張 李 劉榮和 冷有恒 蔡坤赤 高儀君 孟中華 劉媛媛

1.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開(kāi)發(fā)研究院 2.中國(guó)石油（土庫(kù)曼斯坦）阿姆河天然氣公司3.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院

0 引言

在中國(guó)石油海外油氣合作項(xiàng)目——土庫(kù)曼斯坦阿姆河盆地M區(qū)分布著20多個(gè)大小不一的高壓—超高壓碳酸鹽巖氣藏，氣藏主要產(chǎn)層位于中上侏羅統(tǒng)卡洛夫—牛津階，其中3個(gè)主力建產(chǎn)氣田儲(chǔ)層埋藏深度介于3 000～4 000 m，壓力系數(shù)介于1.70～1.85，平均孔隙度介于6%～7%，滲透率介于0.1～1 000.0 mD，儲(chǔ)集空間類(lèi)型以裂縫—孔隙型為主。隨著高壓—超高壓氣藏開(kāi)發(fā)的實(shí)施，越來(lái)越多氣井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征表現(xiàn)出與常壓氣井存在著差異。為了弄清影響高壓—超高壓氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的根本原因，筆者選取阿姆河盆地M區(qū)多個(gè)碳酸鹽巖氣藏儲(chǔ)層巖心，開(kāi)展了多回次變圍壓應(yīng)力敏感、衰竭式開(kāi)發(fā)、CT掃描及三維數(shù)字巖心模擬等實(shí)驗(yàn)，研究了隨著壓力降低，不同類(lèi)型儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及物性的變化特征，進(jìn)而明確了阿姆河盆地M區(qū)碳酸鹽巖氣藏不同類(lèi)型儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感程度及氣井衰竭式開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，深入剖析了高壓—超高壓氣井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征，研究了不同產(chǎn)狀裂縫及其發(fā)育程度對(duì)氣井產(chǎn)能的影響，進(jìn)而提出了阿姆河盆地高壓—超高壓碳酸鹽巖氣藏在開(kāi)發(fā)早期需采取的合理對(duì)策，以期為該盆地新投產(chǎn)氣田以及國(guó)內(nèi)外同類(lèi)型氣田的合理高效開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 滲流規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

1.1 多回次變圍壓應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)

應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)采用變圍壓方式模擬氣藏開(kāi)采過(guò)程中地層有效應(yīng)力的變化；對(duì)孔隙型、孔洞型及裂縫—孔隙型3類(lèi)巖心分別進(jìn)行5回次測(cè)試，每一回次的應(yīng)力敏感測(cè)試包括升壓和降壓兩個(gè)階段。在升壓階段，圍壓由2 MPa逐漸增加至60 MPa，在降壓階段，圍壓由60 MPa逐漸降至2 MPa，每個(gè)壓力點(diǎn)穩(wěn)定30 min后測(cè)試巖樣滲透率。重復(fù)上述過(guò)程，完成5回次的應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)方法詳見(jiàn)本文參考文獻(xiàn)[1-6]。

分析不同儲(chǔ)集空間類(lèi)型巖心在不同圍壓下的滲透率變化趨勢(shì)（表1、圖1），可以看出：①孔隙型及孔洞型巖心應(yīng)力敏感程度中等偏弱；裂縫—孔隙型巖心應(yīng)力敏感程度強(qiáng)，滲透率不可逆損害率高；②滲透率受損主要發(fā)生在加壓初期（壓力降在10 MPa以?xún)?nèi)）；③滲透率不可逆損害率主要產(chǎn)生于第一回次測(cè)試。根據(jù)該實(shí)驗(yàn)研究成果，認(rèn)為在氣藏開(kāi)發(fā)早期，位于強(qiáng)應(yīng)力敏感區(qū)的氣井應(yīng)盡量避免頻繁開(kāi)關(guān)井和大壓差下生產(chǎn)。

表1 巖心應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

1.2 衰竭式開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)

