劉加興,張 躍,盧祥國,殷慶國,陳鶴昂,肖京池,羅云龍,田中原

(1.東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 大慶 163318; 2.大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院, 黑龍江 大慶 163712; 3.大港油田公司石油工程研究院,天津 300280; 4.中國石化西南油氣分公司石油工程監(jiān)督中心, 四川 德陽 618099; 5.中海石油(中國)有限公司海南分公司,海南 ?？?570100)

天然氣是石油和煤炭等高碳能源向綠色能源轉(zhuǎn)變的橋梁,大力開發(fā)天然氣資源可減少石油消費(fèi)和進(jìn)口量,有利于確保國家能源安全。我國氣藏具有類型多樣、資源分布廣泛、儲(chǔ)層低滲致密、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及非均質(zhì)性嚴(yán)重等特點(diǎn)[1-5]。在我國現(xiàn)階段的氣藏開發(fā)中,大部分為不同程度的水驅(qū)氣藏[6-7]。其中,邊、底水活躍的氣藏占40%～50%[8]。水驅(qū)氣藏的采收率普遍較低。近年來,此類氣藏氣水同產(chǎn)井比例逐年上升,產(chǎn)氣能力下降,嚴(yán)重影響開發(fā)效果。由于在氣藏開發(fā)過程中孔隙水和邊底水易沿大孔隙、裂縫或斷裂帶等高滲通道非均勻突進(jìn),導(dǎo)致氣相滲流能力大幅度下降甚至難以流動(dòng),在水淹儲(chǔ)層和水侵封割區(qū)域形成封閉氣,導(dǎo)致大量儲(chǔ)量難以采出。研究表明,隨氣藏儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度增加和邊底水能量增強(qiáng),氣藏采收率快速減小[9-11]。綜上所述,有水氣藏治水對于提高氣藏采收率具有重要意義。

但是,如何清晰明確地獲取邊底水氣藏開發(fā)過程中的水侵規(guī)律,一直以來都是一個(gè)難題。目前,關(guān)于有水氣藏水侵規(guī)律認(rèn)識(shí)已有大量文獻(xiàn)報(bào)道。張數(shù)球[12]通過對于四川地區(qū)含水氣藏的研究,掌握了相關(guān)氣藏的開發(fā)現(xiàn)狀及開采方式的選擇;徐軒等[13]針對裂縫性邊水氣藏建立了物理模擬方法并開展實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)測試了氣藏內(nèi)部動(dòng)態(tài)壓降剖面,對比分析了不同水體、不同治水措施下氣藏開采動(dòng)態(tài)及儲(chǔ)量動(dòng)用規(guī)律;胡勇等[14]針對裂縫/孔隙型氣藏水侵規(guī)律及影響氣藏采出程度機(jī)理的認(rèn)識(shí)難題,采用物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù),開展了貫通水平裂縫條件下水侵規(guī)律、儲(chǔ)層基質(zhì)滲吸水以及儲(chǔ)層基質(zhì)滲吸水后對儲(chǔ)層供氣機(jī)理影響實(shí)驗(yàn)研究;方飛飛等[15]針對非均質(zhì)氣藏設(shè)計(jì)了水侵規(guī)律物理模擬裝置,開展了不同滲透率級(jí)差及不同布井方式對氣藏開發(fā)效果影響的實(shí)驗(yàn)研究。然而,在低滲致密有水氣藏開發(fā)中后期注氣提高采收率相關(guān)報(bào)道很少[16-19]。

