張勇年 連運(yùn)曉 顧端陽(yáng) 馬元琨 李雪琴 劉國(guó)良

（中國(guó)石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院，甘肅 敦煌 736202）

0 引言

氣藏后期開發(fā)主要面臨的對(duì)象和難題就是剩余氣量，受構(gòu)造、沉積微相、儲(chǔ)層非均質(zhì)性、開發(fā)井網(wǎng)以及工藝技術(shù)水平等多因素共同影響，導(dǎo)致剩余氣分布較為復(fù)雜，如何精確描述剩余氣富集區(qū)分布狀態(tài)，掌握剩余氣分布規(guī)律，弄清氣層的開發(fā)潛力，可有效提高儲(chǔ)量動(dòng)用程度，為氣藏下一步持續(xù)挖潛提供方向。目前對(duì)于剩余氣的研究方法主要有精細(xì)構(gòu)造研究法、沉積微相研究法、小層儲(chǔ)量評(píng)價(jià)法、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)法、采出量估算法、隨機(jī)建模和數(shù)值模擬等方法，而能夠較為準(zhǔn)確描述低滲砂巖氣藏剩余氣分布的研究方法主要是動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)法和數(shù)值模擬法［1-13］。綜合文獻(xiàn)調(diào)研情況來看，數(shù)值模擬技術(shù)能綜合反映開發(fā)過程中氣藏諸多動(dòng)態(tài)特征的變化情況，是一種十分有效的剩余氣研究手段［14］，它可表征不同時(shí)期剩余氣地質(zhì)儲(chǔ)量、剩余氣飽和度、地層壓力及潛力區(qū)的儲(chǔ)量豐度，分析剩余氣分布及其控制因素，為提出針對(duì)性挖潛措施奠定基礎(chǔ)［15］。因此采用數(shù)值模擬方法來研究邊水氣藏的氣水運(yùn)動(dòng)規(guī)律和剩余氣分布特征。

1 區(qū)域概況

柴達(dá)木盆地澀北氣田屬于第四系生物成因氣藏，為一套完整、無斷層發(fā)育的背斜構(gòu)造，儲(chǔ)層具有高孔、中-低滲的特點(diǎn)，巖性以含泥粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，夾少量細(xì)砂巖，碎屑顆粒膠結(jié)程度低、欠壓實(shí)、易松散，蓋層為泥巖層，氣田具有含氣井段長(zhǎng)、氣層薄而多、氣水層間互、地層膠結(jié)疏松和氣水界面復(fù)雜等特點(diǎn)，成藏期較晚，儲(chǔ)層和隔夾層均富含可動(dòng)水，層間發(fā)育有獨(dú)立的水層，氣藏外圍存在大范圍的邊水，屬典型多層疏松砂巖出水氣藏。所研究的第四系III-3層組（以下簡(jiǎn)稱III-3層組）為澀北一號(hào)氣田地質(zhì)儲(chǔ)量相對(duì)較大、采出程度較高、邊水水侵較嚴(yán)重的的主力開發(fā)層組，III-3層組共包含4個(gè)小層、9個(gè)砂體，平均埋深為1 248.3～1 293.9 m，小層厚度為11.6～15.6 m，單砂體厚度在1.8～5.4 m 范圍內(nèi)，孔隙度分布范圍為8.3%～38.6%，平均為30.95%，滲透率分布范圍0.01～387 mD，平均為24.32 mD，地質(zhì)儲(chǔ)量為101.87 × 108m3，可采儲(chǔ)量為56.95 × 108m3，目前生產(chǎn)井?dāng)?shù)為22 口，平均單井日產(chǎn)氣量為1.82 × 104m3／d，平均單井日產(chǎn)水量為2.18 m3／d，年水氣比為1.44 m3／104m3，原始地層壓力為15.2 MPa，目前地層壓力為6.76 MPa，采出程度為25.57%，水侵問題較為突出。