衰竭式開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)采用變內(nèi)壓的方式（最高壓力為40 MPa）模擬氣藏開(kāi)采過(guò)程，得到累計(jì)產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)。選取孔隙型、孔洞型及裂縫—孔隙型3類(lèi)巖心，對(duì)每一類(lèi)巖心設(shè)定3個(gè)壓降速率（0.25 MPa/30 min、0.50 MPa/30 min、1.50 MPa/30 min），分別測(cè)定壓力由40 MPa降至0.1 MPa的過(guò)程中，每個(gè)壓力點(diǎn)下的累計(jì)產(chǎn)氣量。

如圖2、3所示，相對(duì)于高壓降速率而言，以低壓降速率開(kāi)采時(shí)各類(lèi)儲(chǔ)層最終的累計(jì)產(chǎn)氣量都較高；對(duì)于裂縫—孔隙型巖心而言，最終累計(jì)產(chǎn)氣量受壓降速率的影響最顯著，該類(lèi)氣藏在開(kāi)采時(shí)應(yīng)控制采氣速度，以減緩裂縫閉合的速度，降低氣井產(chǎn)能遞減速度，進(jìn)而獲得較高的氣藏采收率。

圖1 巖心多回次應(yīng)力敏感曲線圖

圖2 不同壓降速率下巖心最終累計(jì)產(chǎn)氣量柱狀圖

1.3 CT掃描及三維數(shù)字巖心模擬實(shí)驗(yàn)

圖3 不同壓降速率下累計(jì)產(chǎn)氣量與壓力變化曲線圖

對(duì)孔隙型、孔洞型及裂縫—孔隙型3類(lèi)巖心進(jìn)行一回次的變圍壓實(shí)驗(yàn)，圍壓依次從0 MPa逐漸上升至20 MPa，然后又逐漸降至0 MPa；每一壓力點(diǎn)穩(wěn)定30 min后，對(duì)巖心進(jìn)行CT掃描實(shí)驗(yàn)，獲取巖心微米級(jí)圖像，對(duì)獲得的二維切片進(jìn)行圖像的平滑去噪、分割等處理，建立不同應(yīng)力下的三維數(shù)字巖心骨架化模型，然后提取孔隙網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)的表征[7-9]（圖4）。其中，圖4-b藍(lán)色部分表示孔隙空間、灰色部分表示巖石骨架，圖4-c灰色線條表示喉道、藍(lán)/紅色球體表示孔隙。

研究結(jié)果表明：①裂縫—孔隙型巖心在升壓初期，裂縫被擠壓，相對(duì)較大的孔隙在一定程度上被壓縮為相對(duì)較小的孔隙，平均孔隙半徑、喉道半徑減小，平均配位數(shù)、迂曲度增加；在降壓階段，隨著被壓縮的孔隙發(fā)生擴(kuò)張，各參數(shù)指標(biāo)有所恢復(fù)，但由于相對(duì)較大的孔隙被壓縮后產(chǎn)生了不可恢復(fù)的損傷，即使圍壓又降至0 MPa，與原始狀態(tài)的物性相比，整體仍變差；②孔隙型巖心在升壓初期，相對(duì)較小的孔隙閉合后成為無(wú)效孔隙，進(jìn)而引起有效孔隙和喉道的數(shù)目減少，平均孔隙及喉道半徑增加，配位數(shù)降低，與裂縫—孔隙型巖心表現(xiàn)出的特征相反；在降壓階段，大量閉合孔隙發(fā)生擴(kuò)張，巖石物性參數(shù)指標(biāo)有所恢復(fù)，恢復(fù)程度強(qiáng)于裂縫—孔隙型巖心，但也達(dá)不到原始狀態(tài)的水平；③巖心孔喉結(jié)構(gòu)的變化主要表現(xiàn)在升壓初期，升壓后期變化不明顯，這與多回次變圍壓應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致（表2）。

圖4 裂縫—孔隙型巖心二維切片、三維數(shù)字巖心及基于數(shù)字巖心提取的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型圖

表2 不同儲(chǔ)集類(lèi)型巖心孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)、物性統(tǒng)計(jì)表

