彭小東 楊朝強(qiáng) 彭 旋 汪來(lái)潮 盧 艷 劉 鑫 劉 凱

中海石油（中國(guó)）有限公司海南分公司

0 引言

南海西部水驅(qū)氣藏采收率普遍高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)參考范圍，采收率標(biāo)定和如何進(jìn)一步提高采收率一直是開(kāi)發(fā)研究的重要內(nèi)容。目前常用的采收率標(biāo)定方法包括經(jīng)驗(yàn)法、數(shù)值模擬法、容積法及其修正法、物質(zhì)平衡法[1-3]。經(jīng)驗(yàn)法精度較低、不確定性大；數(shù)值模擬法受限于廢棄產(chǎn)量的準(zhǔn)確性；容積法及其修正法、物質(zhì)平衡法，則受限于廢棄壓力和波及系數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算。李閩、劉世常、胡科等結(jié)合張倫友水侵強(qiáng)度指示曲線[4]和Agarwal端點(diǎn)方程，提出了一種采收率標(biāo)定新方法并在南海西部氣田開(kāi)展應(yīng)用[5-6]，但實(shí)踐發(fā)現(xiàn)水驅(qū)氣藏生產(chǎn)指示曲線并不完全符合水侵強(qiáng)度指示曲線。1999年劉蜀知等結(jié)合水驅(qū)氣藏物質(zhì)平衡方程和非穩(wěn)態(tài)水侵計(jì)算模型開(kāi)展了水侵量和壓力預(yù)測(cè)，并提出了在其他條件許可的情況下應(yīng)盡可能提高采氣速度以提高水驅(qū)均質(zhì)氣藏采收率的觀點(diǎn)[7]。2006年張烈輝開(kāi)展水驅(qū)氣藏采收率影響機(jī)理分析，通過(guò)不同采氣速度的物質(zhì)平衡動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，得到加快邊水氣藏開(kāi)采速度可以提高氣藏采收率的認(rèn)識(shí)[8]。2015年李閩、蔣瓊等聯(lián)合物質(zhì)平衡方程、Agarwal端點(diǎn)方程和Carter-Tracy水侵量計(jì)算方程開(kāi)展了水驅(qū)氣藏采收率的理論計(jì)算和影響因素分析，提出采氣速度是影響水驅(qū)氣藏采收率的重要可控因素的觀點(diǎn)[9-10]。但這3個(gè)模型主要考慮了水侵的影響，對(duì)產(chǎn)水的影響考慮不足，且對(duì)氣藏產(chǎn)水后的動(dòng)態(tài)指標(biāo)未做預(yù)測(cè)。南海西部已投產(chǎn)氣田普遍為已經(jīng)開(kāi)始產(chǎn)水的水驅(qū)氣藏，在建設(shè)氣田也是以水驅(qū)氣藏為主，因此利用水驅(qū)氣藏物質(zhì)平衡動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法[11]開(kāi)展水驅(qū)氣藏采收率再認(rèn)識(shí)具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 南海西部典型主力水驅(qū)氣藏采收率

南海西部氣田主要分布在鶯歌海－瓊東南盆地（簡(jiǎn)稱鶯—瓊盆地），兩個(gè)盆地之間以1號(hào)斷層分隔[12-13]。鶯—瓊盆地是年輕的伸展性盆地，經(jīng)歷了斷陷、拗陷兩個(gè)構(gòu)造演化階段[12-13]。分別沉積了斷陷期湖相始新統(tǒng)、海陸過(guò)渡相—海相漸新統(tǒng)崖城組和陵水組，拗陷期海相中新統(tǒng)三亞組、梅山組、黃流組、上新統(tǒng)鶯歌海組和第四系樂(lè)東組等地層[12-13]。儲(chǔ)層主要有4種類型，包括：上漸新統(tǒng)陵水組三段扇三角洲砂巖、上中新統(tǒng)黃流組重力流沉積砂巖、上新統(tǒng)鶯歌海組重力流水道砂及淺海席狀砂、第四系樂(lè)東組臨濱及淺海疏松粉細(xì)砂巖[12-13]。氣藏沉積相以海相重力流沉積為主，占鶯—瓊盆地氣田探明地質(zhì)儲(chǔ)量的71%，其次為濱淺海相沉積（17%），最后為海陸過(guò)渡相三角洲沉積（12%）；氣藏類型以構(gòu)造巖性氣藏為主（55%），其次為巖性氣藏（37%），最后為構(gòu)造氣藏（8%）；儲(chǔ)層孔隙度以中、高孔為主，分別占37%和21%，特高孔和低孔特低孔各占21%；儲(chǔ)層滲透率以中、高滲為主，分別占39%和34%，其次為低滲、特低滲（共占18%），最后為特高滲，占9%。

