徐昌海 陶佳麗 王俊杰 何溥為 張 強 鄒高洪

中國石油天然氣集團公司天然氣成藏與開發(fā)重點實驗室

0 引言

沉積巖形成過程中普遍存在封存水，生烴、成藏及后期地質(zhì)變化也很難使天然氣與地層水完全脫離接觸關(guān)系，故氣藏開發(fā)過程中常伴生地層水[1]。氣藏中直接與氣層連通的地下水稱為氣層水，如果氣層厚度不大或構(gòu)造較陡時，氣體將充滿圈閉的高部位，而且水環(huán)繞在氣藏的周緣，這種水稱為邊水，該氣藏則形成了邊水氣藏[2]。在邊水氣藏的開發(fā)過程中，邊水侵入會造成氣井出水[3]，不僅增加氣藏的開發(fā)、開采難度，而且還會造成氣井產(chǎn)能損失，降低氣藏采收率，影響氣藏開發(fā)效益[4-5]。因此，有必要對邊水氣藏的水侵動態(tài)進行提前判斷，特別是對水侵方向進行判別。近年來，國內(nèi)同行在認識氣藏水侵方向方面取得了豐碩的成果[5-9]，主要利用氣井見水時間、水氣比變化、地層壓力變化、數(shù)值模擬及示蹤劑監(jiān)測等方式來定性或定量識別水侵方向，所形成的認識對有水氣藏后續(xù)開發(fā)實踐提供了有效指導(dǎo)。但是，前人針對水侵方向的研究多數(shù)情況下是在氣藏見水之后，對氣藏動態(tài)資料的連續(xù)錄取有較高要求；利用靜態(tài)資料預(yù)測水侵方向的文獻涉及較少，現(xiàn)有方法主要是通過綜合分析構(gòu)造、儲層及氣井所處位置實現(xiàn)邊水氣藏水侵方向的定性判斷，且忽略了儲層非均質(zhì)性以及射孔段對水侵方向的影響，在水侵方向定量研究方面略顯不足。為此筆者分析了邊水氣藏水侵各關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)與水侵方向之間的關(guān)系，并借助優(yōu)序圖法確定了各地質(zhì)參數(shù)影響水侵的權(quán)重，首次提出了識別邊水氣藏水侵方向的參數(shù)——水侵風(fēng)險系數(shù)。通過計算單井水侵風(fēng)險系數(shù)，采用克里金插值算法繪制邊水氣藏水侵風(fēng)險系數(shù)平面分布圖，即可判斷水侵方向。該方法有助于快速、定量地識別已產(chǎn)出地層水的邊水氣藏水侵方向，同時對邊水氣藏水侵方向的早期預(yù)測也提供了一種有效途徑。

1 影響邊水氣藏水侵的靜態(tài)參數(shù)及其權(quán)重

1.1 關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)

由于縫洞型氣藏水侵方向較為復(fù)雜，故本次僅討論儲集類型為裂縫—孔隙型（且高導(dǎo)裂縫欠發(fā)育）、圈閉類型為構(gòu)造或構(gòu)造—巖性圈閉的邊水氣藏。有關(guān)研究[10-12]認為，影響邊水推進的主要地質(zhì)因素主要有構(gòu)造位置、儲層物性及儲層非均質(zhì)性等。構(gòu)造位置對水侵的影響主要體現(xiàn)在氣井避水高度和氣井距邊水距離的差異上[13]；在儲層物性參數(shù)中，滲透率被認為是控制邊水侵入的主要因素[14]；表征儲層非均質(zhì)性的參數(shù)較多[15-16]，但滲透率變異系數(shù)是最常用、最重要的參數(shù)。因此，筆者將影響水侵的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)簡化為避水高度、氣井距邊水距離、儲層滲透率及滲透率變異系數(shù)。此處假設(shè)邊水氣藏開采時的采氣速度、生產(chǎn)壓差等動態(tài)因素均控制在合理范圍，則上述靜態(tài)地質(zhì)參數(shù)對氣井水侵的影響總體表現(xiàn)為氣井距邊水距離越近、避水高度越小、滲透率變異系數(shù)越大、儲層滲透率越高，氣井越容易發(fā)生水侵，即儲層滲透率、滲透率變異系數(shù)大小與水侵存在正相關(guān)關(guān)系，氣井距邊水距離、避水高度大小與水侵存在負相關(guān)關(guān)系。

