多層疏松砂巖氣藏水平井出水機理及防控對策
——以柴達木盆地臺南氣田為例

2019-09-02 07:51:18顧端陽連運曉劉國良韓生梅馬元琨張勇年

天然氣工業(yè) 2019年5期

楊云顧端陽連運曉劉國良韓生梅常琳馬元琨張勇年

1.中國石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院 2.中國石油青海油田公司采氣一廠

0 引言

相對于直井來說，水平井具有采氣指數(shù)高、生產(chǎn)壓差小且無水采氣期長等優(yōu)勢，但水平井的生產(chǎn)也暴露出一些問題。由于水平井與地下流體接觸面積大，鉆遇水層的概率增大，導致水平井投產(chǎn)即見水；隨著氣藏開發(fā)的延續(xù)，水平井在投產(chǎn)一段時間后，出現(xiàn)了水氣比迅速上升、產(chǎn)氣量急劇下降的情況，嚴重影響了水平井的開發(fā)效果。柴達木盆地臺南氣田于2007年正式投入生產(chǎn)，2009—2017年水平井的年總產(chǎn)氣量占氣田年產(chǎn)氣量的50%左右，目前氣田已進入氣水同產(chǎn)階段，水平井出水已成為了影響該氣田穩(wěn)產(chǎn)的主要因素。由于疏松砂巖氣藏地質(zhì)條件特殊，在同一開發(fā)層組內(nèi)井與井之間及同井的不同開采階段，出水來源都會存在差異且水源類型還會轉(zhuǎn)化[1]，導致水平井出水的機理復(fù)雜。為此，筆者首先基于核磁共振測井解釋技術(shù)，對儲層束縛水飽和度分布特征進行研究，并結(jié)合臺南氣田水平井投產(chǎn)初期的生產(chǎn)情況，確定投產(chǎn)即產(chǎn)出層內(nèi)水的水平井水平段鉆遇儲層的特征參數(shù)；然后，開展巖心氣驅(qū)水實驗對影響束縛水產(chǎn)出的因素進行研究；開展隔夾層擊穿實驗，對影響隔夾層封隔能力的因素進行研究；采用數(shù)值模擬技術(shù)研究水平井在不同日產(chǎn)氣量下，水平段長度對井底壓力的影響；最后，針對水平井出水提出防控對策，以期為該氣田的合理、高效開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 出水機理

目前臺南氣田水平井的出水來源主要有以下3種類型：①層內(nèi)水：由于成藏動力及壓實作用弱在儲層內(nèi)部賦存的可動水或大量束縛水[2]；②層間水：在生產(chǎn)中后期由于縱向壓差突破某臨界值而產(chǎn)生的層間水竄、隔夾層水突破以及固井質(zhì)量引起的管外竄；③邊水：氣層壓力衰竭或高滲條帶的存在導致邊水沿滲流優(yōu)勢通道侵入[3]。

1.1 層內(nèi)水

1.1.1 目的層含水飽和度分布

1.1.1.1 束縛水飽和度

在儲層孔隙中含有泥質(zhì)束縛水、毛細管束縛水以及可動水[4]，為層內(nèi)水的出水來源，利用核磁共振測井解釋技術(shù)[5]確定工區(qū)內(nèi)橫向弛豫時間（T2）截止值，解釋得到束縛水飽和度、孔隙度及泥質(zhì)含量，并建立這三者的經(jīng)驗關(guān)系式，用于預(yù)測束縛水飽和度的平面分布情況。

泥質(zhì)束縛水主要吸附在黏土顆粒表面并形成水膜，其在巖石孔隙中所占比例與黏土含量密切相關(guān),而毛細管束縛水主要存在于粉砂質(zhì)顆粒間的狹小空間中，與巖石顆粒的粒度中值密切相關(guān)，此次采用二元回歸分析方法求解束縛水飽和度與泥質(zhì)含量、孔隙度的經(jīng)驗關(guān)系式。首先，對影響束縛水飽和度的泥質(zhì)含量和孔隙度進行因子分析，得到各因子對束縛水飽和度的影響程度，如圖1所示，泥質(zhì)含量越高，孔隙度越小，束縛水飽和度越高；然后，使用EXCEL 軟件進行分析、回歸，得到式（1），R2= 0.873 1。

