致密砂巖氣藏近井地帶含水飽和度變化規(guī)律

馬宏煜 高樹生 葉禮友 劉華勛 熊 偉 史江龍 王 霖 吳 康 祁青山 張春秋

1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 2.中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所 3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院滲流流體力學(xué)研究所4. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院西北分院 5. 中國(guó)石油青海油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院6. 中國(guó)石油新疆油田公司實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)中心

0 引言

非常規(guī)天然氣作為一種潛力巨大的未來(lái)接替能源，將成為全球能源供應(yīng)的一個(gè)重要組成部分[1]。中國(guó)致密砂巖氣資源豐富，自“十一五”以來(lái)，鄂爾多斯盆地蘇里格氣田、四川盆地川中地區(qū)須家河組氣藏、松遼盆地南部登婁庫(kù)組氣藏等勘探、開(kāi)發(fā)都取得新突破，實(shí)現(xiàn)了致密砂巖氣的規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，展示了良好的發(fā)展前景[2-8]。致密砂巖氣藏普遍具有低孔隙、低滲透、高含水的特點(diǎn)，大多數(shù)氣藏在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中均出現(xiàn)高壓、低產(chǎn)、伴生產(chǎn)水的特點(diǎn)，儲(chǔ)產(chǎn)量最大的蘇里格致密砂巖氣田自開(kāi)發(fā)以來(lái)，到目前為止有60%以上的氣井面臨產(chǎn)水問(wèn)題，近井地帶大量積液導(dǎo)致氣井減產(chǎn)甚至停產(chǎn)[9-13]。通過(guò)對(duì)儲(chǔ)層近井地帶含水飽和度變化規(guī)律及其影響因素開(kāi)展物理模擬實(shí)驗(yàn)研究，有助于明確致密砂巖氣藏產(chǎn)水機(jī)理，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣井的產(chǎn)水動(dòng)態(tài)。

楊滿平等[14]認(rèn)為在氣藏開(kāi)采過(guò)程中，由于致密砂巖儲(chǔ)層巖石應(yīng)力敏感作用，地層孔隙度和孔隙喉道體積減小，部分束縛水釋放形成自由水并產(chǎn)出，導(dǎo)致氣井大量產(chǎn)水，近井地帶含水飽和度增大。盛軍等[15]認(rèn)為在氣井開(kāi)采過(guò)程中，從泄流邊界到井筒方向，壓差呈現(xiàn)出一個(gè)逐漸增大的趨勢(shì)，近井地帶含水飽和度逐漸增大。胡勇等[16]進(jìn)行長(zhǎng)巖心夾持器飽和衰竭氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明近井地帶含水飽和度變化與巖心滲透率有關(guān)。這些研究均表明近井地帶含水飽和度會(huì)發(fā)生變化，然而，關(guān)于近井地帶含水飽和度變化規(guī)律及其影響因素的報(bào)道卻很少。

根據(jù)致密氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中流體從遠(yuǎn)井區(qū)向近井區(qū)匯集的平面徑向滲流特點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了一套近井地帶儲(chǔ)層含水飽和度變化物理模擬實(shí)驗(yàn)流程，分析初始含水飽和度、采氣速度對(duì)近井地帶含水飽和度的影響，最后綜合氣藏生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)因素并利用相似原理，計(jì)算得到氣藏近井地帶及不同區(qū)域含水飽和度變化及氣藏產(chǎn)水情況。

1 物理模擬實(shí)驗(yàn)思路與方法

1.1 物理模擬實(shí)驗(yàn)思路

在致密砂巖氣藏直井壓裂開(kāi)發(fā)過(guò)程中，近井地帶流體滲流以平面徑向滲流為主[16-17]，地下流體以氣井為中心匯集，滲流中每個(gè)滲流流線都平行于同一個(gè)平面，每個(gè)平面內(nèi)的流動(dòng)狀況都相同。在平面徑向滲流中，從地層遠(yuǎn)端到氣井井底滲流截面逐漸變小，根據(jù)從遠(yuǎn)井端到近井地帶滲流半徑逐漸減小的滲流現(xiàn)象，如果以井眼為圓心，將地層切割成一個(gè)個(gè)的圓柱體，那么由近及遠(yuǎn)會(huì)形成半徑逐漸增加的一系列空心圓柱體（圖1）。從半徑R0（井筒半徑）開(kāi)始，至第1個(gè)空心圓柱體的外半徑R1處為近井地帶，從半徑R1至半徑R2處地層為地層流體滲流的地層中部區(qū)域，從半徑R2至半徑R3處為地層流體滲流的遠(yuǎn)井地帶區(qū)域。

筆者從物理模擬實(shí)驗(yàn)的角度來(lái)模擬研究近井地帶含水飽和度的變化規(guī)律，考慮到地層遠(yuǎn)端到氣井井底滲流斷面逐漸變小這一特點(diǎn)，選用直徑為10.5 cm、3.8 cm、2.5 cm致密砂巖巖心在同一水平面上進(jìn)行串聯(lián)，模擬氣井周圍儲(chǔ)層的徑向滲流，而且假設(shè)3個(gè)巖心由小到大的孔隙體積比例與氣井近井地帶、地層中部及遠(yuǎn)井地帶的小扇形體的孔隙體積比例相似。由此即可實(shí)現(xiàn)氣井徑向滲流的物理模擬實(shí)驗(yàn)，用以評(píng)價(jià)近井地帶含水飽和度的變化規(guī)律及其影響因素。

