有水氣藏氣水分布及水區(qū)能量

何曉東 孔 玲 安菲菲

(中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院)

1 氣水分布模式

無論從地質(zhì)區(qū)域上還是從局部構(gòu)造上認(rèn)識(shí)有水氣藏氣水分布模式，其分布形式都是多樣的。

地質(zhì)區(qū)域上，同一水動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)可能存在多個(gè)含氣圈閉，不同的含氣圈閉，通過水體連通，由于含氣圈閉高度的差異，導(dǎo)致不同氣藏壓力不同。一個(gè)水動(dòng)力系統(tǒng)只有一個(gè)含氣構(gòu)造高點(diǎn)，是一個(gè)特例，也是我們通常認(rèn)識(shí)的有水氣藏。

通過展示川東北石炭系茶園寺高點(diǎn)與黃牛坪高點(diǎn)的橫向關(guān)系(圖1)，表明兩個(gè)氣藏分別圈閉于茶園寺高點(diǎn)和黃牛坪高點(diǎn)，其間通過水體相連，屬于同一水動(dòng)力系統(tǒng)。前者氣水界面海拔高于后者氣水界面海拔。

圖1 同一水動(dòng)力系統(tǒng)兩個(gè)含氣圈閉實(shí)例圖

就局部構(gòu)造而言，我們僅研究一個(gè)含氣構(gòu)造高點(diǎn)，即認(rèn)為所研究的氣藏是一個(gè)獨(dú)立的水動(dòng)力系統(tǒng)。圖1中，僅研究茶園寺構(gòu)造，可以將茶園寺高點(diǎn)看作一個(gè)獨(dú)立的邊水氣藏，常規(guī)的氣藏工程方法和技巧均能應(yīng)用于該氣藏的研究工作。然而，當(dāng)使用常規(guī)的分析方法和技巧不能解釋氣藏動(dòng)態(tài)特征時(shí)，我們就應(yīng)該考慮該氣藏與同一水動(dòng)力系統(tǒng)中其它氣藏之間的聯(lián)系，這些聯(lián)系主要表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)能量的傳遞和消耗。

同一水動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)可能存在多個(gè)含氣圈閉的現(xiàn)象，在裂縫-孔洞(穴)型氣藏中更容易出現(xiàn)。川南陽新統(tǒng)氣藏的一些水動(dòng)力系統(tǒng)，生產(chǎn)初期水氣比逐漸增高，通過強(qiáng)排水，水氣比降低，隨著持續(xù)開采，水氣比再度進(jìn)入增加、降低的變化周期，這是同一水動(dòng)力系統(tǒng)存在多個(gè)氣(水)儲(chǔ)集體的典型案例。裂縫-孔洞(穴)型系統(tǒng)中，作為一個(gè)單一儲(chǔ)集體，可能是具有底水氣藏特征的局部圈閉，不同儲(chǔ)集體之間，通過裂縫溝通而彼此相連，形成一套多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的水動(dòng)力系統(tǒng)。

水中溶解氣的存在是氣水分布的另一種模式(圖2)。在氣水分異不徹底的過渡帶氣藏，水區(qū)中較高含量的溶解氣膨脹也將起著驅(qū)動(dòng)地層水侵入氣區(qū)的作用。

2 水區(qū)能量模式

有水氣藏不同的氣水分布模式，決定了水區(qū)不同的驅(qū)動(dòng)能量。僅有一個(gè)含氣圈閉的水動(dòng)力系統(tǒng)與具有多個(gè)含氣圈閉的水動(dòng)力系統(tǒng)比較，水區(qū)表現(xiàn)出的驅(qū)動(dòng)能量是有差異的。

圖2天然氣在水中的存在形式示意圖

(1)僅有一個(gè)含氣圈閉的水動(dòng)力系統(tǒng)，流體封閉于有限的空間內(nèi)，水區(qū)表現(xiàn)出的驅(qū)動(dòng)能量僅是水體自身的膨脹能量，其驅(qū)動(dòng)效果并非想象的那樣大[1]。如果水區(qū)充分大，地層水對(duì)氣藏的影響效果將表現(xiàn)為恒壓供給的效果，但這類氣藏非常少見。

