考慮水封氣的水驅氣藏開發因素數值模擬研究

劉念肖 雷登生 黃小亮 王作豪 閔春榮

(重慶科技學院 石油與天然氣工程學院，重慶 401331)

0 前 言

水封氣是指受水侵影響而滯留在地層中難以流動、難以被采出的氣體。水驅氣藏在生產過程中，井底壓力快速下降，形成壓降漏斗，當壓力波傳遞到氣藏邊緣時，在壓差的作用下其邊、底水得以推進。隨著水體的不斷侵入，地層中形成氣水兩相流動區，氣相相對滲透率降低，由于毛管力、賈敏效應等因素的影響，部分氣體被封存在基質或毛管中，難以流動，這將導致氣藏最終采收率降低[1]。

在制定有水氣藏的開發方案時，應充分考慮水封氣的影響，使方案更合理，從而確保氣藏采收率的提高。2002年，鄭偉等人針對不同類型的氣藏，提出了不同采氣速度的開發方案[2]。2020年，曹廷寬等人對川西某氣藏的采氣速度進行了數值模擬研究，并提出了合理的采油速度及配產方案[3]。2020年，劉成川等人針對川西某氣藏進行了井型井網設計研究，采用數模和經濟計算相結合的方法確定了井型井網的最優部署方案[4]。目前多以常規水驅氣藏為模型，模擬各項開發因素對氣藏采收率的影響，而并未考慮水封氣對氣藏內部的影響，這將導致采收率的預測值偏高。

本次研究根據實際地質模型，建立考慮水封氣影響的數值模擬模型，模擬分析不同開發因素對氣藏采收率的影響。

1 H氣藏概況及網格模型建立

1.1 H氣藏概況

H氣藏為川東地區典型的石炭系背斜構造氣藏，構造走向為北東—南西，圈閉面積為8.86 km2，閉合高度為320 m，氣藏埋藏深度約為4 200 m。氣藏儲層基本參數：平均孔隙度為3.90%；平均滲透率為4.5×10-3μm2；氣井巖心平均含水飽和度為12.12%；水井巖心平均含水飽和度為54.41%；儲層以裂縫-孔隙雙重介質為主，氣藏中部的原始折算壓力基本一致，地層壓力約為53.44 MPa，溫度約為106 ℃。儲層孔滲之間無明顯的相關性，這表明儲層孔隙結構發育較差、滲流能力較弱、儲層非均質性較強。

根據物質平衡法，計算得到H氣藏動儲量為39.10×108m3。H氣藏于1995年投入開發，截至2020年 6月，其累計產氣量達30.61×108m3，動儲量采出程度達到78.30%，但依然有大量的氣體未被采出。

1.2 數值模擬網格模型建立

數值模擬網格模型基于角點網格系統而建立，生產數據和測井結果表明，H氣藏邊水推進具有典型層狀特征，因此，將氣藏z方向(縱向)劃分為5個小層。模型總網格數為56 500(226×50×5)，其中有效網格數為11 300。氣藏網格劃分模型如圖1所示。

圖1 氣藏網格劃分模型

2 考慮水封氣的模型建立

2.1 水封氣機理

(1)宏觀機理。在氣藏開采過程中，水體會沿高滲帶或裂縫向井筒附近突進，高滲帶及裂縫周圍局部壓差減小，這將封隔或阻礙氣體的運移[5]，氣體無法從低滲基質流向裂縫等高滲通道。水侵滲流過程如圖2所示。

圖2 水侵滲流過程

(2)微觀機理。當水體侵入井筒附近時，地層孔隙中會出現氣水兩相的氣驅水過程。此時，由于毛管力及賈敏效應等因素的影響，部分氣體會被封存在孔隙毛管中，從而產生水封氣[6]。

