劉濤 ，李宜強(qiáng) ，丁國(guó)生 ，王正茂，石磊 ，劉哲宇 ，湯翔 ，曹涵 ，曹金鑫 ，黃友晴

（1. 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)石油大學(xué)（北京）），北京 102249；2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；3. 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；4. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司油氣地下儲(chǔ)庫(kù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；5. 中國(guó)石油勘探與生產(chǎn)分公司，北京 100120）

0 引言

儲(chǔ)氣庫(kù)在建庫(kù)及后期使用過程中，為滿足極寒天氣市場(chǎng)調(diào)峰和事故應(yīng)急需求，具有周期性、大流量、強(qiáng)注強(qiáng)采、交變載荷的特點(diǎn)[1-3]。目前中國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)主要由開發(fā)中后期氣藏改建而成，在改建過程中以氣驅(qū)液達(dá)容為主、氣體吞吐采液達(dá)容為輔[4-6]，受氣藏開發(fā)地層壓力衰竭后水侵等因素的影響，地下流體分布規(guī)律十分復(fù)雜[7]，建庫(kù)難度較大。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)研究了儲(chǔ)氣庫(kù)有效庫(kù)容量、工作氣量等關(guān)鍵指標(biāo)的主要影響因素：Tooseh等[8]指出儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)過程中影響庫(kù)容的主要因素為注氣速度；班凡生等[9]發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)集層物性、水體侵入以及氣水滲流變化規(guī)律等是影響建庫(kù)效率的主要因素，并指出注采速度與氣驅(qū)效率存在一定相關(guān)性；杜玉洪等[10]完成了注氣、采氣速度敏感性實(shí)驗(yàn)，認(rèn)清了油藏改建儲(chǔ)氣庫(kù)時(shí)注氣速度與庫(kù)容能力、采氣速度與氣驅(qū)水效率間的關(guān)系。但由于實(shí)驗(yàn)所采用的巖心尺度較小，難以清晰認(rèn)識(shí)儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行過程中的流體分布、擴(kuò)容規(guī)律。

目前關(guān)于水驅(qū)氣藏建庫(kù)滲流機(jī)理主要采用常規(guī)柱塞狀巖心（直徑2.5 cm或3.8 cm，長(zhǎng)度一般為直徑的2～3倍）開展物理模擬或采用二維、三維數(shù)值模擬方法研究?jī)?chǔ)集層孔隙空間動(dòng)用規(guī)律和擴(kuò)容機(jī)理。受滲流維度單一、巖心尺寸小和孔隙總空間較小等影響，仿真模擬精度低、計(jì)量誤差大，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果具有較大的局限性，難以反映實(shí)際地層二維滲流過程中的孔隙動(dòng)用規(guī)律[11-14]。而平板模型主要用于模擬油藏開發(fā)，目前尚未用于開展模擬儲(chǔ)氣庫(kù)注采實(shí)驗(yàn)。

本文基于自主研發(fā)的大型二維平板高壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建立儲(chǔ)氣庫(kù)注采模擬方法，研究?jī)?chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)及多輪次注采過程中的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征及壓力變化，明確在不同滲透率條件下影響儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)容建設(shè)的主控因素及擴(kuò)容機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用同一批次的露頭巖樣制作一維柱狀巖心與二維平板巖心，開展一維柱狀巖心模型注氣建庫(kù)及運(yùn)行、二維平板巖心模型建庫(kù)與運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。共制作柱狀巖心、二維平板巖心各 2塊，相同類型巖心尺寸相同。其中柱狀巖心直徑3.8 cm，長(zhǎng)度30.1 cm，二維平板巖心尺寸為30 cm×30 cm×4.5 cm；1#柱狀巖心與1#二維平板巖心絕對(duì)滲透率 104.0×10-3μm2，2#柱狀巖心與 2#二維平板巖心絕對(duì)滲透率1.4×10-3μm2。

1.1 一維柱狀巖心實(shí)驗(yàn)

利用一維柱狀巖心開展不同含水飽和度條件下儲(chǔ)氣庫(kù)注采氣模擬實(shí)驗(yàn)，研究?jī)?chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行過程中的氣體注采量以及氣體損失變化規(guī)律，為后續(xù)二維平板巖心模型實(shí)驗(yàn)中工作區(qū)域類型的劃分提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)采用2塊柱狀巖心，在不同含水飽和度條件下，以純度為99.99%的CH4進(jìn)行注采氣實(shí)驗(yàn)，裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)步驟為：①將 1#柱狀巖心抽真空后利用穩(wěn)態(tài)法建立不同的含水飽和度（50%～98%）環(huán)境。為保證實(shí)驗(yàn)的一致性，壓力及壓差設(shè)置與二維平板實(shí)驗(yàn)一致，設(shè)置系統(tǒng)回壓為8 MPa。②關(guān)閉出口端，以1.0 mL/min恒速注氣增壓至16 MPa，隨后靜置12 h。③打開出口端，以1.5 mL/min恒速采氣，記錄采出氣量及液量，至出口端無流體產(chǎn)出時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)束。④更換 2#柱狀巖心，重復(fù)步驟①—③。

