碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏開發(fā)技術(shù)對策研究現(xiàn)狀

張 亮，高 妍，馮學(xué)銀，周 勝，吳玲敏，殷小喬

（1.中國石油長慶油田分公司第二采油廠，甘肅慶城 745100；2.中國石油長慶油田分公司長慶實業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西西安 710018；3.中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750001；4.中國石油集團(tuán)測井有限公司西南分公司，重慶 400021）

碳酸鹽巖氣藏作為世界非常規(guī)氣藏研究的大類之一，可采儲量全球占比高達(dá)45.6%，其中僅縫洞型氣藏一項占比就高達(dá)30.0%。碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏目前已成為我國陸上開發(fā)最有前景的氣藏類型，我國諸如塔里木盆地、四川盆地以及鄂爾多斯盆地皆發(fā)育該類型氣藏?？v觀全球碳酸鹽巖縫洞型氣藏開發(fā)史，底水的存在向來是實現(xiàn)氣田穩(wěn)產(chǎn)的一個難題，而探尋開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)與相應(yīng)的配套政策更是氣藏開發(fā)的核心。受強構(gòu)造改造、成巖作用及喀斯特作用的影響，造就了該類型氣藏極強的非均質(zhì)性和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分布，欠成熟的開發(fā)理論亦無形中增加了氣藏的開發(fā)難度。為推進(jìn)我國碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏天然氣的高質(zhì)量開發(fā)提供理論依據(jù)和決策支撐，研究對氣藏開發(fā)所面臨的困局與挑戰(zhàn)進(jìn)行總結(jié)的同時提出針對性的氣藏開發(fā)技術(shù)優(yōu)化對策，對氣藏整體開發(fā)方案的制定給出合理建議，通過技術(shù)的創(chuàng)新與優(yōu)化支撐碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏的高效開發(fā)。

1 碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏開發(fā)困局及對應(yīng)的技術(shù)優(yōu)化對策

針對碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏進(jìn)行開發(fā)技術(shù)優(yōu)化（圖1），是在氣藏安全生產(chǎn)的前提下，以提高碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏采收率為目標(biāo)，圍繞氣藏開發(fā)過程中普遍存在的困局與挑戰(zhàn)，通過分類總結(jié)的方式，綜合已開發(fā)碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏實例分析氣藏開發(fā)成功經(jīng)驗對氣藏高效開發(fā)提供可參考的技術(shù)優(yōu)化對策。

圖1 碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏開發(fā)困局及對應(yīng)的技術(shù)優(yōu)化對策思維導(dǎo)圖

1.1 針對氣藏普遍出水的技術(shù)優(yōu)化對策

全球已投產(chǎn)碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏中出水氣藏占比高達(dá)80%，由于底水與裂縫系統(tǒng)共存的特殊性，底水常以氣井水錐或裂縫水竄方式侵入氣層，導(dǎo)致水患問題嚴(yán)重。無論是由于構(gòu)造原因?qū)е碌臍獠匾娝€是長期開采造成的氣藏水侵，治水都是重中之重[1]。以2004 年投產(chǎn)的新疆和田河氣田為例[2]，該氣田作為塔里木盆地在克拉通地區(qū)探明的最大氣田，同時也是一個碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏，地質(zhì)探明儲量高達(dá)616.94×108m3，嚴(yán)重的氣井出水現(xiàn)象導(dǎo)致氣藏實際產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離預(yù)期，挖潛提產(chǎn)迫在眉睫。應(yīng)對氣田出水的傳統(tǒng)開發(fā)方式有七種，見表1，其中所涉技術(shù)經(jīng)多年實踐已基本實現(xiàn)工藝成熟，但結(jié)合至和田河氣田的實際產(chǎn)況與地層特點，充足的外來水源可對氣藏持續(xù)性補水，若在不切斷外源的情況下僅用傳統(tǒng)方法開采，氣藏采收率會遠(yuǎn)低于預(yù)期，還需對傳統(tǒng)開發(fā)方式進(jìn)行針對性的技術(shù)優(yōu)化[3-5]。

表1 氣藏治水的開發(fā)方式與應(yīng)用實例統(tǒng)計表

和田河氣田治水整體采用“采、阻、排”綜合開采法，見表2，助排方法的選擇需根據(jù)產(chǎn)水氣田的具體特征進(jìn)行綜合考慮，在提高井底能量、排出井底積液整體思路的基礎(chǔ)上優(yōu)化已有技術(shù)，對傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行“推陳出新”的改造，在安全生產(chǎn)的前提下實現(xiàn)了氣田高產(chǎn)，經(jīng)實踐證明效果良好。

