于洪敏，張亞雄，牛保倫，王志寶，代全齊，劉靜，王鵬，孫靜靜

1.國(guó)家能源陸相砂巖老油田持續(xù)開(kāi)采研發(fā)中心，北京 100083；2. 中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；3.中國(guó)石化中原油田石油工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng) 457001；4.中國(guó)石化中原油田勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南濮陽(yáng) 457001

0 引言

典型的天然氣地下儲(chǔ)氣庫(kù)類型有4 種：枯竭油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)、含水層型儲(chǔ)氣庫(kù)、鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)、廢棄礦坑型儲(chǔ)氣庫(kù)［1-3］?？萁哂蜌獠匦蛢?chǔ)氣庫(kù)利用枯竭的氣層或油層建設(shè)，是最為常用且兼具經(jīng)濟(jì)性的一種地下儲(chǔ)氣形式，具有造價(jià)低、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。隨著枯竭油氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)的陸續(xù)建成投產(chǎn)，中原油田將成為華北地區(qū)國(guó)家級(jí)地下儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰中心。枯竭油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)能否高效運(yùn)行是滿足運(yùn)行需求和應(yīng)急調(diào)峰需要的關(guān)鍵問(wèn)題。

以往儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行分析一般是從地質(zhì)、氣藏或者井筒-場(chǎng)站單獨(dú)模擬，難以將氣藏、井筒、地面一體化統(tǒng)籌考慮，無(wú)法兼顧儲(chǔ)氣庫(kù)整體注采系統(tǒng)的諸多影響因素［5-8］?！耙惑w化”好比智能油氣田的“心臟”，通過(guò)氣藏-井筒-地面全流程一體化實(shí)時(shí)模擬優(yōu)化可以把信息“冷數(shù)據(jù)”變成“熱數(shù)據(jù)”，利用一體化模擬技術(shù)可以建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)和模型庫(kù)，統(tǒng)籌管理油氣田的開(kāi)發(fā)，進(jìn)行資源共享和最大化利用，為企業(yè)的中長(zhǎng)期發(fā)展提供目標(biāo)與方向，提高決策管理效率和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效果［9-13］。隨著國(guó)內(nèi)油氣田對(duì)一體化統(tǒng)籌開(kāi)發(fā)需要的逐漸擴(kuò)大，一體化理念從單一指標(biāo)的耦合模型逐漸發(fā)展到考慮氣藏、井筒等多因素的耦合數(shù)值模擬模型，同時(shí)也是未來(lái)智慧油田建設(shè)的基礎(chǔ)［14-18］。曹錫秋［19］首次將一體化模擬技術(shù)引入到國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氣庫(kù)研究，利用IPM（油氣田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)一體化）軟件平臺(tái)，開(kāi)展了呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)的模擬和預(yù)測(cè)，側(cè)重分析了儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行時(shí)的孔隙壓力變化、裂縫、水體入侵情況、儲(chǔ)氣庫(kù)的注采調(diào)峰能力以及庫(kù)容等儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)；趙發(fā)壽等［20］利用IAM(油氣田開(kāi)發(fā)一體化資產(chǎn)模型)軟件平臺(tái)建立了長(zhǎng)北區(qū)塊生產(chǎn)一體化模型，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)選了油管尺寸，優(yōu)化壓縮機(jī)啟用時(shí)間以及井叢生產(chǎn)模式，使氣田增產(chǎn)上億方，有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理及穩(wěn)產(chǎn)方案的制定。一體化模擬技術(shù)也被應(yīng)用于氣田開(kāi)發(fā)優(yōu)化，李玥洋等［21］應(yīng)用一體化模型數(shù)據(jù)共享平臺(tái)驅(qū)動(dòng)一體化模型，對(duì)磨溪區(qū)塊龍王廟氣藏的多項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并導(dǎo)入一體化模型運(yùn)算，結(jié)合數(shù)據(jù)流引擎技術(shù)，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)值對(duì)比、預(yù)警，進(jìn)行生產(chǎn)跟蹤、診斷，減少了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)和管理成本，確保了生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定、安全。此外，有些學(xué)者［22-26］利用一體化軟件平臺(tái)建立了P-L 氣田群生產(chǎn)一體化模型，模擬預(yù)測(cè)了氣田群的開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)，協(xié)調(diào)氣田開(kāi)發(fā)，延長(zhǎng)了穩(wěn)產(chǎn)期；將一體化模型應(yīng)用到普光氣田，建立了氣藏、37 口單井及包括16 座集氣站和1 座集氣總站的地面管網(wǎng)一體化模型，對(duì)氣藏的生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，按照生產(chǎn)需求進(jìn)行單井優(yōu)化配產(chǎn)，預(yù)測(cè)穩(wěn)產(chǎn)年限與開(kāi)發(fā)方案一致。

