安岳氣田磨溪區(qū)塊深層含水碳酸鹽巖氣藏驅(qū)動能量變化規(guī)律

阮基富，龐 進，袁 權(quán)，易 勁，歐家強

(1.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610051. 2.重慶科技學院，重慶 401331)

0 引 言

近年來，深層海相碳酸鹽巖氣藏成為中國天然氣增儲上產(chǎn)的重要領(lǐng)域。此類氣藏成藏條件復雜、埋藏深、非均質(zhì)性強、氣水關(guān)系復雜，給氣田的高效開發(fā)帶來巨大的挑戰(zhàn)[1-3]。王璐[4]、成友友[5]等對碳酸鹽巖氣藏縫洞的供氣特征及出水機理進行了研究，描述了多重介質(zhì)中的復雜滲流機理。唐川[6]、孫賀東[7]在考慮巖石壓縮系數(shù)的基礎(chǔ)上，分別對含水氣藏和高壓氣藏的儲量進行了計算，描述了高壓碳酸鹽巖因巖石壓縮系數(shù)變化對動態(tài)儲量變化的影響；鄭榮臣[8]、朱玉新[9]對高壓碳酸鹽巖的開采特征進行了分析，描述了因巖石壓縮系數(shù)變化對開采特征變化帶來的影響。田虓豐[10]對碳酸鹽巖壓縮系數(shù)敏感發(fā)生的時機進行了研究，進而分析了對能量補充時間的影響。從研究現(xiàn)狀來看，碳酸鹽巖氣藏巖石滲透率的應(yīng)力敏感性，深層碳酸鹽巖氣藏巖石壓縮系數(shù)的變化對氣藏生產(chǎn)特征、產(chǎn)能、動態(tài)儲量影響，對氣藏能量的補充時間研究較多，但對氣藏驅(qū)動能量大小的影響和驅(qū)動能量變化規(guī)律的研究極少。而氣藏驅(qū)動能量變化規(guī)律的認識和合理利用驅(qū)動能量對于控制氣藏水侵，維持氣藏穩(wěn)產(chǎn)具有重要的意義和作用。

以安岳氣田磨溪區(qū)塊深層龍王廟組為例，該氣田位于四川盆地中部遂寧市、資陽市及重慶市潼南縣境內(nèi)。龍王廟組埋藏深度為4 215～4 360 m，龍王廟組下部厚度為42.9～62.5 m，龍王廟組上部厚度為29.6～50.5 m。儲集巖主要為砂屑白云巖、殘余砂屑白云巖和細-中晶白云巖。儲層孔隙度為2.0%～6.0%，滲透率為0.01～10.00 mD，儲層具有低孔中低滲特征。含水飽和度為0～40%。儲層類型主要為裂縫-孔隙(洞)型和孔隙型。主體區(qū)高角度縫和水平縫較發(fā)育，微裂縫在大部分區(qū)域發(fā)育，裂縫有效溝通了孔、洞，形成優(yōu)質(zhì)儲層。氣藏中部壓力為75.74～76.09 MPa，壓力系數(shù)為1.63，中部溫度為137.19～147.70 ℃，平均為141.39 ℃，為高溫高壓氣藏。天然氣中甲烷含量為95.06%～97.98%，平均為96.04%，H2S含量為4.58～11.68 g/m3，CO2含量為26.29～48.83 g/m3，屬于中等含量H2S、低—中等含量CO2氣藏。氣藏存在局部封存水和邊底水。

通過實驗，研究不同儲層類型的巖石壓縮系數(shù)，找出壓縮系數(shù)的應(yīng)力敏感規(guī)律，并結(jié)合氣藏物質(zhì)平衡方程，研究高壓碳酸鹽巖氣藏壓縮系數(shù)變化對變?nèi)莘忾]氣藏、含水封閉氣藏以及水侵氣藏驅(qū)動能量變化的影響。為深層碳酸鹽巖氣藏儲量計算和動態(tài)分析提供理論依據(jù)。

1 深層碳酸鹽巖的壓縮性

實驗和理論研究認為，巖石的壓縮系數(shù)與巖石的孔隙度和巖石中黏土礦物的含量正相關(guān)，可以通過指數(shù)式或二項式等關(guān)系進行描述[11-13]，巖石的壓縮系數(shù)與有效應(yīng)力則具有較好的指數(shù)關(guān)系[13]。

