張鵬，徐耀東，楊志偉

（中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257000）

0 引言

近50 a以來(lái)，全球能源一直向低碳能源、清潔能源方向發(fā)展。在全球一次能源消費(fèi)占比中，石油和煤炭消費(fèi)總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而天然氣占比呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2018年我國(guó)的天然氣消費(fèi)量達(dá)2 803×108m3，同比增長(zhǎng)17.5%。整體來(lái)看，天然氣具有燃燒完全、全球儲(chǔ)量大、低污染、低排放及便于利用等特點(diǎn)，在世界能源清潔轉(zhuǎn)型中已占據(jù)主導(dǎo)地位，未來(lái)市場(chǎng)潛力巨大。

從我國(guó)天然氣用量來(lái)看，夏季用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于冬季用量，而且每天不同時(shí)間段的天然氣用量相差較大，具有典型的季節(jié)性和時(shí)間性差異。從能源儲(chǔ)備來(lái)看，天然氣作為一種戰(zhàn)略性能源，合理的天然氣儲(chǔ)量對(duì)我國(guó)能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備具有深遠(yuǎn)的影響。常規(guī)天然氣儲(chǔ)存方法有地面儲(chǔ)罐儲(chǔ)存、管道儲(chǔ)存和地下儲(chǔ)氣庫(kù)（Underground Gas Storage ，簡(jiǎn)稱 UGS）儲(chǔ)存[1-5]，地面儲(chǔ)罐儲(chǔ)存和管道儲(chǔ)存只能作為消除晝夜用氣不均衡性的設(shè)施。如果要解決季節(jié)用氣不均衡性問(wèn)題，根本的辦法是建設(shè)地下儲(chǔ)氣庫(kù)[6-10]。

1 儲(chǔ)氣庫(kù)概況

20世紀(jì)中葉以來(lái)，天然氣工業(yè)發(fā)展迅猛，不同類型地下儲(chǔ)氣庫(kù)應(yīng)運(yùn)而生，主要有廢棄氣藏型、廢棄油藏型、鹽穴型及含水層儲(chǔ)氣庫(kù)（見(jiàn)表1）。本研究對(duì)已建儲(chǔ)氣庫(kù)工作氣量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，廢棄氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)占74.6%，廢棄油藏型儲(chǔ)氣庫(kù)占6.4%，含水層儲(chǔ)氣庫(kù)占11.9%，鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)占7.1%。目前，國(guó)內(nèi)已建成27座地下儲(chǔ)氣庫(kù)，廢棄油藏型和廢棄氣藏型共26座，鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)1座，尚無(wú)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)。

表1 世界不同類型地下儲(chǔ)氣庫(kù)數(shù)量及工作氣量統(tǒng)計(jì)

雖然廢棄油藏型、廢棄氣藏型和鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)在建庫(kù)周期和工作氣量等方面，具有含水層儲(chǔ)氣庫(kù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但是在大型工業(yè)中心和大中型城市周邊，并非都有適合建設(shè)地下儲(chǔ)氣庫(kù)的廢棄油氣藏和易于溶腔造穴的地下鹽層或鹽丘存在，不過(guò)總是可以找到適合的地下含水構(gòu)造?；谶@種情況，建設(shè)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)成為首選方案。同時(shí)，考慮到天然氣輸配系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)性和經(jīng)濟(jì)性，在地下含水構(gòu)造中建設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)是較為經(jīng)濟(jì)合理的[11-19]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)數(shù)值模擬方面的研究，主要集中在儲(chǔ)層非均質(zhì)性和儲(chǔ)氣庫(kù)注采運(yùn)行參數(shù)等方面，但是對(duì)邊底水性質(zhì)的研究較為簡(jiǎn)單，沒(méi)有考慮邊底水能量、水侵速度等對(duì)庫(kù)容建設(shè)的影響。目前，含水層儲(chǔ)氣庫(kù)研究中主要根據(jù)圈閉孔隙體積來(lái)計(jì)算庫(kù)容，邊底水侵入對(duì)庫(kù)容的影響基本沒(méi)有研究。

