氣藏型儲氣庫空間動用規(guī)律及擴容機理仿真模擬

劉濤 ，李宜強 ，丁國生 ，王正茂，石磊 ，劉哲宇 ，湯翔 ，曹涵 ，曹金鑫 ，黃友晴

（1. 油氣資源與探測國家重點實驗室（中國石油大學（北京）），北京 102249；2. 中國石油大學（北京）石油工程學院，北京 102249；3. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；4. 中國石油天然氣集團有限公司油氣地下儲庫工程重點實驗室，北京 100083；5. 中國石油勘探與生產(chǎn)分公司，北京 100120）

0 引言

儲氣庫在建庫及后期使用過程中，為滿足極寒天氣市場調(diào)峰和事故應急需求，具有周期性、大流量、強注強采、交變載荷的特點[1-3]。目前中國儲氣庫主要由開發(fā)中后期氣藏改建而成，在改建過程中以氣驅(qū)液達容為主、氣體吞吐采液達容為輔[4-6]，受氣藏開發(fā)地層壓力衰竭后水侵等因素的影響，地下流體分布規(guī)律十分復雜[7]，建庫難度較大。

國內(nèi)外學者通過室內(nèi)物理實驗研究了儲氣庫有效庫容量、工作氣量等關(guān)鍵指標的主要影響因素：Tooseh等[8]指出儲氣庫建庫過程中影響庫容的主要因素為注氣速度；班凡生等[9]發(fā)現(xiàn)儲集層物性、水體侵入以及氣水滲流變化規(guī)律等是影響建庫效率的主要因素，并指出注采速度與氣驅(qū)效率存在一定相關(guān)性；杜玉洪等[10]完成了注氣、采氣速度敏感性實驗，認清了油藏改建儲氣庫時注氣速度與庫容能力、采氣速度與氣驅(qū)水效率間的關(guān)系。但由于實驗所采用的巖心尺度較小，難以清晰認識儲氣庫運行過程中的流體分布、擴容規(guī)律。

目前關(guān)于水驅(qū)氣藏建庫滲流機理主要采用常規(guī)柱塞狀巖心（直徑2.5 cm或3.8 cm，長度一般為直徑的2～3倍）開展物理模擬或采用二維、三維數(shù)值模擬方法研究儲集層孔隙空間動用規(guī)律和擴容機理。受滲流維度單一、巖心尺寸小和孔隙總空間較小等影響，仿真模擬精度低、計量誤差大，實驗研究結(jié)果具有較大的局限性，難以反映實際地層二維滲流過程中的孔隙動用規(guī)律[11-14]。而平板模型主要用于模擬油藏開發(fā)，目前尚未用于開展模擬儲氣庫注采實驗。

本文基于自主研發(fā)的大型二維平板高壓實驗系統(tǒng)，建立儲氣庫注采模擬方法，研究儲氣庫建庫及多輪次注采過程中的生產(chǎn)動態(tài)特征及壓力變化，明確在不同滲透率條件下影響儲氣庫庫容建設(shè)的主控因素及擴容機制。

1 實驗設(shè)計

采用同一批次的露頭巖樣制作一維柱狀巖心與二維平板巖心，開展一維柱狀巖心模型注氣建庫及運行、二維平板巖心模型建庫與運行實驗。共制作柱狀巖心、二維平板巖心各 2塊，相同類型巖心尺寸相同。其中柱狀巖心直徑3.8 cm，長度30.1 cm，二維平板巖心尺寸為30 cm×30 cm×4.5 cm；1#柱狀巖心與1#二維平板巖心絕對滲透率 104.0×10-3μm2，2#柱狀巖心與 2#二維平板巖心絕對滲透率1.4×10-3μm2。