石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6098-2010《天然氣可采儲(chǔ)量計(jì)算方法》將水驅(qū)氣藏按地層水活躍程度劃分為活躍、次活躍和不活躍3類，依次給出的采收率參考范圍為40%～60%、60%～80%、70%～90%[1]。

南海西部幾個(gè)典型氣田的儲(chǔ)層物性、氣藏類型及主力氣藏對(duì)應(yīng)的采收率情況如下所述。

1）南海西部的LD22-1氣田和LD15-1氣田位于鶯歌海盆地，主要含氣層位為樂(lè)東組，以臨濱相和淺海相疏松粉細(xì)砂巖為主，物性以中高孔、中高滲為主。LD22-1氣田主力氣組平均孔隙度26.3%、平均滲透率347.9 mD；LD15-1氣田主力氣組平均孔隙度為26.0%、平均滲透率為42.2 mD。氣藏類型以背斜氣藏和斷塊氣藏為主，驅(qū)動(dòng)類型以邊水驅(qū)為主，水體能量大，近似為穩(wěn)態(tài)水體[14-15]，可劃分為活躍水體氣藏，其主力氣藏采收率介于50%～75%（表1）。

表1 水驅(qū)氣藏類型劃分采收率表

2）YC13-1氣田位于瓊東南盆地，主要儲(chǔ)層為陵水組陵三段砂巖地層，沉積相為受潮汐控制的辮狀河三角洲；物性以低孔高滲為主，平均孔隙度12.9%、平均滲透率370 mD；氣藏類型為受斷塊、巖性和地層控制的復(fù)雜斷塊有限封閉邊水氣藏，水體倍數(shù)在3倍左右[16-18]，可劃分為次活躍水驅(qū)氣藏，其主力氣藏的采收率能達(dá)到80%～85%（表1）。

3）DF1-1氣田位于鶯歌海盆地，主要儲(chǔ)層為鶯歌海組鶯二段極細(xì)粉砂巖儲(chǔ)層，以半深海席狀濁積巖沉積為主；物性以中高孔中低滲為主，主力氣組平均孔隙度24.2%、平均滲透率42.5 mD；氣藏類型主要是構(gòu)造巖性氣藏和巖性氣藏，驅(qū)動(dòng)類型以彈性驅(qū)為主、輔以弱邊水驅(qū)，水層滲透性較差[14，19]，可劃分為不活躍水體氣藏，其主力氣藏的采收率能達(dá)到70%～80%（表1）。

總體上，南海西部氣田儲(chǔ)層物性較好，非均質(zhì)性不強(qiáng)，其主力氣藏的采收率較高，其中水驅(qū)活躍、次活躍氣藏的采收率范圍明顯高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的參考范圍。

2 水驅(qū)氣藏采收率影響因素分析

2.1 水驅(qū)氣藏物質(zhì)平衡動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法

水驅(qū)氣藏物質(zhì)平衡動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法所需基本方程如下[11]。

1）水驅(qū)氣藏物質(zhì)平衡方程[11，20]

式中G表示氣藏動(dòng)儲(chǔ)量，m3；Gp、Wp、We分別表示累計(jì)產(chǎn)氣量、累計(jì)產(chǎn)水量、累計(jì)水侵量，m3；p、pi分別表示地層壓力、原始地層壓力，MPa；Bw、Bg、Bgi分別表示地層水體積系數(shù)、天然氣體積系數(shù)、原始地層壓力下天然氣體積系數(shù)，m3/m3；Cw、Cp分別表示地層水壓縮系數(shù)、地層巖石孔隙壓縮系數(shù)，MPa-1；Swi表示初始條件下的含水飽和度。

