底水火山巖儲氣庫庫容和工作氣量主控影響因素定量評價

高 濤

(中國石油大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163712)

0 引 言

作為清潔能源，天然氣消費量逐年增加，且呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性波動，因此儲氣庫調峰的功能愈顯重要。最早建設的儲氣庫已有百年，而中國儲氣庫建設目前進入快速發(fā)展階段[1-4]。庫容和工作氣量是儲氣庫建庫參數(shù)最核心的指標，也是儲氣庫建庫效益的最重要評價依據(jù)，國內外學者對此已進行了相關研究[5-10]，但建庫對象多為砂巖和碳酸鹽巖氣藏，儲層滲透率普遍大于100 mD，且多數(shù)屬于弱水驅，水體規(guī)模和水侵對庫容量和工作氣量的影響相對較小，較少考慮水侵、應力敏感、巖石和束縛水變形等多種因素對庫容量的影響。這些儲氣庫在設計庫容和工作氣量時，一般通過評價建庫對象的動態(tài)儲量來作為建庫庫容量，工作氣量一般接近動態(tài)儲量的40%～50%，由于這些建庫對象儲層物性好、水體規(guī)模和水侵程度較低，不考慮水侵和其他因素影響設計庫容和工作氣量在工程上總體是可行的。但對于底水火山巖氣藏改建儲氣庫，目前國內外還沒有改建的先例和成熟的經(jīng)驗可以借鑒，地質條件也與常規(guī)砂巖和碳酸鹽巖氣藏不盡相同，由于其底水發(fā)育規(guī)模較大，在高速注采過程中水侵的影響不能忽略，因此，需要尋找一種新的庫容參數(shù)設計方法，能夠充分考慮底水對建庫參數(shù)設計的影響，確保設計的庫容和工作氣量最優(yōu)，合乎實際情況。在前人研究成果的基礎上，通過在常規(guī)無邊底水氣藏庫容物質平衡模型中引入分區(qū)帶含氣飽和度和考慮多因素影響的方法，建立升平儲氣庫三區(qū)帶庫容參數(shù)模型，并設計相應的庫容和工作氣量優(yōu)化計算方法，明確底水火山巖氣藏建庫庫容和工作氣量的主控因素，實現(xiàn)對不同區(qū)帶水侵、應力敏感、巖石和束縛水變形多種因素對庫容和工作氣量影響的定量評價。

1 地質概況

升平儲氣庫位于松遼盆地北部徐家圍子斷陷，由底水火山巖氣藏改建，儲層為營三段火山巖，氣藏圈閉為斷背斜，圈閉面積為22.62 km2，閉合幅度為170 m，圈閉面積大，閉合幅度高，圈閉完整、單一、落實，有利于氣體存儲。在儲氣庫區(qū)域內營城組共發(fā)育12條斷層，6條為儲層和蓋層內部斷層，3條為源儲斷層，只有3條斷層穿過儲層和蓋層，斷層總數(shù)和穿過蓋層、儲層斷層數(shù)較少，且斷穿營城組儲層和登二段蓋層的3條斷層兩側為砂泥巖對接，側向封堵性較好。斷面所受壓力為39～45 MPa，斷層垂向封閉能力也較強。蓋層為登二段泥巖和粉砂質泥巖，蓋層地層厚度為94.0～167.0 m，平均為133.3 m，其中，泥巖厚度為63.1～120.4 m，平均為86.3 m；蓋層中的泥巖厚度占比多達70%以上。蓋層物性比較致密，密度為2.61～2.67 g/cm3，孔隙度為1.84%～3.02%，滲透率為0.007 3～0.011 0 mD。

該底水火山巖氣藏于2007年正式投入開發(fā)，開采層位為營三段火山巖儲層，方案設計井數(shù)為12口，設計動用儲量為128.32×108m3，產(chǎn)能為3.66×108m3/a。目前區(qū)塊年產(chǎn)氣量為3.00×108m3/a，年產(chǎn)水量為3.48×104m3/a，累計產(chǎn)氣量為33.50×108m3，累計產(chǎn)水量為19.48×104m3，采出程度為26.11%。原始地層壓力為32.00 MPa，目前地層壓力為26.34 MPa。根據(jù)動態(tài)分析數(shù)據(jù)擬合該底水火山巖氣藏水體規(guī)模為12.26×108m3，水驅指數(shù)為0.38，屬于強水驅氣藏。

