注N2開發有水氣藏的敏感性因素研究

李登偉，張烈輝，易建國，焦健，姜自然

（1.中國石化國際石油勘探開發有限公司開發生產部，北京 100083；2.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；3.中國石油西南油氣田分公司川中對外合作項目部，四川 成都 610016；4.中國石油東方地球物理勘探有限責任公司研究院，河北 涿州 072751）

注N2開發有水氣藏的敏感性因素研究

李登偉1，張烈輝2，易建國3，焦健1，姜自然4

（1.中國石化國際石油勘探開發有限公司開發生產部，北京 100083；2.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；3.中國石油西南油氣田分公司川中對外合作項目部，四川 成都 610016；4.中國石油東方地球物理勘探有限責任公司研究院，河北 涿州 072751）

注N2開發有水氣藏具有保持壓力、非混相驅替、解堵助排以及建立附加地層壓差等4種優勢，是一種新的探索。同時，分形理論已成為勘探者和油藏工程師們的有利工具。在分形理論的基礎上，建立了孔隙型氣藏中注N2開發有水氣藏的氣水兩相三組分分形滲流模型，利用有限差分方法將其離散，采用全隱式方法進行求解。根據實際氣藏參數，對N2、天然氣、水三相驅替進行了敏感性分析，結果表明：穩產期末注入N2可以有效地減緩邊水的錐進；注N2可以補充地層能量，保持較高壓力開采，延長氣藏無水采收期；一直注氣和氣藏穩產期末注氣的采收率相差較大，建議開展早期注氣。

分形理論；注N2開發；有水氣藏；敏感性因素；滲流模型

分形理論是當代非線性學科的一個前沿課題。它是描述粗糙的、不規則的、復雜的且具有自相似或自仿射規律形體的有力工具。大量的理論和實驗研究證明，油氣藏工程和滲流力學中的許多現象都具有尺度不變性［1-3］，如滲透率分布、孔隙度分布、裂縫性油氣藏中裂縫網絡分布等，所以分形理論已成為勘探者和油藏工程師們的有利工具。只要確定了事物具有分形性質，那么就可以通過一定的數學手段找到其局部特征或更精細的結構。

1 注N2開發研究現狀

在注N2開發油氣田方面，美國和加拿大等北美地區國家處于技術領先地位［4-6］。俄羅斯選擇梅德維日氣田試驗區（63口井），開展了開發后期注N2開采氣藏中水封區（水淹區）和低壓自由氣（未水淹區）的研究，進行了注氣方案設計和經濟評價，計算結果可靠。

有水氣藏在我國已投入開發的氣藏中超過50%。水侵造成大量氣體封存在儲層中，其采收率僅30%～50%，造成嚴重的資源浪費和經濟損失。目前國內外對注N2的研究主要集中在N2驅油和凝析氣藏方面，對有水氣藏開發后期注N2開發的研究較少。因此，注N2開發有水氣藏是一種新的探索，其優勢有4點：

1）N2的保持壓力作用。N2能夠進入水不能進入的低滲透層段，將低滲帶內處于低壓狀態的天然氣驅替成為可流動氣體，能有效補充地層能量，保持氣藏壓力。

2）N2的非混相驅替作用。注入N2能降低水相相對滲透率，降低界面張力。

3）由于N2具有良好的可壓縮性和膨脹性，在能量釋放時能夠較好地解堵、助排、驅替和氣舉，排開大孔道和裂縫中的水。

4）N2的黏度比水小2個數量級，注N2可以建立附加地層壓差，N2會沿滲流通道流動；同時，有水氣藏中有較高的水封氣含量，且水封氣有較高的滲透率，因此注N2會提高處于自由狀態的低壓氣的開采效果。

2 氣水兩相三組分分形滲流模型

2.1 模型基本假設

孔隙型氣藏注N2驅替過程中N2、天然氣和水的滲流可看成是兩相三組分的滲流，為簡化推導和計算，這里采用一維線性模型［7-8］。

模型基本假設：

1）儲層內氣水兩相流動均服從達西定律；

2）水組分為獨立相，與氣相之間無相間傳質；

3）油氣體系存在N2和天然氣2個組分，組分間無相間傳質；

4）考慮巖石壓縮性和滲透率的各向異性；

5）考慮重力、毛細管力的影響；

6）滲流是等溫過程。

2.2 模型建立

根據達西定律，考慮重力的影響，水、氣的達西定律體積流速分別為

利用式（1）、式（2）及物質平衡方程（或連續性方程），即可導出在多孔介質中氣、水的運動微分方程。

根據物質守恒原理，在沒有相間傳質的情況下，推導出水、氣的連續性方程：

將達西定律方程代入物質平衡方程，則得到氣水兩相的徑向流數學模型，即

氣相組分中天然氣組分的流動方程為

氣相組分中N2氣組分的流動方程為

式（8）加上產氣量和輔助方程后就得到注N2驅的水、N2、天然氣的滲流微分方程：

式中：A為橫截面積，cm2；α為區塊密度參數；Vs為儲集分形體內流體的區塊體積，cm3；m為分形網絡參數，反映分形網絡的局部結構特性；r為以井點為中心的氣水滲流半徑，cm；df為分形維數；θ為反常擴散指數或分形指數；G為描述某種相應的對稱性，為常數；Kr為相對滲透率；B為體積系數；μ為黏度，mPa·s；ρ為密度，g/cm3；D為高度，cm；p為壓力，0.1MPa；Sg為含氣飽和度；Sw為含水飽和度；y（gas），y（N2）分別為天然氣、N2組分在氣相中的摩爾分數；q（gas），q（N2）分別為天然氣、N2產量，cm3/s；q（gas）為氣相總產量，cm3/s；下標g，w分別表示氣相、水相。