2 模型建立

采用Petrel軟件構(gòu)造建模方法，建立澀北一號(hào)氣田III-3層組三維地質(zhì)模型，包含18個(gè)層面，17個(gè)層（其中9 個(gè)砂體，8 個(gè)夾層），平面網(wǎng)格精度為20 m ×20 m，網(wǎng)格縱向步長(zhǎng)為砂體厚度，地質(zhì)模型網(wǎng)格數(shù)為438 × 375 × 17＝2 792 250 個(gè)。考慮到該氣田為典型干氣氣藏，不含揮發(fā)油，有地層水產(chǎn)出，且無裂縫斷層發(fā)育，故本次模擬模型采用三維兩相單一介質(zhì)黑油模型，模擬器采用Eclipse中黑油模型E100模塊。數(shù)值模型建立過程中存在兩個(gè)問題：①如何去界定水體大小；②目前的氣水相滲曲線是否適用。

2.1 水體大小

澀北氣田是一個(gè)邊水環(huán)繞的氣藏，水體大小會(huì)直接影響氣藏水侵的活躍程度。對(duì)于澀北氣田這類多層疏松砂巖氣藏，氣藏衰竭式開采，水體可及時(shí)補(bǔ)充地層能量，使氣井有較長(zhǎng)的穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間；但當(dāng)水體能量增大到一定程度時(shí)，隨著氣井的繼續(xù)生產(chǎn)，邊水易沿著高滲透帶進(jìn)入氣藏主體，造成氣藏全面水侵，氣井大量見水，產(chǎn)量快速下降，邊水水體能量越大，氣井后期出水越嚴(yán)重。所以在數(shù)模歷史擬合過程中，對(duì)于邊水水體大小的設(shè)置，需要依據(jù)氣井實(shí)際開發(fā)情況合理界定。采用van Everdingen-Hurst方法［16］來計(jì)算水侵量具體的計(jì)算步驟如下：

1） 計(jì)算水侵系數(shù)B：

2） 計(jì)算每個(gè)時(shí)間段的平均壓力：

3） 計(jì)算每個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)的無因次時(shí)間：

4） 計(jì)算每個(gè)時(shí)間段的無因次時(shí)間tD所對(duì)應(yīng)的無因次累計(jì)水侵量qD（tD）：

5） 計(jì)算水侵量：

式中，B 為水侵系數(shù)，m3／MPa；Ct為總壓縮系數(shù)，MPa-1；θ為水侵角，度；K為滲透率，D；h為儲(chǔ)層厚度，m；p 為地層壓力，MPa；ro為氣藏半徑，m；re為水體半徑，m；rD為水體與氣藏半徑比，小數(shù)；t我生產(chǎn)時(shí)間，天；μw為水黏度，mPa·s； φ 為孔隙度，小數(shù)；其中α1、α2、J0、J1為過程參數(shù)。

將水驅(qū)氣藏的物質(zhì)平衡方程式變形為：

定義水侵常數(shù)C，將水侵量的表達(dá)式轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

那么van Everdingen-Hurst方程可以寫成以下形式：

將上式代入變形后的水驅(qū)氣藏物質(zhì)平衡方程可得：

上式可知，在水體大小和生產(chǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的時(shí)候，（GpBg+WpBw）／（Bg-Bgi）與ΣΔpiq（tn-ti-1）D／（Bg-Bgi）在直角坐標(biāo)系中呈直線關(guān)系，直線的斜率為水侵常數(shù)C，截距為動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量G，若水體大小不準(zhǔn)確時(shí)，直線將會(huì)彎曲。這里做Ⅲ-3 層組8 個(gè)不同方向的10、20、30、50、150倍水體的物質(zhì)平衡指示曲線。

從III-3 層組不同水體的指示曲線（圖1）中可以看出，30 倍水體的儲(chǔ)量擬合曲線的擬合度要好于其他倍數(shù)的水體，其他倍數(shù)的儲(chǔ)量擬合曲線有不同程度的彎曲，從各方向擬合度匯總表（見表1）上可以看到，所有方向的擬合度均在30倍水體時(shí)最高，所以可以認(rèn)為III-3層組的水體大小接近30倍水體。