利用格子Boltzmann方法計(jì)算裂縫—孔隙型巖心滲透率，并將模擬得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Paraview數(shù)據(jù)可視化分析程序，繪制出流線圖[10]。如圖5所示，裂縫是流體流動(dòng)的主要通道，隨著有效應(yīng)力增大，裂縫中流線明顯減少，裂縫導(dǎo)流能力迅速下降；而后隨著有效應(yīng)力減小，裂縫中流線部分恢復(fù)，但與原始狀態(tài)相比，流體流動(dòng)通道已大量減少。

圖5 數(shù)字巖心模擬流線圖（裂縫—孔隙型）

基于孔隙網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行氣水兩相滲流模擬[11-12]，得到氣水相對(duì)滲透率曲線。如圖6所示，在不同圍壓下，裂縫—孔隙型巖心氣水相滲曲線的等滲點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水飽和度介于65%～87%；隨著圍壓增大，等滲點(diǎn)逐漸右移。原因是隨著圍壓增大，巖心孔隙半徑逐漸減小，毛細(xì)管力壓力曲線向右上方移動(dòng)，即在相同毛細(xì)管壓力下，潤(rùn)濕相飽和度（含水飽和度）增加（圖7），從而使等滲點(diǎn)右移。

2 開(kāi)發(fā)特征研究

2.1 彈性驅(qū)動(dòng)能量構(gòu)成

圖6 裂縫—孔隙型巖心不同圍壓條件下氣水兩相相滲曲線圖

圖7 裂縫—孔隙型巖心不同圍壓條件下毛細(xì)管壓力曲線圖

高壓氣藏的彈性驅(qū)動(dòng)能量包括：①天然氣的彈性能；②邊水和底水的彈性能；③巖石及孔隙內(nèi)束縛水的彈性能；④夾層、蓋層和底層擠出水的驅(qū)動(dòng)力。相比于常壓氣藏，高壓—超高壓氣藏的前兩種彈性能更大，而后兩種彈性驅(qū)動(dòng)能是高壓—超高壓氣藏所特有的[13]。

以壓力變化后單位巖石體積內(nèi)不同因素引起的流體體積或儲(chǔ)集空間變化率為參照，近似評(píng)價(jià)高壓氣藏彈性驅(qū)動(dòng)能量的構(gòu)成[14]。各類(lèi)驅(qū)動(dòng)指數(shù)的計(jì)算式為：

式中Ig表示天然氣驅(qū)動(dòng)指數(shù)，無(wú)因次；Cg表示天然氣壓縮系數(shù)，MPa－1；Sgi表示初始含氣飽和度；φ表示氣藏平均孔隙度；?p表示地層壓力下降值，MPa；Ip表示巖石骨架驅(qū)動(dòng)指數(shù)，無(wú)因次；Cf表示巖石壓縮系數(shù)（由實(shí)驗(yàn)確定），MPa－1；Iw表示地層水驅(qū)動(dòng)指數(shù)，無(wú)因次；Cw表示地層水壓縮系數(shù)，MPa－1。

根據(jù)式（1）～（3）計(jì)算得到阿姆河盆地B氣田各類(lèi)驅(qū)動(dòng)指數(shù)，進(jìn)而折算成相應(yīng)彈性驅(qū)動(dòng)能量比例。如表3、圖8所示，巖石彈性膨脹是高壓氣藏高壓階段的主要驅(qū)動(dòng)能量；隨著地層壓力下降，巖石彈性能量降低，由巖石、天然氣雙重彈性驅(qū)動(dòng)過(guò)渡到單純的天然氣彈性驅(qū)動(dòng)。為了充分利用開(kāi)采早期高壓氣藏巖石的彈性能量，B氣田大部分氣井在地層壓力未降至45 MPa時(shí)，應(yīng)以小生產(chǎn)壓差進(jìn)行生產(chǎn)。

