碳酸鹽巖氣藏儲層非均質性對水侵差異化的影響

馮 曦 彭 先 李隆新 楊學鋒 王 娟 李 騫 張 春 鄧 惠

中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院

0 引言

四川盆地內的碳酸鹽巖氣藏在開發過程中產地層水的比例較高。近60年來，得益于持續開展氣藏開發治理水侵影響的研究探索，形成了較為完整的技術體系。然而，近年卻出現了以下新情況：①深層海相碳酸鹽巖氣藏勘探開發獲得突破，大型裂縫—孔洞型氣藏數量增加，過去基于中小型裂縫型、裂縫—孔隙型氣藏積累的治水技術和經驗不適用的情況時有發生；②勘探開發一體化工作模式普及，開發前期評價和產能建設節奏加快，早期預判水侵影響而制訂針對性對策、降低潛在風險的需求增強；③環境保護和氣藏開發效益要求進一步提高，一些僅考慮氣藏技術采收率的強排水開發方式應用受限。針對上述問題，近10年中國石油西南油氣田公司組織開展了大量研究，逐漸形成新的技術成果和認識。本文主要介紹機理性研究方面的代表性成果。

掌握水侵規律、針對性制訂優化開發的對策是改善有水氣藏開發效果的關鍵[1-2]。氣藏水侵活躍性及其對開發的影響程度與水體儲量、氣水接觸關系、水侵通道分布、水區和氣藏內部儲層物性及非均質性、氣藏原始地層壓力等地質因素相關，同時還與生產井位置及打開層段、井網部署、單井配產、氣藏采氣速度等開發因素相關[3]。氣藏描述和動態監測分析是準確認識上述關系、支撐氣藏開發治水決策的主要技術手段。

經過長期的理論研究與實踐探索，形成了有水氣藏開發治理水侵影響的系列技術，在地質和氣藏工程方面主要包括氣水關系描述[4-5]、水侵動態分析預測[6-11]、治水對策優化[12-14]等特色技術，已經廣泛應用并取得較好效果。然而，仍有一些復雜問題長期困擾從事氣藏開發治水研究的工作者，主要表現在兩個方面：①不同類型氣藏多樣化的非均質性難以用統一的描述理論或模型來表征，一些實際情況超出了傳統分析方法的適用范圍，直接影響氣藏水侵分析預測結果的可靠性；②制訂氣藏開發治水對策時，常常不具備或不完全具備精細氣藏描述、專項動態分析所需的基礎資料條件，在開發早期預判水侵的影響極其困難。

強化對不同類型氣藏水侵機理的研究和典型氣藏案例類比分析是解決上述問題的有效途徑，盡管這方面也有較多研究成果，主要包括水封氣及水侵后殘余氣分析[15-18]、束縛水與可動水評價[19]、微觀滲流過程可視化研究[20]、氣藏水侵仿真實驗模擬[21]、典型氣藏水侵特征剖析[22]等，但由于問題的復雜性，相關方法有必要進一步拓展，一些認識尚需進一步深化，尤其在非均質性較強的碳酸鹽巖氣藏開發方面更顯著。

1 碳酸鹽巖儲層三重介質特征定量描述

1.1 儲層分類定性方法的優點和局限性

參照國家標準《GВ/T 26979—2011 天然氣藏分類》[23]，氣藏儲滲空間類型分為孔隙型、裂縫—孔隙型、裂縫—孔洞型、孔隙—裂縫型和裂縫型5種類型（表1）。這種分類方法把握了不同類型儲層的本質特征，被廣泛應用，對氣藏開發研究工作幫助很大。

表1 氣藏儲滲空間類型特征表

定性分析方法的不足是儲滲類型劃分界限較為模糊，同屬一種類型則不再加以區分。因此難以更細致地甄別儲層的特征差異。以近10年我國天然氣開發熱點領域之一——深層碳酸鹽巖氣藏為例，儲層儲滲空間類型普遍屬裂縫—孔洞型，但不同氣藏儲滲特征差異較大，無論是巖心靜態特征還是試井曲線動態反映均可見顯著差異（圖1）。因此，定性的分類評價方法已不能滿足需求，有必要深入研究可區分儲滲特征差異的定量評價方法。