圖1 平面徑向滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)M示意圖

在致密砂巖氣藏生產(chǎn)開(kāi)發(fā)中，常常采用放壓生產(chǎn)方式，油管直徑的大小對(duì)氣井的產(chǎn)量起控制和調(diào)節(jié)作用，在不同管徑的油管下，井底壓力及氣井產(chǎn)量不同[18]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)物理模擬需求以及致密砂巖氣藏開(kāi)發(fā)方式，在實(shí)驗(yàn)出口端連接微管來(lái)模擬采氣的油管，通過(guò)改變微管直徑來(lái)控制采氣速度。實(shí)驗(yàn)中采用的是自主研發(fā)的耐高壓（30 MPa）微管，滿足了微尺度與常規(guī)尺度的實(shí)驗(yàn)對(duì)接，能夠進(jìn)行高壓條件下致密砂巖氣藏平面徑向滲流模擬[19]。在物理模擬實(shí)驗(yàn)出口端分別接入不同管徑的微管（20 μm、30 μm、40 μm、50 μm）模擬采氣油管，開(kāi)展致密砂巖氣藏衰竭開(kāi)發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)。由于筆者研究致密砂巖氣藏儲(chǔ)層中氣、水兩相流動(dòng)，不考慮地層水流入井筒積液導(dǎo)致地層氣體的攜液能力下降以及地層積液倒灌情況，故在實(shí)驗(yàn)微管前端加入干燥管吸收出口端的產(chǎn)水，以排除該因素的影響。

1.2 巖心滲流物模實(shí)驗(yàn)連續(xù)性論證

根據(jù)儲(chǔ)層流體徑向滲流特征，將儲(chǔ)層劃分n個(gè)流動(dòng)區(qū)域，不同流動(dòng)區(qū)域邊界半徑R1，R2，…，Rn，然后根據(jù)流動(dòng)區(qū)域滲流截面積和孔隙體積確定巖心半徑和長(zhǎng)度。

滲流截面相似性為：

儲(chǔ)層滲流是達(dá)西滲流時(shí)地層壓力的分布為：

劃分1個(gè)區(qū)域時(shí)，采用1塊巖心模擬，流動(dòng)為線性滲流，物模巖心壓力分布為：

劃分n個(gè)區(qū)域時(shí)，采用n塊半徑不同、長(zhǎng)度不同巖心模擬，物模巖心壓力分布為：

已知pe、pw、ri、Li，依據(jù)式（5）可以計(jì)算得到：n個(gè)巖心串聯(lián)開(kāi)發(fā)時(shí)所對(duì)應(yīng)n－1個(gè)連接點(diǎn)的壓降曲線。當(dāng)n越大時(shí)，物模與儲(chǔ)層流動(dòng)規(guī)律相似程度越高，但同時(shí)帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)難度也越大；理論計(jì)算和物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（圖2），當(dāng)n大于或等于3時(shí)，物模流動(dòng)與儲(chǔ)層流動(dòng)相似程度較高，物模巖心壓降漏斗特征明顯，即使物模巖心連接處流動(dòng)截面發(fā)生突變，但宏觀流動(dòng)規(guī)律與連續(xù)性地層基本一致，因此筆者將直徑為10.5 cm、3.8 cm、2.5 cm致密砂巖巖心在同一水平面上進(jìn)行串聯(lián)方案是可以模擬研究致密砂巖氣藏生產(chǎn)開(kāi)發(fā)中平面徑向滲流規(guī)律。

圖2 致密砂巖氣藏衰竭開(kāi)發(fā)下氣井不同泄流區(qū)域壓力分布圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 巖心參數(shù)

實(shí)驗(yàn)選用蘇里格致密氣藏柱狀砂巖巖心，其巖心基本參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心基本參數(shù)

1.3.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程為：①將致密砂巖巖心烘干，稱取干重，然后抽真空飽和水，稱取飽和水濕重，計(jì)算孔隙體積；②將致密砂巖巖心建立初始含水飽和度（60%）；③將巖心分別裝入巖心夾持器并加圍壓至30 MPa，然后通過(guò)中間容器高壓氣源對(duì)該組巖心飽和壓力至設(shè)計(jì)壓力20 MPa，飽和氣完畢后穩(wěn)定一段時(shí)間，直到各點(diǎn)壓力不再發(fā)生變化為止，撤掉氣源，確保巖心處于獨(dú)立壓力系統(tǒng)中（圖3）；④打開(kāi)出口微管（50 μm）調(diào)節(jié)閥，并同時(shí)打開(kāi)壓力、流量數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄系統(tǒng)，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)；⑤實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄各測(cè)壓點(diǎn)壓力、開(kāi)采時(shí)間、氣流量、累計(jì)氣流量等參數(shù)，地層壓力從20 MPa 下降至廢棄條件（直徑2.5 cm巖心夾持器出口端壓力達(dá)到3 MPa），實(shí)驗(yàn)結(jié)束；⑥取出巖心并稱重，計(jì)算含水飽和度變化情況以及出口干燥管重量變化；⑦依次對(duì)巖心建立初始含水飽和度55%、50%、45%、40%，重復(fù)步驟③～⑥，進(jìn)行不同初始含水飽和度的氣驅(qū)飽和衰竭開(kāi)發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)；⑧依次更換出口微管40 μm、30 μm、20 μm，重復(fù)步驟②～⑦，進(jìn)行不同出口微管直徑、不同初始含水飽和度的氣驅(qū)飽和衰竭開(kāi)發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)。

