李中 ，邱浩 ，文敏 ，范白濤 ，黃輝 ，潘豪 ，李占東 ，鄭羽

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.黑龍江省天然氣水合物高效開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318；3.東北石油大學(xué)三亞海洋油氣研究院，海南 三亞 572024；4.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠，黑龍江 大慶 163517）

0 引言

我國(guó)南海深層氣田鉆完井的突破給南海海域天然氣的有效開發(fā)利用帶來(lái)了極大的機(jī)遇［1-2］，深層氣田很大程度上伴隨著高能量邊底水的發(fā)育，由于氣田見水后產(chǎn)能迅速下降，尤其是裂縫發(fā)育的氣藏見水風(fēng)險(xiǎn)更高，需要對(duì)見水風(fēng)險(xiǎn)高的氣井（井型主要為水平井）針對(duì)性地設(shè)計(jì)控水方案，防止早期見水，以便為南海海域天然氣長(zhǎng)久高效開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［3-4］。該控水方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是優(yōu)選適應(yīng)性強(qiáng)的控水工藝。目前，國(guó)內(nèi)外控水工藝從控水效果上主要分為水平段近端堵水和遠(yuǎn)端控水2類。水平段近端堵水工藝主要包括ICD篩管控水[5-6]和AICD篩管控水工藝［7-9］；水平段遠(yuǎn)端堵水工藝主要包括變密度篩管控水、中心管技術(shù)和DWS雙層完井排液壓錐技術(shù)［10-11］。其中，ICD/AICD在油田應(yīng)用廣泛，但是其控水原理是基于油水密度和黏度的差異，而氣水的密度和黏度與油水差異相反，造成該工藝無(wú)法在氣藏實(shí)行。變密度篩管、中心管技術(shù)的控水原理是平衡裂縫性氣藏生產(chǎn)過(guò)程中氣水界面［12-13］，具有更高的難度，需要掌握更加真實(shí)的水平段的儲(chǔ)層非均質(zhì)性和裂縫分布特征。

本文以HZ氣田為例，為解決氣田水平井見水快、產(chǎn)水高的問(wèn)題，提出了一套基于連續(xù)封隔體的復(fù)合控水工藝。其原理是，在井壁與篩管間環(huán)空充滿細(xì)小的覆膜高分子顆粒，增加流體在環(huán)空內(nèi)軸向流動(dòng)阻力，起到防止環(huán)空水竄的作用，且不影響氣的徑向流動(dòng)，類似于每根篩管間存在一個(gè)裸眼管外封隔器。由于水平井生產(chǎn)過(guò)程中底水易在采氣單元錐進(jìn)，造成水平段見水，尤其是氣藏，水平井見水后，產(chǎn)能迅速下降甚至整個(gè)水平段出現(xiàn)暴性水淹。通過(guò)封隔器的連續(xù)封隔作用，將水平段分為多個(gè)采氣單元段，一旦某段出水，無(wú)需進(jìn)行找水作業(yè)，遇水膨脹橡膠管能夠迅速關(guān)閉該段且不影響其他采氣單元段的繼續(xù)生產(chǎn)，直到所有采氣段陸續(xù)產(chǎn)水然后關(guān)井。分段控水工藝能夠?qū)Τ鏊a(chǎn)段進(jìn)行有效控制，并將無(wú)水采氣周期最大化。本文通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，闡明非均質(zhì)裂縫氣田水侵規(guī)律；根據(jù)控水工藝在延長(zhǎng)無(wú)水采氣期、提高采收率方面的應(yīng)用效果，評(píng)價(jià)工藝適應(yīng)性。研究成果旨在建立潛山氣藏復(fù)合控水開發(fā)的模式，為海域同類氣藏開發(fā)提供借鑒的思路。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