1.2 孔、洞、縫儲集空間對總孔隙度的貢獻定量描述

碳酸鹽巖儲層大都不同程度發育孔、洞和裂縫，雖然因孔、洞、縫尺度和搭配關系不同產生千差萬別的儲滲特征，但整體上仍可歸類于廣義的三重介質儲層。一些情況下某類儲集空間欠發育，表現為雙重介質甚至單一介質特征，然而三重介質的統一描述方法仍然適用，只是相關特征參數不同。

彈性儲容比和竄流系數是描述多重介質儲層儲滲特征的重要參數[24-25]，過去多用于試井分析研究。受多種因素影響，在很多情況下計算彈性儲容比和竄流系數所需的特征數據在試井曲線上反映不充分，導致上述參數較難準確求取。因此依靠試井解釋評價多重介質儲滲特征差異的方法推廣應用受到一定程度的限制。

圖1 深層碳酸鹽巖氣藏裂縫—孔洞型儲層儲滲特征差異示例圖

近年來數字巖心技術迅速發展，高分辨率CT掃描和三維數字重構建模、微觀儲集空間圖像識別與特征信息自動提取、數字巖心流動模擬等技術逐步成熟[26-28]。目前，全直徑巖心數字化處理分析結合孔隙度測定實驗，已能準確計算總孔隙度中孔隙、洞穴、裂縫儲集空間各自的貢獻比例，可獲得類似于彈性儲容比的結果，為三重介質儲層特征的定量描述提供了新技術手段。

圖2為反映總孔隙度中孔、洞、縫儲集空間所占比例的三元圖版，圖2中的數據來源于四川盆地磨溪寒武系龍王廟組氣藏（以下簡稱龍王廟組氣藏）多口井的數字巖心分析結果。新方法有效回避了儲層儲滲空間類型劃分界限難以量化的問題，能從廣義三重介質的全局角度定量對比不同儲層孔、洞、縫搭配關系的細節差異，具有較強實用性。

圖2 儲層總孔隙度中孔、洞、縫儲集空間占比的三元分析圖版（龍王廟組氣藏）

結合數字巖心流動模擬計算，揭示儲層縫、洞分布相對均勻情況下不同孔、洞、縫搭配對儲層滲透率的影響規律。龍王廟組氣藏平均孔隙度約為5%，氣藏中高滲透區域普遍發育毫米級溶洞和微裂縫，從數字巖心流動模擬計算結果看（圖3），當溶洞發育時，即使裂縫發育程度稍低也能形成滲透率較高的儲層，而溶洞欠發育時，儲層滲透率對裂縫發育程度依賴性增強。

圖3 儲層滲透率與總孔隙度中孔、洞、縫儲集空間占比的關系圖（龍王廟組氣藏）

碳酸鹽巖儲層儲滲特征不僅僅與總孔隙度中孔、洞、縫儲集空間的占比相關，還與孔隙連通率及喉道大小、洞和裂縫的尺度及分布密度等因素相關，需要多方面的影響因素分析相結合才能得到完整認識。

1.3 微小裂縫分布的統計規律定量描述

碳酸鹽巖儲層常見不同尺度的裂縫。分形理論是整體描述多尺度裂縫分布統計規律的一種有效方法[29]。該方法需要統計不同尺度范圍內的裂縫數量，受深層巖石取樣尺寸較小的制約，更適合于描述長度為分米至微米級別的裂縫分布密度的統計特征。已有研究成果顯示，儲層中裂縫尺度越小其分布密度越大的情況較為常見，在分形描述雙對數圖上，表現為延伸長度大于觀測盒子范圍的裂縫數量與觀測盒子大小負相關，大體包括全觀測范圍裂縫分形維數穩定（圖4-a）和局部范圍裂縫分形維數穩定（圖4-b）的情況。當然，也有分形維數不穩定、裂縫分布規律隨機性強的情況（圖4-c）。

