孫春柳　侯吉瑞　石　磊　梁　沖　甘忠海

1.中國(guó)石油大學(xué)（北京） 2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油氣地下儲(chǔ)庫(kù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 4.中國(guó)石油遼河油田公司市場(chǎng)管理部

氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)注采運(yùn)行物理模擬研究與應(yīng)用

孫春柳1,2,3侯吉瑞1石磊2,3梁沖2甘忠海4

1.中國(guó)石油大學(xué)（北京） 2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油氣地下儲(chǔ)庫(kù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 4.中國(guó)石油遼河油田公司市場(chǎng)管理部

孫春柳等. 氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)注采運(yùn)行物理模擬研究與應(yīng)用. 天然氣工業(yè), 2016,36(5):58-61.

氣藏型地下儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中常出現(xiàn)實(shí)際庫(kù)容量小于設(shè)計(jì)庫(kù)容量及運(yùn)行效率低等問(wèn)題。為此，研發(fā)了物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，定量研究了氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)與注采運(yùn)行機(jī)理。以水侵砂巖氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)為例，采用該系統(tǒng)針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)高速反復(fù)注采的工況，研究了建庫(kù)氣驅(qū)機(jī)理、多周期注采過(guò)程氣水滲流規(guī)律及其對(duì)庫(kù)容量和注采能力的影響，確定了影響氣庫(kù)運(yùn)行效率的主控因素；并與礦場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：①儲(chǔ)層受邊水運(yùn)移影響，孔隙空間可利用程度逐步降低，氣相滲流阻力逐步增加，從而影響氣庫(kù)擴(kuò)容及注采效果；②儲(chǔ)層的可動(dòng)含氣孔隙空間比例隨注采周期增加呈上升趨勢(shì)，由于受儲(chǔ)層孔喉分布非均質(zhì)性、驅(qū)替壓力梯度限制以及細(xì)小孔喉較強(qiáng)的毛細(xì)管力作用，擴(kuò)容所增加的可動(dòng)孔隙空間有限，使可動(dòng)孔隙空間利用效率較低，約為45%；③物理模擬孔隙空間利用率與儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程變化趨勢(shì)相同，誤差在5%以?xún)?nèi)。結(jié)論認(rèn)為：該物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所得結(jié)果的可靠度較高，有助于制定合理的運(yùn)行制度，最大限度地提高儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行效率。

氣藏 地下儲(chǔ)氣庫(kù) 物理模擬 注采運(yùn)行機(jī)理 應(yīng)用 氣水滲流規(guī)律

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 5, pp.58-61,5/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

氣藏改建地下儲(chǔ)氣庫(kù)是解決天然氣供需失衡、實(shí)現(xiàn)季節(jié)調(diào)峰、保障穩(wěn)定供應(yīng)的有效方法之一[1-2]。在氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了實(shí)際庫(kù)容量小于設(shè)計(jì)庫(kù)容量、運(yùn)行效率低等問(wèn)題，迫切需要在這一領(lǐng)域開(kāi)展深入的物理模擬研究，以對(duì)氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)和注采運(yùn)行提供有力技術(shù)支撐。但目前對(duì)此類(lèi)儲(chǔ)氣庫(kù)由建庫(kù)至注采運(yùn)行的全周期物理模擬研究相對(duì)薄弱[3-4]。

針對(duì)氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)及運(yùn)行特征，研發(fā)了“氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)及運(yùn)行物理模擬系統(tǒng)”，可實(shí)現(xiàn)地層條件下氣藏型儲(chǔ)層建庫(kù)及周期運(yùn)行的全程仿真模擬，并為建庫(kù)孔隙空間動(dòng)用效果及其主控因素分析、氣藏儲(chǔ)層建庫(kù)及注采運(yùn)行效率評(píng)價(jià)及建庫(kù)，以及氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行機(jī)理研究提供了可靠的技術(shù)支持。

筆者以水侵砂巖氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)為例，綜合利用物理模擬評(píng)價(jià)手段，研究建庫(kù)氣驅(qū)機(jī)理、多周期注采過(guò)程氣水滲流規(guī)律及其對(duì)庫(kù)容量和注采能力的影響，確定了影響氣庫(kù)運(yùn)行效率的主控因素，為氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)及運(yùn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠參考依據(jù)。