龍王廟組巖石類型主要為砂屑白云巖和細(xì)粉晶白云巖,儲(chǔ)集空間以裂縫和孔洞為主。儲(chǔ)層孔隙度為2.00%～18.48%,平均4.27%;基質(zhì)滲透率0.001×10-3～1.0×10-3μm2占比71.6%,大于0.1×10-3μm2占比(34.5%),平均1.59×10-3μm2[20-22]。由于實(shí)驗(yàn)巖心模型難以準(zhǔn)確刻畫地質(zhì)背景下復(fù)雜裂縫的產(chǎn)狀、展布等特征,一般處理方法是細(xì)化到某一單元對單一高導(dǎo)裂縫進(jìn)行刻畫?；谀ハ埻鯊R組氣藏的儲(chǔ)層特征,同時(shí)為了探索布井方式和注氣對邊底水裂縫性氣藏開采效果的影響和作用機(jī)制,本文研制了孔隙型和孔隙/裂縫型巖心,將不同巖心串聯(lián)形成邊底水裂縫性氣藏物理模擬模型,在此模型上開展了布井方式和注氣對氣藏開采效果影響評價(jià)實(shí)驗(yàn),探究了水侵影響氣藏采收率作用機(jī)制,可為現(xiàn)場合理布井方式選擇和注氣提高采收率技術(shù)決策提供理論和技術(shù)支持。

1 碳酸鹽巖人造巖心制作

在油氣田開發(fā)實(shí)驗(yàn)研究中,離不開巖心的使用。目前來看,由于天然巖心來源的限制,在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中極少數(shù)使用天然巖心,大部分仍然需要使用人造巖心。常用人造巖心制作方法有石英充填、磷酸鋁石英燒結(jié)和石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)3種[23-25]。從人造巖心孔隙結(jié)構(gòu)與天然巖心相似性、巖心制作難易性和巖心自身重復(fù)性等方面來看,環(huán)氧樹脂膠結(jié)壓制法具有更大優(yōu)越性。為了更好地與實(shí)際油田儲(chǔ)層物性保持一致,通常要求人造巖心在潤濕性、滲透率、孔隙度和非均質(zhì)性等方面與儲(chǔ)層巖心接近或相似。因此,本文在在石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造巖心加工方法基礎(chǔ)上,研制了碳酸鹽巖心仿真物理模型。

1.1 碳酸鹽巖巖心制作工藝

1.1.1 基質(zhì)巖心制作步驟

(1)模具、粉砂和膠結(jié)物。模具由側(cè)板、端板、底板和壓板等組成,底板與壓板為硬雜木,其余為碳鋼。模具兩側(cè)板端面各有一組孔眼,可用螺栓將2個(gè)側(cè)板連接在一起。巖心制作物料主要由方解石粉砂和環(huán)氧樹脂膠結(jié)物組成。

(2)拌砂。將不同粒徑碳酸鹽粉砂按比例混合和攪拌均勻,稱取膠結(jié)物所需各種藥品,將其混合并攪拌均勻,然后與粉砂混合。通過攪拌和過篩等步驟,確保粉砂與膠結(jié)物充分混合,最終得到含膠混合物。

(3)裝模和成型。在混合物裝入模具前,先用丙酮擦凈模具內(nèi)側(cè),混合物充填到模具內(nèi)后,用刮砂板沿水平方向來回移動(dòng),其間還需調(diào)整刮砂板深度,直到混合物均勻分布為止,最后用壓板將混合物壓實(shí)。將填裝砂模具置于壓力試驗(yàn)機(jī)上,調(diào)整模具位置使其位于壓力機(jī)承壓板中心線上,然后緩慢升壓至設(shè)計(jì)值,穩(wěn)壓一定時(shí)間(依據(jù)目標(biāo)滲透率和孔隙度而定),卸壓。

(4)固化。將壓制成型巖心放入85 ℃保溫箱內(nèi)放置6～8 h,之后關(guān)閉保溫箱電源,自然冷卻至室溫。

1.1.2 孔隙/裂縫巖心制作步驟

在上述含膠混合物裝填模具過程中,將鹽紙預(yù)埋在含膠混合物(巖心基質(zhì)部分)預(yù)定位置,再在上部裝填另一層含膠混合物(或更多層),之后加壓成型、升溫固化和多次抽空飽和蒸餾水,再加巖心放入85 ℃恒溫箱內(nèi)放置6～8 h,自然冷卻后最終得到孔隙/裂縫巖心。