圖3 氣驅(qū)飽和衰竭開(kāi)采物理模擬實(shí)驗(yàn)流程示意圖

2 儲(chǔ)層區(qū)域范圍與產(chǎn)水量相似性論證

自然界和工程界中現(xiàn)象與物理模擬實(shí)驗(yàn)的相似一般采用相似理論，在不考慮邊底水、毛細(xì)管力和重力的均質(zhì)致密砂巖氣藏下，相似理論主要包括運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似、采出程度相似、孔隙相似、流動(dòng)介質(zhì)相似和幾何相似。致密砂巖氣藏與物模實(shí)驗(yàn)相似論證主要包括致密砂巖氣藏區(qū)域范圍相似性和氣藏產(chǎn)水相似性論證，其中致密砂巖氣藏區(qū)域范圍相似主要為幾何相似，氣藏產(chǎn)水相似則為運(yùn)動(dòng)相似。致密砂巖氣藏區(qū)域范圍幾何相似和孔隙相似是利用不同區(qū)域孔隙比相似轉(zhuǎn)化為不同區(qū)域半徑相似；氣藏產(chǎn)水運(yùn)動(dòng)相似是通過(guò)氣藏井底單位滲流截面上質(zhì)量流量與實(shí)驗(yàn)出口端有效滲流截面單位質(zhì)量流量相似，進(jìn)而可以得到氣藏的采氣速度。

據(jù)前所述的物理模擬實(shí)驗(yàn)思路中的區(qū)域劃分，近井地帶、地層中部區(qū)域及遠(yuǎn)井地帶與直徑2.5 cm（1號(hào)巖心）、直徑3.8 cm（2號(hào)巖心）及直徑10.5 cm（3號(hào)巖心）體積孔隙比相似原理，即可得氣藏各區(qū)域半徑換算公式。

近井地帶：

地層中部區(qū)域：

遠(yuǎn)井地帶：

根據(jù)近井地帶、地層中部區(qū)域、遠(yuǎn)井地帶的區(qū)域劃分公式（6）、（7）、（8），將各參數(shù)帶入公式換算得到氣藏各區(qū)域半徑。

近井地帶外半徑：

地層中部區(qū)域外半徑：

不同直徑的微管所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣速率不同，利用物模實(shí)驗(yàn)采氣速度與氣藏單位滲流面積流量相同原理式（11），將不同微管下的飽和衰竭實(shí)驗(yàn)初期出口流量轉(zhuǎn)換成氣藏采氣速率。

將各參數(shù)帶入式（6），分別得到對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣速率。

出口微管20 μm所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣速率為：

出口微管30 μm所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣速率為：

出口微管40 μm所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣速率為：

出口微管50 μm所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣速率為：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在致密砂巖氣藏氣驅(qū)飽和衰竭物理模擬實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)控制初始含水飽和度、出口微管直徑兩個(gè)變化因素，分別來(lái)研究地層原始含水飽和度和采氣速度對(duì)致密砂巖氣藏近井地帶、地層中部區(qū)域及遠(yuǎn)井地帶含水飽和度變化規(guī)律的影響。

3.1 采氣速度對(duì)儲(chǔ)層含水飽和度變化的影響

在致密砂巖氣藏氣驅(qū)飽和衰竭物理模擬實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)不同微管下實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到直徑分別為2.5 cm、3.8 cm、10.5 cm等3塊巖心在4個(gè)不同微管直徑條件下實(shí)驗(yàn)后的含水飽和度曲線（圖4～ 6）。

圖4 不同微管下直徑2.5 cm巖心實(shí)驗(yàn)后含水飽和度曲線圖

圖5 不同微管下直徑3.8 cm巖心實(shí)驗(yàn)后含水飽和度曲線圖

圖6 不同微管下直徑10.5 cm巖心實(shí)驗(yàn)后含水飽和度曲線圖

從近井地帶（2.5 cm巖心）實(shí)驗(yàn)后含水飽和度曲線（圖4）可以看出，出口不同直徑的微管都對(duì)應(yīng)一個(gè)臨界含水飽和度（定義含水飽和度變化曲線與對(duì)角虛線的交點(diǎn)為臨界含水飽和度），隨著出口微管直徑由20 μm增大至50 μm，近井地帶臨界含水飽和度分別為51%、49%、41%、40%。當(dāng)初始含水飽和度大于臨界值時(shí)，近井地帶含水飽和度增大，地層積液；小于臨界值時(shí)，近井地帶含水飽和度減小，地層水隨采氣排出。隨著初始含水飽和度增大，近井地帶含水飽和度增速降低，曲線的變化趨勢(shì)變緩的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水飽和度值分別為60%（預(yù)估）、56%、50%、45.3%。微管直徑越大，采氣速度越大，攜液能力就越強(qiáng)；但是由于采氣速度越大，中、遠(yuǎn)端區(qū)域供液能力也越強(qiáng)，而且氣體攜液能力小于供液能力，最終導(dǎo)致近井地帶積液越來(lái)越嚴(yán)重。因此致密砂巖氣藏合理配產(chǎn)可有效控制氣井產(chǎn)水。