根據(jù)地質和開發(fā)情況分析可知，該底水火山巖氣藏改建儲氣庫整體上圈閉比較完整，構造幅度大，儲氣空間相對較大，蓋層全區(qū)分布，密封性條件基本完整，地質儲量和動態(tài)儲量規(guī)模較大，具備建庫的基本地質條件。建庫的難點突出，需要考慮水侵以及其他因素對含氣孔隙體積損失的影響。

2 三區(qū)帶庫容參數(shù)模型建立

隨著氣藏開發(fā)儲集層壓力逐步降低，邊底水侵入原始含氣儲集層，氣水界面逐步升高，改建儲氣庫后，注氣驅替侵入的邊底水，氣水界面回落，并最終穩(wěn)定在設計的儲氣庫運行壓力區(qū)間內。此過程中，依據(jù)氣水界面將原始含氣儲集層分為水淹區(qū)、過渡帶和純氣區(qū)3個流體區(qū)(圖1)。

圖1 升平儲氣庫交替注采后三區(qū)帶模型Fig.1 The three-zone model of Shengping gas storage after alternate injection and productionVgm=Vgi-ΔV1-ΔV2-ΔV3-ΔV4-ΔV5

改建儲氣庫后，自由氣及庫存氣體主要儲存在純氣區(qū)和過渡帶，儲氣庫有效孔隙體積、氣藏原始含氣孔隙體積、巖石和束縛水變形體積以及水淹區(qū)、過渡帶、純氣區(qū)損失的原始含氣孔隙體積之間滿足如下物質平衡方程：

(1)

(2)

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(4)

(5)

(6)

式中：Vgm為儲氣庫有效含氣孔隙體積，m3；Vgi為儲氣庫原始含氣孔隙體積，m3；ΔV1為水淹區(qū)損失的原始含氣孔隙體積，m3；ΔV2為過渡帶損失的原始含氣孔隙體積，m3；ΔV3為純氣區(qū)損失的原始含氣孔隙體積，m3；ΔV4為巖石應力敏感減小體積，m3；ΔV5為巖石和束縛水變形體積，m3；Wemax為儲氣庫上限壓力累計水侵量，m3；Wpmax為儲氣庫上限壓力累計產(chǎn)水量，m3；Wemin為儲氣庫下限壓力累計水侵量，m3；Wpmin為儲氣庫下限壓力累計產(chǎn)水量，m3；Wecon為建庫前累計水侵量，m3；Wpcon為建庫前累計產(chǎn)水量，m3；Bwmax為上限壓力地層水體積系數(shù)；Bwmin為下限壓力地層水體積系數(shù)；Bwcon為建庫前地層水體積系數(shù)；Swc為氣藏原始束縛水飽和度(由氣水互驅實驗得到)，%；Sgr為氣藏開發(fā)結束時殘余氣飽和度，%；Swccon為純氣區(qū)穩(wěn)定運行的束縛水飽和度，%；Sgrcon為純氣區(qū)穩(wěn)定運行的殘余氣飽和度，%；Swct為過渡帶穩(wěn)定運行的束縛水飽和度，%；Sgrt為過渡帶穩(wěn)定運行的殘余氣飽和度，%；φpmin為儲氣庫下限壓力時巖石孔隙度，%；φi為原始氣藏條件下巖石孔隙度，%；Gi為氣藏原始地質儲量，m3；Bgi為原始天然氣體積系數(shù)，m3；Cw為地層水壓縮系數(shù)，MPa-1；Cf為巖石壓縮系數(shù)，MPa-1；Swi為氣藏開發(fā)初始含水飽和度，%；pmax為儲氣庫上限壓力，MPa；pmin為儲氣庫下限壓力，MPa。

根據(jù)建立的升平儲氣庫三區(qū)帶庫容參數(shù)模型，利用巖心實驗和生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)獲得的相關參數(shù)可以求得對應的儲氣庫有效含氣孔隙體積和儲氣庫庫容量、墊底氣量、工作氣量：

(7)

(8)

(9)

式中：Qmaxsc為儲氣庫庫容量，m3；Qminsc為儲氣庫墊底氣量，m3；Qasc為儲氣庫工作氣量，m3；Zsc為標準條件下無因次偏差系數(shù)；Zmax為上限壓力無因次偏差系數(shù)；Zmin為下限壓力無因次偏差系數(shù)；psc為標準壓力，MPa；Tsc為標準溫度，K；T為地層溫度，K。

3 三區(qū)帶庫容參數(shù)模型計算流程

首先確定某一個上限工作壓力pmax、下限工作壓力pmin對應的水侵量Wemax、Wemin，根據(jù)式(2)～(6)可分別確定出該下限壓力對應的△V1、△V2、△V3、△V4和△V5，根據(jù)剩余有效含氣孔隙體積求取庫容量Qmaxsc、墊底氣量Qminsc、工作氣量Qasc，之后再選定一個不同的下限壓力，循環(huán)求解對應的工作氣量，從中選出最大工作氣量，具體計算流程見圖2。