2.2 滲吸相滲

澀北一號(hào)氣田一般所采用的氣水相滲曲線是在澀3-15 井巖心樣品相滲實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過生產(chǎn)動(dòng)態(tài)擬合調(diào)整所得的，氣水相滲曲線中殘余氣飽和度一般在10%～20%之間，但根據(jù)近兩年現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水侵層取心樣品分析和PNN 中子飽和度測(cè)試結(jié)果認(rèn)為，水侵區(qū)殘余氣飽和度為32%左右。參考類似氣藏—— T氣藏殘余氣飽和度實(shí)驗(yàn)研究成果（圖2），認(rèn)為殘余氣飽和度與初始含氣飽和度有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究區(qū)塊的原始含氣飽和度一般都在50%～70%，據(jù)此判斷殘余氣飽和度在30%左右。

圖1 北翼不同水體指示曲線圖

表1 澀北一號(hào)氣田Ⅲ-3層組各方向擬合度匯總表

圖2 T氣藏殘余氣飽和度與原始含氣飽和度關(guān)系曲線圖（實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)）

澀北氣田水侵主要為邊水緩慢推進(jìn)，局部沿高滲帶快速舌進(jìn)的方式，III-3層水侵速度為3.07 × 10-6m／s，計(jì)算毛細(xì)管數(shù)Nc為4.23 × 10-8，由于Nc小于1.00 × 10-6，所以在水侵的過程中，毛細(xì)管力對(duì)排驅(qū)起支配作用，因此對(duì)之前的氣水相滲進(jìn)行局部修改完善，得到本次模擬采用的滲吸氣水兩相相對(duì)滲透率曲線（圖3），此相滲曲線更符合實(shí)際情況。

圖3 III-3層組氣水兩相相對(duì)滲透率曲線圖

氣井采用定產(chǎn)氣量方式擬合，通過對(duì)比可以看出，采用滲吸相滲擬合的結(jié)果要遠(yuǎn)優(yōu)于驅(qū)替相滲擬合結(jié)果，其壓力和出水?dāng)M合效果提高顯著（見圖4），同時(shí)對(duì)邊水的模擬更加均衡。

3 剩余氣分布研究

3.1 剩余氣分布規(guī)律

從III-3 層組各單砂體原始儲(chǔ)量豐度與目前剩余氣儲(chǔ)量豐度對(duì)比情況來看，剩余氣分布與原始儲(chǔ)量豐度、開發(fā)程度、水侵程度等多種因素都有關(guān)系，剩余氣分布主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①構(gòu)造高部位是剩余氣分布的主要區(qū)域之一。從各個(gè)單砂體原始儲(chǔ)量豐度與目前儲(chǔ)量豐度的對(duì)比情況來看，大部分氣層的構(gòu)造高部位都有一定規(guī)模的剩余氣。這主要與氣藏構(gòu)造簡(jiǎn)單、斷層不發(fā)育有關(guān)，另外，高部位距離邊水距離也較遠(yuǎn)，而水侵方式主要是邊水整體平行推進(jìn)，高部位基本不受水侵影響。因此，總體來看，高部位剩余氣儲(chǔ)量豐度一般高于邊部。②原始儲(chǔ)量豐度高是剩余氣富集的基礎(chǔ)。原始儲(chǔ)量豐度較高的區(qū)域，如果開發(fā)程度不高，一般來說剩余氣儲(chǔ)量豐度較高。而原始儲(chǔ)量豐度較低的區(qū)域，無論開發(fā)程度高或者低，剩余氣儲(chǔ)量豐度都較低。也就是說，原始儲(chǔ)量豐度高是剩余氣富集的基礎(chǔ)。③開發(fā)程度與水侵程度對(duì)剩余氣的分布有著重要影響。從目前剩余氣儲(chǔ)量豐度分布情況來看，開發(fā)程度較低的區(qū)域剩余氣儲(chǔ)量相對(duì)較多，而開發(fā)程度較高的區(qū)域相對(duì)較少。剩余氣儲(chǔ)量豐度還受到水侵強(qiáng)弱的影響，在開發(fā)井較少的區(qū)域，由于受水侵嚴(yán)重，剩余氣儲(chǔ)量也相對(duì)較少。