1　氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)及運(yùn)行物理模擬系統(tǒng)

氣藏型地下儲(chǔ)氣庫(kù)(圖1)建庫(kù)及注采運(yùn)行效果受多因素影響，主要包括：地質(zhì)構(gòu)造特征、儲(chǔ)層物性條件、儲(chǔ)層流體滲流特征及注采制度等[5-6]。地下儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，儲(chǔ)層中多相流體分布及滲流關(guān)系十分復(fù)雜[7-9]，庫(kù)容、工作氣等參數(shù)指標(biāo)變化規(guī)律無(wú)法預(yù)測(cè)[10-12]。因此有必要建立適合此類(lèi)儲(chǔ)氣庫(kù)的物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其中室內(nèi)物理模擬是其中的重要組成部分。

圖1　氣 藏型地下儲(chǔ)氣庫(kù)簡(jiǎn)圖

“氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)及運(yùn)行物理模擬系統(tǒng)”包括控制及數(shù)據(jù)采集、氣液驅(qū)替、核磁共振3大模塊，可全程智能化仿真模擬氣藏型儲(chǔ)層建庫(kù)及周期注采運(yùn)行過(guò)程，研究地層條件下氣庫(kù)運(yùn)行多相滲流規(guī)律、分布特征及其作用機(jī)理，評(píng)價(jià)建庫(kù)效果及注采氣能力。

氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)物理模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，控制及數(shù)據(jù)采集、核磁共振、氣液驅(qū)替3大模塊之間相互配合，共同實(shí)現(xiàn)了建庫(kù)及注采運(yùn)行仿真模擬。

1）控制及數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)智能控制儲(chǔ)氣庫(kù)注采運(yùn)行模擬流程，在線采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，模擬結(jié)束給出實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果。

2）氣液驅(qū)替模塊針對(duì)地下儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層條件及注采運(yùn)行特征，可完成地層條件下多輪次氣水互驅(qū)、建庫(kù)及周期注采運(yùn)行模擬等仿真實(shí)驗(yàn)。

3）核磁共振分析模塊可配合仿真物理模擬，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中T1/T2孔隙大小分布、自由流體指數(shù)及束縛容積指數(shù)等參數(shù)變化，量化分析氣庫(kù)孔隙空間動(dòng)用效果，此模塊具有信噪比高、靈敏度高、回波時(shí)間短的特點(diǎn)。

2　注采運(yùn)行機(jī)理分析

2.1注采運(yùn)行物理模擬流程

考慮各種敏感因素對(duì)氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氣空間和多相滲流特征的影響[13-16]創(chuàng)立了實(shí)驗(yàn)方法。針對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)層地質(zhì)特征，分別進(jìn)行成藏、開(kāi)采、建庫(kù)以及周期循環(huán)注采模擬。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需記錄注采時(shí)間、流量、壓力及采氣過(guò)程中的采液量，并統(tǒng)計(jì)擴(kuò)容及注采效果。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下。

1）前期準(zhǔn)備。用模擬地層水驅(qū)替飽和水的巖心，測(cè)量巖心滲透率。

2）成藏及開(kāi)采模擬。由模型左端口定壓注入氮?dú)怛?qū)替模型中的液相至束縛水狀態(tài)，再由模型右端口定壓注入模擬地層水驅(qū)替模型中的氣相至殘余氣狀態(tài)。

3）建庫(kù)模擬。由模型左端口定流量注入氮?dú)怛?qū)替模型中的液相，直至右端口見(jiàn)氣關(guān)閉右端口，繼續(xù)向左端口注入氣，直至模型壓力達(dá)到上限壓力關(guān)閉模型左端口。

4）周期注采模擬。關(guān)井一段時(shí)間，打開(kāi)左端口，定流量采氣，直至模型壓力達(dá)到下限壓力關(guān)閉模型左端口。從首次注氣開(kāi)始模型右部端口不再打開(kāi)，模型左部端口既是注入口又是采出口，如此循環(huán)注采多個(gè)周期后停止實(shí)驗(yàn)。

