渭河盆地水溶氣試采評價研究:以陜西渭南某區為例

李萌瑤,蔡鑫磊,張 陽,張國強

(1.陜西燃氣集團富平能源科技有限公司,陜西 西安 710000;2.陜西省燃氣儲運及綜合利用工程研究中心,陜西 西安 710000;3.陜西燃氣集團有限公司,陜西 西安 710000)

水溶氣為原始儲層條件下,溶解于水中的天然氣[1]。目前,水溶氣藏主要為生物成因氣,包括微生物降解氣、石油裂解氣、油氣藏分離氣、煤層游離氣[2],其富集程度主要通過溶解度來評價[3]。一般來說,地下水溶解氣量約在1～10 m3/m3[4]。據相關顯示,國外較高的水溶性氣藏甲烷氣在水中的溶解量可達9 m3/m3(印度托羅-班庫含油盆地)[5],我國東部沉積盆地這一數值約為1～6 m3/m3[6-7]。豐富的氣源、異常高地層壓力、儲集層和保存條件是形成該類氣藏的主要成藏條件。渭河盆地新生代各地層均發育湖相沉積,其中以固市凹陷張家坡組湖相泥巖最為發育[8]。近年來,部分地熱開發企業在渭河盆地渭南市LW區地熱資源開發過程中,在不同區域、不同深度發現有CH4、C2H6等7種烴類和He、H2、N2、CO2等非烴天然氣顯示,其中一種新的非常規天然氣類型——水溶氣[9],甲烷含量高達98.51%,經初步測試水溶氣日產量可達數千立方米,水溶氣的發現為渭河盆地油氣勘探帶來了新契機[10]。

1 儲層物性概況

張家坡組河湖相砂巖儲層較為發育,是主要的儲集空間[11],其湖相沉積旋回特征顯著,縱向上為一套按一定生成順序有規律的交替出現、具有明顯的淺—深—淺及粗—細—粗的完整沉積旋回[12],顯示了湖泊形成—擴展—萎縮的沉積演化過程。

1.1 渭河盆地張家坡組

巖心和錄井資料顯示,砂巖成分以長石為主,石英次之。砂巖膠結物為灰質和泥質,含量10%～20%,膠結類型以孔隙式為主,溶蝕式和基底式次之。儲集層物性較好,有效孔隙度10%～47%,多數在20%以上,滲透率一般為10×10-3μm2,最大9 739.3×10-3μm2。平均孔隙度受到砂體厚度控制,在南部陡坡帶存在戶縣—長安、臨潼、渭南三個異?？紫抖容^高區域,北部緩坡區存在三原—涇陽孔隙度較高區域,孔隙度大于25%(見圖1)。在扶風、南部陡坡山前以及渭南平均滲透率高,大于1 000 mD,固市凹陷沉積區以及西安凹陷局部滲透率極低,小于10 mD(見圖2)。

1.2 渭南市LW區張家坡組

LW 區塊位于固市凹陷,張家坡組巖性砂層厚度0.7～26.6 m,砂體總厚度82.4～370.1 m,砂巖百分比為5.21%～49.02%;膠結物含量10%～64%,平均35%,主要為灰質和泥質,膠結類型多為基底式。根據巖性特征、沉積韻律、旋回、砂地比、孔隙度、沉積相和含氣性的綜合分析,張家坡組地層由上而下可進一步劃分成上張家坡組、中張家坡組及下張家坡組。

上張家坡組厚381～428 m,頂面海拔在-850～-700 m;砂巖孔隙度16.0%～56.3%,平均31.37%,砂巖孔隙度分布頻率顯示大于30%居多,占57%,多屬特高孔隙度儲層;砂巖滲透率4.62～15 268.26 mD,平均477.25 mD,滲透率主要分布在10～100 mD,占54%,多屬于中高滲透率儲層。中張家坡組厚382～452 m,頂面海拔在-1 250～-1 100 m;砂巖孔隙度11.1%～58.1%,平均31.9%,砂巖孔隙度分布頻率顯示大于30%居多,占62%,多屬中高孔隙度儲層;砂巖滲透率0.8～5 665.3 mD,平均400.6 mD,主要分布在10～100 mD,占36.5%,多屬于中高滲透率儲。下張家坡組地層厚度在400 m 左右,頂面海拔-1 650～-1 550 m;砂巖孔隙度11.1%～50.5%,平均28.9%,砂巖孔隙度分布頻率顯示大于15%～25%居多,占43%,多屬于中高孔隙度儲層;砂巖滲透率0.8～6 078.9 mD,平均628.2 mD,主要分布在10～100 mD,占30.9%,多屬中高滲透率儲層。同時,LW區上、中、下張家坡組孔隙度和滲透率之間均存在明顯的正相關(見圖3～圖5),且數據相關性很高,說明其孔隙結構比較單一,即LW區張家坡組儲層為孔隙型儲層,上張家坡組物性好于中下段。