(2) 具有多個(gè)含氣圈閉的水動(dòng)力系統(tǒng)，分析其中一個(gè)含氣圈閉，除了與其連通的水區(qū)外，在水區(qū)外還相連另一個(gè)含氣圈閉，該含氣圈閉內(nèi)天然氣膨脹能量將作用于水體，增大水區(qū)的驅(qū)動(dòng)能量。因此，對(duì)于具有多個(gè)含氣圈閉的水動(dòng)力系統(tǒng)中的某一個(gè)有水氣藏(圈閉)，其水區(qū)表現(xiàn)出的驅(qū)動(dòng)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水體自身膨脹所能釋放出的驅(qū)動(dòng)能量。

(3) 即使是一個(gè)含氣圈閉的水動(dòng)力系統(tǒng)，水中溶解氣膨脹能量也將是驅(qū)動(dòng)地層水流動(dòng)的重要?jiǎng)恿?。水中溶解氣越多，水體表現(xiàn)出的活動(dòng)性越強(qiáng)，反之亦然。

綜上所述，有水氣藏中，水區(qū)能量實(shí)際上是由氣、水膨脹能量疊加組合構(gòu)成，水體活動(dòng)性是組合能量的綜合體現(xiàn)。

3 有水氣藏壓降關(guān)系曲線特征

針對(duì)具有多個(gè)含氣圈閉的水動(dòng)力系統(tǒng)，分析其中某一個(gè)含氣圈閉，與該圈閉連通的局部范圍，除了存在一定水區(qū)，在水區(qū)外還連通另一個(gè)含氣區(qū)或含氣圈閉，該含氣區(qū)或含氣圈閉的天然氣膨脹能量將作用于水區(qū)，綜合表現(xiàn)為水區(qū)的驅(qū)動(dòng)能量，其能量遠(yuǎn)大于地層水自身膨脹所能釋放出的驅(qū)動(dòng)能量。為了直觀定量表現(xiàn)這種能量，借用數(shù)值模擬方法予以研究。首先建立邊水和底水氣藏模型，從代表性考慮，建立了3種儲(chǔ)層類型，分別為孔隙型、裂縫-孔隙型和孔隙-裂縫型。在所建立的模型下，按以下步驟依次計(jì)算分析：① 將水體大小作為定量，氣藏的采速作為變量，計(jì)算對(duì)比不同采速下的水體膨脹及侵入的情況以及氣井見水后水量變化的趨勢；② 將氣藏的采速設(shè)置為較高值且作為定量，變化水體的大小，對(duì)比不同大小的水體情況，計(jì)算對(duì)比水體侵入程度及氣井見水后水量變化的差別；③ 在已建立模型之外再建立一個(gè)氣區(qū)模型，與前面建立的氣藏模型通過水區(qū)連通，構(gòu)成一個(gè)具有2個(gè)含氣圈閉的水動(dòng)力系統(tǒng)，再重復(fù)前面2個(gè)步驟的計(jì)算；④ 綜合對(duì)比上述計(jì)算結(jié)果。

有水氣藏受圈閉外含氣區(qū)影響的壓降關(guān)系(圖3)展示了經(jīng)過上述步驟計(jì)算、分析、歸納出的氣藏采出程度。圖中橫坐標(biāo)為圈閉內(nèi)天然氣采出程度，縱坐標(biāo)為地層無因次壓力(當(dāng)前擬壓力與原始擬壓力之比)。

圖中，斜率為45°直線是假設(shè)圈閉為無水氣藏條件下的累產(chǎn)氣(采出程度)無因此擬壓力關(guān)系線，即常規(guī)封閉氣藏壓降線。45°斜線右上方第一條曲線是假設(shè)圈閉內(nèi)地下水體體積與地下天然氣體積之比為10的壓降曲線，即封閉圈閉內(nèi)有水氣藏的壓降曲線。在封閉圈閉內(nèi)有水氣藏的壓降曲線的基礎(chǔ)上，疊加圈閉外相連的含氣區(qū)氣體膨脹效應(yīng)，依次右上，圈閉外天然氣地下體積與圈閉內(nèi)天然氣地下體積之比依次為0.2、0.4、0.6、0.8和1.0，得到同一水動(dòng)力系統(tǒng)包含2個(gè)含氣圈閉的壓降曲線，其形態(tài)隨著圈閉外、內(nèi)天然氣地下體積之比不同而表現(xiàn)出明顯差異。

圖中曲線特征提示，封閉環(huán)境下，如果水體量不是足夠大，其膨脹量不能使壓降關(guān)系線較大地偏離無水氣藏壓降線；而圈閉外即使連通較小的含氣區(qū)，其膨脹量能夠使壓降曲線明顯偏離無水氣藏壓降線。該特征能夠幫助我們正確理解和判斷邊水或底水對(duì)氣藏開發(fā)的影響[2，3-5]。