2.2注采運(yùn)行仿真模擬分析

根據(jù)多周期注采仿真模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，儲(chǔ)層高滲透區(qū)是氣水兩相主要的流動(dòng)通道，氣體波及效果好，庫(kù)容動(dòng)用程度較高，在相同的注采運(yùn)行條件下，低滲透區(qū)動(dòng)用效果較差。由于受儲(chǔ)層孔喉分布非均質(zhì)性及氣驅(qū)壓力梯度的限制，擴(kuò)容增加的含氣孔隙空間有限，注采模擬結(jié)束后，高、低滲透儲(chǔ)層部分孔隙空間都存在地層水而無(wú)法被氣體所占據(jù)(圖2)。

圖2　儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行模擬孔隙 空間動(dòng)用效果圖

周期注采模擬過(guò)程中，儲(chǔ)層的可動(dòng)含氣孔隙空間比例呈上升趨勢(shì)，不可動(dòng)含氣孔隙空間比例呈下降趨勢(shì)，表明隨注采周期增加，氣相在孔喉發(fā)育區(qū)快速流動(dòng)不斷攜帶和干燥液相，同時(shí)細(xì)喉中的水膜由于強(qiáng)水濕作用向較大喉道處聚集，隨注采周期增加逐漸釋放被地層水和死氣區(qū)占據(jù)的儲(chǔ)集空間，不斷向可動(dòng)孔隙空間轉(zhuǎn)化，儲(chǔ)層可動(dòng)含氣飽和度升高，庫(kù)容可動(dòng)用程度增加，不可動(dòng)用儲(chǔ)集空間相應(yīng)減少(圖3)。

圖3　儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行模擬孔隙空間總體動(dòng)用效果圖

3　應(yīng)用及效果

針對(duì)大港板876區(qū)塊氣藏儲(chǔ)層條件進(jìn)行孔隙空間利用率動(dòng)態(tài)分析，物理模擬與儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果變化趨勢(shì)相同，兩者誤差在5%以?xún)?nèi)，可見(jiàn)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行曲線與物理模擬結(jié)果的匹配度較高，物理模擬結(jié)果符合礦場(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行規(guī)律(圖4)。因此，建立的物理模擬方法滿足礦場(chǎng)的應(yīng)用要求，可以作為氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)與運(yùn)行方案設(shè)計(jì)及實(shí)施的依據(jù)。

圖4　儲(chǔ)氣庫(kù)孔隙空間總體動(dòng)用效果模擬與實(shí)際運(yùn)行對(duì)比圖

4　結(jié)論

1）針對(duì)氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)，研發(fā)的“氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)及運(yùn)行物理模擬系統(tǒng)”，完整實(shí)現(xiàn)了氣藏型儲(chǔ)層建庫(kù)及周期注采運(yùn)行仿真模擬，為科學(xué)揭示該類(lèi)型儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)及注采運(yùn)行特征提供了有效手段。

2）可動(dòng)孔隙空間利用效率偏低，受儲(chǔ)層孔喉分布非均質(zhì)性、驅(qū)替壓力梯度限制以及細(xì)小孔喉較強(qiáng)的毛細(xì)管力作用，擴(kuò)容所增加的可動(dòng)孔隙空間有限，使可動(dòng)孔隙空間利用效率約為45%。

3）物理模擬孔隙空間動(dòng)用率結(jié)果與儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際運(yùn)行誤差在5%以?xún)?nèi)，吻合度較高，說(shuō)明“氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)及運(yùn)行物理模擬系統(tǒng)”能夠揭示氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)注采運(yùn)行真實(shí)情況，為科學(xué)地進(jìn)行儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)和運(yùn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠參考依據(jù)。

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(修改回稿日期 2016-03-08編 輯 韓曉渝)

2015年中國(guó)天然氣消費(fèi)量增速創(chuàng)10年最低

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院發(fā)布《2015年國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《報(bào)告》）稱(chēng)，2015年我國(guó)天然氣消費(fèi)量增速創(chuàng)10年新低。我國(guó)天然氣行業(yè)正面臨資源過(guò)剩和基礎(chǔ)設(shè)施不足等多方面的挑戰(zhàn)。