式中Swc表示束縛水飽和度；Vsh表示泥質(zhì)含量；φ表示孔隙度。

1.1.1.2 可動水飽和度

儲層孔隙空間為天然氣、可動水和束縛水3個部分所飽和，其中束縛水飽和度的大小取決于儲層的巖性、物性和潤濕性，純水層不含天然氣，純氣層不含可動水，氣水層則含有一定量的可動水和天然氣。

圖1 束縛水飽和度與泥質(zhì)含量、孔隙度關(guān)系曲線圖

可動水飽和度（Swm）的計算式為：

式中Sg表示含氣飽和度。

臺南氣田水平井鉆遇砂體的束縛水飽和度介于22.77%～44.26%，可動水飽和度低于24.56%，在部分砂體中水體較為發(fā)育。

1.1.2 生產(chǎn)初期可動水的采出

受井身結(jié)構(gòu)的影響，水平井攜液能力僅為直井的1/3～1/2[6]。對于水平井而言，即使產(chǎn)氣量高于臨界攜液流量，即液體以液滴形式能夠被高速氣流夾帶著沿水平井筒流動，但由于井筒內(nèi)液膜受到重力的影響將沿著管壁流動，并聚集于水平段底部而形成積液[7-9]，從而對水平井的生產(chǎn)造成不良影響。水平井多部署在中高部位，對單砂體進行開采，為判斷水平井是否采出層內(nèi)水，及時開展排水采氣措施，研究儲層原始氣/水飽和度的分布對于判斷水平井投產(chǎn)初期是否產(chǎn)出層內(nèi)水十分重要。

統(tǒng)計臺南氣田59口水平井投產(chǎn)初期的生產(chǎn)情況，其中產(chǎn)水井有27口，占比為45.8%，儲層中水體較為發(fā)育。結(jié)合氣水分布特征，繪制出氣井水平段鉆遇儲層的可動水飽和度、含氣飽和度和投產(chǎn)后的前3個月日產(chǎn)水量的關(guān)系圖版，如圖2所示，平均日產(chǎn)水量大于1 m3的水平井，其水平段鉆遇儲層的可動水飽和度主要處于大于7.2%的區(qū)間，含氣飽和度主要處于小于63.5%的區(qū)間。可動水雖然在氣井投產(chǎn)初期即產(chǎn)出，但產(chǎn)水量較小，最大值為6.07 m3/d，平均值為1.85 m3/d。準確判斷水平井出水來源并及時排出水平段中存在的積液，是保證水平井高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的有效手段[10-11]。

如表1所示，臺H1-1井與臺H1-2井射孔層位、投產(chǎn)時間與工作制度均相同，但臺H1-2井在投產(chǎn)后第1周即產(chǎn)層內(nèi)水，原因在于該井水平段鉆遇儲層的可動水飽和度高達13.0%，位于圖2中可動水飽和度的高值區(qū)間。同樣可動水飽和度較高的臺H1-3、臺H1-13井也在投產(chǎn)后第1周出現(xiàn)產(chǎn)水現(xiàn)象。

圖2 水平井平均日產(chǎn)水量、水平段鉆遇儲層的可動水、含氣飽和度關(guān)系圖版

1.1.3 束縛水的轉(zhuǎn)化

通過對臺試 5 井 1 345.98 ～ 1 346.34 m 井段的巖心開展氣驅(qū)水實驗，結(jié)果顯示，巖心束縛水飽和度較高，達52%左右，儲層表現(xiàn)出強親水性；層內(nèi)水流動時大孔隙中可動水首先采出，小孔隙中部分束縛水在較大驅(qū)替壓差下開始流動（圖3）。

1.1.3.1 不同圍壓下束縛水的流動

如表2所示，在驅(qū)替壓力一定的條件下，圍壓不同巖心中殘余水量則不同，圍壓增大可使部分束縛水轉(zhuǎn)化為可動水。在生產(chǎn)過程中，隨地層壓力下降，儲層孔隙內(nèi)氣、水發(fā)生膨脹，同時由于巖石骨架受到的有效應(yīng)力增大，使得巖石孔隙體積縮小，當驅(qū)替壓差超過某值后部分束縛水開始流動[12-13]。因此，成藏時在小孔隙中未被驅(qū)替出的束縛水隨地層壓力下降可以轉(zhuǎn)化為可動水而被采出[14]。

表1 臺南氣田部分水平井生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖3 氣驅(qū)水實驗出水速度變化曲線圖