1.2 權(quán)重確定

雖然氣井避水高度、氣井距邊水距離、儲層滲透率及滲透率變異系數(shù)等參數(shù)對邊水氣藏水侵均有影響，但前人對各參數(shù)間的相對重要性排序并無定論。筆者分析認為：①對于裂縫—孔隙型邊水氣藏，氣井距邊水平面距離和避水高度對水侵的影響要大于儲層滲透率和滲透率變異系數(shù)，據(jù)達西滲流定律可知，距離與流量呈反比關(guān)系，在裂縫—孔隙型儲層中（高導(dǎo)裂縫不發(fā)育），假設(shè)氣井儲層滲透率較高、滲透率變異系數(shù)較大，但氣井距邊水距離較遠、避水高度較大，地層水在較短時間內(nèi)是較難侵入氣井[17]；②氣井避水高度與氣井距邊水的平面距離對水侵的影響作用大致相當(dāng)，因為當(dāng)兩口氣井避水高度相同時，距邊水距離較小的氣井地層水更容易侵入，反之，當(dāng)兩口氣井距邊水的平面距離相同時，避水高度越小的氣井，地層水更容易侵入；③對于儲層滲透率和滲透率變異系數(shù)而言，后者對水侵的影響作用較大，因地層水對儲層的傷害作用與儲層非均質(zhì)性直接有關(guān)[18]，裂縫或大喉道是重要的水竄通道，地層水水侵會優(yōu)先沿裂縫或大孔隙推進。

綜上所述，將上述地質(zhì)參數(shù)對水侵的影響排序為：氣井距邊水距離＝避水高度＞滲透率變異系數(shù)＞儲層滲透率。但是，僅僅定性比較地質(zhì)參數(shù)間的相對重要性顯然是不夠的。筆者力圖尋求一種方法定量評價各地質(zhì)參數(shù)對水侵影響的權(quán)重。確定權(quán)重的方法很多，如特爾斐法（Delphi法）、層次分析法、優(yōu)序圖法、專家一次評定法、專家預(yù)測法、定性定量的權(quán)數(shù)確定法等[19]。優(yōu)序圖法在用于確定權(quán)重時，具有簡便、結(jié)果可靠、容易理解、便于管理者和使用者掌握及推廣應(yīng)用等優(yōu)點，因此筆者采用優(yōu)序圖法來確定避水高度、氣井距邊水距離、儲層滲透率及滲透率變異系數(shù)等地質(zhì)參數(shù)對水侵影響的權(quán)重。

優(yōu)序圖（Precedence Chart，簡稱PC）是美國人穆蒂（P.E.Moody）1983年首次提出的。設(shè)n為比較對象的數(shù)目，優(yōu)序圖是一個棋盤格的圖式共有n n個空格，在進行兩兩比較時可選擇1.0、0.5、0來表示重要程度，用“1”表示兩兩相比中的相對“重要的”，而用“0”表示相對“不重要的”，對于自身相比的情況，在相同序號的格子內(nèi)賦值“0.5”[19]。權(quán)重計算方法是把棋盤格中每行所填的每格數(shù)字橫向相加得到單項指標得分Aw，然后分別與指標得分總和An相除就得到了每個指標的權(quán)重（表1）。

表1 優(yōu)序圖法確定指標權(quán)重棋盤格排列表

基于地質(zhì)參數(shù)的定性排序結(jié)果，確定避水高度（H）、氣井距邊水距離（L）、滲透率變異系數(shù)（Vk）及儲層滲透率（K）的影響氣井水侵權(quán)重分別為0.3750、0.375 0、0.187 5、0.062 5（表2），并將各地質(zhì)參數(shù)作歸并處理，首次提出了影響氣井水侵的綜合地質(zhì)參數(shù)—水侵風(fēng)險系數(shù)（ω），最終建立了水侵風(fēng)險系數(shù)數(shù)學(xué)表達式為：

