復雜氣藏型儲氣庫先導試驗方案設計方法

胥洪成 朱衛平 李 彬 李國韜鄭得文 王皆明 宋麗娜 趙 凱 裴 根

1.中國石油勘探開發研究院 2.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3.中國石油吐哈油田公司勘探開發研究院 4.中國石油勘探與生產分公司 5.中國石油集團工程技術研究院有限公司

0 引言

中國石油天然氣集團有限公司（以下簡稱中石油）地下儲氣庫（以下簡稱儲氣庫）建設起步較晚，從20世紀末第一座商業化儲氣庫大張坨投運開始，距今不過20年；與國外儲氣庫百年發展歷史相比，總體上仍處于初級階段[1-3]。中石油目前擁有現役儲氣庫群10座，設計庫容量合計為392h108m3，工作氣量合計為173h108m3；截至2019—2020年注采周期，預計庫存量為367h108m3，達容率為93.6%，調峰能力為103h108m3，達產率為59.5%。綜上不難發現，其庫容量已接近設計指標，但工作氣量卻不到方案設計指標的60%。通過分析認為盡管國內儲氣庫自身條件復雜是無法回避的原因之一，但短期高速注采、有效儲集空間、低壓儲層保護等對庫容參數、注采井網、儲層傷害的認識不清，也是影響儲氣庫達產的重要因素[4-7]。國外儲氣庫以海相沉積為主，埋藏淺、構造簡單、儲層物性為高孔隙度和高滲透率，而我國氣藏受多期構造運動與陸相沉積環境影響，整體上構造破碎、埋藏深、儲層物性為低孔隙度及低滲透率、非均質性強[8]。盡管國外儲氣庫的建庫條件明顯好于國內，但他們仍然非常重視先導試驗，對制約建庫方案的關鍵參數進行現場檢測，以確保資料和指標的可靠性。

目前，中石油已開始重視儲氣庫先導試驗，包括先導試驗方案設計、現場實施以及效果評價。尤其對地質條件復雜、制約儲氣庫關鍵指標設計的瓶頸問題認識不清的復雜氣藏改建的儲氣庫，在預可研方案通過審查立項后，均要開展先導試驗，為建庫地質氣藏工程和鉆采工程可研方案精細科學論證提供重要的依據。為此，筆者以近年來中石油新建庫和評價庫為對象，建立了復雜氣藏型儲氣庫先導試驗方案設計方法，以期對建庫地質方案和井工程設計提供有效的支撐。

1 基本概念

參照氣藏開發先導試驗定義，涵蓋試驗依據、試驗目的、實施節點、試驗內容等方面基本內涵，首次提出了儲氣庫先導試驗的基本概念。即指在正式編制可研方案前，優選地質條件具有代表性的試驗區，按儲氣庫基本思想進行先期實施，主要開展短期高強度礦場注采試驗、生產測試、鉆完井工藝驗證，重點解決密封性、有效空間、注采能力、復雜老井封堵及低壓儲層鉆完井工藝等關鍵技術瓶頸難題，用以指導儲氣庫科學設計和高效建設。

從目前經驗來看，在建庫預可研方案設計時，針對地質氣藏工程和井工程兩大方面設計存在的建庫風險，梳理與地質和工程相關的核心技術瓶頸問題，在盡量利用已有設施基礎上，部署一定數量井（組），開展短期現場注采和井工程試驗，補充或新增錄取生產、測試及施工資料，開展試驗效果專題評價，為優化指標、提升經濟效益、降低風險提供重要依據。

2 試驗目的

儲氣庫先導試驗目的主要是解決建庫方案設計面臨的地質和工藝瓶頸難題。由于氣藏基本地質條件、氣井產能、壓力衰竭程度、建庫時地層流體分布、圈閉動態密封性、鉆完井難易程度等不盡相同。因此，試驗目的要有針對性和差異性，突出解決制約建庫的關鍵難題。主要包括圈閉密封性驗證、有效建庫空間定量評價、短期高速注采氣能力核實、老井封堵工藝適應性評價、低壓儲層建井工藝適應性驗證等5個方面。

2.1 圈閉密封性驗證

一般情形下，構造完整的氣藏建庫，如果上限運行壓力不突破原始地層壓力，圈閉密封性基本可靠。但國內氣藏地質條件復雜，主要以斷塊切割復雜化氣藏或氣頂油藏為主，蓋層、斷層等密封性可能存在一定風險，有必要開展干擾試井、示蹤劑測試等進一步驗證。另外，為了評價儲氣庫多周期往復注采安全性、提高上限壓力運行可行性，需加強地應力研究，包括蓋層、儲層的地應力測試，建立儲氣庫地質體三維地應力模型，模擬預測不同運行工況下地應力場[9]及其變化，研究圈閉密封有效的臨界條件，為評價建庫可行性和設計上限運行壓力提供依據[10]。