2 儲層非均質性對氣藏水侵動態的影響

2.1 沿宏觀大裂縫水侵規律

在氣藏開發實踐中，人們早已發現邊水或底水沿斷層突進至生產井的活躍水侵現象，極端情況下延伸數十米甚至更遠的大裂縫中地層水的流動類似于管道流，易導致氣井投產后快速地大量產水甚至水淹停產。這種大裂縫水竄機理描述被廣泛應用，并形成了相應的分析方法和針對性的治水對策[30-31]。

圖4 巖石中多尺度裂縫分布密度的分形特征典型示意圖

邊、底水氣藏開發過程中水侵極活躍現象是否僅與大裂縫相關？這是曾經長期困擾人們的問題。后續研究陸續發現反例，即氣藏開發過程中水侵極活躍，按裂縫水竄模型定量分析推斷地層中存在延伸距離較遠的大裂縫，而地震解釋、試井探測及綜合地質研究未發現相應尺度大裂縫的跡象，甚至可以完全否定其可能性。由此，人們開始關注更多類型的裂縫水竄機理。

2.2 沿小裂縫網絡形成的裂縫發育帶水侵規律

從總體情況看，網狀小尺度裂縫發育帶連通生產井和水區的情況比單一大裂縫水侵通道更普遍，氣藏開發研究應充分關注這類水侵規律。

考慮裂縫—孔隙型氣藏邊水沿裂縫發育帶侵入，在網狀小裂縫符合滲流力學連續介質場假設的條件下，建立并求解相關滲流模型，計算分析不同條件下地層壓力、水侵量變化規律[32]，獲得定量化認識。當水侵通道儲層基質物性差、竄流系數（λ）低至10－8或更小時，在一定時間段孔隙系統與裂縫系統之間壓差較為顯著：竄流系數越小，孔隙和裂縫介質之間的壓差越大，并且較大壓差的持續時間越長（圖5），相應容易導致地層水沿壓力較低的網狀小裂縫向生產井竄進的發生。

圖5 不同竄流系數條件下孔隙系統、裂縫系統之間壓差隨時間變化圖

有關網狀小裂縫易發生水竄的條件——竄流系數臨界值的認識，對近年來活躍水侵氣藏數值模擬應用研究的發展起到了良好促進作用。以精細氣藏描述和巨量網格多重介質模型大型并行計算數值模擬為基礎，不同于大裂縫水竄動態預測的新技術逐漸發展成熟，生產應用也取得突破性進展。

2.3 微裂縫對水侵規律的影響

深層碳酸鹽巖氣藏常見儲層微裂縫發育的情況，超壓氣藏這一特征更顯著，推測應與異常高壓的成因，以及地應力和超壓流體的長期耦合作用相關。

微裂縫改善儲層局部滲透率，但不會直接改變儲層宏觀非均質性，這種情況下氣藏的水侵規律與大裂縫水竄或網狀小裂縫發育帶水侵明顯不同。微裂縫對水侵規律的影響情況視微裂縫分布、孔洞儲集空間特征不同而有所差異。在受水侵影響之前，對于微裂縫發育而大尺度縫洞不發育的氣藏而言，其開采動態往往與孔隙型氣藏的特征類似；水侵影響顯著后，微裂縫發育的儲層水相相對滲透率升高的變化特征比孔隙型儲層更顯著。

對微裂縫發育的儲層進行滲流特殊性的定量描述較為困難。逾滲理論是描述多孔介質儲滲特征的一種獨特方法，尤其適用于孔隙度低、粒度細、微裂縫密度較高的儲層。已有相關研究建立了裂縫—孔隙型雙重介質逾滲理論分析圖版[33]，揭示了不同裂縫分形維數情況下逾滲概率與孔隙度的關系。從圖6可看出，當裂縫不發育或不同尺度裂縫搭配不佳（裂縫分形維數較低）時，孔隙度超過20%才具有高度連通的特征；反之，裂縫發育能使低孔隙度條件下形成較大逾滲概率。依據理論圖版分析形成重要認識：如果特低孔隙度儲層具有高滲透能力，在排除局部大尺度縫、洞產生宏觀非均質影響的情況下，可以推斷必然是微裂縫發育導致的滲流特征。