按照上述方法加工的巖心如圖1所示。

圖1 巖心和模型實(shí)物照片F(xiàn)ig.1 Physical photos of rock cores and models

1.2 人造巖心與露頭巖心性能測試和對比

1.2.1 孔隙結(jié)構(gòu)分析

目標(biāo)氣藏天然露頭和人造巖心孔喉分布測試結(jié)果見表1和表2。

表1 巖心壓汞分析結(jié)果Tab.1 Core mercury injection analysis results

表2 不同尺寸孔喉占總孔喉比例Tab.2 Proportion of throat with different sizes in total throat

從表1和表2可以看出,與天然露頭巖心相比,人造巖心孔喉分布比較均衡,特定尺寸(>1.0 μm)孔喉分布頻率較高,但二者主要孔喉分布較為一致,主要孔喉尺寸都超過1.0 μm。

1.2.2 潤濕性測試

儲(chǔ)層巖石潤濕性對邊底水氣藏水侵速度存在較大影響,進(jìn)而影響氣藏開發(fā)(物理模擬)效果。為了解人造巖心和天然露頭巖心的潤濕性及差異,采用接觸角測試儀測試巖心潤濕角,測試結(jié)果見表3。從表3可以看出,露頭巖心和人造巖心潤濕角均小于90°,潤濕性為親水,二者潤濕性相近。

表3 潤濕角測試結(jié)果Tab.3 Wetting angle test results

綜上可知,該人造巖心可以滿足室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)需求。

2 實(shí)驗(yàn)條件

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

巖心幾何尺寸為長4.5 cm、寬4.5 cm、高30 cm。為了表征儲(chǔ)層非均質(zhì)性和邊底水對氣藏開采效果的影響,采用不同滲透性的孔隙型與孔隙/裂縫型巖心串聯(lián)組合成模型。其中,孔隙型巖心模擬儲(chǔ)層基質(zhì)部分,孔隙/裂縫型巖心與恒壓水體組合模擬邊底水體。各類型巖心物性參數(shù)見表4。

實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水,實(shí)驗(yàn)用氣為氮?dú)狻?/p>

表4 巖心物性參數(shù)設(shè)計(jì)Tab.4 Design of core physical parameters

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和步驟

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)儀器包括壓力容器(耐溫95 ℃,耐壓10 MPa)、壓力傳感器、氣體流量計(jì)、氣水分離裝置、高壓氣瓶、回壓閥和手搖泵等。實(shí)驗(yàn)設(shè)備和流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程示意Fig.2 Schematic diagram of experimental equipment and process

2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟如下:①將不同類型巖心串聯(lián)組成模型;②連接各種管線和測試設(shè)備;③關(guān)閉壓力容器,用手搖泵提升容器壓力到9.5 MPa,穩(wěn)定一段時(shí)間后,檢查其密封性是否良好;④對初始干巖心進(jìn)行飽和氣,直至壓力升到8.5 MPa,并記錄注入氣量;⑤將氣瓶與裝有實(shí)驗(yàn)用水的中間容器連通,連接至P4井,調(diào)節(jié)壓力使得中間容器壓力為8.5 MPa,用以模擬恒壓水體;⑥打開氣井及恒壓水井,開啟壓力采集系統(tǒng),按照方案設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行衰竭式(采氣速度200 mL/min)和注氣開采(注氣量2 L)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中采集和計(jì)算參數(shù)包括瞬時(shí)產(chǎn)氣量、累計(jì)產(chǎn)氣量、瞬時(shí)產(chǎn)水量、累計(jì)產(chǎn)水量和壓力剖面等。

2.3 方案設(shè)計(jì)

為了研究低滲致密非均質(zhì)氣藏水侵規(guī)律及其對儲(chǔ)量動(dòng)用程度的影響和作用機(jī)理,探索不同布井方式對氣藏產(chǎn)能和采收率的影響以及注氣提高氣藏采收率方法的可行性,設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.3.1 模型Ⅰ