表2 水侵風(fēng)險系數(shù)表達式中權(quán)重系數(shù)權(quán)重計算數(shù)據(jù)表

式中ω表示氣井水侵風(fēng)險系數(shù)，無量綱；K表示氣井儲層段測井滲透率平均值，mD；Vk表示氣井儲層段滲透率變異系數(shù)，無量綱；H 表示氣井避水高度（即射孔段底界距原始氣水界面的高差）m；L 表示氣井距原始氣水界面的平面距離m。

因此，水侵風(fēng)險系數(shù)越大，則該井區(qū)越容易發(fā)生水侵，反之，該井區(qū)則越難發(fā)生水侵。需特別說明的是，在計算水侵風(fēng)險系數(shù)過程中，為了克服量綱的不統(tǒng)一，需將各地質(zhì)參數(shù)歸一化后再進行計算，參數(shù)間的數(shù)量級的統(tǒng)一將在后文詳細論述。

2 水侵方向識別

2.1 方法簡介

水侵方向識別方法主要是在單井水侵風(fēng)險系數(shù)（ωi）計算的基礎(chǔ)上，采用克里金插值算法繪制氣藏水侵風(fēng)險系數(shù)平面分布圖，利用平面分布圖即可判斷水侵方向。該方法優(yōu)勢在于直接利用靜態(tài)地質(zhì)參數(shù)作統(tǒng)計和運算，即可快速、定量地識別產(chǎn)水邊水氣藏的水侵方向，同時，對邊水氣藏水侵方向的早期預(yù)測也提供了一種有利的分析手段。

2.2 方法實現(xiàn)步驟

水侵方向識別主要分為以下5個步驟。

第1步：基于單井巖心、測井或試井解釋滲透率資料，計算氣藏各單井儲層滲透率平均值，并作歸一化處理。

第2步：利用洛倫茲曲線法[20-21]計算單井儲層滲透率變異系數(shù)，并作歸一化處理。

第3步：開展氣藏構(gòu)造特征及氣水關(guān)系分析，確定（或類比計算）氣藏氣水界面，結(jié)合射孔數(shù)據(jù)，計算氣井避水高度及氣井距原始氣水邊界的平面距離，并作歸一化處理。

第4步：利用水侵風(fēng)險系數(shù)數(shù)學(xué)表達式計算單井水侵風(fēng)險系數(shù)，采用克里金插值算法繪制水侵風(fēng)險系數(shù)平面分布圖。

第5步：根據(jù)水侵風(fēng)險系數(shù)平面分布圖分析氣藏水侵方向，并通過氣藏實際出水情況對分析結(jié)果進行檢驗。

2.3 主要參數(shù)求取及其歸一化方法

2.3.1 氣井的平均滲透率

獲取目標氣井的平均滲透率具體包含如下步驟。

第1步：在目標氣井的深度方向上，選定n個采樣點，相鄰采樣點間隔預(yù)設(shè)距離，其中n為大于或者等于1的整數(shù)。

第2步：獲取每個采樣點的滲透率值，并根據(jù)公式（2）獲取平均滲透率值：

式中Kx表示目標氣井的平均滲透率，mD；m表示目標氣井中第m個采樣點；n表示目標氣井中采樣點的數(shù)量，個；Kx（m）表示目標氣井中第m個采樣點處的滲透率，mD。

第3步：根據(jù)如下公式（3）對目標氣井的平均滲透率進行歸一化處理：

式中x表示邊水氣藏中第x口氣井； 表示目標氣井的歸一化處理后平均滲透率，無量綱；i表示邊水氣藏中氣井的數(shù)量，口。

2.3.2 氣井的滲透率變異系數(shù)