本文基于裂縫-孔隙特征枯竭氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)分析強(qiáng)注強(qiáng)采帶來(lái)的重要影響，為了解系統(tǒng)性優(yōu)化儲(chǔ)氣庫(kù)高效運(yùn)行的合理參數(shù)，以中原油田為背景，在儲(chǔ)氣庫(kù)已有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上側(cè)重開(kāi)展氣藏-井筒-地面一體化運(yùn)行模擬優(yōu)化，建立了從氣藏到地面的一體化注采模型，綜合考慮各環(huán)節(jié)對(duì)生產(chǎn)的綜合影響，打通了各專業(yè)模型之間的數(shù)據(jù)界限，診斷儲(chǔ)氣庫(kù)注采運(yùn)行瓶頸，研究?jī)?chǔ)氣庫(kù)合理的注采能力及其影響因素，指導(dǎo)儲(chǔ)氣庫(kù)高效率、高效益運(yùn)行。

1 區(qū)塊概況

中原某儲(chǔ)氣庫(kù)構(gòu)造為受兩條北西向斷層控制的北西向斷背斜構(gòu)造，含氣層系主要為嘉陵江組二段及飛仙關(guān)組三、四段（簡(jiǎn)稱飛三段、飛四段），氣藏平均埋深3 615 m，平均孔隙度3.93%，平均滲透率0.056 mD，含氣面積4.74 km2，天然氣評(píng)價(jià)地質(zhì)儲(chǔ)量7.32×108m3。該儲(chǔ)氣庫(kù)飛三段、飛四段屬于異常高壓低溫氣藏。飛三段、飛四段測(cè)試地層壓力77.01 MPa，壓力系數(shù)1.82，地層中部溫度99℃。

該氣藏于2009 年試采，經(jīng)歷連續(xù)生產(chǎn)、間歇生產(chǎn)、帶水生產(chǎn)、氣庫(kù)注氣等4 個(gè)開(kāi)發(fā)階段。該儲(chǔ)氣庫(kù)水侵影響很小，累計(jì)產(chǎn)水量?jī)H2 000 m3。目前地層壓力約43 MPa，氣藏衰竭采氣開(kāi)發(fā)階段累計(jì)產(chǎn)氣3.02×108m3，采出程度65.8%，儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行階段累計(jì)注氣量0.91×108m3。

2 模型建立

一體化模型可以用來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤氣藏地下到地面任意節(jié)點(diǎn)，包括溫度、壓力、流量在內(nèi)的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)。也可用來(lái)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的水合物、積液等流動(dòng)保障性問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)采取相應(yīng)措施，保障生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。常規(guī)研究方法評(píng)價(jià)氣藏生產(chǎn)潛力主要從氣藏儲(chǔ)層角度考慮，不能充分考慮井筒及地面管網(wǎng)的限制因素，利用一體化模型可避免此類局限性，綜合考慮氣藏、井筒、地面管網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)限制條件來(lái)評(píng)價(jià)氣藏生產(chǎn)潛力。

基于地質(zhì)和開(kāi)發(fā)特征，考慮應(yīng)力敏感，建立儲(chǔ)層、井筒、地面模型，耦合連接建立裂縫-孔隙型儲(chǔ)氣庫(kù)一體化模型并進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)擬合，為儲(chǔ)氣庫(kù)影響因素分析及注采能力評(píng)價(jià)奠定模型基礎(chǔ)。