圖2 升平儲氣庫三區(qū)帶庫容參數(shù)優(yōu)化求解計算流程Fig.2 The calculation process of the optimization solution for the storage capacity parameters of three zones of Shengping gas storage

4 三區(qū)帶庫容參數(shù)模型計算結果與分析

升平儲氣庫上限壓力可根據(jù)增壓系數(shù)取不同的值，井口外輸壓力為12.0 MPa，下限壓力變化步長取1.0 MPa，則下限壓力循環(huán)范圍可從31.0 MPa逐漸遞減至15.0 MPa。氣藏不同壓力對應孔隙度根據(jù)不同有效應力與巖心孔隙度實驗關系計算，氣藏原始含氣飽和度、原始含水飽和度、殘余開發(fā)氣飽和度、各區(qū)帶穩(wěn)定運行束縛水飽和度、殘余氣飽和度由巖心氣水互驅實驗獲得。升平儲氣庫的原始孔隙度、天然氣相對密度等主要基本參數(shù)見表1。

表1 升平儲氣庫基本參數(shù)

根據(jù)式(1)～(9)得到不同下限地層壓力下?lián)p失的有效孔隙體積(圖3)。從區(qū)帶來看，過渡帶損失含氣孔隙體積最大，平均為1 675.46×104m3；純氣區(qū)損失含氣孔隙體積次之，平均為648.14×104m3；水淹區(qū)損失最小，平均為44.25×104m3。從影響因素看，水侵導致有效含氣孔隙體積損失較大，平均為2 367.85×104m3；巖石和束縛水膨脹導致有效含氣孔隙體積損失次之，為70.95×104～125.00×104m3；應力敏感導致有效含氣孔隙體積損失最小，為18.76×104～32.98×104m3。

圖3 不同區(qū)帶、不同因素損失含氣孔隙體積Fig.3 The loss of gas-bearing pore volume in different zones at different factors

過渡帶含氣孔隙體積損失最大的原因在于過渡帶的束縛水飽和度最高，殘余氣飽和度也比純氣區(qū)高，再加上氣水兩相流動容易形成氣體的卡斷、繞流、盲端封閉現(xiàn)象，從而大大降低有效含氣孔隙體積和庫容的可動用性。巖石和束縛水膨脹變形以及應力敏感2種因素造成的含氣孔隙體積損失相對水侵影響要小的原因在于火山巖儲層巖石主要為酸性流紋巖和凝灰?guī)r，與常規(guī)砂巖和碳酸鹽巖相比，巖石抗壓強度大，可壓縮性較小，從而導致巖石變形程度較小，應力敏感性也相對較小[11-13]。

應用三區(qū)帶庫容參數(shù)模型，計算了不考慮水侵和考慮水侵2種條件下庫容參數(shù)。

若不考慮水侵，庫容量主要受上限壓力影響，有效含氣孔隙體積隨下限壓力變化影響較小，根據(jù)不同的增壓系數(shù)，庫容量為130.61×108～153.06×108m3(圖4)。墊底氣量隨上限壓力變化較小，但隨下限壓力減小而減小，為65.89×108～129.85×108m3(圖5)。工作氣量隨下限壓力減小而增大，隨上限壓力增大而增大，為51.68×108～62.62×108m3(圖6)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是：只考慮應力敏感和巖石與束縛水膨脹影響，不能有效體現(xiàn)底水水侵是影響底水火山巖氣藏有效含氣孔隙體積最大的主控因素，而且由于火山巖應力敏感和巖石變形程度較低，這2種因素損失的含氣孔隙體積與整體損失的含氣孔隙體積相比基本可以忽略不計，從而得出庫容量基本不受下限壓力影響的假象。同理，由于下限壓力較低時沒有考慮水侵損失的含氣孔隙體積，低下限壓力條件下墊底氣量計算的結果也較高，也會得出工作氣量隨下限壓力降低而不斷增加的假象。

圖4 不考慮水侵條件下不同運行壓力區(qū)間與庫容量關系曲線Fig.4 The relationship curve between different operating pressure ranges and storage capacity without considering water intrusion

圖5 不考慮水侵條件下不同運行壓力區(qū)間與墊底氣量關系曲線Fig.5 The relationship between different operating pressure ranges and cushion gas volume without considering water invasion

圖6 不考慮水侵條件下不同運行壓力區(qū)間與工作氣量關系曲線Fig.6 The relationship curve between different operating pressure ranges and working gas volume without considering water intrusion