獲取氣井的滲透率變異系數(shù)，體現(xiàn)了邊水氣藏區(qū)域的儲層非均質(zhì)性對水侵風(fēng)險的影響，進而為科學(xué)判別氣井水侵方向提供有力支撐。滲透率變異系數(shù)采用洛倫茲曲線法求取，具體按照以下步驟進行。

第1步：根據(jù)滲透率值的大小，對目標氣井的n個采樣點進行降序或升序排列。

第2步：獲取目標采樣點的滲透率累計百分比，獲取目標采樣點的序數(shù)累計百分比，以滲透率累計百分比為縱坐標，以序數(shù)累計百分比為橫坐標建立坐標系，在坐標系中繪制滲透率累計百分比的洛倫茲曲線。其中第y個采樣點的滲透率累計百分比為第1個至第y個采樣點的滲透率之和除以所有采樣點的滲透率之總和；序數(shù)累計百分比為第1個至第y個采樣點的序數(shù)之和與所有采樣點序數(shù)的總和的比值。

第3步：獲取洛倫茲曲線與直線y=x所圍區(qū)域的面積，獲取直線y=x與坐標軸所圍區(qū)域的面積（圖1），其中Sa位于y=x的上方面積，Sb位于y=x的下方面積。通過公式（4）獲取滲透率變異系數(shù)：

圖1 某氣井儲層段滲透率洛倫茲曲線圖

式中VKx表示目標氣井的滲透率變異系數(shù)，無量綱；Sa表示曲線與直線y=x所圍區(qū)域的面積，cm2；Sb表示直線y=x與坐標軸所圍區(qū)域的面積，cm2。

第4步：根據(jù)公式（5）對目標氣井的滲透率變異系數(shù)進行歸一化處理：

式中x表示邊水氣藏中第x口氣井；VKx表示目標氣井的歸一化處理后滲透率變異系數(shù)，無量綱；i表示邊水氣藏中氣井的數(shù)量，口。

2.3.3 氣井的避水高度

獲取目標氣井的避水高度具體包含如下步驟。

第1步：當(dāng)射孔段底界位于氣水界面之上時，避水高度為射孔段底界海拔與氣水界面海拔的差值，若當(dāng)射孔段底界海拔位于氣水界面海拔之下時，避水高度取值為0 。

第2步：根據(jù)公式（6 ）對目標氣井的避水高度進行歸一化處理：

式中x表示邊水氣藏中第x口氣井；Hx表示目標氣井的避水高度，m； 表示目標氣井的歸一化處理后避水高度，無量綱；i表示邊水氣藏中氣井的數(shù)量，口。

2.3.4 氣井井底到氣水邊界的距離

對目標氣井的井底到氣水邊界的距離的歸一化處理按照如下步驟進行。

第1步：在邊水氣藏含氣面積圖上，用刻度尺直接度量氣井井底位置至氣水邊界線的最短距離即得到目標氣井的井底到氣水邊界的距離（Lx）。

第2步：根據(jù)如下公式（7）對井底到氣水邊界的距離進行歸一化處理：

式中x表示邊水氣藏中第x口氣井；Lx表示目標氣井的井底到氣水邊界的距離，m； 表示目標氣井的歸一化處理后避水高度，無量綱；i表示邊水氣藏中氣井的數(shù)量，口。

綜上所述，通過對單井的儲層平均滲透率、滲透率變異系數(shù)、避水高度以及井底到氣水邊界的距離四項參數(shù)的取值進行歸一化處理，克服了不同參數(shù)間的數(shù)量級差。

