邊底水裂縫性氣藏布井方式和注氣對開采效果影響實驗研究

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 提高油氣采收率教育部重點實驗室,黑龍江 大慶 163318; 2.大慶油田有限責任公司勘探開發研究院, 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變的橋梁,大力開發天然氣資源可減少石油消費和進口量,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、儲層低滲致密、結構復雜以及非均質性嚴重等特點[1-5]。在我國現階段的氣藏開發中,大部分為不同程度的水驅氣藏[6-7]。其中,邊、底水活躍的氣藏占40%～50%[8]。水驅氣藏的采收率普遍較低。近年來,此類氣藏氣水同產井比例逐年上升,產氣能力下降,嚴重影響開發效果。由于在氣藏開發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,導致氣相滲流能力大幅度下降甚至難以流動,在水淹儲層和水侵封割區域形成封閉氣,導致大量儲量難以采出。研究表明,隨氣藏儲層裂縫發育程度增加和邊底水能量增強,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過程中的水侵規律,一直以來都是一個難題。目前,關于有水氣藏水侵規律認識已有大量文獻報道。張數球[12]通過對于四川地區含水氣藏的研究,掌握了相關氣藏的開發現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驗,系統測試了氣藏內部動態壓降剖面,對比分析了不同水體、不同治水措施下氣藏開采動態及儲量動用規律;胡勇等[14]針對裂縫/孔隙型氣藏水侵規律及影響氣藏采出程度機理的認識難題,采用物理模擬實驗技術,開展了貫通水平裂縫條件下水侵規律、儲層基質滲吸水以及儲層基質滲吸水后對儲層供氣機理影響實驗研究;方飛飛等[15]針對非均質氣藏設計了水侵規律物理模擬裝置,開展了不同滲透率級差及不同布井方式對氣藏開發效果影響的實驗研究。然而,在低滲致密有水氣藏開發中后期注氣提高采收率相關報道很少[16-19]。

龍王廟組巖石類型主要為砂屑白云巖和細粉晶白云巖,儲集空間以裂縫和孔洞為主。儲層孔隙度為2.00%～18.48%,平均4.27%;基質滲透率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]。由于實驗巖心模型難以準確刻畫地質背景下復雜裂縫的產狀、展布等特征,一般處理方法是細化到某一單元對單一高導裂縫進行刻畫?；谀ハ埻鯊R組氣藏的儲層特征,同時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制,本文研制了孔隙型和孔隙/裂縫型巖心,將不同巖心串聯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實驗,探究了水侵影響氣藏采收率作用機制,可為現場合理布井方式選擇和注氣提高采收率技術決策提供理論和技術支持。

1 碳酸鹽巖人造巖心制作

在油氣田開發實驗研究中,離不開巖心的使用。目前來看,由于天然巖心來源的限制,在室內實驗中極少數使用天然巖心,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、磷酸鋁石英燒結和石英砂環氧樹脂膠結3種[23-25]。從人造巖心孔隙結構與天然巖心相似性、巖心制作難易性和巖心自身重復性等方面來看,環氧樹脂膠結壓制法具有更大優越性。為了更好地與實際油田儲層物性保持一致,通常要求人造巖心在潤濕性、滲透率、孔隙度和非均質性等方面與儲層巖心接近或相似。因此,本文在在石英砂環氧樹脂膠結人造巖心加工方法基礎上,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 基質巖心制作步驟

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

(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側,混合物充填到模具內后,用刮砂板沿水平方向來回移動,其間還需調整刮砂板深度,直到混合物均勻分布為止,最后用壓板將混合物壓實。將填裝砂模具置于壓力試驗機上,調整模具位置使其位于壓力機承壓板中心線上,然后緩慢升壓至設計值,穩壓一定時間(依據目標滲透率和孔隙度而定),卸壓。

(4)固化。將壓制成型巖心放入85 ℃保溫箱內放置6～8 h,之后關閉保溫箱電源,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,將鹽紙預埋在含膠混合物(巖心基質部分)預定位置,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 巖心和模型實物照片Fig.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 孔隙結構分析

