碳酸鹽巖超高壓氣藏氣井開采特征研究

趙真

摘要：碳酸鹽巖超高壓氣藏氣井的滲流與傳統的氣藏之間有很大區別，正確認識該氣藏的開發原理，是科學、合理開發的關鍵。在開發碳酸鹽巖超高壓氣藏氣井的過程中，應實時掌握巖石的變形特征，并以此來確定滲透率以及儲層孔隙度等隨時可能會變的參數。基于儲層出現斷裂以及基質可能會發生變形等原因，通過碳酸鹽巖超高壓氣藏數值模擬及氣井滲流模型來完成開采動態特征的研究。

關鍵詞：超高壓氣藏;雙重介質;滲流機理;應力敏感;非達西;數學模型;動態預測

異常高壓氣藏是一種較為特殊的氣藏，地層壓力系數超過了1.3的分界線，而地層壓力系數超過1.8的氣藏被稱為超高壓氣藏。目前，我國已發現的高壓以及超高壓氣藏儲量達到了驚人的8000×108 m3，塔里木盆地中包含的各種氣田均屬于超高壓氣藏，而中國石化在四川盆地勘察開發時發現的雙廟以及中石油發現的河壩燈氣藏均屬于碳酸鹽超高壓氣藏。超高壓氣藏與普通氣藏的區別在于，超高壓氣藏的地層壓力系數非常高，而且結構較為復雜，滲透性與常規的氣藏不同，在開發過程中可能會出現巖石變形的情況，開發特征與傳統的氣藏有著很大的區別。因此，在研究氣藏的敏感力以及滲流原理時，合理地建設儲層中的滲流模型，對超高壓氣藏氣井的開發有著重要的意義。

1 碳酸鹽巖超高壓氣藏地質特征

由于碳酸鹽巖儲層的形勢較為多元化，針對碳酸鹽巖油藏進行分類也較為困難，特性的不同導致分類的體系也不同，主要將碳酸鹽巖逐層分為6類，分別為碳酸鹽巖砂、巖溶/裂縫碳酸鹽巖、深海白堊巖/白堊質陸硼石灰巖、泥質白云巖、前緣斜坡/碎屑碳酸鹽巖、碳酸鹽巖建造/骸晶堤。

第一大儲層類型是巖溶/裂縫碳酸鹽巖，在此油藏中，絕大部分的巖相都存在一定的巖溶作用或破裂的可能，這些因素對儲層開采經濟價值有著極其重要的影響。這種類型的儲層大多基巖孔隙度和滲透率較低，沒有巖溶作用或壓裂作用，不能開發。巖溶/裂縫碳酸鹽巖儲層存在于許多不同的地質環境中，時代從晚寒武世到第三紀不等。

第二大儲層類型是碳酸鹽巖建造/孤立骸晶堤。此類型大多含有較為特殊的地質特征和良好的溶蝕孔隙，而且該類型的地層關系在油氣圈團中起到重要作用。碳酸鹽巖建造/孤立骸晶堤的出現與儲存年代密切相關。

第三種主要儲層類型為陸相硼斜坡碳酸鹽砂，大部分保留了良好的原生粒間孔隙，但次生溶蝕孔隙通常出現在骨架堤中[1]。該類儲層的性質和構造受原始沉積相控制。

2 超高壓氣藏巖石變形試驗研究

在進行超高壓氣藏的地下研究中，壓力的沖擊甚至達到了111.0 MPa，為了使氣藏開采任務按照計劃完成，中國石化展開了調查研究，研制出一套可以在高壓以及高溫的環境下進行檢測的裝置。該裝置與之前的裝置相比，主要優化了以下3點：（1）持夾器采用性能更好的復合材料支撐，瓷材料可以在150.0 MPa的高壓和200 ℃的高溫環境下工作，同時其密封性得到了優化升級，采用了全新的密封設計，即使設備在惡劣的環境下工作，該裝置也能保持較好的密封性。（2）套筒也采用了全新的材料進行設計，解決了普通材料在高壓下的氣體泄露問題，讓設備即使在滲流速度極慢的情況下也可以進行準確定位。（3）該裝置也新增了多種轉接頭，可以與任意設備進行連接。經過測試發現，該裝備具有耐高溫、耐高壓、定位精準的優點，完全可以在超高壓的環境中工作。

本研究主要通過變增壓以及編孔方式來精準進行壓力模擬試驗，試驗成功后再將設備正式投入實際工作中。此類試驗方法可以模擬氣藏從原始底層壓力到廢棄壓力開發過程中儲層的應力敏感性[2]。

3 超高壓裂縫性應力敏感氣藏數值研究方法

在碳酸鹽巖超高壓氣藏開采中，隨著地層壓力的減小，巖石的滲透率以及孔隙度也會逐漸發生變化，而且碳酸鹽巖超高壓氣藏中應力敏感性的表現斷斷續續，在第一次氣田開采中，應力逐漸增大，而巖石的滲透率則會慢慢降低，當應力超過一定階段后，滲透率才會逐漸平緩，表明滲透率在碳酸鹽超高壓氣井工作中起到非常重要的作用。常規的氣藏滲透性僅代表一個空間的函數，與開發時間和壓力沒有任何關系，巖石的壓縮系數也更為成熟，而超高壓氣藏在開采過程中會受到各種因素的影響，因此在建立開采模型時，應注意這一點。