1.1.3.2 不同巖性巖心中束縛水的流動

對飽合水以后的巖心進行氣驅(qū)水實驗，增大驅(qū)替壓力（最大為5.0 MPa）直到驅(qū)不出水為止，通過稱重求得從巖樣中驅(qū)替出的水量，計算巖樣的束縛水飽和度。前文已提及，研究工區(qū)內(nèi)的束縛水除了泥質(zhì)粉砂巖孔隙中的毛細管束縛水以外，還有部分存在于黏土中的泥質(zhì)束縛水，如表3所示，氣驅(qū)后測得的泥巖束縛水飽和度大于未飽和水前巖心的束縛水飽和度。與砂巖相比，泥巖孔隙中毛細管力更高，親水性更強，即使增大圍壓，在泥巖中仍會有束縛水附著在黏土顆粒表面難以被采出[15-16]。可以看出，泥質(zhì)含量越低、滲透率越高、生產(chǎn)壓差越大則越有利于束縛水的采出，若儲層平面非均質(zhì)性較強，隨生產(chǎn)的持續(xù)進行，束縛水的采出也是一個持續(xù)的過程。

表2 臺5-7井巖心在不同圍壓下氣驅(qū)水實驗的殘余水體積統(tǒng)計表

表 3 臺5-7井巖樣飽和水前、后的束縛水飽和度統(tǒng)計表

1.2 層間水

1.2.1 隔夾層出水

臺南氣田隔夾層泥質(zhì)含量高、物性差，但仍具有一定的滲透性能，且局部還發(fā)育有微裂縫，同時賦存有一定量的天然氣（含氣飽和度約10%）[17]。隨著氣井延續(xù)生產(chǎn)，地層壓力不斷下降，隔夾層與氣層的層間壓差增大，部分隔夾層中地層水將流入氣層，導致氣井產(chǎn)水。同時，由于臺南氣田薄互層發(fā)育及水平井地質(zhì)導向技術(shù)的限制，在水平井鉆井過程中水平段軌跡會出現(xiàn)一定偏差而鉆遇含有地層水且具有一定滲透性的隔夾層，加上水平井完井方式多為篩管完井，導致水平井易采出地層水。

1.2.2 層間突破的影響因素

1.2.2.1 垂向滲透率

垂向滲透率的大小是隔夾層封隔性好壞的直接體現(xiàn)和重要指標。由于臺南氣田的隔夾層本身具有一定的滲透性，且含有地層水，當隔夾層和氣層的層間壓差導致層間壓力突破時，隔夾層中的地層水將進入氣層。

通過開展臺5-13、臺6-28井20塊巖樣的隔夾層擊穿實驗，發(fā)現(xiàn)突破壓力（實驗時逐漸增大驅(qū)替壓力，直到開始驅(qū)替出巖樣中飽和的液體，此時的驅(qū)替壓力即為突破壓力）與巖性并沒有明顯的相關(guān)性。表4中臺6-28井的48、53號巖樣，同屬于3-2-1砂層與3-2-2砂層間的隔夾層，兩塊巖樣巖性均為灰褐色粉砂巖，孔隙度接近，垂向滲透率分別為0.21 mD、 0.59 mD，對應(yīng)突破壓力分別為 9.6 MPa、2.9 MPa。可以看出，同一隔夾層內(nèi)不同位置的滲透性亦存在差異，對應(yīng)突破壓力亦不同，且滲透率越大，突破壓力越小。

1.2.2.2 泥質(zhì)含量

由于臺南氣田大量的隔夾層為物性較差的砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)砂巖，為了研究泥質(zhì)含量對隔夾層的影響，巖心實驗樣品取自臺5-13井鉆遇的較純泥巖段，取來的新鮮巖樣已具有較高含水飽和度（大于90%），開展擊穿實驗后，將巖樣烘干，測試常規(guī)孔隙度和滲透率，然后再將巖樣抽空并飽和地層水（或煤油），重復(fù)上述實驗再次測定突破壓力。

如表5所示，泥質(zhì)含量越高、滲透率越低，水流動所要求的突破壓力越高；泥質(zhì)含量大于90%的Ⅰ類泥巖，突破壓力約為4 MPa；泥質(zhì)含量介于80%～90%的Ⅱ類泥巖，突破壓力約為2 MPa；泥質(zhì)含量介于60%～80%的Ⅲ類泥巖，突破壓力約為1.5 MPa。并且，同一塊巖樣在飽和地層水之后，突破壓力變低，即隔夾層含水飽和度越大，突破壓力越低。