2）累積水侵量計(jì)算方程

水侵量計(jì)算采用非穩(wěn)態(tài)方法，選擇計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單的Carter-Tracy模型，水體形狀選擇平面徑向流，公式如下[11，21]：

式中B表示非穩(wěn)態(tài)水侵常數(shù)，m3/MPa；Δpn為每一時(shí)步的壓力變化，MPa；n和n-1分別表示第n次和第n-1次時(shí)步；tD表示無(wú)因次時(shí)間；pD表示無(wú)因次壓力；p'D表示無(wú)因次壓力導(dǎo)數(shù)。

3）產(chǎn)水量方程

產(chǎn)水量則是利用相滲曲線，通過(guò)分流量方程來(lái)計(jì)算，公式如下[11，20]：

式中，fw表示含水率，小數(shù)；μw、μg分別表示地層水黏度、天然氣黏度，mPa·s；Krw、Krg分別表示地層水相對(duì)滲透率、天然氣相對(duì)滲透率。

4）高壓物性方程

流體和巖石高壓物性參數(shù)采用實(shí)驗(yàn)結(jié)果約束經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算方式得到[11]。

預(yù)測(cè)方式為定產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)。

2.2 動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)基礎(chǔ)參數(shù)

利用IPM軟件的MBAL（物質(zhì)平衡）模塊對(duì)Y氣田開(kāi)展了考慮產(chǎn)水條件的物質(zhì)平衡動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)[11]。氣藏參數(shù)如表2所示，相滲曲線如圖1所示，敏感性參數(shù)設(shè)計(jì)如表3所示[11]。

表2 Y氣田物質(zhì)平衡動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)基礎(chǔ)參數(shù)表[11]

表3 Y氣田敏感性參數(shù)及取值表[11]

圖1 Y氣田相滲曲線圖[11]

2.3 動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果分析

令

式中，Z、Zi分別表示天然氣偏差因子、原始地層壓力下的天然氣偏差因子；ψ表示無(wú)因次擬壓力；Rg表示天然氣采出程度。

定義無(wú)因次擬壓力（ψ）與采出程度（Rg）之間的關(guān)系曲線為氣藏?zé)o因次生產(chǎn)指示曲線[11]。由不同敏感性條件下的氣藏?zé)o因次生產(chǎn)指示曲線（圖2）可知：水層滲透率、水體半徑、地層水壓縮系數(shù)、地層巖石孔隙壓縮系數(shù)、氣藏埋藏中深和采氣速度等對(duì)氣藏?zé)o因次生產(chǎn)指示曲線有明顯影響。水層滲透率、水體半徑、地層水壓縮系數(shù)、地層巖石孔隙壓縮系數(shù)、氣藏埋深的值越大，則氣藏?zé)o因次生產(chǎn)指示曲線的上凸特征就越明顯，前期就越上翹、后期下彎后的直線就越長(zhǎng)、拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采出程度就越小；而采氣速度的影響則相反。

圖2 Y氣田不同敏感性條件下的無(wú)因次生產(chǎn)指示曲線圖

由水氣比與采出程度敏感性分析結(jié)果圖（圖3）可知：

1）水層滲透率、水體半徑、地層水壓縮系數(shù)、地層巖石孔隙壓縮系數(shù)、氣藏埋藏中深和采氣速度對(duì)水驅(qū)氣藏水氣比曲線有明顯影響。水層滲透率、水體半徑、地層水壓縮系數(shù)、地層巖石孔隙壓縮系數(shù)、氣藏埋藏中深的值越大，水氣比就上升越快，見(jiàn)水時(shí)的采出程度就越小，按同一水氣比作為廢棄條件對(duì)應(yīng)的采收率也就越低；而采氣速度的影響則相反。