本文詳細(xì)分析了建設(shè)Y21區(qū)塊含水層儲(chǔ)氣庫(kù)數(shù)值模擬過(guò)程中的影響因素及適用的水體類型。該研究可為含水層儲(chǔ)氣庫(kù)的庫(kù)容預(yù)測(cè)及平穩(wěn)運(yùn)行管理提供技術(shù)支撐。

2 含水層儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)模型

Y21氣藏廢棄前的開(kāi)采階段地質(zhì)模型僅涵蓋了3口生產(chǎn)氣井，沒(méi)有包括水區(qū)。為了更加詳細(xì)地描述Y21區(qū)塊的水體作用，建立新的地質(zhì)模型，本研究擴(kuò)大了井點(diǎn)范圍。除了3口生產(chǎn)氣井外，增加了Y21區(qū)塊鉆遇水區(qū)的23口井，以此研究水體類型對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)數(shù)值模擬的影響。根據(jù)氣藏構(gòu)造解釋成果、孔隙度、滲透率等數(shù)據(jù)，建立了Y21區(qū)塊含水層儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)模型（見(jiàn)圖1）。研究區(qū)有效網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)劃分為129×104個(gè)，縱向細(xì)分為60個(gè)小層。

圖1 Y21區(qū)塊含水層儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)模型示意

3 含水層儲(chǔ)氣庫(kù)數(shù)值模擬

數(shù)值模擬中的流體模型主要體現(xiàn)了氣藏流體的高壓物性、滲流特征、初始流體飽和度、壓力等參數(shù)的分布特征。Y21區(qū)塊流體模型高壓物性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 Y21區(qū)塊流體模型高壓物性參數(shù)

生產(chǎn)動(dòng)態(tài)模型是氣藏生產(chǎn)歷史在數(shù)值模擬中的體現(xiàn)，描述了整個(gè)氣藏的開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。本文運(yùn)用油氣藏?cái)?shù)值模擬軟件,對(duì)Y21區(qū)塊生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。根據(jù)Y21區(qū)塊1967年12月至2010年4月底的月產(chǎn)氣量及月產(chǎn)水量建立生產(chǎn)動(dòng)態(tài)模型，以月為時(shí)間步長(zhǎng)，逐年逐月輸入產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量，模擬Y21區(qū)塊生產(chǎn)變化過(guò)程。

3.1 氣藏工程方法確定水體參數(shù)

本文根據(jù)氣藏工程理論，結(jié)合Y21區(qū)塊的生產(chǎn)數(shù)據(jù)確定水體體積和水侵系數(shù)，為建立精確的數(shù)值模擬模型提供重要依據(jù)。研究中考慮水體和巖石的可壓縮性，建立了廢棄氣藏前期開(kāi)采過(guò)程的物質(zhì)平衡方程。物質(zhì)平衡方程為

式中：G為氣藏原始儲(chǔ)量，m3；Bgi為氣體原始體積系數(shù)；Wp為累計(jì)產(chǎn)水量，m3；Bw為地層水體積系數(shù)；Gs為累計(jì)產(chǎn)氣量，m3；Bg為采氣過(guò)程中某一時(shí)刻的氣體體積系數(shù)；Nw為水體體積，m3；Cw為地層水壓縮系數(shù)，10-4MPa-1；Cr為巖石壓縮系數(shù)，10-4MPa-1；pi為原始地層壓力，MPa；p為目前地層壓力（由井點(diǎn)實(shí)測(cè)靜壓計(jì)算），MPa。

根據(jù)式（1），可得到水體體積計(jì)算公式：

由式（2）計(jì)算出Y21區(qū)塊水體體積在4.8×107m3上下波動(dòng)。水侵量受水體形狀、滲透率、孔隙度、氣水黏度比，以及巖石、地層水壓縮性等因素的影響。假設(shè)儲(chǔ)氣庫(kù)水體體積足夠大，儲(chǔ)層壓降相對(duì)穩(wěn)定，水侵速度與采氣速度相差不大，且符合達(dá)西定律，則：

式中：qe為水侵速度，m3/d；We為累計(jì)水侵量，m3；t為生產(chǎn)時(shí)間，d；Cs為水侵系數(shù)，m3/（d·MPa）；pt為不同時(shí)刻的地層壓力，MPa。