1.1 一維柱狀巖心實驗

利用一維柱狀巖心開展不同含水飽和度條件下儲氣庫注采氣模擬實驗，研究儲氣庫運行過程中的氣體注采量以及氣體損失變化規(guī)律，為后續(xù)二維平板巖心模型實驗中工作區(qū)域類型的劃分提供依據(jù)。實驗采用2塊柱狀巖心，在不同含水飽和度條件下，以純度為99.99%的CH4進行注采氣實驗，裝置如圖1所示。實驗步驟為：①將 1#柱狀巖心抽真空后利用穩(wěn)態(tài)法建立不同的含水飽和度（50%～98%）環(huán)境。為保證實驗的一致性，壓力及壓差設(shè)置與二維平板實驗一致，設(shè)置系統(tǒng)回壓為8 MPa。②關(guān)閉出口端，以1.0 mL/min恒速注氣增壓至16 MPa，隨后靜置12 h。③打開出口端，以1.5 mL/min恒速采氣，記錄采出氣量及液量，至出口端無流體產(chǎn)出時實驗結(jié)束。④更換 2#柱狀巖心，重復步驟①—③。

圖1 一維巖心注采氣實驗裝置圖

1.2 二維平板巖心實驗

二維平板巖心模型制作：在平板巖心上布置17個井位用于壓力監(jiān)測以及注采，同時布置32對飽和度監(jiān)測電極，用于監(jiān)測儲氣庫建庫與運行時的氣水運移前緣與整體含水飽和度的變化情況，最后采用環(huán)氧樹脂對模型進行整體澆注，在巖心表面形成隔絕層完成模型制作（見圖2）。

圖2 二維平板巖心模型示意圖與實物照片

平板巖心儲氣庫模型高溫高壓實驗系統(tǒng)主要由巖心模型、高溫高壓實驗艙、多點飽和度/壓力采集系統(tǒng)、溫度采集控制系統(tǒng)、流量控制閥、高壓干燥裝置、氣水分離計量裝置、回壓泵、圍壓泵等構(gòu)成（見圖3）。采用飽和度監(jiān)測系統(tǒng)、壓力監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測實驗中巖心模型內(nèi)的多點壓力、含水飽和度變化；通過控制出口節(jié)流截面控制氣體流量，實現(xiàn)對氣體注采速度的控制。

圖3 平板巖心儲氣庫模型高溫高壓實驗裝置圖

注采參數(shù)：以新疆呼圖壁儲氣庫為例，現(xiàn)場儲氣庫地層厚度50 m，單井日注氣66.5×104m3，單井日采氣100.0×104m3，井距100 m，根據(jù)地層孔隙內(nèi)平均滲流速度相似理論[15]，結(jié)合室內(nèi)物理模型參數(shù)，計算儲氣庫模型運行階段注氣速度為0.30 mL/min，采氣速度為0.45 mL/min。

實驗步驟：①將 1#二維平板巖心模型置入高溫高壓實驗艙內(nèi)，抽真空24 h。抽真空結(jié)束后，打開模型20#井，讓模型自然吸水至飽和，隨后通過該井以0.1 MPa壓差恒壓注水3 d，根據(jù)注采液量差值計算模型飽和水量與孔隙度。②保持回壓8 MPa，以0.30 mL/min速度通過 20#井注氣、12#井采液的方式進行氣驅(qū)水，至該井不再有水產(chǎn)出時關(guān)閉，計量采出水量。③20#井繼續(xù)以 0.30 mL/min注氣，當模型內(nèi)整體壓力達到16 MPa（儲氣庫儲氣峰值壓力）時完成儲氣庫首次儲氣過程，隨后靜置12 h平衡模型內(nèi)壓力。④控制系統(tǒng)回壓為8 MPa，利用20#井以0.45 mL/min速度恒速采氣，實時監(jiān)測各測點含水飽和度，計量采出液量、氣量，至該井無流體流出。⑤以0.30 mL/min恒速向20#井注入氣體，實時監(jiān)測模型入口端壓力，當壓力上升至儲氣庫模型運行壓力上限（16 MPa）時關(guān)閉該井并靜置12 h平衡模型內(nèi)壓力。⑥重復第④、⑤步，完成6輪次注采。⑦更換2#二維平板巖心模型，重復①—⑥步。

2 一維柱狀巖心儲氣庫建庫及運行動態(tài)