模型Ⅰ由1×10-3μm2孔隙型巖心+192×10-3μm2孔隙/裂縫型巖心+0.1×10-3μm2孔隙型巖心串聯(lián)而成,沿程均勻布置多個(gè)測壓點(diǎn)。其中,P1和P7為端點(diǎn)或采氣井點(diǎn),P3和P5為發(fā)揮連接作用的三通,P4為模型與恒壓水體連接點(diǎn)。模型各滲透區(qū)和測壓點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 模型Ⅰ結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of model Ⅰ

2.3.2 模型Ⅱ

模型Ⅱ由0.1×10-3μm2孔隙型巖心+192×10-3μm2孔隙/裂縫型巖心+1×10-3μm2孔隙型巖心串聯(lián)而成,沿程布置多個(gè)測壓點(diǎn)。其中,P1和P7為端點(diǎn)或采氣井點(diǎn),P3和P5為發(fā)揮連接作用的三通,P4為模型與恒壓水體連接點(diǎn)。模型各滲透區(qū)和測壓點(diǎn)分布如圖4所示。

圖4 模型Ⅱ結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of model Ⅱ

3 結(jié)果分析

3.1 模型Ⅰ生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析

將模型Ⅰ測壓點(diǎn)P4與恒壓(8.5 MPa)水體連接,使得P4測壓點(diǎn)壓力與恒壓水體壓力保持一致為8.5 MPa,調(diào)整回壓使產(chǎn)氣速度達(dá)到200 mL/min,然后進(jìn)行衰竭式和注氣開采。實(shí)驗(yàn)過程中,瞬時(shí)產(chǎn)氣量、采出程度和各測壓點(diǎn)壓力與時(shí)間關(guān)系如圖5和圖6所示。

圖5 模型Ⅰ瞬時(shí)產(chǎn)氣量和采出程度與開采時(shí)間關(guān)系Fig.5 Relationship between instantaneous gas production, recovery degree,and production time in modelⅠ

從圖5和圖6可以看出,當(dāng)采氣井(P7測壓點(diǎn))位于低滲區(qū)(0.1×10-3μm2)時(shí),低滲區(qū)各測壓點(diǎn)(P5和P6)壓力初期快速下降,之后趨于穩(wěn)定,低滲區(qū)整體采收率為52.91%。分析認(rèn)為,氣井開采時(shí),低滲區(qū)氣體率先采出,使得P5、P6壓力迅速下降,高滲區(qū)氣體也會(huì)沿裂縫突進(jìn)到低滲區(qū),但由于低滲區(qū)滲透率較低,水侵程度弱,水沿基質(zhì)推進(jìn)速度低于氣體滲流速度,因而水侵形成水鎖氣區(qū)域較小,采收率受到影響程度較低。當(dāng)位于低滲區(qū)氣井停產(chǎn)時(shí),氣井未見水。由于模型中部區(qū)域存在裂縫,待水侵入裂縫后,因裂縫具有高導(dǎo)性和親水性,且在較低壓差的情況下,水就會(huì)優(yōu)先竄入,發(fā)生水竄形成優(yōu)勢通道,從而將其繞流而過的孔隙中的氣體封閉起來,封堵了氣流通道,造成高滲區(qū)儲(chǔ)量動(dòng)用程度較低,區(qū)內(nèi)測壓點(diǎn)壓力初期降低速度緩慢,降低幅度較小。

圖6 模型Ⅰ各測壓點(diǎn)壓力與開采時(shí)間關(guān)系Fig.6 Relationship between pressure at each pressure measurement point and mining time in model Ⅰ

