裂縫型氣藏水侵動態模擬研究

周旻昊， 樂 平， 郭春秋， 陳鵬宇

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都610500；2.中國石油勘探開發研究院，北京100083）

0 引 言

碳酸鹽巖儲層主要包括縫洞型、裂縫型和孔隙型3種基本孔隙結構類型［1］，其中裂縫在儲層中扮演著重要的角色，一方面，裂縫的存在改善了儲層的滲流條件；另一方面，邊、底水沿裂縫水竄，會造成生產井過早水淹，影響氣藏的采收率［2-4］。而阿姆河右岸氣藏斷層及裂縫發育，儲層類型以裂縫型為主，氣田整體發育底水，局部地區水體能量活躍，部分氣井在投產初期就出現了不同程度的出水問題，嚴重制約了氣田的高效開發。因此有必要針對裂縫發育的阿姆河右岸氣藏進行水侵規律的研究。

目前對于裂縫氣藏的水侵機理研究較少，大多通過數值模擬進行研究［5-9］。物理實驗研究主要運用玻璃模型或鑄體薄片進行微觀水驅實驗，研究微觀滲流機理［10-15］；而宏觀水侵規律以及開發效果的研究主要通過長巖心物理實驗進行［16-20］。沈偉軍等［16］通過全裂縫巖心實驗，研究了不同裂縫寬度下的水侵機理，未考慮裂縫在不同貫穿程度下的情況；何佳林［17］考慮了裂縫的貫穿程度，但實驗所需巖心較多。而目標氣藏井深近6 km，取心成本高，且不易取得完整的碳酸鹽巖長巖心。為此設計了新的實驗方法，在有限的巖心條件下，通過實驗順序的優化和巖心切割、造縫后的組合，結合正交試驗的方法，在較少巖心數量下，進行高效、可靠的實驗，完成對裂縫滲透率、裂縫貫穿程度、水體倍數的分析和敏感性研究。

1 裝置與實驗方法

本實驗基于儲層巖心的氣、水兩相流動，結合實際氣藏特征，采用實際儲層巖心人工造縫來模擬裂縫型儲層，研究碳酸鹽巖氣藏儲層在不同裂縫參數、水體大小情況下氣井產水機理及對產水動態規律的影響。

實驗采用正交試驗的原理，通過抽提氣藏水侵的主要影響因素，根據氣井實際情況設置因素的參數水平值，開展相應的物理模擬實驗。

具體的正交實驗參數見表1，正交實驗方案設計見表2。

表1 正交參數表

表2 正交實驗方案表

1.1 實驗原理及流程

采用實際儲層全直徑巖心，篩選出符合要求的碳酸鹽巖巖心進行人工制取裂縫，模擬帶裂縫的底水碳酸鹽巖氣藏開發過程，不同裂縫參數的巖樣垂直放置于巖心夾持器，在巖心夾持器底部連接裝有不同大小地層水（5、10、30 倍水體）的中間容器模擬底水。

測定時，模擬實際地層條件（溫度為116 ℃、原始地層壓力為58 MPa），圍壓與內壓壓差為2 MPa，以2 MPa間隔為一個測試點，每個壓力點測定產氣量、產水量，測定到設計的最低內壓點為4 MPa（廢棄壓力），研究在不同裂縫滲透率、裂縫貫穿程度、水體倍數大小下的采出程度以及產水變化規律，借以評價裂縫型氣藏水侵機理。

實驗裝置采用全直徑巖心驅替裝置，實驗裝置如圖1 所示。

圖1 水侵機理實驗裝置

此套裝置主要由注入泵系統、巖心夾持器、回壓調節器、壓差表、控溫系統組成。其中巖心夾持器是巖心驅替裝置中的關鍵部分，主要由巖心外筒、膠皮筒和軸向連接器組成。巖心夾持器垂直放置并在底部連接裝有地層水的中間容器模擬底水，內壓由回壓控制器控制。

1.2 實驗條件

（1）實驗溫度、壓力。溫度：模擬氣藏溫度116℃；壓力：內壓模擬地層壓力58 ～4 MPa（廢棄壓力），內壓點選擇變化至2 MPa的一點。

（2）實驗流體。實驗流體選用天然氣和配制地層水，天然氣采用現場配制樣品，實驗所用地層水根據現場水樣分析報告在實驗室自行配制，流體和地層水水樣配置參考現場提供的相關測試資料。