3 應(yīng)用舉例

3.1 氣藏概況

黃龍場構(gòu)造上二疊統(tǒng)長興組氣藏為川東地區(qū)典型的生物礁邊水氣藏。沉積相為臺地邊緣生物礁相，儲層巖性以粉—細晶云巖、溶孔云巖為主，孔隙度0.43%～16.68%，基質(zhì)滲透率多小于1.0 mD，各類溶孔及微裂縫較為發(fā)育（高導(dǎo)裂縫欠發(fā)育），儲集類型為裂縫—孔隙型。氣藏為南北兩翼受氣水界面控制、東西兩側(cè)受斷層和生物礁相帶界線控制的構(gòu)造—巖性圈閉氣藏，氣水界面海拔-3680 m，含氣面積12.71 km2，閉合高度680 m。黃龍場構(gòu)造長興組氣藏南、北兩翼存在邊水，氣藏最早于2003年投產(chǎn)，北翼低部位的H5井鉆遇氣水界面，測試氣水同產(chǎn)，北翼邊部的生產(chǎn)井H4-X3井于2012年產(chǎn)出地層水，南翼邊部生產(chǎn)井H1-X1井于2010年產(chǎn)出地層水。

3.2 水侵風(fēng)險系數(shù)求取及水侵方向識別

根據(jù)前述水侵方向識別的研究步驟，分別求取黃龍場構(gòu)造長興組邊水氣藏11口井（含氣水同產(chǎn)井）儲層段滲透率平均值、儲層段滲透率變異系數(shù)、氣井避水高度及距原始氣水邊界的平面距離并作歸一化處理，進而求得11口井的水侵風(fēng)險系數(shù)（表3），采用克里金插值繪制氣藏水侵風(fēng)險系數(shù)平面分布圖（圖2）。

據(jù)表3及圖2分析得知，川東黃龍場構(gòu)造長興組氣藏地層水總體上從南、北兩翼邊部侵入，根據(jù)水侵風(fēng)險系數(shù)地質(zhì)意義，地層水首先沿水侵風(fēng)險系數(shù)較大的井區(qū)侵入，故氣藏北翼地層水水侵方向是由北北東方向侵入H4-X3井區(qū)的，氣藏南翼地層水是由北北西方向侵入H1-X1井區(qū)的。另外，根據(jù)水侵風(fēng)險系數(shù)分布特征，氣藏北翼的H4-XI井區(qū)和氣藏南翼的H1-X2井區(qū)水侵風(fēng)險系數(shù)相對較大，預(yù)測可能為氣藏后續(xù)開發(fā)的優(yōu)勢水侵方向。

表3 HL構(gòu)造長興組氣井地質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計及水侵風(fēng)險系數(shù)計算參數(shù)表

圖2 黃龍場構(gòu)造長興組氣藏水侵風(fēng)險系數(shù)平面分布圖

3.3 氣藏出水情況檢驗

由氣藏實際出水井情況看，氣藏北翼低部位的H5井測試氣水同產(chǎn)，水侵風(fēng)險系數(shù)為＋1.18%，氣藏南翼邊部的H1-X1井于2010年產(chǎn)出地層水，水侵風(fēng)險系數(shù)為－0.44%，氣藏北翼邊部H4-X3井于2012年產(chǎn)出地層水，水侵風(fēng)險系數(shù)為－1.23%，出水井水侵風(fēng)險系數(shù)大小與氣藏實際出水順序是一致的（表3），表明提出的水侵方向判別方法是切實可行的。

4 結(jié)論

1）將多種靜態(tài)地質(zhì)參數(shù)對邊水氣藏水侵的影響轉(zhuǎn)化為單一指標—水侵風(fēng)險系數(shù)，克服了以往邊水氣藏水侵方向無法定量表征的局限性。

2）利用水侵風(fēng)險系數(shù)平面等值線圖可以快速、定量地識別邊水氣藏開發(fā)中后期優(yōu)勢水侵方向，對于優(yōu)化有水氣藏開發(fā)對策具有十分重要的意義。

3）建立的水侵風(fēng)險系數(shù)的數(shù)學(xué)表達式及水侵方向識別方法在參數(shù)選擇、方法適用范圍等方面均需不斷優(yōu)化完善，比如滲透率數(shù)據(jù)選擇試井解釋滲透率可能更好、氣藏井網(wǎng)不能太稀、井位分布相對均勻。