圖 4為柱狀巖心不同含水飽和度條件下的注采氣能力與氣體損失率（注采過程中注入氣量與采出氣量的差值與注入氣量之比）變化情況?？梢钥吹剑Ｐ妥⒉蓺饽芰εc巖心含水飽和度呈負相關(guān)，巖心物性越好模型注采氣能力越強（見圖 4a、圖 4b），注采氣量整體越高。注氣建庫過程中，含水飽和度越高，氣體損失率越大（見圖4c）。當巖心物性較好時，氣體損失率呈現(xiàn)“兩段式”分布特征：含水飽和度大于等于75%時氣體損失率較高，保持在 23%～36%；含水飽和度小于75%時，損失率大幅下降，基本保持在10%以下。當物性較差時，氣體損失率呈現(xiàn)“三段式”分布特征：含水飽和度大于等于 80%時，損失率處于極高水平，保持在 75%以上；含水飽和度為 60%～75%時，氣體損失率雖然有所下降但依舊較高，保持在31%～36%；含水飽和度小于等于 55%時，氣體損失率大幅降低至10%以下。

圖4 柱狀巖心注采氣量動態(tài)曲線

通過一維巖心注采氣量動態(tài)分析可知，巖心含水飽和度是導致儲氣庫氣體損失的重要因素，在儲氣庫儲集空間中，如果存在局部水淹層，注入氣在高含水區(qū)域會大量損失，從而增加儲氣庫的無效庫容和氣體損耗，該問題可通過驅(qū)替排水等措施降低儲集層含水飽和度加以解決。

由前述可知，1#柱狀巖心滲透率較高，當巖心含水飽和度大于等于 75%時，氣體損失率較高，巖心內(nèi)氣體流動較為困難。當儲集層含水飽和度小于 75%時，氣體損失率大幅度降低，據(jù)此可將儲氣庫模型工作區(qū)域劃分為 2類：區(qū)域內(nèi)含水飽和度小于 75%定義為高效工作區(qū)；含水飽和度大于等于 75%定義為低效工作區(qū)。同理，2#柱狀巖心滲透率較低，可將儲氣庫模型工作區(qū)域劃分為 3類：區(qū)域內(nèi)含水飽和度大于 80%定義為無效工作區(qū)；含水飽和度為 55%～80%，定義為低效工作區(qū)；含水飽和度小于55%，定義為高效工作區(qū)。

3 二維平板巖心儲氣庫建庫及運行動態(tài)

3.1 排驅(qū)地層水建庫階段

圖5為平板巖心模型建庫過程中地層水排驅(qū)階段注入壓力、氣液比曲線。建庫初期注入壓力上升，當采出端見氣一段時間后注入壓力開始下降，與氣液比的增長相比，壓力的下降有一定的滯后性，這與壓降的傳遞有關(guān)。當采出端大量見氣時（氣液比大于500 m3/m3），注入壓力趨于平穩(wěn)，隨后氣液比快速上升，采出流體以氣相為主，此時可以認為建庫完成。

圖5 平板巖心模型排驅(qū)地層水建庫階段動態(tài)曲線

圖6為平板巖心模型建庫時排驅(qū)過程中不同時間節(jié)點模型內(nèi)含水飽和度分布。對比分析可知，平板巖心滲透率越高，氣體驅(qū)替水的效率越高，無論是氣體突破采出端前、突破采出端時，還是排驅(qū)完成時，1#平板巖心氣體波及的范圍均遠大于 2#平板巖心。這主要是因為巖心滲透率越低，滲流阻力越大，越易形成優(yōu)勢通道，波及范圍越小。

圖6 平板巖心模型排驅(qū)地層水建庫過程中不同時間節(jié)點模型內(nèi)含水飽和度分布

3.2 多輪次注采運行階段

平板巖心模型進入多輪次注采階段后，伴隨著氣體的多輪次注采，地層水被氣流不斷攜帶采出，儲氣庫模型庫容逐漸變大。圖7分別為1#平板巖心模型多輪次注采采氣期末含水飽和度分布?？梢钥吹角?4輪次注采過程中，儲氣庫模型有效工作區(qū)域主要分布在注入井近井地帶并沿排驅(qū)地層水階段形成的氣相優(yōu)勢通道向兩側(cè)不斷擴張，且有效工作區(qū)域內(nèi)含氣飽和度逐步提高（見圖7a、圖7b）。第5—第6輪次氣相波及范圍與波及區(qū)含氣飽和度基本不再變化（見圖7c、圖7d）。