圖5是中部區(qū)域（直徑3.8 cm巖心）不同采氣速度實(shí)驗(yàn)后含水飽和度變化曲線。可以看出，在微管直徑為20 μm和30 μm條件下，地層中部區(qū)域巖心含水飽和度均降低，且初始含水飽和度越大，降低的趨勢(shì)越明顯；微管直徑為40 μm和50 μm條件下，地層中部區(qū)域含水飽和度均呈增大趨勢(shì)，且后者含水飽和度增大量明顯要高于前者。由此可見(jiàn)，微管直徑大于30 μm時(shí)，致密砂巖氣藏采氣速率增大，遠(yuǎn)端供液能力增強(qiáng)，在地層中部區(qū)域也開(kāi)始形成積液，地層中部區(qū)域含水飽和度增速變緩拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水飽和度值分別為45%（微管直徑50 μm）和50%（微管直徑40 μm）。大于該值后，氣體攜液能力增強(qiáng)，但是總的看來(lái)遠(yuǎn)端供液能力更強(qiáng)，地層仍然處于積液狀態(tài)。

圖6是遠(yuǎn)端區(qū)域（直徑10.5 cm巖心）不同采氣速度實(shí)驗(yàn)后含水飽和度變化曲線。可以發(fā)現(xiàn)，在出口控制流量的微管直徑分別為 20 μm、30 μm、40 μm和50 μm條件下，遠(yuǎn)井地帶含水飽和度均隨初始含水飽和度增大而降低。即采氣速度越大，遠(yuǎn)井地帶含水飽和度減少量就越大，運(yùn)移水量越多，當(dāng)初始含水飽和度大于55%時(shí)，遠(yuǎn)井地帶地層水開(kāi)始大量向近井地帶流動(dòng)，這也就是致密砂巖高含水氣藏采氣速度越大，近井地帶積液越嚴(yán)重的主要原因。

3.2 初始含水飽和度對(duì)儲(chǔ)層含水飽和度變化的影響

通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)巖心初始含水飽和度，來(lái)模擬不同限產(chǎn)條件下氣藏不同初始含水飽和度對(duì)于近井地帶積液的影響，表2為出口微管直徑分別為20 μm、30 μm、40 μm和50 μm不同采氣速度條件下，不同初始含水飽和度對(duì)實(shí)驗(yàn)后儲(chǔ)層含水飽和度變化量的影響情況。

3.2.1 出口微管直徑20 μm下，不同初始含水飽和度的影響

根據(jù)圖4～6中出口微管直徑為20 μm實(shí)驗(yàn)后巖心含水飽和度曲線及表2所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)后含水飽和度變化數(shù)據(jù)，可以看出：當(dāng)初始含水飽和度小于臨界值51%時(shí)，直徑 2.5 cm巖心、直徑3.8 cm巖心和直徑10.5 cm巖心含水飽和度均降低，且初始含水飽和度越大，3.8 cm巖心和10.5 cm巖心減少量越明顯。這表明致密砂巖氣藏在該低速開(kāi)采下，地層初始含水飽和度小于51%時(shí)，地層水由遠(yuǎn)端向中部一直到近井地帶運(yùn)移，且攜液能力大于供液能力，近井地帶和地層中部區(qū)域地層水隨采出氣全部產(chǎn)出，地層不存在積液的問(wèn)題；當(dāng)初始含水飽和度大于51%時(shí)，氣體攜液能力開(kāi)始小于供液能力，導(dǎo)致近井地帶含水飽和度增大，近井地帶地層積液。

3.2.2 出口微管直徑30 μm下，不同初始含水飽和度的影響

將圖4～6中出口微管直徑為30 μm實(shí)驗(yàn)后巖心含水飽和度曲線和表2實(shí)驗(yàn)后含水飽和度變化值進(jìn)行分析，可以得到：該微管對(duì)應(yīng)的地層初始含水飽和度臨界值為49%，初始含水飽和度小于該值時(shí)，地層水隨采氣而全部產(chǎn)出；初始含水飽和度大于49%時(shí)，氣體攜液能力小于供液能力，中部區(qū)域和遠(yuǎn)端區(qū)域含水飽和度減少，近井地帶地層積液。當(dāng)初始含水飽和度大于56%時(shí)，受氣水兩相流阻力影響，積液范圍逐步向地層中部區(qū)域漫延，造成中部區(qū)域含水飽和度減少趨勢(shì)變?nèi)酰ǖ貙又胁坑形⑿》e液，但整體趨勢(shì)被抵消），最終導(dǎo)致近井地帶和中部區(qū)域含水飽和度變化量均有減小趨勢(shì)。

表2 不同直徑微管和初始含水飽和度下各巖心實(shí)驗(yàn)后含水飽和度變化數(shù)據(jù)表

3.2.3 出口微管直徑40 μm下，不同初始含水飽和度的影響

同上述綜合實(shí)驗(yàn)后巖心含水飽和度曲線及變化量可以得到：出口微管直徑40 μm的地層含水飽和度臨界值為41%，初始含水飽和度小于臨界值時(shí)，地層水隨采氣而全部產(chǎn)出；初始含水飽和度大于臨界值時(shí)，氣體攜液能力小于供液能力，近井地帶（2.5 cm巖心）、中部區(qū)域（3.8 cm巖心）含水飽和度增加，地層發(fā)生積液。當(dāng)初始含水飽和度大于50%時(shí)，近井地帶和中部區(qū)域積液速度減慢，部分積液隨采氣產(chǎn)出，但地層還處于積液狀態(tài)。