目標氣藏天然露頭和人造巖心孔喉分布測試結果見表1和表2。

表1 巖心壓汞分析結果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

儲層巖石潤濕性對邊底水氣藏水侵速度存在較大影響,進而影響氣藏開發(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 潤濕角測試結果Tab.3 Wetting angle test results

綜上可知,該人造巖心可以滿足室內物理模擬實驗需求。

2 實驗條件

2.1 實驗材料

巖心幾何尺寸為長4.5 cm、寬4.5 cm、高30 cm。為了表征儲層非均質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/裂縫型巖心串聯組合成模型。其中,孔隙型巖心模擬儲層基質部分,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見表4。

實驗用水為蒸餾水,實驗用氣為氮氣。

表4 巖心物性參數設計Tab.4 Design of core physical parameters

2.2 實驗設備和步驟

2.2.1 實驗設備

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

圖2 實驗設備及流程示意Fig.2 Schematic diagram of experimental equipment and process

2.2.2 實驗步驟

實驗步驟如下:①將不同類型巖心串聯組成模型;②連接各種管線和測試設備;③關閉壓力容器,用手搖泵提升容器壓力到9.5 MPa,穩定一段時間后,檢查其密封性是否良好;④對初始干巖心進行飽和氣,直至壓力升到8.5 MPa,并記錄注入氣量;⑤將氣瓶與裝有實驗用水的中間容器連通,連接至P4井,調節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,按照方案設計內容進行衰竭式(采氣速度200 mL/min)和注氣開采(注氣量2 L)實驗。

實驗中采集和計算參數包括瞬時產氣量、累計產氣量、瞬時產水量、累計產水量和壓力剖面等。

2.3 方案設計

為了研究低滲致密非均質氣藏水侵規律及其對儲量動用程度的影響和作用機理,探索不同布井方式對氣藏產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,設計了如下實驗內容。

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孔隙型巖心串聯而成,沿程均勻布置多個測壓點。其中,P1和P7為端點或采氣井點,P3和P5為發揮連接作用的三通,P4為模型與恒壓水體連接點。模型各滲透區和測壓點分布如圖3所示。

圖3 模型Ⅰ結構示意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孔隙型巖心串聯而成,沿程布置多個測壓點。其中,P1和P7為端點或采氣井點,P3和P5為發揮連接作用的三通,P4為模型與恒壓水體連接點。模型各滲透區和測壓點分布如圖4所示。

圖4 模型Ⅱ結構示意Fig.4 Schematic diagram of model Ⅱ

3 結果分析

3.1 模型Ⅰ生產動態分析

將模型Ⅰ測壓點P4與恒壓(8.5 MPa)水體連接,使得P4測壓點壓力與恒壓水體壓力保持一致為8.5 MPa,調整回壓使產氣速度達到200 mL/min,然后進行衰竭式和注氣開采。實驗過程中,瞬時產氣量、采出程度和各測壓點壓力與時間關系如圖5和圖6所示。

圖5 模型Ⅰ瞬時產氣量和采出程度與開采時間關系Fig.5 Relationship between instantaneous gas production, recovery degree,and production time in modelⅠ

從圖5和圖6可以看出,當采氣井(P7測壓點)位于低滲區(0.1×10-3μm2)時,低滲區各測壓點(P5和P6)壓力初期快速下降,之后趨于穩定,低滲區整體采收率為52.91%。分析認為,氣井開采時,低滲區氣體率先采出,使得P5、P6壓力迅速下降,高滲區氣體也會沿裂縫突進到低滲區,但由于低滲區滲透率較低,水侵程度弱,水沿基質推進速度低于氣體滲流速度,因而水侵形成水鎖氣區域較小,采收率受到影響程度較低。當位于低滲區氣井停產時,氣井未見水。由于模型中部區域存在裂縫,待水侵入裂縫后,因裂縫具有高導性和親水性,且在較低壓差的情況下,水就會優先竄入,發生水竄形成優勢通道,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,造成高滲區儲量動用程度較低,區內測壓點壓力初期降低速度緩慢,降低幅度較小。