以龍王廟碳酸鹽巖氣藏為例，根據(jù)儲層類型劃分，分別對基質(zhì)、裂縫和孔洞巖心進行壓縮系數(shù)測試，獲得各組儲層巖心的壓縮系數(shù)與有效應(yīng)力的關(guān)系曲線，再進行平均化處理，得到各類巖心的平均壓縮系數(shù)與有效應(yīng)力的關(guān)系曲線(圖1)。由圖1可知，隨著有效應(yīng)力增加，巖心的壓縮系數(shù)逐漸減小。不同儲層類型巖心的壓縮系數(shù)對于有效應(yīng)力的敏感程度不一樣，孔隙度越高，孔洞巖心壓縮系數(shù)變化范圍越大，對有效應(yīng)力變化更為敏感，而基質(zhì)和裂縫巖心壓縮系數(shù)的應(yīng)力敏感相對較弱；當有效應(yīng)力達到一定程度后(30.00 MPa)，儲層壓縮系數(shù)變化很小，基本保持恒定，可以近似的認為是恒定值。

圖1 巖石壓縮系數(shù)與有效應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.1 The relationship curve between rockcompressibility and effective stress

在使用物質(zhì)平衡方法計算儲量和評價驅(qū)動能量時，通常將巖石壓縮系數(shù)視為一個定值來進行處理，這對于基質(zhì)而言，由于壓縮系數(shù)的變化范圍較小，對計算和評價結(jié)果影響較小[13]；但對于孔洞發(fā)育的儲層而言，由于巖石壓縮系數(shù)對有效應(yīng)力較敏感，在不同的氣藏壓降階段，壓縮系數(shù)變化較大，必須分別處理。

經(jīng)非線性回歸，巖心壓縮系數(shù)與有效應(yīng)力具有較好的指數(shù)關(guān)系，可以分別表示為：

(1)

(2)

(3)

式中：Cf1、Cf2、Cf3分別為孔洞、裂縫和基質(zhì)的壓縮系數(shù)，10-4MPa-1；pi為原始地層壓力,MPa；p為目前地層壓力,MPa；

2 巖石壓縮性對驅(qū)動能量影響

對于天然水侵且?guī)r石和流體均為可壓縮的變?nèi)輾獠?，滿足物質(zhì)平衡方程：

(4)

巖石壓縮系數(shù)為：

(5)

采出程度為：

(6)

視相對壓力為：

(7)

水侵體積系數(shù)為：

(8)

變?nèi)菹禂?shù)為：

Ep=Cef(pi-p)

(9)

水侵替換系數(shù)為：

(10)

式(4)無量綱化為：

(11)

式中：G為天然氣地質(zhì)儲量，108m3；Bgi為原始壓力下天然氣體積系數(shù)；Gp為累計產(chǎn)氣量，108m3；Bg為目前壓力下天然氣體積系數(shù)；Cw為地層水壓縮系數(shù)，MPa-1；Swi為原始含水飽和度；Cf為巖石壓縮系數(shù)，MPa-1；We為累計水侵量，104m3；Wp為累計產(chǎn)水量，104m3；Bw為地層水體積系數(shù)；ψ為視相對壓力；Z為目前壓力下天然氣偏差系數(shù)；Zi為原始壓力下天然氣偏差系數(shù)；R為采出程度；Ep為變?nèi)菹禂?shù)；ω為水侵體積系數(shù)；Cef為巖石壓縮系數(shù)，MPa-1；I為水侵替換系數(shù)。

式(11)中：當Ep=ω=0時，為定容氣藏物質(zhì)平衡方程；當Ep≠0，ω=0時，為非水侵變?nèi)輾獠匚镔|(zhì)平衡方程。

圖2為不考慮水侵時，基質(zhì)、裂縫和孔洞型儲層與定容氣藏的R-ψ壓降對比指示曲線。由圖2可知，在變?nèi)萸闆r下，基質(zhì)、裂縫和孔洞型儲層的壓降指示曲線均為上凸型，其中，由于巖石壓縮性的差異，孔洞型儲層R-ψ指示曲線的上凸幅度最大，上凸出現(xiàn)時間最早。