3.2.4 出口微管直徑50 μm下，不同初始含水飽和度的影響

同上述綜合實(shí)驗(yàn)后巖心含水飽和度曲線及變化量可以得到：出口微管直徑為50 μm的地層初始含水飽和度臨界值為40%，初始含水飽和度小于臨界值時(shí)，地層水隨采氣而全部產(chǎn)出；初始含水飽和度大于臨界值時(shí)，近井地帶和地層中部發(fā)生積液。當(dāng)初始含水飽和度超過(guò)46%時(shí)，積液速度減慢，部分積液隨采氣產(chǎn)出，但地層還處于積液狀態(tài)。

綜上所述，隨著采氣速度增加，近井地帶積液的臨界含水飽和度降低，同時(shí)積液范圍從近井地帶漫延至地層中部區(qū)域，即在相同初始含水飽和度時(shí)，氣井采氣速度越大，地層越容易積液。

3.3 初始含水飽和度和采氣速度對(duì)采收率的影響

在致密砂巖氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，近井地帶積液、氣井產(chǎn)水會(huì)嚴(yán)重影響采收率。在致密砂巖氣藏平面徑向滲流中，每個(gè)采氣速度都對(duì)應(yīng)一個(gè)臨界含水飽和度，當(dāng)?shù)貙映跏己柡投鹊陀谂R界值時(shí)，地層水會(huì)隨采氣全部排出，不會(huì)造成積液；當(dāng)?shù)貙映跏己柡投却笥谂R界值時(shí)，近井地帶將發(fā)生積液，隨著采氣速度的增大，積液產(chǎn)水更嚴(yán)重，采收率急劇下降。

圖7為不同微管直徑時(shí)，模擬儲(chǔ)層初始含水飽和度與采收率變化關(guān)系曲線。圖7表明初始含水飽和度越大，氣藏的采收率就越低。當(dāng)儲(chǔ)層原始含水飽和度大于55%時(shí)，遠(yuǎn)井地帶含水飽和度快速降低，氣井大量產(chǎn)水，造成采收率急劇下降；采氣速率越大，遠(yuǎn)井地帶地層水越容易向氣井運(yùn)移，供液能力也就越強(qiáng)，從而導(dǎo)致在近井地帶以及地層中部區(qū)域產(chǎn)生積液，造成采收率大幅下降。

圖7 不同微管直徑下模擬氣藏采收率變化曲線圖

4 氣井產(chǎn)水量數(shù)值計(jì)算

氣井產(chǎn)水是困擾著氣田開(kāi)發(fā)的一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題，氣井見(jiàn)水后，氣、水兩相流動(dòng)降低了氣相滲透率，直接導(dǎo)致了氣藏產(chǎn)能下降進(jìn)而影響氣藏的累產(chǎn)量[20]。筆者通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)明確含水飽和度變化規(guī)律，計(jì)算得到在不同含水飽和度和采氣速度下的氣井產(chǎn)水量圖版。

4.1 模擬氣井產(chǎn)水量計(jì)算

根據(jù)蘇里格致密砂巖氣藏井間干擾概率統(tǒng)計(jì)[21]，合理井網(wǎng)密度為3 口/km2，故氣藏遠(yuǎn)井地帶半徑（R3）為300 m，采氣油管管徑（R0）為0.04 m。由上述近井地帶和地層中部區(qū)域的外半徑公式（9）、公式（10）計(jì)算得到氣藏不同區(qū)域范圍是：近井地帶外半徑（R1）為42 m、中部區(qū)域半徑（R2）為78 m、遠(yuǎn)井區(qū)半徑（R3）為300 m（近井地帶半徑偏大的原因是考慮致密砂巖氣藏直井壓裂開(kāi)發(fā)裂縫的影響，將裂縫泄流能力等效于井筒周圍的徑向泄流，因此增加了2.5 cm巖心的長(zhǎng)度，達(dá)到模擬壓裂直井開(kāi)發(fā)的效果）。假定氣藏儲(chǔ)層厚度（R）為10 m時(shí)，結(jié)合各微管產(chǎn)氣流量，由公式（7）～（9）可以計(jì)算得到不同直徑微管的模擬速率，即：v20μm=2 621 m3/d、v30μm=6 173 m3/d、v40μm=12 287 m3/d、v50μm=15 108 m3/d。

根據(jù)模擬得到的儲(chǔ)層不同區(qū)域的含水飽和度變化值，可計(jì)算氣井的產(chǎn)水量（圖8）。產(chǎn)水量隨初始含水飽和度增加而增加，而且采氣速度越快，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)水量越大。由于未考慮致密砂巖氣藏中不同區(qū)域儲(chǔ)層非均質(zhì)性及其他生產(chǎn)因素的影響，理論計(jì)算獲得的氣井產(chǎn)水量可能存在一定的誤差，但研究成果對(duì)于認(rèn)識(shí)致密砂巖氣藏產(chǎn)水動(dòng)態(tài)和制定合理的排水采氣工藝措施仍具有較大的幫助。

