王文舉，潘少杰，李壽軍，高星星

(中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室，北京 102249)

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致密氣藏高低壓多層合采物理模擬研究

王文舉，潘少杰，李壽軍，高星星

(中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室，北京 102249)

摘要：針對存在縱向?qū)娱g壓差的致密氣藏，建立了地質(zhì)模型和物理模型，模擬致密氣藏多層合采的衰竭開采過程，進行層間干擾、氣層供氣特征、產(chǎn)能變化規(guī)律等研究。模擬結(jié)果顯示，滲透率差異不大的高、低壓氣層進行合采時，不同壓力氣層具有明顯的層間干擾，高壓氣層天然氣通過井筒向低壓氣層倒灌。高、低壓氣層的最終采收率不受初期配產(chǎn)和初始壓差影響。生產(chǎn)初期，高壓氣層瞬時產(chǎn)氣量較高，大于初期配產(chǎn)，低壓氣層瞬時產(chǎn)氣量為負值，隨后高壓氣層瞬時產(chǎn)氣量減小，低壓氣層瞬時產(chǎn)氣量增大，最后兩者趨于一致。生產(chǎn)末期總產(chǎn)氣量貢獻率受初始壓差和初期配產(chǎn)影響較小，高壓氣層貢獻率大于低壓氣層。模擬證實，多層合采比單層開采具有更強的穩(wěn)產(chǎn)能力，產(chǎn)量高，滿足合采條件時盡可能進行合采。但開發(fā)中需將縱向?qū)娱g初始壓差控制在一定范圍內(nèi)，減小層間干擾。

關(guān)鍵詞：致密氣藏;層間壓差;配產(chǎn);層間干擾;多層合采

氣田通常具有多個含氣層系，對于物性較差、非均質(zhì)性較強的氣藏，多層合采是常用的高效開發(fā)手段[1-3]。然而由于不同地區(qū)砂體規(guī)模、砂體連通性、儲層壓力、地層流體等均存在差異，多層合采的生產(chǎn)動態(tài)較為復(fù)雜[4]，目前主要通過數(shù)值模擬、試井分析、物理模擬實驗等方法研究生產(chǎn)特征，其中實驗方法模擬氣藏生產(chǎn)特征更加直觀、可靠。

針對致密砂巖氣藏地質(zhì)及生產(chǎn)特征建立地質(zhì)模型和物理模型，模擬致密砂巖氣藏衰竭開采過程，獲得高、低壓多層合采的壓力傳播特征、瞬時產(chǎn)氣量規(guī)律和產(chǎn)氣貢獻。通過分析高、低壓氣層的生產(chǎn)動態(tài)，明確多層合采時層間干擾與單氣層的供氣特征，對提高致密砂巖氣藏縱向動用程度、穩(wěn)產(chǎn)能力及其采收率具有重要意義。

1 實驗原理

1.1 地質(zhì)模型

實驗?zāi)M地區(qū)為蘇里格，該區(qū)受辮狀河三角洲沉積環(huán)境影響，儲集砂體縱向上多期疊置、橫向上連續(xù)性差、有效砂體規(guī)模小，非均質(zhì)性強[5]。為描述縱向上致密砂巖存在不同壓力系統(tǒng)時的供氣機理，建立蘇里格氣田單井“一井多層”地質(zhì)模型(圖1)。

1.2 物理模型

根據(jù)致密氣藏儲層特征及地質(zhì)模型，采用等滲透率巖心進行并聯(lián)組合，建立縱向非均質(zhì)高、低壓氣層“并聯(lián)”物理模型。

充分考慮實驗的可操作性和可重復(fù)性，采用雙巖心夾持器并聯(lián)，設(shè)計組裝了縱向非均質(zhì)多級滲流實驗流程(圖2)。流程中主要包括氮氣瓶、閥門、巖心夾持器、圍壓泵、壓力傳感器、流量計、流量控制器等。

實驗考慮了滲透率、流量及層間壓差相似性。

1.2. 1 滲透率相似

氣藏分類標準(SY/T 6168—1995)和油氣儲層評價方法(SY/T 6285—1997)規(guī)定，砂巖儲層空氣滲透率不大于1mD的氣藏為致密氣藏。依據(jù)蘇里格地區(qū)儲層物性，選擇物性相近的巖心進行組合(表1)。

表1　高、低壓氣層滲流模擬實驗方案表

注：這里只是研究不同壓力，理論上要求是相同物性巖心。

1.2.2 流量相似

實驗根據(jù)不同模型的巖心滲透率組合，充分考慮氣井的不同產(chǎn)量，選定流量范圍為40mL/min、60mL/min、80mL/min，根據(jù)不同模型和實驗?zāi)康倪M行調(diào)整，充分模擬井筒附近儲層的滲流流量。