3.2 剩余氣分類評(píng)價(jià)

根據(jù)氣井實(shí)際生產(chǎn)情況，結(jié)合原始儲(chǔ)量豐度，認(rèn)為當(dāng)含水飽和度較高時(shí)，盡管初期有一定的產(chǎn)氣量，但由于產(chǎn)水量的迅速增加，產(chǎn)氣量會(huì)很快降低。研究認(rèn)為，無論剩余氣儲(chǔ)量豐度大小，只要含水飽和度大于65%，這些剩余氣儲(chǔ)量是很難被有效動(dòng)用的。這類儲(chǔ)量定義為Ⅳ類，為不可動(dòng)用剩余氣儲(chǔ)量。此外，其余的剩余氣儲(chǔ)量根據(jù)儲(chǔ)量豐度大小，由好到差依次定義為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類剩余氣儲(chǔ)量（見表2）。

圖4 澀新3-9井壓力和產(chǎn)水?dāng)M合曲線圖（原相滲）

圖5 澀新3-9井壓力和產(chǎn)水?dāng)M合曲線圖（滲吸相滲）

表2 剩余氣儲(chǔ)量分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

其中，Ⅰ、Ⅱ類剩余氣儲(chǔ)量豐度較高，是調(diào)整部署應(yīng)該優(yōu)先考慮的；Ⅲ類剩余氣儲(chǔ)量豐度較低，在調(diào)整部署時(shí)應(yīng)兼顧考慮。Ⅳ類剩余氣儲(chǔ)量不可動(dòng)用，調(diào)整部署不再考慮。據(jù)以上評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)III-3層組剩余氣儲(chǔ)量進(jìn)行分類評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

Ⅲ-3層組剩余氣以Ⅲ類為主，占比54.5%；Ⅳ類次之，占比25.2%，因?yàn)棰?3層組水侵較為嚴(yán)重，因此Ⅳ類所占比例較多；Ⅱ類再次之，占比13.1%；Ⅰ類最少，占比7.2%。其中，品質(zhì)最好的I類儲(chǔ)量基本上分布于3-3-4 層。Ⅱ類儲(chǔ)量主要分布于3-3-2b、3-3-4層（見圖6）。

表3 Ⅲ-3層組剩余氣儲(chǔ)量分類評(píng)價(jià)表 108m3

圖6 Ⅲ-3層組3-3-4砂體剩余氣儲(chǔ)量分類評(píng)價(jià)圖

4 調(diào)整方案研究

開展剩余氣水分布研究，主要是為了有效動(dòng)用水侵區(qū)剩余氣，優(yōu)化后期開發(fā)策略并提出相應(yīng)調(diào)整對(duì)策，為下步持續(xù)挖潛提供方向。針對(duì)澀北一號(hào)氣田水侵較為嚴(yán)重的III-3 層組運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，設(shè)計(jì)了4 套開發(fā)調(diào)整方案（圖7），開展剩余氣挖潛研究，方案如下：①基礎(chǔ)方案。即不部署新井，按目前老井繼續(xù)生產(chǎn)。②部署新井方案。即以目前剩余氣富集區(qū)為主要部署依據(jù)，在III-3 層組部署新井。③老井排水方案。即將目前水淹井轉(zhuǎn)為排水井，不部署新井，在老井基礎(chǔ)方案上進(jìn)行排水采氣方案預(yù)測(cè)。④新井排水方案。即在第二套方案基礎(chǔ)上，在水體能量較強(qiáng)的西南部和東北部，再部署新的排水井進(jìn)行排水采氣方案預(yù)測(cè)。