2 水溶氣求產工藝及方案

2.1 求產工藝

水溶氣井以水為主,水的含氣量相對穩定,獲得地層水產能參數即可計算水溶氣井產能,相關參數包括地熱流體壓力、產量、溫度、采灌量比及儲層物性等參數。水溶氣井井口壓力較小或為負壓,其求產裝置較為簡單,包括抽汲設備(螺桿泵)、井口采油樹、氣水分離器、輸氣和排水管匯、氣表(渦街流量計)、水表、排污池和火炬等(見圖6)。在選擇氣表時應選擇計量下限較小的渦街流量計,一般小于10 m3/h;排污池尺寸則要求較大,應保證整個求產過程的排水需求。

2.2 求產方案

地熱資源地質勘查規范[13]對單井試驗做如下規定:一般情況做三次壓降的穩定流或非穩定流實驗,最大一次降壓的延續時間不少于48 h,單井產量小于10 m3/(d·m),流體壓力持續下降的應適當延長實驗時間。實驗期間宜采用井下壓力計測量壓力變化,條件不具備時直接測量動液面深度,依次推算井口壓力,注意測量孔內流體溫度。水溶氣井可借鑒地熱井測試規范,借助螺桿泵求取最佳抽水量和穩定氣水比,確定水溶氣產能。水溶氣求產核心是取得水溶氣穩定氣水比條件下的大產量,應選取后階段的參數作為求產依據。求產前期,由于鉆井或前期作業導致原始地層壓力降低,水溶氣在井筒內或鄰近井筒的地層內自然分離,其特征為井口水溫較低,產氣量、產水量以及氣水比處于不穩定狀態,隨著求產階段的逐步深入,井口水溫、產氣量、產水量和氣水比等參數趨于穩定。LW區某井張家坡上段通過以上工藝及方案,抽水試驗穩定后求產結果為:單井產水量約240 m3/d,產氣量約800 m3/d,氣水比1∶3.3,溫度約50 ℃(見圖7)。

3 水溶氣試采存在的問題

渭河盆地水溶氣主要富集層段為埋深較淺的張家坡組,該儲層為新生界新近系地層,沉積時間短,僅為300萬年,與我國東部渤海灣盆地部分含油氣層位沉積時間相仿。因此,在試采過程中存在以下三方面主要問題:

1)渭河盆地水溶氣主要產層段位于張家坡組上段,上覆壓力較小,地層極為疏松,膠結作用微弱,壓實作用對孔隙的擠壓作用較弱。此外,該段巖性較細,地層砂篩析結果表明,粒度中值為0.063 mm,巖性以細粉砂巖為主,黏土含量高,無大的格架砂阻擋微小顆粒,極易出砂,造成砂埋產層段事故。

2)試采的多口水溶氣井均有出砂現象,且含砂量極高,高達20%,抽水泵瞬間砂卡、磨蝕設備,檢泵頻率極高,經常造成極高的維護成本。部分出砂巖大的水溶氣井已經出現地層坍塌現象,導致套管變形、單井報廢,常造成水溶氣井幾乎無法正常測試運行和巨大的經濟損失。

3)在前期水溶氣單層測試工作過程中,地層水含砂量極高,嚴重影響水溶氣正常試氣、求產工作,致使單井無法獲得真實產能狀況,難以為商業化開發提供可靠、穩定的第一手數據,甚至曾一度對該地區資源儲量產生質疑。

渭河盆地張家坡組出砂問題,嚴重制約水溶氣產業的發展,因此水溶氣井防砂是解決水溶氣能否商業化生產的重要技術,事關水溶氣產業未來工業化發展。

4 水溶氣防砂技術

為解決張家坡地層出砂問題,了解水溶氣井實際產能狀況,為地熱水溶氣工業化開發提供技術參數,科學合理地選擇防砂技術至關重要。目前,防砂方法主要有機械防砂、化學防砂、焦化防砂和復合防砂四大類[14-15],其防砂方式優劣對比如表1所示。

表1 防砂方式優劣

渭河盆地水溶氣防砂方法的選擇要點:①考慮渭河盆地水溶氣井產層多、層間跨度大、非均值性嚴重,大跨度近800 m,地層砂細、出砂嚴重的特點;②水溶氣品位較低,對經濟性要求較高,成本控制是關鍵;③水溶氣井產液量是油井的近十倍,防砂既能防止地層細小砂進入井筒,又要保證單井產能。綜合經濟成本、作業風險、地層適應性以及后期處理等因素,渭河盆地張家坡組水溶氣生產不適合應用化學防砂技術,礫石充填、壓力防砂易形成砂橋,導致充填不密實,施工成本增高,因此,選擇機械管柱防砂為宜。