2.1 儲(chǔ)層模型

針對(duì)目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間的類型多樣，儲(chǔ)層厚度大、非均質(zhì)性較強(qiáng)，存在多套氣水關(guān)系等地質(zhì)特點(diǎn)，綜合利用地震、測(cè)井及地質(zhì)等資料，采用周邊區(qū)塊應(yīng)用成熟的碳酸鹽巖氣藏地質(zhì)建模方法，根據(jù)確定性建模與隨機(jī)建模相結(jié)合的原則、通過(guò)強(qiáng)化沉積相、地震反演預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)體的約束，利用序貫高斯模擬法、協(xié)同克里金模擬法，對(duì)儲(chǔ)層物性空間分布的非均質(zhì)性進(jìn)行了精細(xì)模擬，建立了某工區(qū)目的層段地質(zhì)模型。

目標(biāo)儲(chǔ)層物性差，基質(zhì)中氣體擴(kuò)散慢、滲流速度低，裂縫局部發(fā)育且可能部分閉合，井周壓力較高，對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)有效運(yùn)行影響較大。因此，結(jié)合地質(zhì)認(rèn)識(shí)、注采動(dòng)態(tài)和應(yīng)力敏感特征等，建立中原油田某儲(chǔ)氣庫(kù)裂縫-孔隙型雙重介質(zhì)氣藏模型，具有同時(shí)考慮裂縫、基質(zhì)雙重介質(zhì)的特點(diǎn)，既能反映儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性，又能反映裂縫中的氣體滲流。模型網(wǎng)格粗化為199 m×388 m×73 m，網(wǎng)格步長(zhǎng)34 m×30 m×2 m。鑒于該儲(chǔ)氣庫(kù)地處范圍廣而井少，該網(wǎng)格系統(tǒng)能夠滿足研究需求。儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙度2.0% ～5.7%、裂縫滲透率約15 mD，如圖1 所示。

圖1 某儲(chǔ)氣庫(kù)裂縫-孔隙型雙重介質(zhì)氣藏模型（孔隙度場(chǎng)）

應(yīng)力敏感對(duì)于儲(chǔ)層模型的影響量化主要體現(xiàn)于其對(duì)傳導(dǎo)率和孔隙體積倍乘因子的影響，也就是對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)流體在儲(chǔ)層滲流能力及對(duì)孔隙體積的影響，直觀反映就是對(duì)有效地應(yīng)力（上覆巖層壓力減去地層壓力）的影響。通過(guò)應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)和模型擬合得到傳導(dǎo)率和孔隙體積倍乘因子公式，具體情況如下。

傳導(dǎo)率公式：

式中：Tx——傳導(dǎo)率，無(wú)量綱；Pr——儲(chǔ)層壓力，MPa。

孔隙體積倍數(shù)公式：

式中：Mpv——孔隙體積倍乘因子，無(wú)量綱。

2.2 注采氣井筒模型

井斜與管柱結(jié)構(gòu)是影響井筒注氣和舉升能力的重要參數(shù)。該儲(chǔ)氣庫(kù)目前所有氣井均為定向井，考慮各單井的不同井斜及管柱尺寸建立各單井注采井筒模型。以W1 井為例，井管柱結(jié)構(gòu)及井軌跡如圖2所示。

圖2 W1 井管柱結(jié)構(gòu)和井軌跡

2.3 地面管網(wǎng)模型

參照實(shí)際集輸系統(tǒng)拓?fù)錉顩r，根據(jù)管線高程、長(zhǎng)度、環(huán)境溫度和傳熱系數(shù)，及增壓、分離、脫水裝置工作參數(shù)等管線和重要設(shè)備參數(shù)，建立了從來(lái)氣到節(jié)氣閥再到井口、從井口到集氣站再到處理廠的地面注氣和集輸管網(wǎng)模型。

2.4 儲(chǔ)氣庫(kù)一體化模型

以井口或井底為耦合節(jié)點(diǎn)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)處定注氣量和采氣量求解井口、井底壓力，使得氣藏、井底、井口、地面管線處計(jì)算的壓力與實(shí)際吻合，實(shí)現(xiàn)氣藏、井筒和地面所得到的壓力、流量協(xié)調(diào)匹配，耦合建立儲(chǔ)氣庫(kù)裂縫-孔隙型氣藏-井筒-地面一體化模型。常規(guī)研究方法評(píng)價(jià)氣藏生產(chǎn)潛力主要從氣藏儲(chǔ)層角度考慮，不能充分考慮到井筒及地面管網(wǎng)的限制因素，但利用一體化模型可避免此類局限性，實(shí)現(xiàn)了綜合考慮氣藏、井筒、地面管網(wǎng)各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)限制條件來(lái)評(píng)價(jià)氣藏生產(chǎn)潛力。