考慮到海上裂縫氣田高溫高壓的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)裝置采用全鋼制三維反應(yīng)釜（見圖1），釜體置于大型恒溫箱內(nèi)，最高工作溫度為150℃，最大工作壓力達(dá)75 MPa；斧體底部為測(cè)點(diǎn)連接處，為保證均衡水體能量，側(cè)面為多孔注入的“面注”方式，可有效降低注水補(bǔ)壓對(duì)水體錐進(jìn)的影響，實(shí)現(xiàn)底面均衡補(bǔ)水。根據(jù)HZ氣田高倍水體特征的需要，ISCO泵實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流注入。模型邊水傾角為5°～10°，底水層厚度為15.0 cm，用于模擬底水氣藏實(shí)驗(yàn)。模型有效空間為50.0 cm×50.0 cm×50.0 cm，模型中上部放置水平井，內(nèi)部設(shè)有壓力和飽和度測(cè)點(diǎn)，均勻分布在距離底水不同的高度。

圖1 高溫高壓三維反應(yīng)釜及釜內(nèi)測(cè)點(diǎn)鋪設(shè)

模型采用與地層相同的孔隙介質(zhì)、流體密度與黏度，若要滿足氣相、水相重力和驅(qū)動(dòng)力之比這2個(gè)相似準(zhǔn)則，則采氣速度比例為長(zhǎng)度比例的平方。由氣藏、水平井、儲(chǔ)層滲透率與模型設(shè)置的比例，近似計(jì)算出物理模型等效采氣速度約為50 L/d（見表1）。

表1 裂縫氣藏實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c礦場(chǎng)參數(shù)對(duì)比

1.1.2 潛山裂縫地層設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)利用充填石英砂模擬地層，地層各參數(shù)見表2。為了構(gòu)造裂縫氣藏，需要對(duì)潛山裂縫形態(tài)進(jìn)行分析。通常情況下，裂縫類型需要結(jié)合HZ氣田巖心、巖石薄片和裂縫測(cè)井資料［14］，設(shè)計(jì)潛山裂縫地層參數(shù)。HZ氣田目的層儲(chǔ)層平均滲透率為4×10-3μm2，潛山發(fā)育網(wǎng)狀縫、中高角度縫、低角度縫和誘導(dǎo)縫，裂縫長(zhǎng)度不等，裂縫寬度為0.1～0.4 cm，平均滲透率為1 000×10-3μm2。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?chǔ)層和裂縫滲透率設(shè)計(jì)為實(shí)際巖心滲透率的25倍，即模型儲(chǔ)層平均滲透率為100×10-3μm2，裂縫滲透率為 25 μm2。模型中地層和裂縫的滲透性是基于填砂模型的不斷夯實(shí)、取心，并進(jìn)行測(cè)試才完成的。模型中裂縫完整性的建立是通過(guò)分層搭接鋪設(shè)完成的。將人工裂縫體內(nèi)部共劃分3層，由下至上在每個(gè)層段內(nèi)對(duì)釜內(nèi)砂體進(jìn)行切割，以10～30目陶粒作為裂縫支撐劑，構(gòu)造了平行裂縫和網(wǎng)狀裂縫（見圖2）。設(shè)計(jì)裂縫長(zhǎng)度為10.0 cm、寬度為0.1 cm，裂縫與地層夾角為80°，保證人工切割過(guò)程中同一裂縫在不同層段的連通性，從而完成釜體人工裂縫模型制作。

表2 連續(xù)封隔體復(fù)合控水模型參數(shù)設(shè)計(jì)

圖2 潛山裂縫室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M示意

1.1.3 連續(xù)封隔體工藝

連續(xù)封隔體工藝是一種應(yīng)用于水平井、適合于裸眼完井的控水工藝。連續(xù)封隔體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基于覆膜礫石阻水原理，在水平井外包裹一層隔水透氣覆膜礫石，鋪設(shè)參數(shù)為長(zhǎng)40.0 cm、寬10.0 cm、厚4.0 cm，以此模擬裸眼井筒和篩管之間環(huán)空（見圖3），當(dāng)?shù)貙铀黄魄熬壡秩霑r(shí)，覆膜礫石的隔水透氣作用起到了限水采氣作用。與連續(xù)封隔體配合使用的篩管孔眼密度為1.0孔/cm，孔眼直徑為0.1 cm，篩管直徑為0.5 cm。