經多方調查研究,采油技術中應用廣泛的精密濾砂管防砂工藝為最佳選擇。精密濾砂管防砂工藝是一種機械防砂工藝,主要是依據現場砂樣粒度分析資料,科學選擇合理的精密濾砂網,制作適應水溶氣井生產的高強度、耐腐蝕、徑流量大的防砂管(見圖8)。通過井下作業將防砂管下入井筒,使用防砂管和封隔器封隔產層段與非產層段,濾砂網將地層水攜帶的地層砂過濾,僅有地層水進入井筒直至井口,從而達到濾砂采水效果。

5 精密濾砂管防砂試產案例

以LW區某井防砂求產作業為例,開展水溶氣井精密濾砂管防砂求產先導試驗。

第一階段:環控與套管共同生產,平均抽水速度4 m3/h,持續30 h,累計產氣984 m3、產水120 m3,平均產氣32.8 m3/h,氣水比8.2,動液面-89 m。第二階段:持續70 h,累計產水量517.33 m3、產氣量5 672.83 m3,平均產水量為7.5 m3/h,平均產氣量81.04 m3/h,日產水180 m3,日產氣1 945 m3,氣水比10.8,動液面-135 m。第三階段:增大泵速至250/40 Hz,14 h平均產水13.6 m3/h,平均產氣123.64 m3/h,日產水326.4 m3,日產氣2 967.45 m3,氣水比9.1;繼續增大泵速至300/50 Hz,共試采5 h,最大產水量16.622 m3/h,最大產氣量175.14 m3/h,平均氣水比為8.69,此階段氣液產出不穩定。降低泵速調至200/30 Hz,12 h產水136.46 m3,平均10.5 m3/h,產氣1 137.9 m3,平均94.83 m3/h,氣水比9.03,動液面-266 m。第四階段:繼續降低變頻器輸出頻率,試采73 h,累計產水575.5 m3,產氣5 429.14 m3,平均產水7.9 m3/h,產氣74.4 m3/h,氣水比9.4。

按照抽水量4、7.5、10.5 m3/h以及降深89、135、266 m三個落程數據,繪制抽采量Q與降深S的曲線類型為拋物線型(見圖9),曲線方程為Q=-0.000 1S2+0.0756S,R2=0.999 5。由此可知:該井的最大涌水量為14.23 m3。生產過程中若抽采速度大于14.23 m3/h將造成動液面持續降低,無法有效地進行可持續、穩定的生產活動。同時,從氣水比曲線(見圖10)可以看出,在抽采速度大于7.5 m3/h,由于氣水分離不夠徹底,氣水比趨于下降態勢。

因此,通過四個階段測試尤其是第二、四階段的試驗,基本上可以確定最佳抽水量及額定泵速(頻率),100 r·min-1/50 Hz為該井最佳轉速范圍,求得氣產量為81 m3/h,日產氣1 945 m3,氣水比10.8。

6 結論

渭河盆地固市凹陷張家坡組生物氣生、儲、蓋組合優良,縱向上具有多套烴源巖與儲層砂巖組合,且儲層砂巖物性極好,均屬高孔高滲砂巖儲層。LW區水溶氣井防砂求產進一步證明了渭河盆地固市凹陷良好的天然氣資源前景。

1)首次創新性地將常規油氣井防砂工藝技術引入渭河盆地水溶氣井,精密濾砂管防砂工藝技術有效解決了地層疏松、出砂嚴重,地層出水量大、攜砂能力強以及氣層多、層間跨度大、防砂難度大等問題,明顯控制出砂量小于0.03%,實現了水溶氣井連續求產。

2)首次完成水溶氣井長時間求產工作,單井產量由之前的最高620 m3/d,提高至平均2 000 m3/d,氣水比由3.4提高至10.8,獲得了第一手數據;同時,據多項數據綜合測算,基本可實現商業化生產,經濟效益可觀。

3)機械管柱防砂是在完井狀態下適合渭河盆地水溶氣井的防砂方法,但其缺點也較為突出,精密濾砂管壽命一般為10年,后期施工成本較高,且施工難度大,處理較為復雜。因此,水溶氣井防砂方法的選擇、創新是水溶氣開發的關鍵,需要不斷在實踐中探索、完善,達到費用低、操作簡單、效果穩定、有效期長的目的。

4)水溶氣井求產層位多、層間跨度大,最大跨度約800 m,屬于典型的多層混采。因此,由于層間干擾的存在,目前的產能很可能存在著巨大損失。若進行精細化研究,分層試采,盡可能消除層間干擾帶來的影響,渭河盆地固市凹陷張家坡水溶氣產能可獲得進一步突破,LW區某井單層試采結果顯示最高氣水比已達到1比100左右。