1.2.3 層間壓差相似

參照蘇里格氣田儲層物性特征及其縱向連通性進行不同初始壓差的模型組合。

2 實驗方法

2.1 實驗步驟[6]

(1) 并聯(lián)法連接好實驗流程。

(2) 對高、低壓氣層巖心進行飽和氣，高壓層初始壓力控制在5MPa左右，低壓層初始壓力分別控制在4.0MPa、3.0MPa、2.0MPa。

(3) 巖心飽和氣完畢，關(guān)閉氮氣瓶入口閥門，通過流量控制器控制出口流量(設(shè)計初期配產(chǎn)分別為80mL/min、60mL/min、40mL/min)進行衰竭生產(chǎn)，模型出口無回壓控制。

(4) 定時記錄每個氣層的壓力、時間、瞬時產(chǎn)氣量和累計產(chǎn)氣量。

(5) 高滲氣層壓力為0.3MPa時，瞬時產(chǎn)氣量只有4mL/min左右，所以取0.3MPa作為實驗廢棄壓力(氣體流量已經(jīng)很小，認為此時可停止生產(chǎn))，實驗結(jié)束。

(6) 實驗在常溫條件下進行。

2.2 實驗方案

選擇相同滲透率的巖心進行組合，設(shè)計3種初始壓差，3種配產(chǎn)，共計9個實驗方案(表1)。

3 結(jié)果分析

物理模擬實驗可以獲得各個時間點的壓力、采收率、瞬時產(chǎn)氣量及產(chǎn)量貢獻率等參數(shù)，通過數(shù)據(jù)處理和分析，對高、低壓氣層的壓力變化規(guī)律、采收率、產(chǎn)量貢獻率和層間干擾等問題進行研究，為制訂合理的生產(chǎn)措施提供依據(jù)[7]。

3.1 壓力變化規(guī)律

由圖3可知：滲透率差異不大的高、低壓氣層進行合采時，初始階段，高壓氣層壓力迅速下降，低壓氣層壓力先上升后下降，達到某一臨界點時兩氣層壓力趨于一致，說明合采過程中不同壓力氣層具有明顯的層間干擾，實際生產(chǎn)中表現(xiàn)為高壓氣層天然氣通過井筒向低壓氣層倒灌。

3.2 采收率評價

依據(jù)物質(zhì)平衡方程，采用壓降法[8]計算理論采收率ER。

(1)

式中pi——氣層初始壓力，MPa；

pt——t時刻氣層壓力，MPa。

對滲透率組合為0.1164mD/0.1166mD的模型按公式(1)計算不同氣層生產(chǎn)早期、穩(wěn)產(chǎn)期及廢棄時的最終采收率并進行評價。

3.2.1 初期配產(chǎn)對采收率的影響

由圖4可知，初始壓差Δp一定時，增大初期配產(chǎn)有助于增大生產(chǎn)早期采收率，其中低壓氣層生產(chǎn)早期采收率增長幅度較大；穩(wěn)產(chǎn)期末采收率隨初期配產(chǎn)增加而降低；最終采收率不受初期配產(chǎn)影響。因此合理初期配產(chǎn)需考慮氣田實際生產(chǎn)需求。

3.2.2 初始壓差對采收率的影響

由圖5可知，當初期配產(chǎn)Q一定時，高壓氣層采收率幾乎不受初始壓差影響；低壓氣層采收率與初始壓差的關(guān)系表現(xiàn)為：初始壓差增大，生產(chǎn)早期及穩(wěn)產(chǎn)期末采收率降低，最終采收率基本不變。層間初始壓差是影響氣層能否合采的主要因素[9]，氣田實際開發(fā)中，為避免壓差過大引起的動用不均衡，應(yīng)選擇合理合采時機。壓差較大時，低壓氣層生產(chǎn)早期及穩(wěn)產(chǎn)期采收率較低，可以得出壓差較大時不利于合采，壓差過大時應(yīng)先開采高壓氣層，待高低壓地層壓差降低到一定值時再進行合采。

3.3 產(chǎn)氣量特征

3.3.1 瞬時產(chǎn)氣量

由圖6可以推斷，不同壓力氣層合采時層間具有明顯的干擾，生產(chǎn)初期，高壓氣層具有較高的瞬時產(chǎn)氣量，大于初期配產(chǎn)，而低壓氣層瞬時產(chǎn)氣量為負值，隨著高壓氣層瞬時產(chǎn)氣量減小，低壓氣層瞬時產(chǎn)氣量增大，最后趨于一致。