2.2 有效建庫空間定量評價

對于氣藏開發動靜態及測試資料不完備的情形，給建庫有效空間評價帶來較大難度。為此，應梳理氣藏資料現狀，有針對性開展氣藏關井測壓、探邊測試確定流體或巖性邊界、生產剖面測試落實分層產量貢獻、氣液界面測試和流體取樣化驗等分析轉庫始點地層流體分布、補充交變應力下巖心實驗和流體PVT相態測試等資料，全面分析影響建庫空間主控因素[11-19]，建立有效空間預測數學模型，評價不同條件下氣藏建庫的有效含氣孔隙空間。

2.3 短期高速注采氣能力核實

氣藏開發一般有氣井產能測試資料，可分析預測儲氣庫采氣能力，注氣能力測試或者對于部分氣頂油藏建庫時缺乏氣井產能測試資料，在先導試驗階段非常有必要進行注氣和采氣能力測試，包括開展一定時間的注氣、采氣生產以及注采過程中進行產能測試，壓力恢復（降落）試井，以及臨界出砂壓差試驗等，評價高速注采滲流條件下氣井井控的半徑、儲量及物性等參數，重新建立儲氣庫不同井型的注氣和采氣產能方程，確定不同條件下氣井的合理注采氣量、注采井網密度，為儲氣庫井數、井型及井網部署優化提供重要的依據[20-25]。

2.4 老井封堵工藝適應性評價

經檢測評價，井筒質量滿足工況要求的老井可作為監測井或采氣井使用，降低建設投資。但對于工程報廢、資料缺失、裸眼完井、側鉆井等復雜老井，應開展井下落物打撈、老井眼尋探、老井眼處理、分層封堵及封堵鉆井液優選等相關技術研究，形成老井處理工程技術方案，支撐復雜老井的成功封堵，并對處理難度大的井優先實施作業[26]。

2.5 低壓儲層建井工藝適應性驗證

注采井是儲氣庫實現“注得進、采得出”的唯一通道，井身質量和儲層保護是保障注采井安全和吞吐能力的關鍵因素。目前國內氣藏改建儲氣庫前地層壓力都比較低，壓力系數一般在0.1～0.4之間，如何保證低壓儲層鉆井工程質量、實現有效保護儲層面臨極大挑戰。因此，低壓氣藏改建儲氣庫優選鉆完井工藝至關重要。鉆完井工藝優選，主要包括井身結構、鉆井液、固井工藝、儲層保護、完井方式以及入井材料優選等。通過先導試驗井優化鉆完井工藝，確定最優井工程方案，全面提升儲氣庫井工程質量、最大限度降低儲層污染，保護儲氣空間和滲流通道，可大大提高有效庫容和調峰能力。如果地層壓力過低，地層漏失量大，在氣源、注氣系統、老井等滿足條件下可優先注氣，當地層壓力恢復到一定水平后再開始鉆儲氣庫注采井，不僅可以提高鉆完井質量、減少儲層污染，減少鉆井復雜，還可大幅度降低鉆井成本，實現優快鉆井。

3 先導試驗方案

從氣藏地質特征和開發動態出發，緊密圍繞科學性、安全性、經濟性3大核心目標，在分析建庫風險，明確主要試驗目的基礎上，優選試驗井、部署現場試驗、配套專題研究，構成完整的儲氣庫先導試驗方案框架體系。

3.1 試驗井優選

試驗井包括注采井和監測井兩大類，老井利用和新鉆井結合，科學合理優選部署井位，確保試驗成果代表儲氣庫整體平均水平，支撐可研方案關鍵指標優化設計。

3.1.1 注采井

試驗注采井可利用老井或新鉆井。通過井況普查，篩選利用井筒技術狀況滿足要求的井，不僅可加快實施進度，還可減少投資。另外，儲氣庫井具有需滿足短期強注強采，井眼尺寸較大的特點。因此先導試驗中還應部署新井，以驗證大尺寸井眼吞吐能力、評價不同井型增產比、 優化鉆完井工藝。

試驗井井位既要考慮不同構造位置、不同儲層物性、不同流體分區（純氣區、氣液過渡帶等）等多因素影響，還要兼顧直井、水平井或定向井等不同井型組合對先導試驗區建庫空間的控制程度，綜合確定試驗注（采）老井和新井井位。

氣藏經過10～20年甚至更長時間的開發，儲層巖石微觀結構和流體分布已發生變化，同時氣藏開發階段一般不關注蓋層，相關巖心資料缺乏。因此，新鉆注采井需進行蓋層段和儲層段取心設計，盡量取全，滿足建庫巖心微觀結構、力學特性、滲流能力等測試要求。

