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        水淹氣藏型地下儲(chǔ)氣庫提高庫存動(dòng)用關(guān)鍵技術(shù)
        ——以板中北儲(chǔ)氣庫為例

        2023-11-15 07:11:32施金伶王權(quán)國韓世慶周春明李德寧
        天然氣工業(yè) 2023年10期
        關(guān)鍵詞:庫存量氣水動(dòng)用

        葉 萍 施金伶 王權(quán)國 韓世慶 周春明 李德寧 王 雪 許 倩 劉 薇

        中國石油大港油田公司天津儲(chǔ)氣庫分公司

        0 引言

        當(dāng)前,國內(nèi)已建的儲(chǔ)氣庫大部分是由水淹氣藏改建而成[1-5]。國際上,自20世紀(jì)50年代水侵氣藏開始建庫以來已形成一系列配套關(guān)鍵技術(shù)。而我國儲(chǔ)氣庫建設(shè)較晚,20世紀(jì)末第一座商業(yè)化儲(chǔ)氣庫大張坨正式開始投運(yùn),經(jīng)過20 余年的發(fā)展,目前國內(nèi)已建成了超過100×108m3的工作氣量。但由于我國復(fù)雜的建庫地質(zhì)條件,受儲(chǔ)層物性差、非均質(zhì)性強(qiáng)及邊水選擇性侵入等因素影響,氣藏改建儲(chǔ)氣庫后,氣水多相滲流機(jī)理復(fù)雜,儲(chǔ)氣庫運(yùn)行過程中暴露出達(dá)容達(dá)產(chǎn)效果差、工作氣量增速緩慢等問題。大港儲(chǔ)氣庫群目前已運(yùn)行近20年,運(yùn)行動(dòng)態(tài)分析跟蹤結(jié)果表明,除大張坨儲(chǔ)氣庫是在開采中期改建儲(chǔ)氣庫,目前儲(chǔ)氣庫參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)之外,其余5 座水淹枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫經(jīng)過近17 周期運(yùn)行目前基本處于穩(wěn)定階段,但是儲(chǔ)氣庫均未達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。水淹枯竭氣藏型儲(chǔ)氣庫在注采過程中水侵嚴(yán)重影響氣井的產(chǎn)能,庫容動(dòng)態(tài)變化過程中的驅(qū)水達(dá)容規(guī)律具有復(fù)雜性和普遍性,直接影響其注采能力和達(dá)容達(dá)產(chǎn)時(shí)間。筆者以板中北儲(chǔ)氣庫為例,深度剖析注采運(yùn)行各項(xiàng)指標(biāo)及周期擴(kuò)容達(dá)產(chǎn)能力,分析影響庫存動(dòng)用的原因,提出提高庫存動(dòng)用關(guān)鍵技術(shù)和措施,優(yōu)化儲(chǔ)氣庫運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù),從而提高了儲(chǔ)氣庫的運(yùn)行質(zhì)量,為同類型儲(chǔ)氣庫提高庫存動(dòng)用提供方法借鑒。

        1 氣藏型儲(chǔ)氣庫庫存動(dòng)用程度評價(jià)方法

        庫存量是指某地層壓力下儲(chǔ)存的天然氣量在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積,一般由有效庫存量和未動(dòng)用庫存量組成。有效庫存量是指在現(xiàn)有注采井網(wǎng)下能動(dòng)用的天然氣量在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積。而庫存動(dòng)用率是有效庫存量與庫存量的比值,反映庫存動(dòng)用程度。

        式中ηGr表示庫存動(dòng)用率;Grm表示有效庫存量,108m3;Gr表示靜態(tài)庫存量,108m3。

        根據(jù)儲(chǔ)氣庫注采運(yùn)行庫存曲線,某周期有效庫存量等于注氣末期庫存量減去采氣曲線向下外延至X軸交點(diǎn)對應(yīng)的庫存量(圖1)。針對弱—中等水侵氣藏型儲(chǔ)氣庫,有效庫存量應(yīng)按下式計(jì)算:

        圖1 儲(chǔ)氣庫多周期注采庫存曲線示意圖

        式中Qp表示周期采氣量,108m3;pin表示注氣末期地層壓力,MPa;Zin表示注氣末期天然氣偏差系數(shù),無因次;pcm表示采氣末期地層壓力,MPa;Zcm表示采氣末期天然氣偏差系數(shù),無因次。