2.2 氣藏單位壓降采氣量

單位壓降采氣量是表征氣藏采氣能力的指標(biāo)，高壓—超高壓氣藏單位壓降采氣量與采氣速度相關(guān)。C氣藏開(kāi)發(fā)初期以較高的采氣速度進(jìn)行開(kāi)采，地層壓力下降較快（年遞減率約15%），氣藏單位壓降采氣量整體較低（僅0.56×108m3/MPa），降低采氣速度之后氣藏單位壓降采氣量提升明顯（圖9-a），說(shuō)明采氣速度在開(kāi)發(fā)早期對(duì)累計(jì)產(chǎn)氣量影響顯著。A氣藏投產(chǎn)后一直保持合理采氣速度進(jìn)行開(kāi)采，地層壓力平穩(wěn)下降（年遞減率約8%），氣藏單位壓降采氣量整體較高且相對(duì)穩(wěn)定（平均為6.2×108m3/MPa）（圖9-b），與C氣藏相比，A氣藏在開(kāi)發(fā)早期累計(jì)產(chǎn)氣量明顯提高。由此可知，高壓—超高壓氣藏在開(kāi)發(fā)早期應(yīng)控制采氣速度，從而提高階段采出程度，獲得好的開(kāi)發(fā)效果[15-17]。

2.3 單井產(chǎn)能變化特征

由于高壓—超高壓氣藏在開(kāi)采初期彈性驅(qū)動(dòng)能量大，氣井初始產(chǎn)能普遍較高。隨著地層壓力下降，受應(yīng)力敏感的影響，儲(chǔ)層滲流通道變窄或者局部閉合，滲流能力下降，通常會(huì)導(dǎo)致單井產(chǎn)能快速遞減[18-20]。阿姆河盆地高壓—超高壓氣藏的實(shí)際開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)表明部分井的產(chǎn)能在開(kāi)發(fā)初期遞減較快，而另一部分井受應(yīng)力敏感的影響較弱、產(chǎn)能保持較好。若單井所在儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間類(lèi)型為裂縫—孔隙型，單井初始產(chǎn)能主要受裂縫發(fā)育程度控制，而產(chǎn)能遞減幅度則主要受裂縫產(chǎn)狀控制。以發(fā)育低角度裂縫為主的儲(chǔ)層，隨著地層壓力降低，裂縫易閉合，氣井產(chǎn)能變化大。而高角度裂縫發(fā)育的儲(chǔ)層，隨著地層壓力下降，滲流通道基本保持不變，單井產(chǎn)能變化幅度小一些。因此，對(duì)發(fā)育低角度裂縫的儲(chǔ)層，在開(kāi)發(fā)早期應(yīng)嚴(yán)格控制氣井生產(chǎn)壓差，避免提產(chǎn)。

表3 不同氣藏壓力下彈性驅(qū)動(dòng)能量組成統(tǒng)計(jì)表

圖8 B氣田彈性驅(qū)動(dòng)能量組成比例變化曲線圖

圖9 氣藏采氣速度與單位壓降采氣量變化曲線圖

3 結(jié)論與建議

1）應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)表明孔隙型及孔洞型巖心應(yīng)力敏感程度中等偏弱；裂縫—孔隙型巖心應(yīng)力敏感程度強(qiáng)，滲透率不可逆損害率高，且損害率主要集中在加壓初期。

2）巖石彈性膨脹是高壓—超高壓氣藏開(kāi)采早期的主要驅(qū)動(dòng)能量。

3）高壓—超高壓氣藏在開(kāi)發(fā)早期應(yīng)控制采氣速度，有利于降低氣井產(chǎn)能遞減幅度、增加天然氣階段采出程度。

4）裂縫—孔隙型儲(chǔ)層中氣井初始產(chǎn)能主要受裂縫發(fā)育程度影響，產(chǎn)能遞減幅度主要受裂縫產(chǎn)狀影響；以發(fā)育低角度裂縫為主的儲(chǔ)層，地層壓力降低后裂縫易閉合，氣井產(chǎn)能遞減較快，在開(kāi)發(fā)早期應(yīng)嚴(yán)格控制生產(chǎn)壓差。

5）阿姆河盆地高壓—超高壓氣藏大部分氣井在地層壓力降至45 MPa以前，應(yīng)盡量保持生產(chǎn)壓差小于5 MPa。相關(guān)分析方法具有一定的通用性，可以為其他地區(qū)高壓—超高壓氣藏的優(yōu)化開(kāi)發(fā)提供借鑒。