圖3 連續(xù)封隔體覆膜礫石鋪設(shè)過(guò)程

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)有5個(gè)步驟：1）測(cè)點(diǎn)鋪設(shè)。釜體內(nèi)鋪設(shè)壓力測(cè)點(diǎn)共計(jì)32個(gè)，其中，縱向分4層，每層鋪設(shè)8個(gè)測(cè)點(diǎn)；含水飽和度測(cè)點(diǎn)共計(jì)90個(gè)，與壓力測(cè)點(diǎn)錯(cuò)位鋪設(shè)，縱向上分5層，每層16個(gè)測(cè)點(diǎn)。2）過(guò)裂縫水平井布置。水平井井筒采用耐壓的PVC管代替，布置在壓力測(cè)點(diǎn)第4層中心部位。為了模擬裂縫氣藏條件，參照裂縫與水平段空間匹配特征，將提前預(yù)設(shè)好的水平井嵌入裂縫模型內(nèi)，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的底水高度，水平段和人工裂縫模型置于分層填砂模型內(nèi)，繼續(xù)填砂直至填滿，夯實(shí)并加蓋密封。3）氣藏飽和水。為了達(dá)到底水均衡注入的效果，采用多點(diǎn)面注代替單點(diǎn)點(diǎn)注方式，即利用ISCO泵同時(shí)通過(guò)2，3，4號(hào)3個(gè)水閥門持續(xù)注水（見圖1），通過(guò)含水飽和度測(cè)點(diǎn)在計(jì)算機(jī)終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水體飽和情況，直至底水層100%飽和度。4）原始地層壓力預(yù)設(shè)。打開1號(hào)閥門注氣，利用空氣壓縮機(jī)持續(xù)注氣，通過(guò)壓力測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層壓力變化情況，直至達(dá)到實(shí)驗(yàn)初始?jí)毫Α?）氣水均衡。靜止釜體24 h，觀察壓力和飽和度變化，當(dāng)水體界面小幅下降時(shí)，則打開恒流注水閥門，直至水體界面重新恢復(fù)到預(yù)設(shè)位置，釜體壓力和氣水界面穩(wěn)定在預(yù)設(shè)位置。

實(shí)驗(yàn)以HZ26-6-2井參數(shù)為基礎(chǔ)，總體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包含2個(gè)方案：第1個(gè)方案假定為不采取控水措施開采實(shí)驗(yàn)，第2個(gè)方案為采用連續(xù)封隔體控水措施實(shí)驗(yàn)?zāi)M。與不采用控水實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比，研究氣藏底水水侵規(guī)律，分析連續(xù)封隔體控水效果，計(jì)算了實(shí)際生產(chǎn)井的井筒延程壓降。模型中避水高度為35.0 cm，底水能量保證控制在30 MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 開采特征

連續(xù)封隔體可以有效地改變生產(chǎn)壓差的差異，相比未采取控水工藝，生產(chǎn)壓差調(diào)節(jié)幅度大，不僅可以阻止底水從水平井跟端錐入，而且亦可調(diào)節(jié)裂縫帶或高滲層快速錐進(jìn)。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整底水前緣界面形態(tài)，達(dá)到均衡控水效果。

連續(xù)封隔體控水技術(shù)主要通過(guò)充填于控水井筒與井壁環(huán)空中的封隔體顆粒來(lái)平衡水平井段沿程壓力損失和流入量的方式實(shí)現(xiàn)控水功能。通過(guò)連續(xù)封隔體顆粒起到封隔器作用，把水平井段分隔成若干個(gè)彼此獨(dú)立的流動(dòng)單元，從而達(dá)到軸向限流的目的。封隔體顆粒充填于水平段后，產(chǎn)生各向同性的流動(dòng)阻力，據(jù)達(dá)西定律得：

式中：Q 為流量，m3/d；K 為地層滲透率，10-3μm2； L 為巖石長(zhǎng)度，m；A為巖石截面積，m2；Δp為井兩端壓差，MPa。

依據(jù)Lee-Gonzalez-Eakin方程式可知：

式中：μg為在給定溫度和壓力下天然氣的黏度，mPa·s；ρg為天然氣密度，g/cm3；Mg為天然氣相對(duì)分子質(zhì)量；T為溫度，K；C，X，Y 為過(guò)程變量。