        從有效庫存量關(guān)系曲線和庫存動(dòng)用率公式可以看出,提高有效庫存量是提高庫存動(dòng)用率的關(guān)鍵因素,有效庫存量的大小取決于注采氣階段壓力波及范圍內(nèi)能夠有效動(dòng)用的庫存量。

        2 板中北儲(chǔ)氣庫庫存動(dòng)用程度影響因素

        以板中北儲(chǔ)氣庫為例,該氣藏為一個(gè)半背斜構(gòu)造,圈閉受斷層和巖性雙重因素控制,構(gòu)造邊部為油環(huán)和水體封閉。由于邊水的入侵[6-7],建庫后的注采運(yùn)行過程中,氣驅(qū)水淹區(qū)的微細(xì)孔道難以有效驅(qū)替,注采井網(wǎng)對砂體控制程度降低[8-10],部分氣體不能及時(shí)動(dòng)用。加之儲(chǔ)層非均質(zhì)性的影響、邊部水侵導(dǎo)致氣井產(chǎn)能大幅降低等[11-13],使得現(xiàn)井網(wǎng)的庫存動(dòng)用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)指標(biāo),也是儲(chǔ)氣庫不達(dá)標(biāo)的主要原因。

        2.1 流體分布復(fù)雜

        板中北氣藏自1975年投入衰竭式開發(fā),至2000年底枯竭加水淹停采,2003年該氣藏改建為儲(chǔ)氣庫,設(shè)計(jì)庫容為24.48×108m3,設(shè)計(jì)壓力介于13.0~30.5 MPa,以b840 斷層分界將板中北儲(chǔ)氣庫分為東、西兩個(gè)區(qū)塊。板中北儲(chǔ)氣庫建庫前東區(qū)低部位與西區(qū)大部分區(qū)域已水淹,流體分布遵循上輕下重的重力分異規(guī)律[14-15]。同時(shí)由于氣藏內(nèi)部巖性非均質(zhì)性的存在,造成氣水移動(dòng)界面出現(xiàn)舌進(jìn)、指進(jìn)等現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致儲(chǔ)氣庫內(nèi)部流體分布趨于復(fù)雜化。

        2.2 氣井產(chǎn)水影響單井產(chǎn)能

        板中北儲(chǔ)氣庫氣水過渡帶的注采井,盡管物性與高部位氣井大致相當(dāng),但在采氣生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)氣水兩相流動(dòng),地層滲流阻力增加,氣井采氣能力受到限制[16-18],與高部位井具有一定差距(圖2)。

        2.3 不同區(qū)帶運(yùn)行壓力存在差異

        儲(chǔ)氣庫多周期注采氣平衡期單井靜壓測量值顯示(圖3),氣井整體連通性較好,采氣末期東區(qū)中高部位井基本能實(shí)現(xiàn)下限壓力13.0 MPa,邊部井因受液量影響下限壓力較高,達(dá)21.0 MPa。板中北儲(chǔ)氣庫東、西兩區(qū)采氣結(jié)束后壓力分別為15.9 MPa、21.8 MPa,壓力相差5.9 MPa。同時(shí)構(gòu)造邊部位井由于水淹程度高,采氣后測壓值相對較高,構(gòu)造邊部的k3-11 井壓力為17.0 MPa,k3-19 井壓力為19.3 MPa,比構(gòu)造高部位的k3-1 井分別高2.7 MPa、5.0 MPa。

        圖3 板中北儲(chǔ)氣庫某周期采氣末期單井壓力分布圖

        3 板中北儲(chǔ)氣庫提高庫存動(dòng)用關(guān)鍵技術(shù)

        3.1 合理配產(chǎn)配注,實(shí)現(xiàn)氣庫均衡驅(qū)替

        板中北儲(chǔ)氣庫由枯竭式氣藏改建,地層虧空較為嚴(yán)重,儲(chǔ)氣庫構(gòu)造高點(diǎn)海拔為-2 706 m,閉合高度為94 m,圈閉面積8.9 km2。儲(chǔ)層分布穩(wěn)定,平均有效厚度為19.4 m,測井平均孔隙度為20%,平均滲透率為220 mD,屬于中孔隙度、中高滲透率砂巖儲(chǔ)層,構(gòu)造較平緩,構(gòu)造主體部位傾角2°~3°。投產(chǎn)注氣后注氣壓力高,配注量大,容易形成天然氣滲流優(yōu)勢通道,進(jìn)而產(chǎn)生指進(jìn)或氣水互鎖現(xiàn)象,導(dǎo)致氣驅(qū)波及效率大幅降低,因此,結(jié)合板中北儲(chǔ)氣庫地質(zhì)特點(diǎn)及井網(wǎng)分布情況,應(yīng)用臨界注氣速度方法和物質(zhì)平衡方法對單井合理配產(chǎn)配注進(jìn)行計(jì)算[19-23]。