2）水氣比曲線與氣藏生產(chǎn)指示曲線特征具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。水氣比曲線開(kāi)始產(chǎn)水的采出程度點(diǎn)與氣藏生產(chǎn)指示曲線開(kāi)始下彎并逐漸呈現(xiàn)直線特征的拐點(diǎn)是相對(duì)應(yīng)的。

3 水驅(qū)氣藏采收率再認(rèn)識(shí)

3.1 排水采氣是首選措施

由圖2a、b和圖3a、b可知：水體半徑越大、水層滲透性越好，水驅(qū)氣藏見(jiàn)水時(shí)間就越早，廢棄壓力就越大，采收率也就越低；而減小產(chǎn)水氣井的臨界攜液流量，增加廢棄水氣比，可以降低廢棄地層壓力，從而提高產(chǎn)水氣藏采收率。因此，排水采氣是提高產(chǎn)水氣藏采收率的首選方案。

圖3 Y氣田不同敏感性條件下的水氣比曲線圖

YC13-1氣田便是采用了壓縮機(jī)降壓、射流泵降壓和優(yōu)選管柱3種排水采氣措施[22-25]，逐步降低廢棄地層壓力，使得氣田在見(jiàn)水后仍然能夠持續(xù)生產(chǎn)，大幅度提高了氣田采收率（圖4）。截止2019年12月，YC13-1氣田地質(zhì)儲(chǔ)量采出程度高達(dá)69.7%，動(dòng)儲(chǔ)量采出程度高達(dá)89.3%，預(yù)測(cè)地質(zhì)儲(chǔ)量采收率高達(dá)71.5%，動(dòng)儲(chǔ)量采收率高達(dá)91.6%。其中主力氣藏（陵三段N塊氣藏）地質(zhì)儲(chǔ)量采出程度高達(dá)75.8%，動(dòng)儲(chǔ)量采出程度高達(dá)91.9%，預(yù)測(cè)地質(zhì)儲(chǔ)量采收率高達(dá)77.9%，動(dòng)儲(chǔ)量采收率高達(dá)94.4%。

圖4 YC13-1氣田N氣藏生產(chǎn)指示曲線與水氣比曲線對(duì)比圖

3.2 水溶氣有加劇氣藏見(jiàn)水的風(fēng)險(xiǎn)

由圖2c、d和圖3c、d可知：地層水壓縮系數(shù)和地層巖石孔隙壓縮系數(shù)越大，水驅(qū)氣藏見(jiàn)水時(shí)間就越早，廢棄壓力就越大，采收率也就越低。當(dāng)?shù)貙铀腥苡写罅克軞鈺r(shí)，地層水壓縮系數(shù)會(huì)明顯增加；尤其是當(dāng)?shù)貙铀畨毫Φ陀谂蔹c(diǎn)壓力時(shí)，水溶氣脫溶會(huì)導(dǎo)致地層水壓縮系數(shù)迅速增加[26]。因此，對(duì)于地層水中溶有大量水溶氣的氣藏，如高溫高壓氣藏[27-28]、高CO2氣藏[27-28]、構(gòu)造平緩而氣水分異不徹底的氣藏[29]，應(yīng)考慮水溶氣加劇氣藏見(jiàn)水的風(fēng)險(xiǎn)。

YC13-1氣田在生產(chǎn)過(guò)程中存在產(chǎn)出天然氣中CO2組分含量逐漸上升的情況，通過(guò)在ECLIPSE數(shù)模軟件中采用油溶氣代替水溶氣，并結(jié)合虛擬示蹤劑技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，考慮水溶氣的方案能較好地?cái)M合CO2含量的變化，且考慮水溶氣時(shí)水氣比更高（圖5），邊水推進(jìn)更快，地層擬壓力降低更慢[28]。

圖5 YC13-1氣田有無(wú)水溶氣方案的數(shù)值模擬水氣比曲線對(duì)比圖[28]