當(dāng)?shù)貙铀馗邼B帶徑向進(jìn)入井筒時(shí)，流體由地層至篩管距離短、接觸面積大，天然氣黏度低，徑向流阻力小。但由于水平段流動(dòng)單元長(zhǎng)，井周礫石顆粒橫截面積小，流體軸向阻力大，隔水透氣覆膜礫石軸向限制竄流，從而達(dá)到控水作用。

從平行裂縫連續(xù)封隔體控水實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢钥闯觯ㄒ妶D4a，4b），未采取控水模型實(shí)驗(yàn)早期底水錐進(jìn)快，隨著采氣量增加，靠近井底處水波程度越高，即水平井跟端水錐進(jìn)速度越快，水平井趾端水錐進(jìn)速度較慢，總體上表現(xiàn)為跟部底水優(yōu)先脊進(jìn)的特征。同時(shí)，垂直于水平段的人工裂縫具有高滲透率的特點(diǎn)，后期水錐脊進(jìn)突進(jìn)點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)移，由單調(diào)式脊進(jìn)轉(zhuǎn)變成雙肩式脊進(jìn)。相比于采用連續(xù)封隔體控水實(shí)驗(yàn)，相同采氣量條件下底水錐進(jìn)不明顯，但仍受裂縫高流導(dǎo)性能的影響，裂縫發(fā)育段水錐進(jìn)剖面較高。同理，無(wú)論是否采用連續(xù)封隔體控水工藝，網(wǎng)狀裂縫發(fā)育區(qū)形成的高滲帶是底水波及程度最高區(qū)域（見圖4c，4d），較平行裂縫連續(xù)封隔體控水見水時(shí)間早，底水前緣界面呈錐狀，采用連續(xù)封隔體控水后能夠調(diào)整底水前緣界面形態(tài)，達(dá)到了均衡控水的效果，具有一定的控水潛力。

圖4 不同措施下水平井開發(fā)的水脊形態(tài)效果

連續(xù)封隔體控水工藝能最大程度地滿足邊底水均勻緩慢上升，防止邊底水錐進(jìn)效應(yīng)，氣藏控水效果較好。裂縫形態(tài)不同的氣藏開采時(shí)，其見水時(shí)間和采氣量略有差別，如平行裂縫模型控水措施實(shí)施前后生產(chǎn)動(dòng)態(tài)對(duì)比（見圖5a），無(wú)措施開采總采氣時(shí)間為18.0 d，總采氣量22 L；采用連續(xù)封隔體技術(shù)后，總采氣時(shí)間為20.0 d，時(shí)間延長(zhǎng)占比為11.1%，總采氣量提高至25 L，相比而言總采收率提高了13.6百分點(diǎn)；網(wǎng)狀裂縫模型控水措施前總采氣時(shí)間為14.5 d（見圖5b），總采氣量21 L，采用連續(xù)封隔體控水措施后，生產(chǎn)16.0 d后見水，累計(jì)采氣量24 L，總采氣時(shí)間延長(zhǎng)了10.3%，采收率提高了14.3百分點(diǎn)。

圖5 不同裂縫形態(tài)下控水措施前后見水曲線

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有必要就以下3個(gè)問(wèn)題進(jìn)行解釋。1）關(guān)于差異氣體產(chǎn)量的問(wèn)題。未采取措施控水差異的氣體由于水體封隔，致使水體的氣鎖以殘余氣方式滯留在釜體內(nèi)。2）連續(xù)封隔體控水機(jī)制。連續(xù)封隔體控水只作用在井周區(qū)域，在一定程度上起到了限水采氣的作用，控制底水軸向竄流，因此，采用連續(xù)封隔體控水與未控水措施后期水侵特征差別較大。3）不同裂縫形態(tài)組合見水時(shí)間不同。一方面，由于裂縫相交形成網(wǎng)狀，裂縫分布相對(duì)集中，增強(qiáng)了地層導(dǎo)流能力；另一方面，水平裂縫與地層夾角走向大體一致，相比網(wǎng)狀裂縫，見水時(shí)間晚。