        3.1.1 臨界注氣速度方法

        當(dāng)注入氣地層滲流速度恰好等于地層水滲流速度時(shí),能確保氣水前緣平穩(wěn)外推。單井注氣量(Qgc)計(jì)算公式如下:

        式中Kg表示氣相滲透率,μm2;μg表示氣體黏度,mPa·s;A表示氣井注氣滲流截面積,m2;ρg表示氣體密度,kg/m3;ρw表示水的密度,kg/m3;g表示重力加速度,m/s2;α表示建庫儲(chǔ)層傾角,(°);Mgw表示氣水流度比,無因次。

        3.1.2 物質(zhì)平衡方法

        k3-5 井日均注氣量(Qgm)計(jì)算公式如下:

        式中Re表示注氣井控半徑,m;h表示平均有效厚度,m;φ表示平均孔隙度;Swr表示束縛水飽和度;T表示注氣時(shí)間,d;Bg1、Bg2分別表示注初、注末天然氣體積系數(shù)。

        針對水淹氣藏儲(chǔ)氣庫注氣期,遵循“先高后低”“先強(qiáng)后緩”的注氣原則,在注氣初期加強(qiáng)氣藏高、中部位注氣,實(shí)施強(qiáng)注氣,盡快把采氣過程中侵入進(jìn)來的液相流體向外驅(qū)替,隨著地層壓力的升高逐步增開構(gòu)造中低部位井,注氣后期地層壓力高,采取緩注、間注方式注氣。

        截至2022年,板中北儲(chǔ)氣庫共增加庫容16.92×108m3,其中累計(jì)排液量為115.03×104m3,按排出液全部被氣占據(jù),估算約形成2.3×108m3庫容,計(jì)算結(jié)果表明儲(chǔ)氣庫庫容主要為氣驅(qū)水形成。通過均衡驅(qū)替,儲(chǔ)氣庫純氣區(qū)、氣水過渡帶含氣飽和度不斷提高,數(shù)值模擬顯示氣液界面均勻外推約120 m(圖4)。

        圖4 板中北儲(chǔ)氣庫建庫前和多周期運(yùn)行流體分布圖

        3.2 邊部控水,提高庫存利用率

        建立不同地層壓力、水氣比下得合理產(chǎn)氣曲線,隨著不同區(qū)帶注采井液氣比的不斷升高,在氣水過渡帶單井液氣比達(dá)到(6~10)m3/104m3,合理產(chǎn)氣量為(15~30)×104m3/d(圖5)。

        圖5 產(chǎn)水氣井產(chǎn)能修正曲線圖

        采氣期通過優(yōu)化單井采氣配產(chǎn),位于構(gòu)造邊部的井采取“穩(wěn)產(chǎn)排液”方式采氣,以控制合理日采氣量,減緩邊水內(nèi)侵,避免造成井筒積液停噴,延長邊部位井采氣生產(chǎn)時(shí)間(圖6),實(shí)現(xiàn)控制邊水入侵的目的。

        圖6 延長邊部位產(chǎn)水井k3-21 井多周期采氣曲線圖

        3.3 分區(qū)動(dòng)用,優(yōu)化注采結(jié)構(gòu),提高單井注采能力

        利用物質(zhì)平衡方法計(jì)算了目前井網(wǎng)的控制庫存量。板中北儲(chǔ)氣庫累計(jì)控制庫存量為14.5×108m3,控制程度為57.5%。其中東區(qū)控制庫存量為11.6×108m3,控制程度為80%;西區(qū)控制庫存量為2.9×108m3,控制程度為20%(圖7)。

        圖7 板中北儲(chǔ)氣庫單井控制庫存量對比圖

        板中北儲(chǔ)氣庫高點(diǎn)東區(qū)氣頂區(qū)存氣量較多,已形成有效庫容,但東區(qū)邊部和西區(qū)存氣量較低,含水較多,壓力較高,井網(wǎng)控制程度低,沒有形成有效庫容,為了提高儲(chǔ)氣庫擴(kuò)容速度和控制邊水侵入速度,依據(jù)含水井產(chǎn)量約為純氣井產(chǎn)量50%的比例關(guān)系,在氣水過渡帶部署實(shí)施6 口加密井(k3-19、k3-20、k3-21、k3-11、k3-16、k3-17 井,圖8),通過強(qiáng)化注氣驅(qū)水和控制邊水侵入,加速擴(kuò)容增產(chǎn)。