（3）實驗巖心。為制備裂縫型儲層巖心，取得代表性全直徑樣品，要求有一定的基質滲透率、非均質性不能太強。由于裂縫型儲層研究的重點是裂縫，對基質要求較低，選擇具有代表性且符合要求的實際儲層碳酸鹽巖巖心經過人工造縫的方式進行實驗研究。

50例ASO患者實驗觀察指標以SPSS19.0計算。護理工作滿意度以%形式展開，采用χ2檢驗；飲食知識掌握以及護理知識掌握評分以（±s）形式展開，進行t檢驗。P＜0.05證明差異有統計學意義。

2 裂縫型氣藏水侵理論分析

2.1 儲層介質與出水類型分析

李川東［18］根據儲層介質特點，將有水氣藏主要分為：裂縫-孔隙型、裂縫-孔洞型、縫洞發育型有水氣藏3種主要類型。

為判斷阿姆河氣井出水模式，結合成友友等［19］對阿姆河氣田出水進行的劃分，對采出程度和水氣比分別取對數作巖心出水診斷曲線（見圖2）。圖2 中見水后的上翹段能直觀反映水侵規律，將α定義為上翹段直線的斜率，用來表征水氣比隨采出程度的上升速度。當1≤α ＜2 時，則對應為沒有裂縫的水侵動態，多表現為無裂縫儲層，為正常的水脊水錐動態特征。當2≤α ＜3 時，則對應為發育有半貫穿或者低角度的、裂縫未與井筒或底水直接溝通的裂縫，即裂縫性碳酸鹽巖儲層。當α ＞3 時，則對應儲層中有全貫穿的大裂縫、大溶洞、或貫穿性的裂縫網絡，底水通過縫洞與生產井直接溝通，開發過程中快速水侵水竄。由于方案都存在裂縫，所以斜率值相對偏大。其中，選取對方案1、2、8 作為對比分析。

圖2 巖心出水診斷曲線

2.2 低水侵風險

圖2 表明巖心尺度的水氣比對數與采出程度的對數圖版呈現較好的線性關系。方案2 與方案1 相比，雖然采用的水體倍數為10，大于方案1 的5 倍，但裂縫貫穿程度為75%，小于方案1 中裂縫全貫穿的情況。方案2 的斜率值2.5 反而小于方案1 的3.4，屬于裂縫-孔隙性見水。分析原因，由于未貫穿區域的滲流影響，其水竄強度低于全貫穿的方案1，且最終采出程度也高于方案1，說明水體的大小對水侵的影響要大于裂縫的貫穿程度的影響。

2.3 高水侵風險

方案8 由于裂縫滲透率最大，貫穿程度為100%，水體倍數最大，所以診斷曲線的斜率也為所有方案中最大，為5.9，遠高于低水竄風險方案的2.5，且最終采出程度最低。

其余組的實驗結果也表明，裂縫貫穿程度越高、裂縫滲透率越大、水體倍數越高，對應水侵診斷曲線中的斜率值越大，采出程度越低。說明裂縫貫穿程度、裂縫滲透率、水體倍數越大，水侵、水竄越嚴重。

需要說明的是：上述由礦場實際生產統計數據繪制的圖2，不同的氣藏會表現出不同的α 值界限。此外，圖2 為單井生產尺度的實際生產數據統計規律，圖3 為巖心尺度的模擬實驗結果，二者具有較好的趨勢對比性（水氣比對數與采出程度的雙對數圖版均呈現較好的線性關系）。但由于巖心尺度與礦場單井尺度的不同，也可能導致二者α 值的界限不同，因此需結合具體實際情況決定是否修正α值。

3 正交試驗結果分析

9 組方案的采出程度-水氣比對數圖版，只能一定程度上分析水侵規律，最終目的還是通過正交試驗方法完成裂縫滲透率、裂縫貫穿程度、水體大小對出水機理和見水動態的敏感性模擬。模擬結果考慮了采出程度、平均水氣比、見水時壓力、平均產氣量、平均產水量5 個指標。