水侵系數(shù)表明水體的活躍程度，計(jì)算水侵系數(shù)需要先確定氣藏中的水體體積。Y21區(qū)塊累計(jì)產(chǎn)水量、累計(jì)產(chǎn)氣量及地層壓力見(jiàn)圖2。已知Y21區(qū)塊氣體體積系數(shù)為0.005 5，地層水體積系數(shù)近似取1，根據(jù)式（2）可確定Y21區(qū)塊不同時(shí)間的水體體積。已知原始地層壓力為19.2 MPa，根據(jù)式（3）可確定水體的水侵系數(shù)。Y21 區(qū)塊不同時(shí)間的水侵系數(shù)在 0.27 m3/（d·MPa）上下波動(dòng)（見(jiàn)表3），但是也存在異常值。例如，1985年6月的水侵系數(shù)為0.38 m3/（d·MPa），分析認(rèn)為是壓力測(cè)試時(shí)間過(guò)短導(dǎo)致。

圖2 Y21區(qū)塊累計(jì)產(chǎn)氣量、累計(jì)產(chǎn)水量及地層壓力

表3 Y21區(qū)塊水體體積及水侵系數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.2 數(shù)值模擬方法調(diào)整水體參數(shù)

以氣藏工程方法計(jì)算的水體參數(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)值模擬方法，通過(guò)調(diào)整水體參數(shù)擬合氣藏地層壓力，最終確定符合Y21區(qū)塊開(kāi)發(fā)特征的水體參數(shù)。水體體積一般是有限的，因此優(yōu)先選擇定容水體進(jìn)行分析。數(shù)值模擬中的定容水體使用費(fèi)特科維奇水體（FK水體），主要參數(shù)為水體體積和水侵系數(shù)。

當(dāng)水體深度為2 000 m、水體壓力為20.8 MPa、水體體積恒定為4.8×107m3時(shí)，以水侵系數(shù)為變量，選擇3種FK水體（FK水體1、FK水體 2和FK水體 3）進(jìn)行數(shù)值模擬（見(jiàn)圖3）。3種FK水體的水侵系數(shù)分別為0.05，1.00，6.00 m3/（d·MPa）。

圖3 3種FK水體的地層壓力模擬

由圖3可知：FK水體1的氣藏生產(chǎn)階段地層壓力擬合效果良好，后期壓力恢復(fù)階段地層壓力模擬恢復(fù)值為13.1 MPa；FK水體2的氣藏生產(chǎn)階段地層壓力模擬值高于實(shí)際地層壓力，后期壓力恢復(fù)階段地層壓力模擬恢復(fù)值為14.7 MPa；FK水體3的氣藏生產(chǎn)階段地層壓力模擬值高于實(shí)際地層壓力，后期壓力恢復(fù)階段地層壓力模擬恢復(fù)值為16.2 MPa。隨著水侵系數(shù)增加，壓力擬合平均誤差（地層壓力模擬恢復(fù)值與實(shí)際地層壓力的差值）相應(yīng)增加。當(dāng)定容水體體積不變時(shí)，水侵系數(shù)影響后期壓力恢復(fù)階段效果，但是地層壓力模擬恢復(fù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原始地層壓力。

當(dāng)水體深度和水體壓力不變、水侵系數(shù)恒定為0.05 m3/（d·MPa）時(shí)，以水體體積為變量，選擇 4 種 FK水體進(jìn)行數(shù)值模擬（見(jiàn)圖4）。4種FK水體的水體體積分別為 4.8×107，4.8×108，4.8×109，4.8×1010m3。模擬結(jié)果顯示，4種FK水體的地層壓力模擬結(jié)果完全重合。

圖4 4種FK水體的地層壓力模擬

由圖4可知，定容水體的水體體積對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果沒(méi)有影響，4種FK水體后期壓力恢復(fù)階段地層壓力模擬恢復(fù)值均為13.1 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際地層壓力，氣藏生產(chǎn)階段地層壓力模擬結(jié)果相同。因此，定容水體的水體體積對(duì)后期地層壓力恢復(fù)沒(méi)有影響，而水侵系數(shù)對(duì)地層壓力恢復(fù)有明顯影響。當(dāng)水侵系數(shù)較小時(shí)，地層壓力模擬結(jié)果滿足氣藏生產(chǎn)階段壓力，但是不滿足后期地層壓力恢復(fù)結(jié)果；當(dāng)水侵系數(shù)較大時(shí)，地層壓力模擬結(jié)果均不滿足氣藏生產(chǎn)階段壓力和后期地層壓力恢復(fù)結(jié)果。因此，定容水體不符合Y21區(qū)塊水體性質(zhì)，但是水侵系數(shù)是地層壓力模擬結(jié)果變化的敏感參數(shù)。