圖6 不同裂縫分形維數情況下孔隙度與逾滲概率關系圖

在缺乏鉆井取心的情況下，針對試井曲線呈現視均質特征的低孔隙度儲層，通過對比測井解釋孔隙度和試井分析滲透率的關系，利用上述研究認識可以大致評估微裂縫對儲層滲流能力的貢獻，以及水侵后的影響程度。結合氣水相對滲透率實驗分析、試井計算、數值模擬，能夠進一步預測水侵后氣相滲透率下降對氣井產量和壓力的影響。

2.4 溶洞對水侵規律的影響

除地層中存在巨型洞穴或溶洞密度極高的特殊情形外，通常情況下各溶洞相對孤立，需要通過孔隙系統連通或裂縫溝通才能發揮增強宏觀滲透性的作用，這時儲層滲流特征往往仍受裂縫影響，但因孔隙系統物性和裂縫分布特征的不同而表現出差異。因此，前面關于裂縫影響水侵規律的描述在一定程度上仍然適用。

溶洞使儲層容納水侵量的能力增強，這是溶洞影響水侵規律的主要特殊性。在微觀滲流方面，表現為含水飽和度上升初期氣相相對滲透率有所下降，但水相相對滲透率增加不明顯，但當含水飽和度超過一定界限后，水相相對滲透率急劇增加（圖7），儲層滲透率較低時這一特征更明顯。在氣藏開發的宏觀顯現方面，表現為早期水侵活躍跡象在一定程度上表現滯后或被掩蓋，而當水侵危害明顯時其趨勢已經較難逆轉。

圖7 裂縫—孔洞型巖心高溫高壓氣水相對滲透率曲線圖

3 氣藏水侵差異化特征早期預判

3.1 不同開發階段地層水體能量釋放強度差異

經過長期研究，已經確認水區儲集空間應力敏感是深層邊、底水氣藏強水侵能量的主要來源[3][8]。近年高溫高壓流固耦合巖心實驗分析技術取得進步，模擬地層水富集區上覆壓力和流體高壓條件，測定含水巖石有效壓縮系數的準確性大幅度提高。

圖8 不同儲滲類型巖樣有效壓縮系數實驗測定結果圖

圖8是同一碳酸鹽巖氣藏具有不同類型儲集特征的全直徑巖心實驗分析結果。實驗中圍壓固定，流體壓力從76 MPa逐級下降開展多點測試。實驗結果顯示流體壓力下降/有效應力（圍壓與流體壓力之差）上升初期，巖石有效壓縮系數從最高值開始下降，變化幅度較大，后期變化趨勢減緩并逐漸趨于穩定；孔隙度較高的裂縫—孔洞型巖心上述特征最顯著，孔隙度較低的孔隙型巖心變化幅度較小，裂縫—孔隙型巖心變化幅度居中。裂縫—孔洞型巖心有效壓縮系數的變化幅度不僅僅與孔隙度相關，也受縫洞搭配關系（不同尺度縫洞分布密度）的影響。實驗所用裂縫—孔洞型、裂縫—孔隙型巖心僅含小裂縫，未獲得大裂縫發育情況下的結果，從原理方面分析大裂縫儲集空間應力敏感特征應更顯著。

實驗結果預示在邊、底水氣藏開發初期水區的單位壓降水侵強度最高，可能數倍于中后期水平，對于縫洞發育的儲層以及開發過程中有效應力變化較大的超壓氣藏該特征更突出。由此，結合實際氣藏具體情況，可在開發早期預判地層水體能量釋放高峰與水侵影響的對應關系，增強治水對策的針對性。