圖1 一維巖心注采氣實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.2 二維平板巖心實(shí)驗(yàn)

二維平板巖心模型制作：在平板巖心上布置17個(gè)井位用于壓力監(jiān)測(cè)以及注采，同時(shí)布置32對(duì)飽和度監(jiān)測(cè)電極，用于監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)與運(yùn)行時(shí)的氣水運(yùn)移前緣與整體含水飽和度的變化情況，最后采用環(huán)氧樹脂對(duì)模型進(jìn)行整體澆注，在巖心表面形成隔絕層完成模型制作（見圖2）。

圖2 二維平板巖心模型示意圖與實(shí)物照片

平板巖心儲(chǔ)氣庫(kù)模型高溫高壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由巖心模型、高溫高壓實(shí)驗(yàn)艙、多點(diǎn)飽和度/壓力采集系統(tǒng)、溫度采集控制系統(tǒng)、流量控制閥、高壓干燥裝置、氣水分離計(jì)量裝置、回壓泵、圍壓泵等構(gòu)成（見圖3）。采用飽和度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中巖心模型內(nèi)的多點(diǎn)壓力、含水飽和度變化；通過控制出口節(jié)流截面控制氣體流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體注采速度的控制。

圖3 平板巖心儲(chǔ)氣庫(kù)模型高溫高壓實(shí)驗(yàn)裝置圖

注采參數(shù)：以新疆呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)為例，現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)氣庫(kù)地層厚度50 m，單井日注氣66.5×104m3，單井日采氣100.0×104m3，井距100 m，根據(jù)地層孔隙內(nèi)平均滲流速度相似理論[15]，結(jié)合室內(nèi)物理模型參數(shù)，計(jì)算儲(chǔ)氣庫(kù)模型運(yùn)行階段注氣速度為0.30 mL/min，采氣速度為0.45 mL/min。

實(shí)驗(yàn)步驟：①將 1#二維平板巖心模型置入高溫高壓實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，抽真空24 h。抽真空結(jié)束后，打開模型20#井，讓模型自然吸水至飽和，隨后通過該井以0.1 MPa壓差恒壓注水3 d，根據(jù)注采液量差值計(jì)算模型飽和水量與孔隙度。②保持回壓8 MPa，以0.30 mL/min速度通過 20#井注氣、12#井采液的方式進(jìn)行氣驅(qū)水，至該井不再有水產(chǎn)出時(shí)關(guān)閉，計(jì)量采出水量。③20#井繼續(xù)以 0.30 mL/min注氣，當(dāng)模型內(nèi)整體壓力達(dá)到16 MPa（儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氣峰值壓力）時(shí)完成儲(chǔ)氣庫(kù)首次儲(chǔ)氣過程，隨后靜置12 h平衡模型內(nèi)壓力。④控制系統(tǒng)回壓為8 MPa，利用20#井以0.45 mL/min速度恒速采氣，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)含水飽和度，計(jì)量采出液量、氣量，至該井無流體流出。⑤以0.30 mL/min恒速向20#井注入氣體，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型入口端壓力，當(dāng)壓力上升至儲(chǔ)氣庫(kù)模型運(yùn)行壓力上限（16 MPa）時(shí)關(guān)閉該井并靜置12 h平衡模型內(nèi)壓力。⑥重復(fù)第④、⑤步，完成6輪次注采。⑦更換2#二維平板巖心模型，重復(fù)①—⑥步。

2 一維柱狀巖心儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)及運(yùn)行動(dòng)態(tài)

圖 4為柱狀巖心不同含水飽和度條件下的注采氣能力與氣體損失率（注采過程中注入氣量與采出氣量的差值與注入氣量之比）變化情況。可以看到，模型注采氣能力與巖心含水飽和度呈負(fù)相關(guān)，巖心物性越好模型注采氣能力越強(qiáng)（見圖 4a、圖 4b），注采氣量整體越高。注氣建庫(kù)過程中，含水飽和度越高，氣體損失率越大（見圖4c）。當(dāng)巖心物性較好時(shí)，氣體損失率呈現(xiàn)“兩段式”分布特征：含水飽和度大于等于75%時(shí)氣體損失率較高，保持在 23%～36%；含水飽和度小于75%時(shí)，損失率大幅下降，基本保持在10%以下。當(dāng)物性較差時(shí)，氣體損失率呈現(xiàn)“三段式”分布特征：含水飽和度大于等于 80%時(shí)，損失率處于極高水平，保持在 75%以上；含水飽和度為 60%～75%時(shí)，氣體損失率雖然有所下降但依舊較高，保持在31%～36%；含水飽和度小于等于 55%時(shí)，氣體損失率大幅降低至10%以下。