3 氣藏實例

根據實際氣藏參數建立了理論模擬模型。氣藏埋深2 286 m，孔隙度15.00%，基塊滲透率4.28×10-3μm2，原始地層壓力24.55 MPa，有效厚度10 m，地層溫度90℃，模型具有一定能量的邊水。生產過程中，邊水向生產井方向水侵。注入井在適當時機注N2，以保持地層壓力，抑制邊水侵入速度。

隨著配產的增高，壓降幅度越大，穩產期越短，產量遞減越快，穩產期末的采出程度低。不考慮注N2的方案，分別以6×104，10×104，12×104，15×104m3/d這4種產量配產，各方案投產初期地層壓力的下降幅度分別為6.69%，12.17%，14.86%，17.52%。隨著產量的逐漸升高，地層壓力的下降幅度逐漸增大。產水量隨生產時間的變化曲線見圖1，圖中相同顏色為同一配產，實線為注N2方案，虛線為不注N2方案。在不注入N2的情況下，產水量隨著時間延長而不斷增加。配產越高，產水量曲線越陡。穩產期末注入N2可以有效地減緩邊水的錐進，產水量上升減緩。

圖1 不同注入方案的產水量與時間關系

注N2可以補充地層能量，保持較高壓力開采，可以壓制水錐形成，延緩邊水錐進，延長氣藏無水采收期。圖2中實線為注N2方案，虛線為不注N2方案，以6×104m3/d的產量生產，不注N2的穩產期為18 a，而注N2的穩產期為22 a；以15×104m3/d的產量生產，不注N2的穩產期為4 a，而注N2的穩產期為6 a。

圖2 不同注入方案的產氣量與生產時間關系

在有水氣藏開采過程中，一直注氣和氣藏穩產期末注氣的采收率相差較大，建議開展早期注氣，保持地層壓力，壓制水錐形成，延緩邊水錐進，延長氣藏無水采收期，圖3為12×104m3/d的產量配產情況。

圖3 注N2對采收率的影響

注N2開采能有效提高有水氣藏的采收率。研究表明，注N2開采與不注N2開采相比，在配產6×104，10× 104，12×104，15×104m3/d的情況下，預測期末采出程度分別提高了8.56%，8.41%，8.47%和8.42%。

4 結論

1）建立的孔隙型氣藏中氣水兩相三組分分形滲流數學模型，可以描述孔隙介質系統中N2、天然氣、水等連續介質間的流體交換規律。

2）注N2可以補充地層能量，保持較高壓力開采，壓制水錐形成，延緩邊水錐進，延長氣藏無水采收期。

3）一直注氣和氣藏穩產期末注氣的采收率相差較大，建議開展早期注氣，保持地層壓力。

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（編輯 孫薇）

Research on sensitivity factors of gas reservoir with water by injecting N2development

Li Dengwei1,Zhang Liehui2,Yi Jianguo3,Jiao Jian1,Jiang Ziran4
(1.Field Development and Production Department,International Exploration and Production Corporation,SINOPEC,Beijing 100083,China;2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University, Chengdu 610500,China;3.Chuanzhong Project Department for Cooperation Block,Southwest Oil and Gas Field Company, PetroChina,Chengdu 610016,China;4.Research Institute of Bureau of Geophysical Prospecting,CNPC,Zhuozhou 072751,China)

N2injection development of gas reservoir with water has four advantages such as pressure maintaining,non-miscible flooding,cleaning up and additional reservoir pressure difference building.This is a new exploratory research.Meanwhile,fractal theory has become a powerful tool for prospectors and reservoir engineers.Therefore,based on the fractal theory,the fractal percolation model of two phases and three components was established for the pore gas reservoir by injecting N2development,which was dispersed using finite differential method and solved using fully implicit method.The sensitivity factors of three phases flooding (N2,natural gas and water)were analyzed based on the actual parameters of gas reservoir.The results show that N2injection can slow down effectively the edge of the water coning at the end of stable production period,maintain formation energy and high reservoir pressure,and prolong the recovery period without water.The recovery has big difference between injecting N2in early time and in the late time.So,the early injecting N2development is proposed.

fractal theory;injecting N2development;gas reservoir with water;sensitivity factors;percolation model

教育部博士點基金項目“三維大變化尺度縫洞型碳酸鹽巖油藏復雜油水兩相流動規律研究”（20105121110006）、中國石油天然氣集團公司石油科技中青年創新基金項目“注N2開發有水氣藏中基于分形理論氣水兩相微觀滲流機理及應用研究”（07E1016）聯合資助

TE319

：A

1005-8907（2012）03-0343-03

2011-09-08；改回日期：2012-03-16。

李登偉，男，1980年生，工程師，2009年博士畢業于西南石油大學油氣田開發工程專業，現主要從事油氣田開發研究工作。E-mail：lidengwei12345@qq.com。

李登偉，張烈輝，易建國，等.注N2開發有水氣藏的敏感性因素研究［J］.斷塊油氣田，2012，19（3）：343-345，385. Li Dengwei，Zhang Liehui，Yi Jianguo，et al.Research on sensitivity factors of gas reservoir with water by injecting N2development［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（3）：343-345，385.