3.1 天然氣高速非達西運動方程

多孔介質的滲透率在天然氣中主要說明了井筒周圍的滲流不符合達西流動規律，而是存在層流與湍流的跡象。目前，公認常用的氣體滲流定律都是按照這個規律進行計算的[3]。現有的數值模擬主要通過二項式方程并通過井筒引入相關參數進行描述。然而，在氣體高速流動的情況下，僅用二項式方程并不能描述滲流規律。

3.2 模型求解

超高壓雙介質氣藏三維氣水兩相滲流數學模型是一個包含了氣體黏度、滲透率、孔隙度等參數的非線性數學模型，考慮到參數均為壓強的函數，應采用有限差分法求解。為了準確計算井底附近的壓力分布，采用了不均勻網格進行微分計算，即網格離井孔越近，密度越大。微分方程為七對角非線性方程組，采用IMPES方法求解。在此數學模型的基礎上，開發了考慮儲層裂縫、基質變形以及高速非達西流動的碳酸鹽巖超高壓雙介質氣藏單井數值模擬程序。實踐中，裂縫和基質滲透率、孔隙度隨地層壓力的變化可以直接使用室內巖心的裂縫應力敏感試驗數據和矩陣，也可以應用試驗數據回歸公式裂縫前緣的滲透率變化指數公式分為3段，用指數公式擬合出基質滲透率的變化規律[4]。

4 碳酸鹽巖超高壓氣藏氣井開采特征研究

為了研究超高壓碳酸鹽巖氣藏在開采過程中破裂裂縫和基質變形對氣井生產動態特征的影響，利用川東北地區超高壓氣藏應力敏感試驗數據，以雙重介質氣藏數值模擬變形技術的研究為基礎，預測氣井壓力在氣藏開發過程中發展指標的變化，如對氣井生產動態特性的碳酸鹽巖氣藏超高壓力進行了研究，并分析了碳酸鹽巖裂縫變形對超高壓氣藏開發效果的影響，為超高壓氣藏的開發提供了依據。

4.1 地質模型的建立及歷史擬合

根據勘察結果，針對氣井實際情況建立地質模型，深度為4977.0～4983.6 m，天然氣地質儲量為12×108 m3，含氣飽和度為90.00%。滲透率和孔隙度按照測試結果設定，基質孔隙度為3.32%～5.82%，滲透率為0.02×10﹣ 3～0.15×10﹣ 3 μm2;裂縫孔隙度為0.50%，滲透率為10×10﹣ 3 μm2。原始地層壓力為111.1 MPa，地下溫度為130 ℃，天然氣的相對密度為0.565。根據所搭建的模型，對碳酸鹽超高壓氣藏氣井中的所有數據進行整合。由此看來，生產歷史擬合的結果較好。

4.2 超高壓氣井的產量變化特征

在碳酸鹽超高壓氣藏中，巖石變形對開發具有一定影響。在所有配產情況一致的情況下，巖石變形越嚴重，則氣井越不穩定，穩產期越短，采收率會逐漸下降。建立巖石變形、氣井不同產量配置條件下的開發指標預測曲線，隨著氣井產量的增加，穩產期的穩定生產和采收率會大幅度降低。例如，當氣井配備20×104 m3/d產量時，穩產期可達8年，穩產末期采收率為44.50%;當氣井配備60×104 m3/d產量時，穩產期僅為1年，穩產期結束時采收率為16.50%。

4.3 氣井井底流壓變化特征

在碳酸鹽巖超高壓氣藏開發過程中，在相同條件下，若不考慮儲層巖石變形的因素，井底流壓會降低，而且下降速度會加快。考慮到巖石變形情況，如果氣井配產過高，井底流壓下降速度會先慢后快。因此，在開采初期，如果配產過高，巖石變形將嚴重影響生產的壓差，進而影響開采工作的進度以及后期整體指標，因此，必須建立合適的配產來確保開發的整體效果。

4.4 地層壓力的變化特征

在基本不受水侵影響的常規氣藏中，地層壓力與累積產氣量的關系大部分為一條直線。與常規氣藏不同的是，超高壓氣藏壓力降曲線表現出上“冠”屬性，初期下降緩慢，后期下降迅速;如果考慮巖石變形，曲線較凸，顯示出相同的壓降，超高壓氣藏的累積產氣量要大于常壓氣藏[5]。研究表明，氣井產量分配越高，巖石變形時地層壓力下降得越快;在穩產期，地層壓力幾乎呈線性下降。

5 結語

在考慮儲層裂縫和基質巖石變形的基礎上，建立了碳酸鹽巖氣藏高速非達西滲流模型以及數據模型，并以此進行了生產動態研究，分析了碳酸鹽巖超高壓氣藏氣井的開采特征。

[參考文獻]

[1]馬健，楊永華，何頌根，等.川西超深海相碳酸鹽巖超高壓分段酸壓技術實踐[J].鉆采工藝，2021（1）：57-60.

[2]張李，劉榮和，冷有恒，等.高壓-超高壓碳酸鹽巖氣藏滲流機理及開發特征—以阿姆河盆地M區為例[J].天然氣工業，2020（3）：92-98.

[3]王衛紅，劉傳喜，劉華，等.超高壓氣藏滲流機理及氣井生產動態特征[J].天然氣地球科學，2015（4）：725-732.

[4]賴楓鵬，李治平，郭艷東，等.川東北碳酸鹽巖氣藏巖石滲透率變化試驗[J].石油與天然氣地質，2012（6）：932-937.

[5]郭艷東.碳酸鹽巖超高壓氣藏數值模擬方法研究[D].北京：中國地質大學，2010.