表2 “采、阻、排”綜合開采法在和田河氣田的技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用統(tǒng)計表

1.2 針對復(fù)雜構(gòu)造條件的技術(shù)優(yōu)化對策

受縛于傳統(tǒng)技術(shù)限制，技術(shù)優(yōu)化雖然可以在一定程度上提高氣藏產(chǎn)能，但應(yīng)對不同規(guī)模、不同地況氣藏，依舊難以實現(xiàn)高效開發(fā)。部分深埋藏、強構(gòu)造改造、縫洞系統(tǒng)復(fù)雜且地表環(huán)境惡劣的碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏，例如塔里木盆地塔中1 號[6]，由于地表覆蓋巨厚型沙丘，儲層埋藏超深且構(gòu)造條件復(fù)雜，導(dǎo)致氣藏長期面臨描述難、部署難、開發(fā)難的問題，實際投產(chǎn)后的開采率遠(yuǎn)低于預(yù)期。為實現(xiàn)高效開發(fā)，開發(fā)者嘗試采取了一系列“因地制宜”的技術(shù)創(chuàng)新[7]。從觀察系統(tǒng)設(shè)計到采集三維地震資料，使用“兩寬一高”新技術(shù)提高成像質(zhì)量，井震新技術(shù)結(jié)合精細(xì)雕刻氣田縫洞體，動靜態(tài)結(jié)合精準(zhǔn)落實氣水關(guān)系等，實施的新技術(shù)見表3。

表3 塔里木盆地塔中1 號“因地制宜”開發(fā)新技術(shù)列表

通過“因地制宜”的技術(shù)創(chuàng)新，解決了塔中1 號縫洞體精細(xì)描述難度大，縫洞體三維空間歸位不準(zhǔn)確的問題，實現(xiàn)了井位優(yōu)化部署。不難發(fā)現(xiàn)，塔中1 號的開發(fā)并非根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗循規(guī)蹈矩，而是根據(jù)塔中1 號當(dāng)?shù)貙嶋H儲層特征、井周地應(yīng)力場分布、儲層標(biāo)定、井壁垮塌情況及天然裂縫發(fā)育情況等綜合考量的結(jié)果[8]，創(chuàng)新技術(shù)不僅克服了氣田大沙漠環(huán)境的影響，解決了埋藏極深、非均質(zhì)性極強等不利儲層條件帶來的挑戰(zhàn)，更是實現(xiàn)了提產(chǎn)方案的最優(yōu)化[9-11]。

1.3 對氣藏高含硫性的技術(shù)優(yōu)化對策

氣藏的高含硫性會腐蝕氣藏管道設(shè)備，加劇地災(zāi)破壞的同時導(dǎo)致危廢處理問題，對環(huán)境保護(hù)和生產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。以世界最大含硫氣田俄羅斯阿斯特拉罕氣田為例[12]，針對氣藏由于天然氣含硫在鉆、采、輸過程中造成的安全問題，開發(fā)者“對癥下藥”的采用了脫硫工藝，在設(shè)備防腐的大前提下制定針對性的、可以適應(yīng)氣藏高溫高壓高酸性條件的開發(fā)技術(shù)，通過技術(shù)變革形成了一套國際領(lǐng)先的酸性氣田開發(fā)經(jīng)驗技術(shù)[13]，見表4。通過合理的除硫方法對硫沉積早預(yù)防、早治理，既經(jīng)濟(jì)安全、簡便環(huán)保，又能夠有效降低硫微粒沉積的發(fā)生概率和發(fā)生速率，在阿斯特拉罕氣田已經(jīng)初見成效。