將采氣井移至高滲區(qū)(測壓點(diǎn)P1)后,測壓點(diǎn)(P2和P3)壓力快速減小,區(qū)內(nèi)剩余氣儲(chǔ)量得到較大程度動(dòng)用,采收率明顯提高。由于高滲區(qū)滲透率較大,水侵速度較快,氣井出現(xiàn)水鎖氣和氣液同產(chǎn)現(xiàn)象,累產(chǎn)水12.5 mL。由于出現(xiàn)了氣水兩相滲流,很大程度上增加了氣相的滲流阻力,也使得氣藏采收率顯著下降,氣井停產(chǎn)時(shí)高滲區(qū)采收率僅為19.17%,區(qū)內(nèi)測壓點(diǎn)(P2和P3)壓力仍然較高。

為進(jìn)一步動(dòng)用高滲區(qū)“水鎖氣”區(qū)域內(nèi)剩余氣儲(chǔ)量,通過采氣井(P1)注氣2 L,燜井100 min后開井生產(chǎn),累產(chǎn)氣0.444 L,采氣量低于注氣量。氣井停產(chǎn)時(shí),測壓點(diǎn)P2和P3壓力不降反升。分析認(rèn)為,累產(chǎn)氣量明顯小于注入氣量,巖心剩余氣儲(chǔ)量增多,整體壓力上升,而當(dāng)氣井停產(chǎn)時(shí),P2、P3壓力較之前上升,表明氣體在P2、P3井處“水鎖氣”現(xiàn)象進(jìn)一步加劇,注氣提高采收率效果較差。

3.2 模型Ⅱ生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析

將模型Ⅱ測壓點(diǎn)P4與恒壓(8.5 MPa)水體連接,使得P4測壓點(diǎn)壓力與恒壓水體壓力保持一致為8.5 MPa,調(diào)整回壓使產(chǎn)氣速度達(dá)200 mL/min,然后進(jìn)行衰竭式和注氣開采。實(shí)驗(yàn)中瞬時(shí)產(chǎn)氣量、采出程度和各測壓點(diǎn)壓力與時(shí)間關(guān)系如圖7和圖8所示。

圖7 模型Ⅱ瞬時(shí)產(chǎn)氣量和采出程度與開采時(shí)間關(guān)系Fig.7 Relationship between instantaneous gas production, recovery degree,and production time in model Ⅱ

圖8 模型Ⅱ各測壓點(diǎn)壓力與開采時(shí)間關(guān)系Fig.8 Relationship between pressure at each pressure measurement point and mining time in model Ⅱ

從圖7和圖8可以看出,當(dāng)將氣井(P7)設(shè)置于高滲區(qū)并進(jìn)行衰竭式開采后,區(qū)內(nèi)測壓點(diǎn)(P5和P6)壓力呈現(xiàn)先降后升趨勢,氣井完全水淹即停產(chǎn)時(shí)采收率31.79%,累計(jì)產(chǎn)水3.7 mL。分析認(rèn)為,由于受到恒壓水體水侵補(bǔ)充能量的影響,高滲區(qū)因采氣損失的壓力得到補(bǔ)償,區(qū)內(nèi)測壓點(diǎn)壓力呈現(xiàn)先降后升趨勢,直至高滲區(qū)內(nèi)氣井水淹和停產(chǎn)。由于“水鎖氣”造成低滲區(qū)儲(chǔ)量難以動(dòng)用,區(qū)內(nèi)測壓點(diǎn)壓力降幅較小,剩余氣儲(chǔ)量較大。

將采氣井移至低滲區(qū)(P1)并進(jìn)行衰竭式開采后,區(qū)內(nèi)剩余氣儲(chǔ)量開始得到動(dòng)用。但由于水侵引起水鎖氣和氣液同產(chǎn)現(xiàn)象,累產(chǎn)水6.8 mL,氣井停產(chǎn)時(shí)區(qū)內(nèi)測壓點(diǎn)(P2和P3)壓力仍然較高,采收率僅為16.98%。

為考察注氣對高滲區(qū)內(nèi)“水鎖氣”區(qū)域剩余氣動(dòng)用效果的影響,通過注氣井(P7)注氣2 L,燜井100 min后,在P1井處進(jìn)行采氣生產(chǎn),區(qū)內(nèi)測壓點(diǎn)壓力均下降,累計(jì)產(chǎn)氣2.739 L,采收率提高4.56%?？梢钥闯?在遠(yuǎn)離開采井注氣時(shí)對于采收率提高明顯。