3.2 不同類型儲層水侵影響程度差異

在水體儲量、氣水接觸關系、水侵通道特征、氣藏開采方式等影響因素相同的情況下，僅比較儲滲空間類型對水侵動態的影響，發現以下規律：不同類型儲層產生非均勻水侵的可能性由大到小及水侵影響速度由快到慢的排序均為裂縫型儲層、裂縫—孔隙型儲層、裂縫—孔洞型儲層和孔隙型儲層，而水淹后排水消耗水侵能量及逆轉水侵影響的難度由易到難的排序也呈同樣的規律。表2展示了對不同類型儲層水侵影響差異化特征的機理分析結果，可作為預判水侵影響程度的類比性參照。

3.3 實際情況與理想化狀態的差異

根據已有認識劃分氣藏水侵類型，通過類比，歸類分析不同氣藏水侵特征的差異，是一種常見的研究模式。然而，僅僅依據對實際氣藏地質特征和生產數據的統計分析，往往不足以形成對本質特征的精細認識；對比氣藏開發實際情況與理論研究理想化狀態之間的差距，有利于獲得更準確的量化判斷。

表2 不同類型儲層水侵影響差異化特征分析結果表

根據滲流力學理論分析，當氣水接觸面水相流度（水相有效滲透率與黏度比值）不大于氣相流度、開發過程中氣藏各部位壓力均衡下降時，不會引起危害性水侵影響。上述理想化狀態在實際氣藏中很少出現，難以據此直接預判氣藏水侵特征，但通過定量對比分析實際情況與理想狀態的差距，能夠甄別不同氣藏、不同井區水侵影響的細分特征類型，間接支撐個性化治水對策的制定。例如，根據圖7的數據可繪制相應的氣、水流度與含水飽和度的關系曲線圖，氣、水流度曲線交點對應的含水飽和度為水相流度超過氣相流度的臨界值；從理論分析角度看，含水飽和度在臨界值以下時不易發生非均勻水侵，由此得知氣藏開發預防水侵危害的理想狀態——通過優化調控始終使生產井周圍儲層含水飽和度保持在臨界值以下；雖然實際生產中幾乎不可能達到理想狀態，但分析實際含水飽和度與理論臨界值的差異以及對應的氣、水流度比值關系，可從一個側面評估氣藏開發受水侵影響的程度，為氣藏治水對策的制定和優化提供參考依據。

4 研究成果應用情況

相關成果首先在四川盆地龍崗地區埋藏深度約6 000 m的三疊系飛仙關組鮞灘氣藏和二疊系長興組生物礁氣藏應用，其可靠性得到生產實踐的驗證，在水體能量評估、水侵影響預測、治水措施有效性預判等方面取得很好的應用效果[8]。隨后，全面推廣應用到在四川盆地新近發現的有水氣藏開發工作中。同時，應用新技術重新審視過去的經驗性認識，梳理普適性技術理念和對策，在重點老氣田中后期開發的優化治水工作中發揮較好作用[3]。

5 結論

針對三重介質儲滲機理研究形成的方法和認識，豐富了碳酸鹽巖氣藏描述和水侵動態預測的技術手段，強化了對氣藏開發治水決策的技術支撐。

1）總孔隙度中孔洞縫占比三元圖分析、裂縫—孔隙型雙重介質考慮裂縫分形維數的逾滲特征分析、高溫高壓條件下含水巖石流固耦合實驗測定儲集空間壓縮系數等方法已成熟，可用于研究氣藏儲滲特征及水侵規律。

2）微裂縫發育是特低孔視均質儲層具備高滲透能力的必要條件、裂縫—孔隙型儲層孔隙系統與裂縫系統之間竄流系數小于10－8易產生網狀小裂縫水竄、洞發育情況下在水侵初期水相相對滲透率上升滯后及含水飽和度超過臨界值后水相相對滲透率急劇增加、異常高壓氣藏開采初期孔隙度應力敏感導致單位壓降水侵強度更高等規律性認識，對早期預判氣藏開發水侵動態及后續影響程度有較大幫助。

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