圖4 柱狀巖心注采氣量動(dòng)態(tài)曲線

通過一維巖心注采氣量動(dòng)態(tài)分析可知，巖心含水飽和度是導(dǎo)致儲(chǔ)氣庫(kù)氣體損失的重要因素，在儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)集空間中，如果存在局部水淹層，注入氣在高含水區(qū)域會(huì)大量損失，從而增加儲(chǔ)氣庫(kù)的無效庫(kù)容和氣體損耗，該問題可通過驅(qū)替排水等措施降低儲(chǔ)集層含水飽和度加以解決。

由前述可知，1#柱狀巖心滲透率較高，當(dāng)巖心含水飽和度大于等于 75%時(shí)，氣體損失率較高，巖心內(nèi)氣體流動(dòng)較為困難。當(dāng)儲(chǔ)集層含水飽和度小于 75%時(shí)，氣體損失率大幅度降低，據(jù)此可將儲(chǔ)氣庫(kù)模型工作區(qū)域劃分為 2類：區(qū)域內(nèi)含水飽和度小于 75%定義為高效工作區(qū)；含水飽和度大于等于 75%定義為低效工作區(qū)。同理，2#柱狀巖心滲透率較低，可將儲(chǔ)氣庫(kù)模型工作區(qū)域劃分為 3類：區(qū)域內(nèi)含水飽和度大于 80%定義為無效工作區(qū)；含水飽和度為 55%～80%，定義為低效工作區(qū)；含水飽和度小于55%，定義為高效工作區(qū)。

3 二維平板巖心儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)及運(yùn)行動(dòng)態(tài)

3.1 排驅(qū)地層水建庫(kù)階段

圖5為平板巖心模型建庫(kù)過程中地層水排驅(qū)階段注入壓力、氣液比曲線。建庫(kù)初期注入壓力上升，當(dāng)采出端見氣一段時(shí)間后注入壓力開始下降，與氣液比的增長(zhǎng)相比，壓力的下降有一定的滯后性，這與壓降的傳遞有關(guān)。當(dāng)采出端大量見氣時(shí)（氣液比大于500 m3/m3），注入壓力趨于平穩(wěn)，隨后氣液比快速上升，采出流體以氣相為主，此時(shí)可以認(rèn)為建庫(kù)完成。

圖5 平板巖心模型排驅(qū)地層水建庫(kù)階段動(dòng)態(tài)曲線

圖6為平板巖心模型建庫(kù)時(shí)排驅(qū)過程中不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)模型內(nèi)含水飽和度分布。對(duì)比分析可知，平板巖心滲透率越高，氣體驅(qū)替水的效率越高，無論是氣體突破采出端前、突破采出端時(shí)，還是排驅(qū)完成時(shí)，1#平板巖心氣體波及的范圍均遠(yuǎn)大于 2#平板巖心。這主要是因?yàn)閹r心滲透率越低，滲流阻力越大，越易形成優(yōu)勢(shì)通道，波及范圍越小。

圖6 平板巖心模型排驅(qū)地層水建庫(kù)過程中不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)模型內(nèi)含水飽和度分布

3.2 多輪次注采運(yùn)行階段

平板巖心模型進(jìn)入多輪次注采階段后，伴隨著氣體的多輪次注采，地層水被氣流不斷攜帶采出，儲(chǔ)氣庫(kù)模型庫(kù)容逐漸變大。圖7分別為1#平板巖心模型多輪次注采采氣期末含水飽和度分布?？梢钥吹角?4輪次注采過程中，儲(chǔ)氣庫(kù)模型有效工作區(qū)域主要分布在注入井近井地帶并沿排驅(qū)地層水階段形成的氣相優(yōu)勢(shì)通道向兩側(cè)不斷擴(kuò)張，且有效工作區(qū)域內(nèi)含氣飽和度逐步提高（見圖7a、圖7b）。第5—第6輪次氣相波及范圍與波及區(qū)含氣飽和度基本不再變化（見圖7c、圖7d）。

圖7 1#平板巖心模型不同輪次注采采氣期末含水飽和度分布

圖8為1#平板巖心模型注采氣量與注采輪次的關(guān)系，可以看到，前 4輪次注采結(jié)束時(shí)注入氣量和采出氣量有較大差距，且注入氣量和采出氣量曲線呈逐步上升趨勢(shì)；第5、第6輪注入氣量和采出氣量雖然仍有差距，但差距大幅縮小并趨于穩(wěn)定，同時(shí)曲線也由上升趨勢(shì)變?yōu)樗阶邉?shì)。由此可以認(rèn)為 1#平板巖心模型經(jīng)4輪注采基本達(dá)到最大庫(kù)容量61.6 L。經(jīng)計(jì)算，達(dá)容后地層水排驅(qū)效率（采出水量占模型飽和水量的比例）為26.5%。