圖2 儲層類型對R-Ψ壓降指示曲線的影響Fig.2 The influence of reservoir type on R-Ψpressure drop indicator curve

根據(jù)圖2可以計算出非水侵變?nèi)輾獠氐尿?qū)動指數(shù)，不同類型儲層變?nèi)輾獠仳?qū)動指數(shù)變化如圖3所示。由圖3可知，同一開發(fā)階段，孔洞儲層的巖石和束縛水彈性驅(qū)動指數(shù)高于裂縫和基質(zhì)型儲層，在采出程度20%之前，巖石和束縛水彈性驅(qū)動指數(shù)較高，尤其是開發(fā)初期，孔洞、裂縫和基質(zhì)的最高彈性驅(qū)動指數(shù)可以達到0.535、0.317和0.243，表明初期巖石和束縛水的彈性能量較強，這對初期配產(chǎn)、產(chǎn)能和動態(tài)儲量計算有較大的影響。

圖3 不同類型儲層變?nèi)輾獠仳?qū)動指數(shù)變化Fig.3 The variation of driving indicators ofvariable-volume gas reservoirs of different types

3 含水飽和度對變?nèi)輾獠仳?qū)動能量影響

由于縱、橫向上儲層的非均質(zhì)性，部分海拔相對較低的儲集體內(nèi)存在局部封存水，而在構(gòu)造平緩的氣水過渡帶存在氣水共存區(qū)，這些區(qū)域內(nèi)儲層的原始含水由束縛水和孔隙內(nèi)自由水共同構(gòu)成，含水飽和度較高，該區(qū)域的氣井投產(chǎn)初期即為氣水同產(chǎn)井，受原始含水飽和度差異的影響，對氣藏初期驅(qū)動能量的影響明顯。

根據(jù)式(11)，以孔洞型儲層為例，當無邊底水侵入時，不同初始含水飽和度的壓降指示曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著含水飽和度的增加，壓降指示曲線向上彎曲幅度增大。在此條件下，氣藏生產(chǎn)的能量變得更為復雜，包括氣體的彈性膨脹能、巖石和束縛水的彈性膨脹能、孔隙內(nèi)自由水的彈性膨脹能。在已知氣藏原始含水飽和度和束縛水飽和度的情況下，可以通過指示曲線判斷不同階段各種能量的利用情況。由圖4可知，①為氣體彈性驅(qū)動作用的采收率，②為巖石和束縛水彈性驅(qū)動作用的采收率，③為孔隙內(nèi)自由水彈性膨脹作用的采收率。

圖4 含水飽和度對R-Ψ壓降指示曲線的影響Fig.4 The influence of water saturation on the R-Ψpressure drop indicator curve

圖5為不同含水飽和度下(束縛水飽和度20%)孔洞型儲層的驅(qū)動指數(shù)變化。由圖5可知，原始含水飽和度越高，其驅(qū)動指數(shù)越大。在采出程度低于20%時，可動水彈性驅(qū)動指數(shù)、巖石+束縛水彈性驅(qū)動指數(shù)均較高。在含水飽和度分別為60%和73%(相當于地下自由水氣體積比分別為1∶1和2∶1)時，自由水彈性驅(qū)動指數(shù)最高分別可達0.359和0.524，相反，對應(yīng)階段的巖石和束縛水彈性驅(qū)動指數(shù)、氣體彈性驅(qū)動指數(shù)則相應(yīng)減小。在高壓高含水封閉氣藏中，地層水的彈性能量較強，這對初期產(chǎn)能有較大的影響。

圖5 高含水變?nèi)輾獠仳?qū)動指數(shù)變化Fig.5 The changes in driving indicator ofvariable-volume gas reservoir with high water cut