圖8 不同采氣速率下的模擬氣藏產(chǎn)水量曲線圖

4.2 氣井產(chǎn)水實(shí)例分析

圖9 氣井W1累計(jì)產(chǎn)氣、水量曲線圖

圖10 氣井W1日產(chǎn)氣量曲線圖

蘇里格氣田致密砂巖氣藏的1口氣井W1，其儲(chǔ)層物性如下：儲(chǔ)層厚度為12 m，平均含水飽和度為45%，滲透率為0.01 mD，這與本文實(shí)驗(yàn)參數(shù)接近，其生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線如圖9、10所示，氣井平均日產(chǎn)氣量為1.12×104m3，累計(jì)產(chǎn)水量2 613.29 m3。根據(jù)氣井產(chǎn)水量圖版（圖8），可以得到氣井W1在日產(chǎn)氣量和初始含水飽和度45%條件下累計(jì)產(chǎn)水量理論值為2 928.74 m3，與實(shí)際累計(jì)產(chǎn)水量相比，相對(duì)誤差率為12.07%。由此可見(jiàn)，氣井累計(jì)產(chǎn)水量圖版預(yù)測(cè)結(jié)果與對(duì)應(yīng)氣井的累計(jì)產(chǎn)水量實(shí)際值具有較好的一致性，研究成果可以有效預(yù)測(cè)氣井產(chǎn)水量。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）根據(jù)致密砂巖氣藏直井壓裂的儲(chǔ)層滲流特征，提出了致密砂巖氣藏近井地帶含水飽和度變化與影響規(guī)律的物理模擬實(shí)驗(yàn)新方法。

2）對(duì)于低滲致密砂巖儲(chǔ)層，不同采氣速度都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)臨界含水飽和度，氣藏初始含水飽和度低于該臨界值，地層水能夠全部隨采氣產(chǎn)出；如果高于臨界值，氣體攜液能力小于供液能力，近進(jìn)地帶發(fā)生積液。隨采氣速度增加，該臨界含水飽和度逐漸降低，即在相同初始含水飽和度時(shí)，氣井采氣速度越大，越容易導(dǎo)致近井地帶積液。

3）通過(guò)對(duì)物模實(shí)驗(yàn)和氣井生產(chǎn)開(kāi)發(fā)相似性論證，計(jì)算得到致密砂巖儲(chǔ)層近井地帶、中部區(qū)域和遠(yuǎn)井地帶的區(qū)域范圍值以及不同采氣速度下的氣井產(chǎn)水曲線。同一含水飽和度下，采氣速率越大，產(chǎn)水越嚴(yán)重，采收率越低。對(duì)于致密砂巖氣藏，應(yīng)確定合理的采氣速度，達(dá)到有效控制近井地帶積液的目的，從而提高氣藏采收率。

4）計(jì)算得到的氣井累計(jì)產(chǎn)水量圖版與對(duì)應(yīng)氣井的產(chǎn)水動(dòng)態(tài)具有較好的一致性，證明該研究成果可以有效預(yù)測(cè)氣井產(chǎn)水量，對(duì)于氣井采取合理的治水措施具有指導(dǎo)作用。

符 號(hào) 說(shuō) 明

R0表示采氣油管半徑，m；R1表示近井地帶外半徑，m；R2表示地層中部區(qū)域外半徑，m；R3表示遠(yuǎn)井地帶外半徑，m；Rn－1表示區(qū)域n－1滲流地帶外半徑，m；Rn表示區(qū)域n滲流地帶外半徑，m；Rw表示氣井半徑，m；r1表示巖心1的半徑，m；r2表示巖心2的半徑，m；rn表示巖心n的半徑，m；re表示外邊界半徑，m；rw表示井壁半徑，m；L1表示巖心1的長(zhǎng)度，m；L2表示巖心2的長(zhǎng)度，m；L3表示巖心3的長(zhǎng)度，m；Ln表示巖心n的長(zhǎng)度，m；D1表示巖心1的直徑，m；D2表示巖心2的直徑，m；D3表示巖心3的直徑，m；p1表示巖心1的壓力，MPa；p2表示巖心2的壓力，MPa；pn－1表示巖心n－1的壓力，MPa；pe表示外邊界處壓力，MPa；pw表示井壁處壓力，MPa；V近表示近井地帶孔隙體積，m3；V中表示地層中部區(qū)域孔隙體積，m3；V遠(yuǎn)表示遠(yuǎn)井地帶孔隙體積，m3；V地表示氣井徑向流區(qū)域地層孔隙體積，m3；V近扇表示近井地帶扇形體孔隙體積，m3；V中扇表示地層中部區(qū)域扇形體孔隙體積，m3；V遠(yuǎn)扇表示遠(yuǎn)井地帶扇形體孔隙體積，m3；V地扇表示氣井徑向流區(qū)域扇形體孔隙體積，m3；V2.5表示直徑2.5 cm巖心的孔隙體積，m3；V3.8表示直徑3.8 cm巖心的孔隙體積，m3；V10.5表示直徑10.5 cm巖心的孔隙體積，m3；Q微表示微管衰竭實(shí)驗(yàn)開(kāi)始產(chǎn)氣速率，m3/d；Q20表示微管20 μm下衰竭實(shí)驗(yàn)開(kāi)始產(chǎn)氣速率，m3/d；Q30表示微管30 μm下衰竭實(shí)驗(yàn)開(kāi)始產(chǎn)氣速率，m3/d；Q40表示微管40 μm下衰竭實(shí)驗(yàn)開(kāi)始產(chǎn)氣速率，m3/d；vi表示氣藏產(chǎn)氣速率，m3/d；v20μm表示出口微管20 μm下模擬氣藏產(chǎn)氣速率，m3/d；v30μm表示出口微管30 μm下模擬氣藏產(chǎn)氣速率，m3/d；v40μm表示出口微管40 μm下模擬氣藏產(chǎn)氣速率，m3/d；v50μm表示出口微管50 μm下模擬氣藏產(chǎn)氣速率，m3/d；S巖表示實(shí)驗(yàn)出口巖心滲流截面積，m2；φ2.5表示直徑2.5 cm巖心孔隙度；S滲表示氣藏滲流面積，m2；φ近表示近井地帶孔隙度；h氣表示氣藏厚度，m。

[ 1 ] Hughes JD. Energy: A reality check on the shale revolution[J].Nature, 2013, 494(7437): 307-308.

