reservoir damage

山東省自然科學(xué)青年基金項(xiàng)（ZR2013EEQ032）；青島市科技計(jì)劃項(xiàng)目產(chǎn)學(xué)研合作引導(dǎo)計(jì)劃（13-1-4-254-jch）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（15CX05036A）；利用CO2循環(huán)開(kāi)采高溫廢棄氣藏地?zé)釞C(jī)制及潛力評(píng)價(jià)研究（51674282）

TE121.1

A

1000-0747（2016）05-0749-09

10.11698/PED.2016.05.10

崔國(guó)棟（1990-），男，河北滄州人，中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院在讀博士研究生，主要從事高溫油氣藏開(kāi)發(fā)及油-氣-水-固多相流動(dòng)模擬等方面的研究工作。地址：山東省青島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)長(zhǎng)江西路66號(hào)，中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，郵政編碼：266580。E-mail：cgdcui@163.com

聯(lián)系作者：張亮（1983-），男，山東泰安人，博士，中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院副教授，主要從事注氣提高采收率，CO2埋存及利用，非常規(guī)能源和油氣井流動(dòng)安全研究。地址：山東省青島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)長(zhǎng)江西路66號(hào)，中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，郵政編碼：266580。E-mail：zhlupc@upc.edu.cn

2016-01-02

2016-06-27