3.3.2 總產(chǎn)氣量貢獻率

由圖7可知，生產(chǎn)初期，高壓氣層總產(chǎn)氣量貢獻率大于100%，對產(chǎn)能起主導(dǎo)作用；初始壓差越大，初期配產(chǎn)越大，生產(chǎn)初期高壓氣層貢獻率越大，低壓氣層總產(chǎn)氣量貢獻率越?。簧a(chǎn)末期，總產(chǎn)氣量貢獻率受初始壓差和初期配產(chǎn)影響較小，但高壓氣層大于低壓氣層。因此，生產(chǎn)初期適當減小生產(chǎn)壓差、增大初期配產(chǎn)，有助于減小層間干擾，增大低壓氣層動用程度。

3.4 生產(chǎn)動態(tài)特征

高壓氣層初始壓力為5MPa，初期配產(chǎn)Q為80mL/min，模擬單層開采；低壓氣層初始壓力為4MPa，初期配產(chǎn)Q為80mL/min，模擬單層開采。與合采模擬結(jié)果相比(圖8)，單層開采穩(wěn)產(chǎn)時間短，穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束后，由于單層供氣能量小，產(chǎn)量下降快；多層合采能保持較高的產(chǎn)量，穩(wěn)產(chǎn)能力強，穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束后多層合采產(chǎn)量也比單層開采產(chǎn)量高。因此，為了提高單井產(chǎn)量，降低開發(fā)成本，在滿足條件時應(yīng)進行多層合采[10-11]。

4 結(jié)論

(1) 致密氣藏高、低壓氣層合采時，會發(fā)生層間干擾，減小兩層間初始壓差、增大初期配產(chǎn)有助于減小層間干擾。

(2) 致密氣藏高、低壓氣層合采時，生產(chǎn)早期采收率受初期配產(chǎn)影響，初期配產(chǎn)高采收率大；低壓氣層采收率受初始壓差影響，而高壓氣層采收率幾乎不受其影響。高、低壓氣層最終采收率不受初期配產(chǎn)和初始壓差影響。

(3) 初始壓力差異較大的致密氣層容易產(chǎn)生層間干擾，不宜進行合采，氣田實際開發(fā)中應(yīng)將層間縱向初始壓差控制在一定范圍內(nèi)時進行合采。

(4) 定產(chǎn)量生產(chǎn)時，多層合采比單層開采具有較強的穩(wěn)產(chǎn)能力，穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束后產(chǎn)量也高，因此在滿足多層合采條件下盡可能進行多層合采。

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Physical Simulation of High-pressure and Low-pressure Multilayer Production of Tight Gas Reservoir

Wang Wenju, Pan Shaojie, Li Shoujun，Gao Xingxing

(MOEKeyLaboratoryofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

Abstract:For the tight gas reservoir with interlayer pressure differential vertically, we built a geological model and a physical model to simulate the depletion process of tight gas reservoir, and probed into the interlayer interference, gas supply characteristics, and productivity variation. Simulation results revealed that interlayer interference was obvious in the gas layers of different pressure, and the natural gas flowed from high-pressure gas layers to low-pressure ones through well bore, when conducting commingling production in high and low pressure gas layers with low permeability contrast. The ultimate recovery of high and low pressure gas layers was not influenced by initial production allocation and initial pressure difference. At initial stage of production, instantaneous gas production was higher and bigger than initial production allocation in high pressure layers, while that of low pressure layers was negative. After then, the instantaneous gas production of high pressure layers declined, and that of low pressure ones increased. Finally, both showed no difference. At the end of production, contribution rate of total gas production was less affected by initial pressure differential and initial production allocation, and the contribution rate of high pressure gas layers was higher than low pressure ones. Simulation proved that the productivity was more stable and higher by means of multilayer production as compared with single-layer production. Therefore, multilayer production should be more employed if feasible. Nevertheless, the vertical interlayer initial pressure differential had to be controlled within limits during development, so as to reduce interlayer interference.

Key words:tight gas reservoir; interlayer pressure differential; production allocation; interlayer interference; multilayer production

基金項目:致密氣藏滲流機理研究項目(2012-8070)資助。

第一作者簡介：王文舉(1992年生)，男，碩士，研究方向為油氣田開發(fā)。郵箱: wangwenju322@126.com。

中圖分類號：TE377

文獻標識碼:A