表4 俄羅斯阿斯特拉罕酸性氣田開發(fā)經(jīng)驗技術(shù)列表

1.4 對氣藏異常高壓的技術(shù)優(yōu)化對策

世界現(xiàn)存超壓盆地中含油氣盆地占比超過86%，異常高壓氣藏在構(gòu)造垂向上往往具有多套儲層的特性，嚴(yán)重影響地質(zhì)勘探活動的同時造成氣藏工程方面的各種問題。以壓力系數(shù)高達(dá)2.022 的塔里木盆地克拉2 氣田為例[14]，傳統(tǒng)的衰竭式開發(fā)會降低其地層壓力，使巖石發(fā)生不可逆的彈、塑性形變，導(dǎo)致氣藏產(chǎn)能降低[15-16]。對于這種特殊性極強的多層組氣藏，最佳的開采方式是在遵循層系與層系之間存在隔層和地層壓差；劃分層系具有一定的儲量和產(chǎn)能；同一層系在構(gòu)造形態(tài)、儲層性質(zhì)、壓力系統(tǒng)、油水邊界上具有一致性的三大原則背景下，合理確定開發(fā)技術(shù)界限，將克拉2 氣田產(chǎn)氣層系自上而下分為三套：古近系砂質(zhì)白云巖段（k）；古近系第砂巖段+白堊系巴什基奇組（k+K1bs）；白堊系巴西蓋組（K1bx），氣藏開發(fā)層系主要劃分方式見表5。

由于這三套產(chǎn)氣層系具有統(tǒng)一的天然氣性質(zhì)、氣水界面（-2 468 m）、溫度（地溫梯度2.425 ℃）和壓力系統(tǒng)（壓力系數(shù)2.022），合采方案具有一定的可行性。但考慮到這三套產(chǎn)氣層系之間均有隔層出現(xiàn)，也不排除獨立生產(chǎn)的可能。通過層系對比分析發(fā)現(xiàn)，相較于k+K1bs，k、K1bx 兩層段均具有儲量小、厚度小、豐度低的特點，若單獨設(shè)立開發(fā)層系，物質(zhì)基礎(chǔ)過于薄弱。綜上，應(yīng)對克拉2 氣田的開發(fā)，應(yīng)當(dāng)遵循以k+K1bs 為主要開發(fā)層系，k 和K1bx 為產(chǎn)量接替層的層系劃分與組合原則。

1.5 對氣藏開發(fā)理論和開發(fā)模式不健全的技術(shù)優(yōu)化對策

雖然前人已對碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏展開大量研究，但由于碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏的特殊性，表現(xiàn)出“基于開發(fā)技術(shù)進(jìn)步的開發(fā)實踐快于開發(fā)理論研究”的發(fā)展特點。目前欠成熟的開發(fā)理論大多來源于實踐，未形成可直接參考的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且仍缺乏針對此類氣藏成熟的開發(fā)理論和開發(fā)技術(shù)。因此，有必要結(jié)合已投產(chǎn)碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏的生產(chǎn)實際與開發(fā)實踐進(jìn)行總結(jié)，健全該類氣藏的開發(fā)模式。以俄羅斯奧倫堡氣田為例[17]，作為蘇聯(lián)十大氣田之一，該氣田自1974 年投產(chǎn)之初便十分注重儲備科研力量和人才培養(yǎng)，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)與實驗基地建設(shè)完整，有36 個科研院校和設(shè)計單位的研究人員集中于此，共同學(xué)習(xí)開發(fā)經(jīng)驗，引進(jìn)創(chuàng)新技術(shù)，為氣田開發(fā)奠定了科研基礎(chǔ)。50 余年的發(fā)展，奧倫堡氣田通過180 口氣井和36 口探氣井試驗，已經(jīng)形成了一套國際領(lǐng)先的酸性、凝析油氣田開發(fā)的經(jīng)驗技術(shù)及經(jīng)驗總結(jié)[17-18]，見表6。對于我國已經(jīng)成功開發(fā)的氣藏，應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)其開發(fā)方式，參考其開發(fā)模式，借鑒其開發(fā)經(jīng)驗，幫助預(yù)判氣田建設(shè)中可能出現(xiàn)的問題，實現(xiàn)早預(yù)防，早治理，保證氣藏高效開發(fā)。

表6 奧倫堡氣田開發(fā)經(jīng)驗總結(jié)表

2 氣藏整體開發(fā)方案制定的重要性

氣藏開發(fā)所遇問題往往不會單獨出現(xiàn)，除了針對碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏開發(fā)面臨的困局進(jìn)行一對一解決之外，擁有一個氣藏整體開發(fā)的全局觀更是重中之重。合理開發(fā)方案的制定對于氣藏開發(fā)有舉足輕重的作用，對于壓力系統(tǒng)復(fù)雜、出水原因不單一、開發(fā)困難且伴有一定安全生產(chǎn)隱患的碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏[19]，整體開發(fā)方案的優(yōu)劣決定了氣田的開發(fā)基礎(chǔ)。原則上，綜合氣藏整體開發(fā)方案的設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循以市場為導(dǎo)向，以提高經(jīng)濟(jì)效益為核心，在提高產(chǎn)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行安全生產(chǎn)，具體要求見圖2。