圖7 1#平板巖心模型不同輪次注采采氣期末含水飽和度分布

圖8為1#平板巖心模型注采氣量與注采輪次的關(guān)系，可以看到，前 4輪次注采結(jié)束時注入氣量和采出氣量有較大差距，且注入氣量和采出氣量曲線呈逐步上升趨勢；第5、第6輪注入氣量和采出氣量雖然仍有差距，但差距大幅縮小并趨于穩(wěn)定，同時曲線也由上升趨勢變?yōu)樗阶邉荨Ｓ纱丝梢哉J為 1#平板巖心模型經(jīng)4輪注采基本達到最大庫容量61.6 L。經(jīng)計算，達容后地層水排驅(qū)效率（采出水量占模型飽和水量的比例）為26.5%。

圖8 1#平板巖心模型注采氣量變化曲線

2#平板巖心模型儲氣庫庫容的變化與 1#平板巖心模型基本類似，表現(xiàn)為前 4輪次注采儲氣庫模型有效工作區(qū)域向氣相優(yōu)勢通道兩側(cè)不斷擴張為主，后 2輪次表現(xiàn)為氣相波及范圍與波及區(qū)含氣飽和度基本不再變化（見圖 9），但受巖心滲透率較低的影響，模型擴容較慢，需要 5輪次注采后才基本能達到最大庫容量44.3 L（見圖10）。經(jīng)計算，達容后地層水排驅(qū)效率僅為14.7%，遠低于1#平板巖心模型。

圖9 2#平板巖心模型不同輪次注采采氣期末含水飽和度分布

圖10 2#平板巖心模型注采氣量變化曲線

根據(jù)柱狀巖心模型儲氣庫工作區(qū)劃分標準，對平板巖心模型達容時的工作區(qū)進行分類（見圖11）：①1#平板巖心模型，高效工作區(qū)約占總面積的73.0%，該區(qū)氣相飽和度高，基本不存在可動水，儲氣庫運行期間天然氣流動阻力小；低效工作區(qū)約占總面積的27.0%，該區(qū)存在部分可動水，儲氣庫運行期間可動水會影響天然氣的流動；該模型不存在無效工作區(qū)。②2#平板巖心模型，高效工作區(qū)區(qū)域占總面積的45.0%，低效工作區(qū)約占總面積的44.6%，無效工作區(qū)10.4%。可見儲集層物性越好，高效工作區(qū)范圍越大。

圖11 平板巖心模型達容時工作區(qū)劃分

3.3 儲氣庫模型庫容影響因素分析

從實驗結(jié)果看，儲氣庫模型運行過程中，庫容的影響因素有 3個方面。①滲透率：儲氣庫模型滲透率越高，達容時排驅(qū)地層水效率越高，儲集空間利用率越高，達容時的庫容量越大；滲透率較高的模型，無效工作區(qū)很小或不存在，相對滲透率較低的模型而言，注入氣的損失越小，利用率越高。②含水飽和度：柱狀巖心模型實驗表明，巖心含水飽和度越高，氣體損失越多，通過優(yōu)化注采驅(qū)替排水，降低含水飽和度，是減少儲氣庫氣量損失的有效途徑。③注采平衡時間：通過監(jiān)測平板巖心模型多輪次注采過程中注采平衡期壓力變化（見圖 12）情況可知，平衡前期井底壓力有所下降，但幅度很?。ㄐ∮?.5 MPa），4 h后井底壓力很快趨于穩(wěn)定，由此可知，繼續(xù)延長注采平衡期對儲氣庫擴容貢獻不大。

圖12 1#平板巖心模型第1輪次注采平衡期壓力變化

4 結(jié)論

氣藏型儲氣庫建庫達容及運行過程中，儲集空間可劃分為高效、低效和無效3 類工作區(qū)，儲集層滲透率越高，孔隙動用效率越高，無效工作區(qū)越小，甚至不存在無效工作區(qū)，注入氣的損失越小，利用率越高。

儲集層物性越好，儲集空間越大，最終形成的庫容量越大；儲集層含水飽和度越高，儲氣庫建庫達容及運行過程中氣體損失越多，優(yōu)化注采驅(qū)替排水，降低含水飽和度，是減少儲氣庫氣量損失的有效途徑。

多輪次注采過程中，注采平衡時間存在合理區(qū)間，超過該合理區(qū)間，繼續(xù)延長注采平衡期對儲氣庫擴容貢獻不大。