圖3 有水氣藏受圈閉外含氣區(qū)影響的壓降關(guān)系曲線圖版

實(shí)際有水氣藏中，在地下條件下水體體積是天然氣體的兩倍以上是少見的，大于10倍以上更是難見。因此，在一般有水氣藏開發(fā)過程中，特別是在高陡構(gòu)造的有水氣藏開發(fā)過程中，幾乎見不到壓降儲(chǔ)量線明顯偏離無水氣藏壓降儲(chǔ)量線(直線)的現(xiàn)象。

水中溶解氣膨脹是增加水體驅(qū)動(dòng)能量的重要因素。圖3中各曲線特征所表達(dá)的動(dòng)態(tài)信息，表明了在氣水分異不徹底的過渡帶氣藏，溶解氣膨脹驅(qū)動(dòng)地層水侵入氣區(qū)的作用。構(gòu)造越平緩的氣藏，氣水分異越不徹底，溶解氣膨脹驅(qū)動(dòng)地層水的作用越強(qiáng)，氣井生產(chǎn)越容易出水。

4 實(shí)例分析

蜀南廟高寺茅口組寺47井生產(chǎn)過程中累計(jì)產(chǎn)氣量無因此擬壓力降落曲線圖4。表明了該井壓降曲線的兩段斜率線，第一段斜率線外推儲(chǔ)集體天然氣儲(chǔ)量約1.5×108m3，對(duì)應(yīng)生產(chǎn)期間，氣井產(chǎn)水量由大減小，隨后無水產(chǎn)出，對(duì)應(yīng)生產(chǎn)期間地層壓力上升，第二段斜率線外推儲(chǔ)集體天然氣儲(chǔ)量約3.3×108m3，對(duì)應(yīng)生產(chǎn)期間，氣井產(chǎn)水量由小增大，直至水淹，最終靠氣舉排液維持生產(chǎn)。

圖4 寺47井壓降儲(chǔ)量曲線圖

蜀南廟高寺茅口組寺47井產(chǎn)氣系統(tǒng)為縫洞型儲(chǔ)集體，根據(jù)其生產(chǎn)過程中壓力和產(chǎn)出水的變化特點(diǎn)，可以推測，該井所在水動(dòng)力系統(tǒng)為彼此連通的儲(chǔ)集孔洞或洞穴構(gòu)成，這些儲(chǔ)集空間具有各自的氣水分布關(guān)系，裂縫是這些儲(chǔ)集空間的連接通道。

四川開采效果較好的有水氣藏為中壩須二氣藏(圖5)。該氣藏所在構(gòu)造北面平緩，東翼和南面相對(duì)較陡，氣藏邊水分布在北面、東翼和南面。氣藏開采動(dòng)態(tài)特征顯示，北面水體活躍，南邊和東面水體相對(duì)不活躍。

根據(jù)傳統(tǒng)思路認(rèn)為，導(dǎo)致南邊和東面水體不活躍的主要原因是其滲透率差，抑制了水體流動(dòng)。如果清楚了水中溶解氣有利于增強(qiáng)水體活躍性，就容易理解，導(dǎo)致北面和東南兩面水體活躍性差異的主要原因是氣水分異有差異，從而導(dǎo)致不同方位邊水中天然氣溶解氣含量差異大，最終表現(xiàn)為邊水活躍性差異大。

圖5 中壩須二氣藏構(gòu)造及氣水分布示意圖

5 結(jié)論

有水氣藏水動(dòng)力系統(tǒng)中，水區(qū)驅(qū)動(dòng)能量大小取決于氣水分布模式；氣、水膨脹能量疊加效果構(gòu)成水體活動(dòng)性特征；氣水分異不徹底的過渡帶氣藏，水中溶解氣是水體活動(dòng)的重要驅(qū)動(dòng)力。

1 何曉東.有水氣藏特性及開采對(duì)策淺議[J]. 天然氣勘探與開發(fā),2011,34(3).

2 何曉東.邊水氣藏水侵特征識(shí)別及機(jī)理初探[J].天然氣工業(yè),2006,26(3).

3 何曉東.氣藏孔隙水、夾層水及邊水產(chǎn)出特征[J].天然氣工業(yè),2008,28(增刊A).

4 何曉東.應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)認(rèn)識(shí)氣藏地質(zhì)特征[J].天然氣工業(yè),2002,22(增刊).

5 孔玲,何曉東.充西須四氣藏西20井出水機(jī)理研究[J].天然氣勘探與開發(fā),2007,30(4).