圖2 碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏開發(fā)方案設(shè)計原則指示圖

以威遠(yuǎn)氣田震旦系氣藏開發(fā)方案的制定為例[20]，對氣藏整體開發(fā)方案的確定流程進(jìn)行說明。威遠(yuǎn)氣田震旦系氣藏是我國20 世紀(jì)90 年代前陸上天然氣探明儲量最大的氣藏，但由于水竄現(xiàn)象的存在，自1968 年投產(chǎn)以來氣藏產(chǎn)氣量便呈逐年遞減趨勢。為了恢復(fù)其氣藏產(chǎn)能，需要對其原有的氣藏開發(fā)方案進(jìn)行合理化改進(jìn)[21]。在上述開發(fā)方案設(shè)計原則的約束下，威遠(yuǎn)氣田震旦系氣藏首先通過野外踏勘收集資料分析采集數(shù)據(jù)對其開發(fā)層系進(jìn)行劃分，通過對其各個氣層的地質(zhì)特征、壓力系統(tǒng)、流體性質(zhì)等數(shù)據(jù)因素綜合分析，發(fā)現(xiàn)該氣藏含氣儲層皆共屬于一個壓力系統(tǒng)，考慮采用合采的開發(fā)方案。通過分析氣藏開發(fā)的各項指標(biāo)結(jié)合氣藏已處于開發(fā)中后期的開發(fā)現(xiàn)實，選擇衰竭式開發(fā)方式[22]。在井網(wǎng)形式選擇上，選擇均勻井網(wǎng)，遵照“三占三沿”原則，對生產(chǎn)有利部位進(jìn)行開發(fā)井部署，最終形成以小井距（700～800 m），近似菱形的不規(guī)則井網(wǎng)，500～800 m 井段為長度的水平井進(jìn)行排水、采氣。儲量擬合采用數(shù)值模擬技術(shù)（相對誤差0.64%），證明模擬結(jié)果可靠。通過對開發(fā)指標(biāo)進(jìn)行對比以及經(jīng)濟(jì)評估綜合優(yōu)選氣藏開發(fā)方案，確定常規(guī)井聯(lián)合部署水平井為威遠(yuǎn)氣田震旦系氣藏的最終開發(fā)方案。對威遠(yuǎn)氣田震旦系氣藏開發(fā)方案的制定流程進(jìn)行了總結(jié)和展示（表7），對于其他同類型氣藏開發(fā)方案的制定具有一定的借鑒價值。

表7 氣藏開發(fā)方案制定流程表

3 結(jié)論與建議

（1）碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏開發(fā)過程中出現(xiàn)的問題可歸納為氣田出水、構(gòu)造復(fù)雜、氣藏含硫、異常高壓、開發(fā)經(jīng)驗匱乏五大方面，不同的開發(fā)問題導(dǎo)致不同的開發(fā)困境，不同的開發(fā)困境對應(yīng)不同的開發(fā)對策，實際開發(fā)過程中，開發(fā)者需根據(jù)開發(fā)問題的不同與開發(fā)階段的差異進(jìn)行篩查。

（2）開發(fā)技術(shù)需要在進(jìn)行優(yōu)化、創(chuàng)新與改造的基礎(chǔ)上才能滿足開發(fā)的需要。在安全生產(chǎn)的前提下，開發(fā)者可以借鑒前人的氣藏開發(fā)經(jīng)驗，綜合當(dāng)?shù)貙嶋H儲層特征進(jìn)行考量，因地制宜，對癥下藥，通過多學(xué)科融合與多技術(shù)加持的方式，實現(xiàn)提產(chǎn)方案的最優(yōu)化。

（3）面對開發(fā)困境復(fù)雜的碳酸鹽巖縫洞型底水氣藏，確定合理的開發(fā)方案是順利開發(fā)的基礎(chǔ)。氣藏整體開發(fā)方案的確定需要在遵循一定設(shè)計原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)?；芾硪约巴陚涞臍馓镩_采流程設(shè)計，在合理化原有氣藏開采方案的基礎(chǔ)上敲定最優(yōu)開發(fā)方案。該設(shè)計思路同樣適用于其他類型氣藏。