2.2 水封氣數值模擬參數計算

根據水封氣滲流機理，水封氣效應主要表現為水相滯留和氣水兩相相滲滯后[6]。

(1)當水封氣效應表現為水相滯留時，設定較高的束縛水飽和度。

(2)當水封氣效應表現為氣水兩相相滲滯后時，計算中考慮驅替和滲吸過程。

考慮水封氣前后的相滲參數變化如圖3所示。經計算，束縛水飽和度提高了2%。對于氣水兩相相滲滯后，采用Land方程、許煥昌方程等進行計算[7-8]。

圖3 考慮水封氣前后相滲參數變化曲線

2.3 考慮水封氣模型的歷史數據擬合

針對H氣藏中4口井的歷史數據進行動態擬合，其中，需要擬合的指標包括全區日產氣量、日產水量等(見圖4、圖5)。如圖所示，各項指標擬合效果較好，符合模擬條件。

圖4 H氣藏日產氣量歷史擬合曲線

圖5 H氣藏日產水量歷史擬合曲線

2.4 考慮水封氣的方案模擬

采用考慮水封氣和不考慮水封氣的兩個模型，對研究區1995—2020年的開發情況進行模擬，氣藏采收率及累計產氣量結果如表1、圖6所示。由模擬結果可知：采用不考慮水封氣的模型，氣藏最終采收率為82.10%，與該氣藏實際采收率相差較大；采用考慮水封氣模型，氣藏最終采收率為78.10%，與該氣藏動儲量實際采收率的誤差僅為0.20%。這說明考慮水封氣的模型可以更準確的對氣藏開發進行模擬。

表1 歷史開發年限采收率模擬結果

圖6 歷史開發年限累計產氣量模擬結果對比

3 各開發因素對氣藏采收率的影響

應用考慮水封氣模型，分析采氣速度、井網密度、加密時機及排水量等因素對氣藏開發的影響。針對各因素分別設計數種方案(見表2)，基于研究區歷史數據(1995—2020年)，模擬各方案條件下的氣藏采收率及累計產氣量(歷史開發年限模擬)。然后，在此基礎上，對未來20年(2020—2040年)的氣藏采收率及累計產氣量進行模擬(未來開發年限預測模擬)。將模擬結果與原始方案進行對比。

表2 開發方案設計表

3.1 采氣速度對采收率的影響

采氣速度作為氣藏開發方案編制的重要指標之一[9]，合理的采氣速度對于氣藏生產尤為重要。

根據氣藏實際生產過程，在原始方案基礎上，對不同時期的采氣速度進行調整，設計了3套方案。方案1(P1-1)為降低后期采氣速度；方案2(P1-2)為降低前期采氣速度；方案3(P1-3)為降低整體采氣速度，各方案采收率和累計產氣量的模擬結果如表3、圖7所示。

表3 不同采氣速度方案下采收率模擬結果

圖7 不同采氣速度方案下累計產氣量模擬結果對比

由模擬結果可知：(1)降低前期采氣速度對氣藏早期開發影響較為顯著，但在長期開發中效果一般。這是因為氣藏前期為單井生產，采氣速度過高會造成地層局部生產壓差變大；生產井附近水體較為活躍，水體沿高滲帶快速突進到井底附近，導致氣井大量產水；同時，水體的快速入侵會產生水封氣。所以降低前期采氣速度能使氣藏采收率提高。但隨著開發的進行，前期采氣速度對其采收率的影響逐漸降低。(2)降低后期采氣速度，能減少后期氣井所受水侵的影響，從而提高氣藏采收率。(3)降低整體采氣速度，可使氣藏最終采收率大幅提高。這是因為降低采氣速度能減小生產壓差，地層水由于毛管力的作用滯留于孔隙中，裂縫及大孔道中的水容易被氣流帶動而產出[10]，這在一定程度上減緩了區塊后期所受水侵的影響，因此氣藏采收率相對較高。

3.2 井網密度對采收率的影響

合理的井網密度布局是實現高質量開發的關鍵因素之一。井網的布置，不僅需要考慮經濟因素，更要結合地層的實際情況。井網密度小，則地層生產壓差大，氣井出水快；井網密度大，則投資大，經濟效益見效慢[11]。

在原始方案的基礎上，針對井網密度設計了 2套方案。方案1(P2-1)為生產井1單獨生產；方案2(P2-2為)生產井1、2共同生產。各方案采收率及累計產氣量的模擬結果如表4、圖8所示。