圖8 1#平板巖心模型注采氣量變化曲線

2#平板巖心模型儲(chǔ)氣庫(kù)庫(kù)容的變化與 1#平板巖心模型基本類似，表現(xiàn)為前 4輪次注采儲(chǔ)氣庫(kù)模型有效工作區(qū)域向氣相優(yōu)勢(shì)通道兩側(cè)不斷擴(kuò)張為主，后 2輪次表現(xiàn)為氣相波及范圍與波及區(qū)含氣飽和度基本不再變化（見圖 9），但受巖心滲透率較低的影響，模型擴(kuò)容較慢，需要 5輪次注采后才基本能達(dá)到最大庫(kù)容量44.3 L（見圖10）。經(jīng)計(jì)算，達(dá)容后地層水排驅(qū)效率僅為14.7%，遠(yuǎn)低于1#平板巖心模型。

圖9 2#平板巖心模型不同輪次注采采氣期末含水飽和度分布

圖10 2#平板巖心模型注采氣量變化曲線

根據(jù)柱狀巖心模型儲(chǔ)氣庫(kù)工作區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)平板巖心模型達(dá)容時(shí)的工作區(qū)進(jìn)行分類（見圖11）：①1#平板巖心模型，高效工作區(qū)約占總面積的73.0%，該區(qū)氣相飽和度高，基本不存在可動(dòng)水，儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行期間天然氣流動(dòng)阻力??；低效工作區(qū)約占總面積的27.0%，該區(qū)存在部分可動(dòng)水，儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行期間可動(dòng)水會(huì)影響天然氣的流動(dòng)；該模型不存在無效工作區(qū)。②2#平板巖心模型，高效工作區(qū)區(qū)域占總面積的45.0%，低效工作區(qū)約占總面積的44.6%，無效工作區(qū)10.4%?？梢妰?chǔ)集層物性越好，高效工作區(qū)范圍越大。

圖11 平板巖心模型達(dá)容時(shí)工作區(qū)劃分

3.3 儲(chǔ)氣庫(kù)模型庫(kù)容影響因素分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，儲(chǔ)氣庫(kù)模型運(yùn)行過程中，庫(kù)容的影響因素有 3個(gè)方面。①滲透率：儲(chǔ)氣庫(kù)模型滲透率越高，達(dá)容時(shí)排驅(qū)地層水效率越高，儲(chǔ)集空間利用率越高，達(dá)容時(shí)的庫(kù)容量越大；滲透率較高的模型，無效工作區(qū)很小或不存在，相對(duì)滲透率較低的模型而言，注入氣的損失越小，利用率越高。②含水飽和度：柱狀巖心模型實(shí)驗(yàn)表明，巖心含水飽和度越高，氣體損失越多，通過優(yōu)化注采驅(qū)替排水，降低含水飽和度，是減少儲(chǔ)氣庫(kù)氣量損失的有效途徑。③注采平衡時(shí)間：通過監(jiān)測(cè)平板巖心模型多輪次注采過程中注采平衡期壓力變化（見圖 12）情況可知，平衡前期井底壓力有所下降，但幅度很?。ㄐ∮?.5 MPa），4 h后井底壓力很快趨于穩(wěn)定，由此可知，繼續(xù)延長(zhǎng)注采平衡期對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)擴(kuò)容貢獻(xiàn)不大。

圖12 1#平板巖心模型第1輪次注采平衡期壓力變化

4 結(jié)論

氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)達(dá)容及運(yùn)行過程中，儲(chǔ)集空間可劃分為高效、低效和無效3 類工作區(qū)，儲(chǔ)集層滲透率越高，孔隙動(dòng)用效率越高，無效工作區(qū)越小，甚至不存在無效工作區(qū)，注入氣的損失越小，利用率越高。

儲(chǔ)集層物性越好，儲(chǔ)集空間越大，最終形成的庫(kù)容量越大；儲(chǔ)集層含水飽和度越高，儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)達(dá)容及運(yùn)行過程中氣體損失越多，優(yōu)化注采驅(qū)替排水，降低含水飽和度，是減少儲(chǔ)氣庫(kù)氣量損失的有效途徑。

多輪次注采過程中，注采平衡時(shí)間存在合理區(qū)間，超過該合理區(qū)間，繼續(xù)延長(zhǎng)注采平衡期對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)擴(kuò)容貢獻(xiàn)不大。