由于定容水體不能滿足Y21區(qū)塊實(shí)際生產(chǎn)動(dòng)態(tài)情況，需要利用恒壓水體進(jìn)行數(shù)值模擬，恒壓水體的主要參數(shù)為水侵系數(shù)。

當(dāng)水體深度為2 000 m、水體壓力為20.8 MPa、水體體積恒定為4.8×107m3時(shí)，以水侵系數(shù)為變量，選擇5種恒壓水體（恒壓水體1、恒壓水體2、恒壓水體3、恒壓水體4和恒壓水體5）進(jìn)行數(shù)值模擬（見(jiàn)圖5）。5種恒壓水體的水侵系數(shù)分別為 3.0，4.0，5.0，6.0，6.5 m3/（d·MPa）。

圖5 5種恒壓水體的地層壓力模擬

由圖5可知：恒壓水體1、恒壓水體2和恒壓水體3的氣藏生產(chǎn)階段地層壓力模擬結(jié)果低于實(shí)際地層壓力，后期壓力恢復(fù)階段地層壓力模擬恢復(fù)值分別為18.45，18.81，19.02 MPa，與實(shí)際情況不符；恒壓水體 4的氣藏生產(chǎn)階段地層壓力模擬效果良好，后期壓力恢復(fù)階段地層壓力模擬恢復(fù)值為19.10 MPa，略低于實(shí)際地層壓力；恒壓水體5的后期壓力恢復(fù)階段地層壓力模擬恢復(fù)值為19.21 MPa，略高于實(shí)際地層壓力。

本研究綜合考慮了壓力擬合平均誤差及后期壓力恢復(fù)階段模擬效果，當(dāng)水侵系數(shù)為6.0 m3/（d·MPa）時(shí)，后期壓力恢復(fù)階段的模擬效果最好。

3.3 地層壓力擬合結(jié)果

Y21區(qū)塊于1999年10月停產(chǎn)，2010年4月的試井?dāng)?shù)據(jù)顯示，地層壓力恢復(fù)至原始地層壓力。Y21區(qū)塊地層壓力擬合結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 Y21區(qū)塊地層壓力擬合結(jié)果

Y21井壓力擬合平均誤差為1.30%，Y21-1井壓力擬合平均誤差為1.79%，擬合結(jié)果滿足Y21井及Y21-1井的地層壓力。通過(guò)調(diào)節(jié)水體參數(shù)，較好地?cái)M合了該區(qū)塊生產(chǎn)階段壓力大幅下降，停產(chǎn)階段壓力恢復(fù)的開(kāi)發(fā)特點(diǎn)。因此，在擬合氣藏地層壓力的同時(shí)，也需要滿足后期壓力恢復(fù)階段的壓力結(jié)果。數(shù)值模擬分析認(rèn)為，Y21區(qū)塊地層壓力擬合的主要影響因素為水體類型及水侵系數(shù)。

4 結(jié)論

1）為了保證研究的可靠性，含水層儲(chǔ)氣庫(kù)應(yīng)建立包含水區(qū)的地質(zhì)模型，分析水體類型對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)數(shù)值模擬的影響。

2）該類儲(chǔ)氣庫(kù)在開(kāi)展數(shù)值模擬歷史擬合前，通過(guò)氣藏工程方法確定水體體積及水侵系數(shù)，可以大幅減少后期數(shù)值模擬歷史擬合工作量。

3）該類儲(chǔ)氣庫(kù)在選用定容水體數(shù)值模擬無(wú)法有效擬合時(shí)，應(yīng)根據(jù)氣藏開(kāi)發(fā)歷史及地層壓力數(shù)據(jù)，選用恒壓水體可進(jìn)行有效擬合。