1.2.2.3 隔夾層厚度

隔夾層可起到隔擋水層的作用，因此對隔夾層的厚度、規(guī)模進行研究十分必要。受沉積環(huán)境的影響，15個小層中均有隔夾層發(fā)育，且厚度較薄，介于0.88～1.74 m，平均為1.31 m，孔隙度平均為26.94%，水平滲透率平均為10.82 mD。在小層內(nèi)部，隔夾層的封隔能力有限，且在平面上分布不穩(wěn)定，厚度差異較大。如圖4所示，2-17小層的隔夾層厚度分布不穩(wěn)定，腰部位置的部分區(qū)域厚度超過1.5 m，而部分高部位區(qū)域厚度小于0.6 m，小層間有連通的可能。

表4 臺5-13、臺6-28井巖樣隔夾層擊穿實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表5 臺5-13井巖樣泥巖擊穿實驗數(shù)據(jù)表

圖4 2-17小層的隔夾層厚度展布圖

總體來說，垂向滲透率越小、泥質(zhì)含量越高、含水飽和度越低、厚度越大，所需要的層間突破壓力越高，隔夾層封隔能力越強。在氣井的生產(chǎn)過程中，直井井底附近的壓降漏斗呈對數(shù)分布，而水平井水平段附近的壓降呈線性分布，直井較水平井更易發(fā)生層竄，所以直井部署的位置要求儲層物性需更好。

在邊水氣藏開發(fā)的中后期，在儲量未動用的區(qū)域部署水平井進行開采，部署井位時需考慮目標砂體相鄰的隔夾層的物性參數(shù)，并適當調(diào)整采速、及時開展排水采氣措施[18-19]，最大程度地防止層竄的發(fā)生，降低層間水采出的風險。

1.3 邊水

氣藏投入開發(fā)后，邊水與氣區(qū)之間會形成壓差，在此壓差驅(qū)動下，邊水沿著滲流通道侵入到井底而產(chǎn)出。由于臺南氣田的含氣面積由巖性邊界和構(gòu)造邊界共同圈定出，邊水侵入具有一定的區(qū)域性和方位性。邊水能量、氣水過渡帶與氣井的距離、儲層的平面非均質(zhì)性及水平井井眼軌跡等因素都將使得氣井的產(chǎn)水動態(tài)存在差異。

統(tǒng)計臺南氣田各井的測井解釋滲透率，利用變異系數(shù)、突進系數(shù)和滲透率級差來評價水平井目的層的平面非均質(zhì)性，結(jié)果顯示砂體滲透性在平面上表現(xiàn)為中等非均質(zhì)性。通過疏松砂巖巖心的氣水微觀驅(qū)替實驗，可見水首先沿著高滲通道流動，然后逐步向周圍低滲區(qū)域擴散。臺南氣田水平井多部署在物性較好的Ⅰ類砂體，且多采用篩管完井，產(chǎn)層暴露面積大，溝通高滲通道的幾率增大，邊水更容易侵入水平井。同時，水平井產(chǎn)氣量越高，井底壓力越低，氣層與水層之間的壓差越大，水推進的速度越快[20]，邊水越易侵入。

針對臺南氣田儲層特征，采用數(shù)值模擬手段，建立水平井流動模型，研究水平段長度、產(chǎn)氣量對井底壓力的影響。如圖5所示，相同日產(chǎn)氣量下直井（水平段長度為0 m時）的井底壓力總是低于水平井的井底壓力，且水平段越短，井底壓力越低，水侵越易發(fā)生。因此，在相同產(chǎn)氣量條件下氣井采用長水平段可以延緩邊水的入侵[21]。

圖5 不同日產(chǎn)氣量下水平段長度與井底壓力關(guān)系曲線圖

2 水平井防水、控水對策

結(jié)合前述研究，水平井應(yīng)部署在隔夾層封隔能力較強、可動水飽和度小于7.2%的Ⅰ類砂體上，鉆井過程中實時跟蹤井眼軌跡，提高優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率，且加強固井質(zhì)量的監(jiān)測。針對已投產(chǎn)的水平井，以動態(tài)監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，結(jié)合出水來源的不同，提出水平井的防水、控水措施，如表6所示。