[ 2 ] 鄒才能, 張光亞, 陶士振, 胡素云, 李小地, 李建忠, 等. 全球油氣勘探領(lǐng)域地質(zhì)特征、重大發(fā)現(xiàn)及非常規(guī)石油地質(zhì)[J]. 石油勘探與開(kāi)發(fā), 2010, 37(2): 129-145.Zou Caineng, Zhang Guangya, Tao Shizhen, Hu Suyun, Li Xiaodi, Li Jianzhong, et al. Geological features, major discoveries and unconventional petroleum geology in the global petroleum exploration[J]. Petroleum Exploration and Development, 2010, 37(2):129-145.

[ 3 ] 趙文智, 王紅軍, 徐春春, 卞從勝, 汪澤成, 高曉輝. 川中地區(qū)須家河組天然氣藏大范圍成藏機(jī)理與富集條件[J]. 石油勘探與開(kāi)發(fā), 2010, 37(2): 146-157.Zhao Wenzhi, Wang Hongjun, Xu Chunchun, Bian Congsheng,Wang Zecheng & Gao Xiaohui. Reservoir-forming mechanism and enrichment conditions of the extensive Xujiahe Formation gas reservoirs, central Sichuan Basin[J]. Petroleum Exploration and Development, 2010, 37(2): 146-157.

[ 4 ] 趙文智, 卞從勝, 徐春春, 王紅軍, 王銅山, 施振生. 四川盆地須家河組須一、三和五段天然氣源內(nèi)成藏潛力與有利區(qū)評(píng)價(jià)[J]. 石油勘探與開(kāi)發(fā), 2011, 38(4): 385-393.Zhao Wenzhi, Bian Congsheng, Xu Chunchun, Wang Hongjun,Wang Tongshan & Shi Zhensheng. Assessment on gas accumulation potential and favorable plays within the Xu-1, 3 and 5 Members of Xujiahe Formation in Sichuan Basin[J]. Petroleum Exploration and Development, 2011, 38(4): 385-393.

[ 5 ] 康玉柱. 中國(guó)致密巖油氣資源潛力及勘探方向[J]. 天然氣工業(yè), 2016, 36(10): 10-18.Kang Yuzhu. Resource potential of tight sand oil & gas and exploration orientation in China[J]. Natural Gas Industry, 2016,36(10): 10-18.

[ 6 ] 李進(jìn)步, 付斌, 趙忠軍, 馬志欣, 朱亞軍, 吳小寧. 蘇里格氣田致密砂巖氣藏儲(chǔ)層表征技術(shù)及其發(fā)展展望[J]. 天然氣工業(yè),2015, 35(12): 35-41.Li Jinbu, Fu Bin, Zhao Zhongjun, Ma Zhixin, Zhu Yajun & Wu Xiaoning. Characterization technology for tight sandstone gas reservoirs in the Sulige Gas Field, Ordos Basin, and its development prospect[J]. Natural Gas Industry, 2015, 35(12): 35-41.

[ 7 ] 譚中國(guó), 盧濤, 劉艷俠, 武力超, 楊勇. 蘇里格氣田“十三五”期間提高采收率技術(shù)思路[J]. 天然氣工業(yè), 2016, 36(3): 30-40.Tan Zhongguo, Lu Tao, Liu Yanxia, Wu Lichao & Yang Yong.Technical ideas of recovery enhancement in the Sulige Gas Field during the 13thFive-Year Plan[J]. Natural Gas Industry, 2016,36(3): 30-40.

[ 8 ] 馬新華, 賈愛(ài)林, 譚健, 何東博. 中國(guó)致密砂巖氣開(kāi)發(fā)工程技術(shù)與實(shí)踐[J]. 石油勘探與開(kāi)發(fā), 2012, 39(5): 572-579.Ma Xinhua, Jia Ailin, Tan Jian & He Dongbo. Tight sand gas development technologies and practices in China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2012, 39(5): 572-579.

[ 9 ] 支鑫, 熊偉, 高樹生, 葉禮友, 李奇, Wang Qingkui. 蘇里格致密砂巖氣藏可動(dòng)水飽和度分布[J]. 大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā),2015, 34(2): 86-89.Zhi Xin, Xiong Wei, Gao Shusheng, Ye Liyou, Li Qi & Wang Qingkui. Distribution of the movable water saturation in Sulige tight gas reservoirs[J]. Petroleum Geology and Oilf i eld Development in Daqing, 2015, 34(2): 86-89.