4 邊底水水侵對變?nèi)輾獠仳?qū)動能量影響

當氣藏存在邊底水侵入時，除了上述變?nèi)輾獠氐尿?qū)動能量外，還有邊底水的水壓驅(qū)動能量，其大小受邊底水體大小和儲層物性影響。通過ψ-ω的關(guān)系曲線來分析水侵特征，根據(jù)式(11)，當同時考慮氣藏變?nèi)莺瓦叺姿秩霑r，計算不同ω對應(yīng)的ψ。以龍王廟氣藏孔洞型儲層為例，如圖6所示(紫色直線為定容氣藏ψ-ω曲線，其余顏色線為ω取不同值時ψ-ω曲線)。與定容水侵氣藏相比，ψ-ω曲線不再是一系列直線，而是一系列向上略彎曲的曲線，且?guī)r石壓縮系數(shù)和含水飽和度越大，向上彎曲的幅度越大，說明在邊底水氣藏中，一部分邊底水的驅(qū)動能量被巖石和氣藏內(nèi)水體的彈性膨脹能所替代，邊底水的能量被削弱，在高壓階段這種作用尤為突出。

圖6 水侵對ψ-ω壓降指示曲線的影響Fig.6 The influence of water invasion on the ψ-ωpressure drop indicator curve

5 實例分析

以磨溪氣田龍王廟氣藏009-3-X2井為例，該井靠近邊水，儲層平均滲透率為2.059 mD，平均孔隙度為5.6%，原始含水飽和度為20%，屬孔洞型儲層。該井2015年11月投產(chǎn)，投產(chǎn)初期日產(chǎn)氣為140×104m3/d，日產(chǎn)水量為5.00 m3/d，產(chǎn)出水為凝析水。2016年1月邊水水侵，日產(chǎn)水量迅速上升至133.68 m3/d，產(chǎn)量遞減至20×104m3/d。該井歷次測壓和對應(yīng)時刻的生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表1。利用孔洞型儲層巖石壓縮系數(shù)曲線方程(1)和水侵物質(zhì)平衡方程式(11)，結(jié)合Fetkovich擬穩(wěn)態(tài)水侵公式，計算得到各時刻的相對壓力ψ、采出程度R、水侵體積系數(shù)ω和水侵替換系數(shù)I，并計算各時刻的驅(qū)動指數(shù)，繪制壓降指示曲線，見圖7和表1。

由圖7可知，該井投產(chǎn)初期ψ-R數(shù)據(jù)點上偏，在采出程度為10%后迅速下彎，說明初期儲層巖石和束縛水彈性能量以及邊水水壓驅(qū)能量較強，開發(fā)初期驅(qū)動指數(shù)分別為0.296和0.387，氣壓驅(qū)動指數(shù)僅為0.318(表1)。在隨后1 477 d的生產(chǎn)過程中，邊水驅(qū)動指數(shù)減少至0.338，巖石和束縛水的彈性驅(qū)動指數(shù)減少至0.173，氣壓驅(qū)動指數(shù)增加至0.488。說明初期生產(chǎn)過程中，雖然巖石和束縛水的彈性能量損失比較嚴重，但仍然較強；同時由于氣水區(qū)之間較好的連通性，以及較大的邊水體(地下水氣體積比50∶1)，為該井提供了較強的水壓驅(qū)動能量；此外，由于巖石、束縛水和邊水驅(qū)能量的逐漸衰竭，后期氣壓驅(qū)動的優(yōu)勢越來越明顯。

圖7 009-3-X2井壓降指示曲線Fig.7 The pressure drop indicator curve of Well 009-3-X2

表1 009-3-X2井驅(qū)動指數(shù)計算Table 1 The calculation of driving indicator of Well 009-3-X2

6 結(jié) 論

(1) 縫洞型碳酸鹽巖壓縮系數(shù)的應(yīng)力敏感性較強，考慮其應(yīng)力敏感性的R-ψ壓降指示曲線為初期上凸曲線，反映縫洞儲層具有初期彈性能量釋放強、能量釋放速度快的特點。

(2) 氣藏存在孔隙自由水時，R-ψ壓降指示曲線為初期上凸曲線，原始含水飽和度越高，上凸彎曲程度越大，自由水彈性能量越強。

(3) 氣藏存在邊底水侵入時，R-ω水侵指示曲線右凸，巖石壓縮系數(shù)越大，原始含水飽和度越高時，右凸彎曲程度越大，邊底水的驅(qū)動作用貢獻越小。