圖6 模型Ⅰ各測壓點壓力與開采時間關系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(測壓點P1)后,測壓點(P2和P3)壓力快速減小,區內剩余氣儲量得到較大程度動用,采收率明顯提高。由于高滲區滲透率較大,水侵速度較快,氣井出現水鎖氣和氣液同產現象,累產水12.5 mL。由于出現了氣水兩相滲流,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,氣井停產時高滲區采收率僅為19.17%,區內測壓點(P2和P3)壓力仍然較高。

為進一步動用高滲區“水鎖氣”區域內剩余氣儲量,通過采氣井(P1)注氣2 L,燜井100 min后開井生產,累產氣0.444 L,采氣量低于注氣量。氣井停產時,測壓點P2和P3壓力不降反升。分析認為,累產氣量明顯小于注入氣量,巖心剩余氣儲量增多,整體壓力上升,而當氣井停產時,P2、P3壓力較之前上升,表明氣體在P2、P3井處“水鎖氣”現象進一步加劇,注氣提高采收率效果較差。

3.2 模型Ⅱ生產動態分析

將模型Ⅱ測壓點P4與恒壓(8.5 MPa)水體連接,使得P4測壓點壓力與恒壓水體壓力保持一致為8.5 MPa,調整回壓使產氣速度達200 mL/min,然后進行衰竭式和注氣開采。實驗中瞬時產氣量、采出程度和各測壓點壓力與時間關系如圖7和圖8所示。

圖7 模型Ⅱ瞬時產氣量和采出程度與開采時間關系Fig.7 Relationship between instantaneous gas production, recovery degree,and production time in model Ⅱ

圖8 模型Ⅱ各測壓點壓力與開采時間關系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,當將氣井(P7)設置于高滲區并進行衰竭式開采后,區內測壓點(P5和P6)壓力呈現先降后升趨勢,氣井完全水淹即停產時采收率31.79%,累計產水3.7 mL。分析認為,由于受到恒壓水體水侵補充能量的影響,高滲區因采氣損失的壓力得到補償,區內測壓點壓力呈現先降后升趨勢,直至高滲區內氣井水淹和停產。由于“水鎖氣”造成低滲區儲量難以動用,區內測壓點壓力降幅較小,剩余氣儲量較大。

將采氣井移至低滲區(P1)并進行衰竭式開采后,區內剩余氣儲量開始得到動用。但由于水侵引起水鎖氣和氣液同產現象,累產水6.8 mL,氣井停產時區內測壓點(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內“水鎖氣”區域剩余氣動用效果的影響,通過注氣井(P7)注氣2 L,燜井100 min后,在P1井處進行采氣生產,區內測壓點壓力均下降,累計產氣2.739 L,采收率提高4.56%?？梢钥闯?在遠離開采井注氣時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計見表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首先在低滲區布置氣井,衰竭式開采結束后再在高滲區布置氣井,衰竭式開采后再利用它實施注氣開采。與模型Ⅰ相反,模型Ⅱ首先在高滲區布置氣井,衰竭式開采結束后再在低滲區布置氣井,利用高滲區氣井實施注氣開采。結果表明,與模型Ⅱ相相比,模型Ⅰ不僅氣井最初所在區采收率較高,而且另一開采區采收率也較高,總采收率高達72.08%。分析認為,當氣井最初所在區域為低滲區時,衰竭式開采過程中水侵速度慢,“水鎖氣”面積較小,區域內剩余氣儲量較小。此外,高滲區內氣體會沿裂縫突進到低滲區,致使高滲區采收率較高。

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計見表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為106.92 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。水侵量越大,水波及程度越高,剩余氣儲量越低,注氣開采效果越差?？梢钥闯?不同布井方式對于注氣開采效果具有一定的影響。

4 結論

(1)研制了與目標氣藏儲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)當巖石滲透率較低時,難以發生“水封氣”現象,由此引起的氣體儲量損失較小。因此,在邊底水裂縫性氣藏內遠離裂縫發育的低滲區域布井的開采效果要優于高滲區布井。

(3)當氣井位于裂縫性氣藏低滲區時,氣井生產過程中高滲區部分氣體會沿裂縫運移到低滲區,致使高滲區壓力降低,水侵量增加,但因該區域壓力較低,“水封氣”儲量較小,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。遠離采出井注氣與臨近采出井注氣相比,遠井注氣采收率要優于近井注氣。