3.3 布井方式對氣藏開采效果影響分析

3.3.1 布井方式對衰竭式開采效果的影響

2種布井方式下衰竭式開采效果統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 布井方式與衰竭式開采效果Tab.5 Well layout method and depleted mining effect

從表5可以看出,對于裂縫性邊底水氣藏,布井方式對氣藏采收率存在較大影響。在2種布井方式中,模型Ⅰ首先在低滲區(qū)布置氣井,衰竭式開采結(jié)束后再在高滲區(qū)布置氣井,衰竭式開采后再利用它實(shí)施注氣開采。與模型Ⅰ相反,模型Ⅱ首先在高滲區(qū)布置氣井,衰竭式開采結(jié)束后再在低滲區(qū)布置氣井,利用高滲區(qū)氣井實(shí)施注氣開采。結(jié)果表明,與模型Ⅱ相相比,模型Ⅰ不僅氣井最初所在區(qū)采收率較高,而且另一開采區(qū)采收率也較高,總采收率高達(dá)72.08%。分析認(rèn)為,當(dāng)氣井最初所在區(qū)域?yàn)榈蜐B區(qū)時(shí),衰竭式開采過程中水侵速度慢,“水鎖氣”面積較小,區(qū)域內(nèi)剩余氣儲(chǔ)量較小。此外,高滲區(qū)內(nèi)氣體會(huì)沿裂縫突進(jìn)到低滲區(qū),致使高滲區(qū)采收率較高。

3.3.2 布井方式對注氣開采效果的影響

2種布井方式下注氣開采效果統(tǒng)計(jì)見表6。

表6 布井方式與注氣開采效果Tab.6 Well layout and gas injection production effect

從表6可以看出,布井方式對水侵量和注氣開采效果存在較大影響。模型Ⅰ總水侵量為210.64 mL,模型Ⅱ?yàn)?06.92 mL,前者比后者多103.72 mL,模型Ⅱ比模型Ⅰ注氣開采采收率凈增4.56%。由此可見,注氣開采效果與水侵量即水侵程度密切相關(guān)。水侵量越大,水波及程度越高,剩余氣儲(chǔ)量越低,注氣開采效果越差。可以看出,不同布井方式對于注氣開采效果具有一定的影響。

4 結(jié)論

(1)研制了與目標(biāo)氣藏儲(chǔ)層相似的碳酸鹽巖仿真物理模型。與露頭巖心相比,人造巖心孔吼尺寸分布比較均衡,大于1.0 μm孔喉分布頻率較高,但二者主要孔喉分布相近,主要孔喉半徑均超過1.0 μm。與露頭巖心相比,雖然人造巖心黏土礦物和石英含量較高,但二者潤濕性相近。

(2)當(dāng)巖石滲透率較低時(shí),難以發(fā)生“水封氣”現(xiàn)象,由此引起的氣體儲(chǔ)量損失較小。因此,在邊底水裂縫性氣藏內(nèi)遠(yuǎn)離裂縫發(fā)育的低滲區(qū)域布井的開采效果要優(yōu)于高滲區(qū)布井。

(3)當(dāng)氣井位于裂縫性氣藏低滲區(qū)時(shí),氣井生產(chǎn)過程中高滲區(qū)部分氣體會(huì)沿裂縫運(yùn)移到低滲區(qū),致使高滲區(qū)壓力降低,水侵量增加,但因該區(qū)域壓力較低,“水封氣”儲(chǔ)量較小,因而注氣開采效果較差。

(4)布井方式對水侵量和注氣開采效果存在較大影響。遠(yuǎn)離采出井注氣與臨近采出井注氣相比,遠(yuǎn)井注氣采收率要優(yōu)于近井注氣。