2.2 裂縫氣藏控水影響因素

2.2.1 裂縫導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)

基于上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可知，縫內(nèi)為高滲，基質(zhì)為低滲，天然氣具有可壓縮性，開采時(shí)具有比油井更高的滲流速度，且由于潛山裂縫對(duì)氣體的導(dǎo)流能力強(qiáng)，氣井開采見水風(fēng)險(xiǎn)高［15-16］。不同階段非均質(zhì)氣藏開采水侵受裂縫發(fā)育影響較明顯。開采初期，氣藏能量充足且均衡，氣藏氣水界面均勻上升；但隨著采氣量增加和開采時(shí)間推移，高滲透地層或裂縫地層對(duì)水平井采氣量貢獻(xiàn)大，氣水界面空間形態(tài)由原來(lái)均勻水線逐漸脊進(jìn)成單斜水線，形成多個(gè)高低不等水脊。氣的黏度低，地層滲透率越高，底水水線脊進(jìn)速度越快，水線沿高導(dǎo)流能力裂縫快速向上推進(jìn)，且裂縫長(zhǎng)度越長(zhǎng)，水體波及速度越快，水侵特征越明顯。

為了揭示不同裂縫參數(shù)對(duì)控水效果的影響，針對(duì)底水裂縫氣藏開展水平井不同開采時(shí)限的底水錐進(jìn)模擬研究（見圖 6）。分別設(shè)計(jì)了 10～20，30～40，50～60，70～80 m的裂縫縫長(zhǎng)，研究不同長(zhǎng)度的裂縫對(duì)水侵的影響規(guī)律。通過(guò)模擬可以看出，隨著裂縫縫長(zhǎng)增大，晚期水體脊進(jìn)速度越快，水錐很容易推進(jìn)至井底，井筒水淹風(fēng)險(xiǎn)越高。且當(dāng)裂縫長(zhǎng)度小于40 m時(shí)，累計(jì)產(chǎn)水量增長(zhǎng)較為緩慢，裂縫長(zhǎng)度大于40 m時(shí)，隨裂縫長(zhǎng)度增加，累計(jì)產(chǎn)水量急劇上升，控水難度增大。

圖6 不同裂縫縫長(zhǎng)氣藏開采水侵模擬

2.2.2 鉆采策略評(píng)價(jià)

合理的鉆采策略是氣藏長(zhǎng)效開發(fā)的重要因素。海上油田鉆完井工藝難度大，主要有以下4個(gè)環(huán)節(jié)：1）在鉆井過(guò)程中，鉆井軌跡控制不當(dāng)，造成井周圍巖物性發(fā)生改變，不規(guī)則井軌跡的避水高度不均衡，易導(dǎo)致控水難度大；2）在完井過(guò)程中，完井污染造成的儲(chǔ)層強(qiáng)非均質(zhì)性，可能導(dǎo)致連續(xù)封隔體間發(fā)生竄流；3）不合理的開采制度，如過(guò)高要求產(chǎn)量和過(guò)快采氣速度，易形成井筒暴水淹；4）酸化壓裂措施造成氣層裂縫延展，從而發(fā)生后期水竄。

3 結(jié)論

1）相比未采取控水措施，連續(xù)封隔體控水流體軸向阻力大，隔水透氣覆膜礫石軸向限制竄流，從而達(dá)到控水作用，可調(diào)節(jié)裂縫帶或高滲層快速錐進(jìn)速度。

2）不同裂縫形態(tài)氣藏開采見水時(shí)間和采氣量略有差別，網(wǎng)狀裂縫發(fā)育區(qū)是底水波及程度最高區(qū)域。

3）裂縫強(qiáng)導(dǎo)流能力是氣藏見水風(fēng)險(xiǎn)重要的控制因素，因此合理的鉆采策略是氣藏控水的根本。氣藏開發(fā)更應(yīng)重視前期控水工藝的實(shí)施，后期見水以堵水工藝為主。