表4 不同井網密度方案下采收率模擬結果

圖8 不同井網密度方案下累計產氣量模擬結果對比

由模擬結果可知：(1)P2-1：1井單獨生產時，氣藏采收率最低。這是因為1井受水侵影響嚴重，生產年限相對較短。(2)P2-2：1、2井共同生產時，隨著2井的加密，氣藏采收率大幅提高，并且后期采收率增幅較大。這是因為2井受水侵影響較小，隨著2井的加密，地層局部壓差減小，氣體占據滲流優勢通道，這減緩了水體對1井生產的影響，延長了1井的開采年限。(3)原始方案：1、2、3井同時生產時，氣藏采收率最高。這說明井網的加密可使氣藏采收率提高。H氣藏剩余儲量8.61×108m3，其中區塊西南部儲量約4.63×108m3?？煽紤]在西南部部署一口新井，從而提高氣藏采收率。

3.3 加密時機對采收率的影響

井網加密時機的選擇是影響氣田采收率的重要因素之一[12]。根據H氣藏原始開發的情況，調整各井投產時間，設計了3套模擬方案。方案1(P3-1)為2井提前開發；方案2(P3-2)為3井提前開發；方案3(P-3)為2、3井均提前開發。各方案采收率及累計產氣量的模擬結果如表5、圖9所示。

表5 不同井網加密時機方案下采收率模擬結果

圖9 不同井網加密時機方案下累計產氣量模擬結果對比

由模擬結果可知，與原始方案相比，采用P3-1、P3-2、P3-3，氣藏采收率均提高。(1)P3-1：2井的提前開發使地層中流體的流動狀態發生改變，分擔了地層及水體的能量，減緩了水體對1井的入侵程度，增加了1井的穩產年限，從而使氣井的采收率提高。(2)P3-2：3井的提前開發減少了區塊后期所受水侵的影響，所以其對氣藏后期采收率影響較大。(3)P3-3: 2、3井同時提前開發，氣藏采收率大幅提高。這是因為隨著2、3井提前開發，地層局部壓差減小，滲流優勢通道為氣體，延長了氣井的開采年限。

3.4 排水量對氣藏采收率的影響

制定合理的排水量才能有效提高氣藏采收率。排水量過小，則無法緩解裂縫與基質壓差，封存的氣體無法采出；排水量過大，裂縫壓力迅速下降，水體快速補充，這也將導致被封存氣體無法釋放[13]。

2009年設計了一口排水井，初期設置排水量為100 m3/d，目前生產井出現大量產水的情況。針對不同的排水量，設計了4套方案(P4-1、P4-2、P4-3、P4-4)，排水量分別設置為0、60、80、120 m3/d。各方案采收率及累計采氣量的模擬結果如表6、圖10所示。

表6 不同排水方案下采收率模擬結果

圖10 不同排水方案下累計產氣量模擬結果對比

由模擬結果可知，隨著排水量的增大，氣藏采收率不斷提高，但當排水量大于100 m3/d時，氣藏采收率提高緩慢。這是因為早期設置較大的排水量，可以大幅消耗地層水體的能量，避免氣井過早出現大量產水的情況。由于地層水體連通性較好、能量較強，所以大量的排水在短期內見效快，但在氣藏開發的后期，效果不明顯。隨著排水量的增大，地層中封存的氣體仍然難以產出，所以當排水量大于100 m3/d時，氣藏采收率提高不明顯。

4 結 語

合理的采氣速度可以減緩地層水侵的影響，防止基質與裂縫壓差過大而形成水封氣。氣藏開發前期，布井較少的情況下，應降低單井的采氣速度；氣藏開發后期，布井多的情況下，應控制區塊整體采氣速度，延長氣井穩產期，從而提高氣藏的采收率。

通過井網加密的方式可以減緩地層水體對單一氣井的入侵程度。提前進行井網加密可以避免地層局部壓差過大，減少水封氣的形成，提高氣井的開采年限。

排水可以降低地層水體能量，從而提高氣藏采收率。但采收率并不隨著排水量的增大而持續大幅提高，過大的排水量綜合收益并不好。設置合理的排水量能有效地提高氣藏采收率。