圖7 Ⅲ-3層組不同方案部署圖

4 套方案中采出程度較高的是方案2 和方案4。方案4 是在方案2 的基礎(chǔ)上增加了2 口排水井，其累產(chǎn)氣量?jī)H比方案2 多0.93 × 108m3，而產(chǎn)水卻多了365 × 104m3。盡管大規(guī)模的排水采氣可增加近1 ×108m3的產(chǎn)氣量，但是產(chǎn)水量的大幅度增加對(duì)采出水處理成本也相應(yīng)提高。綜合對(duì)比推薦方案2為優(yōu)選方案（圖8）。

5 實(shí)例應(yīng)用

優(yōu)選方案2中提供了5口在剩余氣富集區(qū)部署新井的思路，我們選取其中兩口SC2、SC3 井優(yōu)先實(shí)施，以驗(yàn)證方案的實(shí)際產(chǎn)氣效果（圖9）。

圖8 Ⅲ-3層組不同方案指標(biāo)對(duì)比圖

圖9 Ⅲ-3層組3-3-4砂體優(yōu)先實(shí)施井井位圖

從SC2、SC3 井實(shí)際投產(chǎn)情況來看（圖10、圖11），目前日產(chǎn)氣量均在1 × 104m3以上，基本不產(chǎn)水，生產(chǎn)穩(wěn)定，投產(chǎn)效果較好，直接驗(yàn)證了方案的可行性。

圖10 Ⅲ-3層組新井SC2采氣曲線圖

圖11 Ⅲ-3層組新井SC3采氣曲線圖

6 結(jié)論

1） 針對(duì)在數(shù)模過程中如何準(zhǔn)確界定澀北氣田水體大小這一難題，推導(dǎo)建立了水侵物質(zhì)平衡指示曲線方程，根據(jù)指示曲線的相關(guān)性，確定了澀北一號(hào)氣田Ⅲ-3層組水體大小為30倍水體。

2） 針對(duì)水侵入氣藏滲流速度慢、毛細(xì)管數(shù)小的特點(diǎn)，提出采用滲吸相滲代替驅(qū)替相滲進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模擬得到的水淹區(qū)的殘余氣飽和度和實(shí)測(cè)PNN 中子測(cè)井結(jié)果也更為接近，使得數(shù)值模擬模型更為準(zhǔn)確可靠。

3） 從單砂體原始儲(chǔ)量豐度與目前剩余氣儲(chǔ)量豐度對(duì)比情況來看，剩余氣分布與原始儲(chǔ)量豐度、構(gòu)造位置、開發(fā)程度、水侵程度等多種因素都有關(guān)系。構(gòu)造位置高、原始儲(chǔ)量豐度高的區(qū)域剩余氣富集程度相對(duì)較高，開發(fā)程度高、水侵嚴(yán)重的區(qū)域剩余氣富集程度相對(duì)較低。

4） 采用儲(chǔ)量豐度和含水飽和度相結(jié)合的方式，對(duì)剩余氣儲(chǔ)量進(jìn)行分類評(píng)價(jià)。Ⅰ、Ⅱ類剩余氣儲(chǔ)量豐度較高，是調(diào)整部署應(yīng)該優(yōu)先考慮的；Ⅲ類剩余氣儲(chǔ)量豐度較低，在調(diào)整部署時(shí)應(yīng)兼顧考慮。Ⅳ類剩余氣儲(chǔ)量不可動(dòng)用，調(diào)整部署不再考慮。

5） 依據(jù)剩余氣評(píng)價(jià)結(jié)果，在剩余氣富集區(qū)域內(nèi)共設(shè)計(jì)4套開發(fā)調(diào)整方案，通過模擬預(yù)測(cè)確定方案2為優(yōu)選方案。在方案2的基礎(chǔ)上，優(yōu)選2口新井優(yōu)先實(shí)施，現(xiàn)場(chǎng)投產(chǎn)效果較好，不僅驗(yàn)證了剩余氣模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)也為后期剩余氣開發(fā)提供了一定的思路。