若考慮水侵，庫容量不僅受上限壓力影響，而且與下限壓力緊密相關，下限壓力越小，庫容量也越小，為46.48×108～119.48×108m3(圖7)。墊底氣量隨上限壓力變化較小，但隨下限壓力減小而減小，為22.76×108～106.71×108m3(圖8)。分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是：在下限壓力降低的過程中，水侵的影響逐漸體現(xiàn)，下限壓力越低，則水侵的影響程度越大，損失的有效含氣孔隙體積越大。說明降低下限壓力一方面可提高工作氣量，但另一方面也會損失更多的有效含氣孔隙體積，從而導致庫容量和工作氣量的減小。這2種因素互相作用的結果為：當下限壓力較高時，適當降低下限壓力，增加的工作氣量要大于減少的工作氣量，最終表現(xiàn)為工作氣量隨下限壓力降低而逐漸提高；當下限壓力繼續(xù)降低，二者在經(jīng)歷一個相等的平衡點后，增加的工作氣量會小于減少的工作氣量，最終表現(xiàn)為工作氣量隨著下限壓力降低而開始逐漸減少。由此可知：考慮水侵，工作氣量隨下限壓力降低呈現(xiàn)出先增加后減少的特征，利用庫容參數(shù)模型，可優(yōu)化得出每個上限壓力下的最大工作氣量，進而得出對應的最優(yōu)下限壓力和最優(yōu)庫容量。

圖7 考慮水侵條件下不同運行壓力區(qū)間與庫容量關系曲線Fig.7 The relationship curve between different operating pressure ranges and storage capacity under consideration of water intrusion

圖8 考慮水侵條件下不同運行壓力區(qū)間與墊底氣量關系曲線Fig.8 The relationship between different operating pressure ranges and cushion gas volume under consideration of water intrusion

利用建立的庫容參數(shù)模型，優(yōu)化得到最大上限壓力為32.0 MPa下，不同下限運行壓力中存在的最大工作氣量為25.61×108m3，對應最優(yōu)下限運行地層壓力為18.0 MPa，庫容量為64.74×108m3。對比可見，不考慮水侵影響計算的庫容和工作氣量過于樂觀，而考慮水侵影響計算的庫容和工作氣量更合理，更符合升平儲氣庫實際地質條件(圖9)。

圖9 考慮水侵條件下不同運行壓力區(qū)間與工作氣量關系曲線Fig.9 The relationship curve between different operating pressure ranges and working gas volume under consideration of water intrusion

5 應用效果

由前文確定優(yōu)化的工作氣量為25.61×108m3，根據(jù)試氣資料解釋單井控制半徑為500 m左右，結合氣藏含氣面積為25 km2，可部署約32口井，若要實現(xiàn)優(yōu)化的工作氣量規(guī)模，需要采氣期120～150 d內單井平均采出能力達到53×104～66×104m3/d。目前已在升平儲氣庫實施了2口先導試驗水平井，試采結果證實水平井4個月采氣期日采氣量可以達到55×104m3/d，具備了實現(xiàn)優(yōu)化工作氣量所需要的單井采出能力，證明32口注采井全部實施后可以滿足優(yōu)化設計的工作氣量要求。

6 結 論

(1) 通過分析影響升平儲氣庫建庫庫容和工作氣量的主控因素，建立了升平儲氣庫三區(qū)帶庫容參數(shù)模型和相應的計算流程及方法。

(2) 從升平儲氣庫不同區(qū)帶損失含氣孔隙體積來看，過渡帶損失含氣孔隙體積最大，純氣區(qū)損失含氣孔隙體積次之，水淹區(qū)損失較小。

(3) 從升平儲氣庫含氣孔隙體積影響因素看，水侵導致有效含氣孔隙體積損失較大，巖石和束縛水膨脹導致有效含氣孔隙體積損失次之，應力敏感導致有效含氣孔隙體積損失最小。

(4) 考慮水侵影響，工作氣量隨下限壓力降低呈現(xiàn)出先增加后減少的特征，利用庫容參數(shù)模型，可優(yōu)化得出每個上限壓力下的最大工作氣量，進而得出對應的最優(yōu)下限壓力和庫容量。

(5) 考慮水侵影響，升平儲氣庫上限運行地層壓力32.0 MPa條件下，最大工作氣量為25.61×108m3，對應最優(yōu)下限運行地層壓力為18.0 MPa，庫容量為64.74×108m3；考慮水侵影響計算得到的庫容和工作氣量更合理，更符合升平儲氣庫實際地質條件。