3.3 適當(dāng)提高均質(zhì)邊水氣藏采氣速度

由圖2e和圖3e可知：采氣速度越大，水驅(qū)氣藏見(jiàn)水時(shí)的采出程度就越大，采收率也就越高。原因是氣的流度遠(yuǎn)大于水的流度，水侵速度的改變要滯后于采氣速度[30]，提高均質(zhì)性較好的水驅(qū)氣藏的采氣速度，可以抑制水侵。這與本文文獻(xiàn)[7-9]的研究結(jié)論一致。因此，合理布井+優(yōu)化配產(chǎn)有助于滲透率較高、均質(zhì)性較好的水驅(qū)氣藏提高采收率。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為水驅(qū)氣藏的采氣速度盡量不要大于4%[31]，但南海西部水驅(qū)氣藏的采氣速度基本都在7%左右，這便是南海西部水驅(qū)氣藏采收率較高的原因之一。

從東海某氣藏的無(wú)因次生產(chǎn)指示曲線和采氣速度曲線（圖6）可以看出：①當(dāng)采氣速度穩(wěn)定在7%時(shí)，氣藏的生產(chǎn)指示曲線與水侵強(qiáng)度指示曲線基本吻合；②當(dāng)氣藏見(jiàn)水后，采氣速度降低，生產(chǎn)指示曲線開(kāi)始上翹，偏離水侵強(qiáng)度指示曲線；③采氣速度降低越多，生產(chǎn)指示曲線向上偏離程度越高，廢棄壓力就越大，采收率也就越低[30]。

圖6 東海M氣田N氣藏?zé)o因次生產(chǎn)指示曲線和采氣速度曲線圖[30]

3.4 淺層水驅(qū)氣藏采收率相對(duì)更高

由圖2f和圖3f可知：氣藏埋藏中深越深，水驅(qū)氣藏見(jiàn)水時(shí)間就越早，廢棄壓力就越大，采收率也就越低。原因是氣藏埋藏中深越深，地層壓力和溫度就越高，天然氣壓縮系數(shù)就越小，黏度也越大；而水的壓縮系數(shù)和黏度則基本不隨壓力和溫度變化，從而導(dǎo)致同樣水體倍數(shù)和采氣速度條件下，深層水驅(qū)氣藏相比淺層水驅(qū)氣藏的水體能量相對(duì)增加、水侵相對(duì)更嚴(yán)重、見(jiàn)水時(shí)間相對(duì)更早、采收率也相對(duì)更低。這便是南海西部淺層強(qiáng)水驅(qū)氣藏采收率較高的又一原因。

LD15-1氣田A5井區(qū)氣藏和LD22-1氣田L(fēng)2Ⅲ氣組氣藏分別是所屬氣田的典型氣藏，埋藏中深分別約為1 000 m和1 400 m。兩個(gè)氣藏的采氣速度基本相同，約為6%，目前尚未見(jiàn)水。由圖7可知：①LD15-1氣田A5井區(qū)氣藏的實(shí)際生產(chǎn)指示曲線，要高于LD22-1氣田L(fēng)2Ⅲ氣組氣藏；②LD15-1氣田A5井區(qū)氣藏預(yù)測(cè)的生產(chǎn)指示曲線下彎時(shí)對(duì)應(yīng)的采出程度，要小于LD22-1氣田L(fēng)2Ⅲ氣組氣藏。

圖7 LD15-1氣田和LD22-1氣田典型氣藏的無(wú)因次生產(chǎn)指示曲線圖

4 結(jié)論及建議

1）水驅(qū)氣藏采收率與氣藏水體半徑、水層滲透率、地層巖石孔隙壓縮系數(shù)、地層水壓縮系數(shù)以及氣藏埋藏中深呈負(fù)相關(guān)，與采氣速度呈正相關(guān)。

2）排水采氣是降低廢棄地層壓力、提高產(chǎn)水氣藏采收率的首選措施。

3）高部位布井+較高采氣速度，有助于滲透率較高的邊水驅(qū)氣藏提高采收率。

4）地層水中天然氣溶解度較高的水驅(qū)氣藏，應(yīng)考慮水溶氣加劇見(jiàn)水的風(fēng)險(xiǎn)。

5）淺層水驅(qū)氣藏采收率，高于同等水體倍數(shù)和采氣速度條件下的深層水驅(qū)氣藏。