《報(bào)告》稱(chēng)，2015年，我國(guó)天然氣需求量增速明顯放緩，估計(jì)全年表觀消費(fèi)量為1 910×108m3，同比增長(zhǎng)3.7%，創(chuàng)近10年新低。國(guó)內(nèi)天然氣受壓產(chǎn)影響，估計(jì)全年產(chǎn)量為1 318×108m3，增長(zhǎng)3.5%，增速較上年下降3.1%。但與此同時(shí)，天然氣進(jìn)口量達(dá)624×108m3，增長(zhǎng)4.7%，對(duì)外依存度升至32.7%。

《報(bào)告》還指出，盡管目前我國(guó)已初步形成全國(guó)性的輸氣管網(wǎng)框架，但配氣管網(wǎng)遠(yuǎn)未成熟，部分市級(jí)行政區(qū)還沒(méi)有天然氣管道連通。加上行業(yè)體制制約，近年來(lái)管網(wǎng)建設(shè)速度不如預(yù)期，已成為制約我國(guó)天然氣市場(chǎng)發(fā)展和供應(yīng)能力提升的重要瓶頸。此外，受價(jià)格機(jī)制制約，地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)落后于長(zhǎng)輸管道的發(fā)展。

《報(bào)告》預(yù)計(jì)，2016年，天然氣價(jià)格下調(diào)和環(huán)保趨嚴(yán)將拉動(dòng)天然氣需求量增速回升。預(yù)計(jì)天然氣需求量將突破2 000×108m3。由于國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氣調(diào)峰能力不足，夏季限產(chǎn)、冬季限供的問(wèn)題仍可能發(fā)生。

（天工 摘編自中國(guó)經(jīng)濟(jì)新聞網(wǎng)）

A physical simulation experimental system for injection-withdrawal operation of gas reservoir underground gas storage and its application

Sun Chunliu1,2,3, Hou Jirui1, Shi Lei2,3, Liang Chong2, Gan Zhonghai4
(1. China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2. Langfang Branch of PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Langfang, Hebei 065007, China; 3. CNPC Key Laboratory of Oil & Gas Underground Storage Engineering, Langfang, Hebei 065007, China; 4. Market Management Department of PetroChina Liaohe Oilfi eld Company, Panjin, Liaoning 124010, China)

Gas reservoir underground gas storage (UGS) often suffers less-than-designed capacity and low operation efficiency. In view of this, a physical simulation experimental system was developed to quantitatively investigate the building and injection–withdrawal operation mechanism of gas reservoir UGS.Then it was applied to a water-contaminated sandstone gas reservoir UGS to study the gas displacement mechanism of UGS building, the gas and water seepage laws in the multiple cycles of injection–withdrawal process and the effect on storage capacity and injection–withdrawal performance in the conditions of repeated high-speed injection–withdrawal operations. Besides, the main factors affecting UGS operation efficiency was confirmed. Finally, the simulation results were compared with the practical operation data. It is shown that due to the effect of edge water movement on reservoirs, the ratio of available pore space decreases gradually and the gas flow resistance increases gradually. Consequently, the expansion and injection-withdrawal effectiveness of UGS are affected. As injection–withdrawal cycle increases, the proportion of producible gas-bearing pore space in reservoirs is on the rise. Due to the distribution heterogeneity of pore throats in reservoirs, the limitation of displacement pressure gradient and the strong capillary pressure of fine pore throats, the available pore space for capacity expansion is limited and the utilization efficiency of producible pore space is lower, about 45%. The physical simulation and the practical operation present the same change trend in terms of utilization efficiency of pore space, with an error of less than 5%. It is demonstrated that this physical simulation experimental system can obtain results of higher reliability and play a conductive role in working out a rational operation system and increasing UGS operation efficiency to the utmost.

Gas reservoir; Underground gas storage (UGS); Physical simulation; Injection–withdrawal operation mechanism; Application; Gas and water seepage laws

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.05.008

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重大科技專(zhuān)項(xiàng)“地下儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)與氣藏工程關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”（編號(hào)：2015E-4002）。

孫春柳，1981年生，女，工程師，博士；主要從事天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)條件評(píng)價(jià)和方案設(shè)計(jì)工作。地址：（065007）河北省廊坊市44號(hào)信箱地下儲(chǔ)庫(kù)中心。電話： (010)69213645。ORCID:0000-0001-5178-3621。E-mail:sunchunliu@petrochina.com.cn