3.1.2 監測井

先導試驗井少、周期短，獲取的資料有限。因此，有必要部署一定數量的監測井，取全取準各類資料。以氣藏開發壓力傳播速度和井控半徑為基礎，預估氣藏建庫條件下強注強采壓力波及和井控范圍，以試驗井（組）為中心，盡量利用氣藏開發老井部署監測井，重點監測壓力溫度、氣驅前緣、流體界面等。

3.2 現場試驗

儲氣庫現場先導試驗主要包括注采試驗、封堵試驗、低壓鉆完井試驗以及具體實施要求和建議等四部分，涵蓋地質和井工程兩大方面，通過實際生產驗證核實，夯實可研方案關鍵指標優化設計的地質和工藝基礎。

3.2.1 試驗井注采試驗

注采試驗包括注采氣量、注采周期、產能測試（產能試井、壓恢/降試井、生產剖面）、連通性測試（干擾試井）、邊界探測（探邊測試、驅替前緣）、氣液界面變化測試（氣水、氣油、油水界面）等內容。

注采氣量設計主要以單井產能、井控物質平衡約束單井注采氣量，以試驗區地層壓力恢復水平控制注采總量，結合施工工期綜合排定單井和試驗井組注采氣量。

為了獲取注氣和采氣產能方程，借鑒氣藏開發試井方法，在注氣和采氣周期按不同工作制度配產配注，并進行壓力降落（恢復）試井。對于斷塊氣藏、強非均質性、復雜流體、多層層狀氣藏建庫，可適當安排干擾試井、探邊測試及生產剖面測試，進一步核實連通性、地層（流體）邊界、主力產氣貢獻層等，為科學評價注采氣能力、有效建庫層（區）、合理注采井網密度等提供重要依據。

3.2.2 復雜老井封堵試驗

針對建庫涉及到的所有老井進行井況普查和分類評價，根據老井資料掌握程度和處理工藝難度，明確常規井和復雜井。先導試驗中要重點對復雜井進行封堵處理。復雜井主要包括工程報廢井、資料缺失井、側鉆井、裸眼井等。在對現有資料綜合分析的基礎上，有針對性地開展老井封堵方案設計，制定詳細的工藝措施，優選適宜的工具和材料，優先實施，力保成功封堵，為儲氣庫的順利建設奠定基礎。

3.2.3 低壓儲層鉆完井試驗

由于氣藏改建儲氣庫時地層壓力較低，一般壓力系數介于0.1～0.4，甚至更低。低壓儲層鉆完井面臨地層漏失、固井難度大、儲層污染等難題。因此針對氣藏地質特點，在先導試驗階段探索與之相適應的井身結構、固井工藝、完井方式，以及儲層保護措施，為后續井工程的優化設計積累寶貴經驗。

由于儲氣庫在交變應力工況下運行，井筒完整性和氣庫密封性要求嚴格。因此，非常有必要開展蓋層和儲層段地應力測試，求取地應力大小、方向，為儲氣庫完整性評價和運行壓力設計提供依據。

3.2.4 實施要求和建議

先導試驗方案設計是基礎，科學精細實施是保障。因此，圍繞注采制度、產能試井、礦場測試、資料錄取、井工程標準等提出具體實施要求。作為儲氣庫先導試驗工程，非常有必要加強地質—工程一體化協作，從組織領導、技術支撐、現場實施三個層面強化管理，針對實際鉆遇情況和注采動態，及時優化調整并完善試驗實施方案，保證試驗成功。

先導試驗是首次進行注采和鉆完井工程，對氣藏轉庫具有重要指導意義，其實施效果直接影響建庫工程決策和技術工藝指標的科學性與可操作性。因此，建議設置配套專題，分析實施效果，指導后續建庫設計。專題主要包括四方面，一是室內物理模擬，研究微觀孔隙結構特征、力學特性、氣水互驅相滲、注采效率、臨界出砂壓差等，揭示注采機理；二是地質深化認識，開展精細儲層描述、地層流體分布，核實有效建庫空間；三是注采效果評價，包括短期高速流井控的半徑、儲量及物性等參數以及氣井注采氣能力等；四是井工程試驗分析，重點是疑難復雜老井封堵工藝、新井鉆完井工藝及其適應性等內容。通過剖析注采機理、創建氣庫模型、夯實設計基礎、提高工程可行性，為儲氣庫科學設計、高效建設提供第一手資料和依據。

4 結論

1）我國氣藏建庫對象主要為河流相沉積的斷塊有水氣藏，開采程度較高，地層壓力系數較低，建庫條件復雜。在可研方案正式設計前開展先導試驗對地質和工藝參數進行核實和驗證非常有必要。

2）氣藏型儲氣庫先導試驗主要圍繞圈閉密封性、有效建庫空間、高速流注采氣能力、復雜老井封堵、低壓儲層建井工藝適應性驗證等五項內容開展設計。

3）以先導試驗井（組）優選為基礎，以注采、封堵、鉆完井等現場試驗為主線，配以生產測試、效果評價及優化調整，編制并部署實施先導試驗方案。