        板中北儲(chǔ)氣庫原有流程只能對A、B 井場進(jìn)行混合注氣,由于停采末期東、西區(qū)地層壓力差異,籠統(tǒng)注氣的西區(qū)塊各井壓力較高,吸氣滯后不能滿足低部位水淹區(qū)氣井的注氣需求。2018年對站內(nèi)工藝進(jìn)行改造,實(shí)現(xiàn)B 井場6 口井(k3-11、k3-12、k3-13、k3-16、k3-17、k3-18 井)獨(dú)立注氣,提升了單井注采能力(圖9)。

        圖9 板中北西區(qū)氣水過渡帶k3-16 井多周期采氣曲線圖

        4 提高庫存動(dòng)用關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用效果

        4.1 庫存動(dòng)用率提高

        在儲(chǔ)氣庫多周期注采運(yùn)行過程中,可根據(jù)運(yùn)行曲線定性分析儲(chǔ)氣庫的運(yùn)行狀況,如儲(chǔ)氣庫擴(kuò)容、氣體漏失等現(xiàn)象;也可根據(jù)各運(yùn)行指標(biāo)變化規(guī)律和趨勢,將儲(chǔ)氣庫劃分為不同的擴(kuò)容階段[27-32]。通過板中北儲(chǔ)氣庫多周期庫存曲線變化規(guī)律看出,儲(chǔ)氣庫庫存曲線向右移動(dòng),整體處于不斷擴(kuò)容階段,庫存曲線斜率變小,說明有效庫存量增加(圖10-a)。有效庫存量和庫存動(dòng)用率曲線表明(圖10-b),庫存動(dòng)用率由初期的50.3%增加至目前的61.2%,庫存動(dòng)用率提高了10.9%。

        圖10 板中北儲(chǔ)氣庫多周期庫存量、有效庫存量、庫存動(dòng)用率變化曲線圖

        4.2 調(diào)峰能力增強(qiáng)

        板中北儲(chǔ)氣庫經(jīng)歷了19 個(gè)注采周期,初期工作氣量為1.9×108m3。伴隨儲(chǔ)氣庫達(dá)容擴(kuò)容工程的實(shí)施,不斷優(yōu)化單井配產(chǎn)配注,調(diào)整注采結(jié)構(gòu),精細(xì)注采擴(kuò)大運(yùn)行壓力區(qū)間,庫存動(dòng)用程度提高的同時(shí),調(diào)峰能力不斷增強(qiáng),2009—2010年季節(jié)調(diào)峰氣量5.6×108m3,2021—2022年季節(jié)調(diào)峰氣量6.19×108m3,儲(chǔ)氣庫當(dāng)前工作氣量已達(dá)到7.2×108m3,整體運(yùn)行效果不斷改善。

        5 結(jié)論

        1)從儲(chǔ)氣庫庫存動(dòng)用程度評價(jià)方法出發(fā),結(jié)合注采動(dòng)態(tài)跟蹤分析研究,提出了復(fù)雜的油氣水流體分布、儲(chǔ)氣庫注采氣速度、氣井產(chǎn)水、運(yùn)行壓力區(qū)間差異、井網(wǎng)井距是影響板中北水侵氣藏型儲(chǔ)氣庫庫存動(dòng)用程度的主要因素。

        2)以臨界注氣速度和物質(zhì)平衡方法為約束,結(jié)合板中北氣藏地質(zhì)特點(diǎn)和井網(wǎng)分布情況,建立單井合理配注方法,實(shí)行單井差異化注氣,確保氣水前緣平穩(wěn)外推,實(shí)現(xiàn)氣庫均衡驅(qū)替。

        4)通過水侵氣藏型儲(chǔ)氣庫合理井網(wǎng)井距論證,優(yōu)化不同區(qū)帶注采井網(wǎng),調(diào)整注采結(jié)構(gòu)和壓縮機(jī)配置,解決了水侵氣庫壓力差異大的問題,實(shí)現(xiàn)氣庫精細(xì)化注采,提高擴(kuò)容效率。

        5)通過單井合理配注、含水氣井產(chǎn)能修正、完善井網(wǎng)、分區(qū)動(dòng)用優(yōu)化注采結(jié)構(gòu)等提高庫存動(dòng)用關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用,板中北水淹氣藏型儲(chǔ)氣庫的庫存動(dòng)用程度提高了近10%。

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