[10] 李奇. 致密砂巖氣藏采收率影響機(jī)理研究[D]. 廊坊: 中國(guó)科學(xué)院研究生院(滲流流體力學(xué)研究所), 2015.Li Qi. Study on inf l uence mechanism of recovery in tight sandstone gas reservoir[D]. Langfang: Graduate Unirersity of Chinese Academy of Sciences (Institute of Porous Flow and Fluid Mechanics), 2015.

[11] 孫恩慧, 李曉平, 王偉東. 低滲透氣藏氣水兩相流井產(chǎn)能分析方法研究[J]. 巖性油氣藏, 2012, 24(6): 121-124.Sun Enhui, Li Xiaoping & Wang Weidong. Productivity analysis method of water and gas two-phase fl ow well in low permeability gas reservoirs[J]. Lithologic Reservoirs, 2012, 24(6): 121-124.

[12] 楊勇, 黃有根, 馮炎松, 劉斌, 雷卞軍. 致密砂巖填隙物特征及其對(duì)儲(chǔ)層的影響[J]. 西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015, 37(5): 1-8.Yang Yong, Huang Yougen, Feng Yansong, Liu Bin & Lei Bianjun. Characteristics of interstitial material in tight sandstone and its eあects on reservoir[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 2015, 37(5): 1-8.

[13] 張忠義, 陳世加, 姚涇利, 劉鑫, 趙應(yīng)權(quán). 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段致密儲(chǔ)層微觀特征研究[J]. 西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 38(6): 70-80.Zhang Zhongyi, Chen Shijia, Yao Jingli, Liu Xin & Zhao Yingquan. A study on microscopic pore characteristics of tight reservoir of Chang 7 sedimentation section of Yanchang Formation, Ordos Basin[J]. Journal of Southwest Petroleum University(Science & Technology Edition), 2016, 38(6): 70-80.

[14] 楊滿平, 李允, 彭彩珍. 氣藏儲(chǔ)層含束縛水的應(yīng)力敏感性分析[J]. 天然氣地球科學(xué), 2004, 15(4): 391-394.Yang Manping, Li Yun & Peng Caizhen. Analysis of stress sensitivity for irreducible water of gas reservoir[J]. Natural Gas Geoscience, 2004, 15(4): 391-394.

[15] 盛軍, 孫衛(wèi), 段寶虹, 劉艷妮, 張弢, 曹雷. 致密砂巖氣藏水鎖效應(yīng)機(jī)理探析——以蘇里格氣田東南區(qū)上古生界盒8段儲(chǔ)層為例[J]. 天然氣地球科學(xué), 2015, 26(10): 1972-1978.Sheng Jun, Sun Wei, Duan Baohong, Liu Yanni, Zhang Tao &Cao Lei. Water lock eあect mechanism of tight sandstone gas reservoir: An example of the He 8 reservoir of the Upper Paleozoic in the southeast region of Sulige Gas Field[J]. Natural Gas Geoscience, 2015, 26(10): 1972-1978.

[16] 胡勇, 李熙喆, 盧祥國(guó), 陸家亮, 徐軒, 焦春艷, 等. 砂巖氣藏衰竭開(kāi)采過(guò)程中含水飽和度變化規(guī)律[J]. 石油勘探與開(kāi)發(fā),2014, 41(6): 723-726.Hu Yong, Li Xizhe, Lu Xiangguo, Lu Jialiang, Xu Xuan, Jiao Chunyan, et al. Varying law of water saturation in the depletion-drive development of sandstone gas reservoirs[J]. Petroleum Exploration and Development, 2014, 41(6): 723-726.

[17] Xu P, Yu BM. Developing a new form of permeability and Kozeny–Carman constant for homogeneous porous media by means of fractal geometry[J]. Advances in Water Resources,2008, 31(1): 74-81.

[18] 張金良, 吳曉東, 龍小平, 劉軍, 任保瑞. 定向井中油管柱優(yōu)化與強(qiáng)度計(jì)算校核[J]. 天然氣工業(yè), 2005, 25(3): 67-70.Zhang Jinliang, Wu Xiaodong, Long Xiaoping, Liu Jun & Ren Baorui. Optimal design and strength calculation and check-up of tubing string in directional hole[J]. Natural Gas Industry, 2005,25(3): 67-70.

[19] 常進(jìn), 高樹生, 胡志明, 薛慧. 高壓氣體微管流動(dòng)機(jī)理[J]. 石油學(xué)報(bào), 2015, 36(12): 1559-1563.Chang Jin, Gao Shusheng, Hu Zhiming & Xue Hui. Flow mechanism of high pressure gas in micro-tubes[J]. Acta Petrolei Sinica,2015, 36(12): 1559-1563.

[20] 王洋. 大牛地氣田致密砂巖氣藏特殊井試井解釋研究與應(yīng)用[D]. 成都: 成都理工大學(xué), 2011.Wang Yang. Research and application of well test interpretation in Daniudi Gas Field compact sandstone gas reservoir[D]. Chengdu: Chengdu University of Technology, 2011.

[21] 何東博, 賈愛(ài)林, 冀光, 位云生, 唐海發(fā). 蘇里格大型致密砂巖氣田開(kāi)發(fā)井型井網(wǎng)技術(shù)[J]. 石油勘探與開(kāi)發(fā), 2013, 40(1):79-89.He Dongbo, Jia Ailin, Ji Guang, Wei Yunsheng & Tang Haifa.Well type and pattern optimization technology for large scale tight sand gas, Sulige Gas Field[J]. Petroleum Exploration and Development, 2013, 40(1): 79-89.