對正交實驗結果進行極差分析，評價各因素對指標的影響程度，根據正交實驗原理，極差值越大，因素影響程度越大。匯總結果見表3。

通過正交模擬實驗結果，對采出程度、平均水氣比、突破壓力、平均產氣量、平均產水量5 個指標，取均值作出影響因素變化趨勢圖，分析裂縫滲透率、裂縫貫穿程度、水體倍數這3 個因素的水平值對水侵動態的影響，并根據表中極差值的大小判斷各因素對指標影響程度的排序。

3.1 采出程度評價

因素水平值對采出程度的影響程度如下圖3 所示。由圖3 可見：在裂縫性見水影響下，裂縫滲透率100mD，貫穿程度50%，水體倍數中等10 倍時，采出程度相對較高。裂縫滲透率過低，影響氣體流動，裂縫貫穿程度和水體倍數過大，均不利于采收率的提高。通過極差值大小判斷，對于采出程度來說，影響程度排序為：水體倍數＞裂縫貫穿程度＞裂縫滲透率，但影響程度相差不大。

3.2 平均水氣比

因素水平值對平均水氣比的影響程度如圖4所示。

表3 全直徑巖心模擬結果評價結果匯總

圖3 因素水平值對采出程度（R）的影響程度

圖4 因素水平值對平均水氣比（WGR）的影響程度

由圖4 可見：在選定的水平值范圍內，水體倍數與裂縫滲透率對平均水氣比影響程度相當；裂縫貫穿程度對平均水氣比的影響幅度遠高于參數；在裂縫性見水影響下，裂縫貫穿程度越高，滲透率越高，水體倍數越大，平均水氣比值越高。通過極差值大小判斷，對于平均水氣比來說，影響程度排序為：裂縫貫穿程度＞水體倍數＞裂縫滲透率。

3.3 見水時壓力

因素水平值對見水時壓力的影響程度如圖5所示。

圖5 因素水平值對見水時壓力（p）的影響程度

圖5 顯示：對于見水時壓力比來說，見水時的壓力對應著見水時間的早晚，在選定的水平值范圍內，裂縫滲透率對平均水氣比的影響幅度遠高于其他兩個參數；在裂縫性見水影響下，滲透率越高，裂縫貫穿程度越高，水體倍數越大，裂縫性見水時壓力點越高，見水時間越早。通過極差值大小判斷，影響程度排序為：裂縫滲透率＞水體倍數＞裂縫貫穿程度。

3.4 平均產氣量

因素水平值對平均階段產氣量影響程度如下圖6所示。

圖6 因素水平值對平均產氣量（Qg）的影響程度

圖6 顯示：裂縫滲透率對平均產氣量影響幅度最大，在裂縫性底水驅動下，初期見水前的階段產氣平均速度與裂縫的滲透率正相關；裂縫貫穿程度越大平均產氣越大；水體倍數中等，平均采氣速度較高，但影響幅度有限。通過極差值大小判斷，對于平均產氣量來說，影響程度排序為：裂縫滲透率＞裂縫貫穿程度＞水體倍數。

3.5 平均產水量

因素水平值對平均產水量的影響程度如圖7所示。

圖7 因素水平值對平均階段產水量（Qw）的影響程度

圖7 顯示：水體倍數對平均產水量影響幅度最大。在裂縫性底水驅動下，見水后的產水平均速度與裂縫的滲透率、裂縫貫穿程度、水體倍數成正相關，值越高，平均產水量越大。通過極差值大小判斷，對于平均產水量來說，影響程度排序為：水體倍數＞裂縫貫穿程度＞裂縫滲透率。

4 結 語

（1）通過實驗順序的優化和正交試驗方法的應用，可以在較少的巖心數量下進行較為有效、全面的實驗研究。

（2）雖然巖心尺度與礦場單井尺度存在不同，但二者具有較好的趨勢對比性，均滿足出水診斷曲線模式。裂縫滲透率、裂縫貫穿程度、水體倍數越大，診斷曲線斜率越大，水侵、水竄越嚴重。

（3）通過正交試驗，可以判斷裂縫滲透率、裂縫貫穿程度、水體倍數對指標影響的敏感性。正交實驗結果分析表明，對于采出程度和平均產水量這兩個指標來說，水體倍數的敏感性稍強，影響程度略大于另外兩個因素，但相差幅度不大；對于平均水氣比來說，裂縫貫穿程度敏感性更強，影響更大；對于見水時間、平均產氣量來說，裂縫滲透率的敏感性更強，影響更大。