2.5 一體化模型擬合

在氣藏、井筒、地面分環(huán)節(jié)擬合的基礎(chǔ)上，調(diào)整氣藏、井筒、地面關(guān)鍵擬合指標(biāo)，跟蹤擬合儲(chǔ)氣庫(kù)一體化模型的壓力和注采氣水量，整體擬合較好（見(jiàn)圖3），兩都誤差均控制在5%以內(nèi)，擬合率達(dá)90%以上，為一體化診斷分析奠定基礎(chǔ)。

圖3 儲(chǔ)氣庫(kù)井口壓力擬合

3 儲(chǔ)氣庫(kù)影響因素和注采能力系統(tǒng)評(píng)價(jià)

3.1 注采能力影響因素分析

采用閾值法對(duì)井口壓力、地層壓力、油管粗糙度、井口溫度、液氣比和油管直徑等影響因素進(jìn)行無(wú)量綱化處理，分析了各影響因素對(duì)注氣和采氣能力的影響。

閾值法的計(jì)算公式為：

式中：yi——影響因素i 轉(zhuǎn)化后的評(píng)價(jià)值；xi——影響因素i 的實(shí)際取值；x0——影響因素i 的閾值。以各影響因素?zé)o量綱化處理后的初值取1 的方式來(lái)確定閾值。

計(jì)算結(jié)果表明，壓力對(duì)注采氣能力影響較大，油管粗糙度和井口溫度對(duì)注氣能力影響較小，液氣比對(duì)采氣能力影響較?。ㄒ?jiàn)圖4）。

圖4 注采能力影響因素對(duì)比分析

3.2 注采運(yùn)行診斷分析

3.2.1 儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行應(yīng)力敏感性

從模型擬合結(jié)果來(lái)看，在氣藏壓力低于27 MPa，所受應(yīng)力超過(guò)50 MPa 條件下，采氣指數(shù)明顯下降，應(yīng)力敏感性更強(qiáng)，儲(chǔ)層孔隙體積變小。

3.2.2 臨界攜液流量

根據(jù)儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，選擇Turner 攜液模型計(jì)算臨界攜液流量［27］。從圖5 可以看出：儲(chǔ)氣庫(kù)總體攜液能力較好，井底壓力低時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生積液；因應(yīng)力敏感影響，儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行中也可能存在攜液能力不足的問(wèn)題。

圖5 不同油管內(nèi)徑下Turner 臨界攜液流量

3.3 注采能力診斷評(píng)價(jià)

儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行階段為1 注2 采，通過(guò)節(jié)點(diǎn)分析方法［28-30］計(jì)算不同井口壓力下的合理注采氣量。

3.3.1 注氣能力預(yù)測(cè)

通過(guò)節(jié)點(diǎn)分析方法，可以計(jì)算不同井口壓力條件下單井流入、流出交匯曲線，確定不同條件下的生產(chǎn)協(xié)調(diào)點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的注氣量即為該壓力下的合理注氣量（見(jiàn)圖6）。

圖6 不同井口壓力下的合理注氣量

注氣井Forcheimer 二項(xiàng)式方程：

式中：Pwf——井底流壓，MPa；Qg——注氣量，m3/d。

在壓力約35 MPa 下的合理注氣量為71×104m3/d?？梢钥闯觯煌趬毫?duì)應(yīng)的合理注氣量范圍為15×104～ 80×104m3/d。

3.3.2 采氣能力預(yù)測(cè)

通過(guò)節(jié)點(diǎn)分析方法，計(jì)算不同井口壓力條件下單井流入、流出交匯曲線，確定不同條件下的生產(chǎn)協(xié)調(diào)點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)的采氣量即為該壓力下的合理采氣量（見(jiàn)圖7）。

圖7 不同井口壓力下的合理采氣量

采氣井Forcheimer 二項(xiàng)式方程：

式中：Qp——采氣量，m3/d。

目前壓力下合理采氣量為43×104m3/d，不同井口壓力對(duì)應(yīng)合理采氣量范圍是35×104～ 50×104m3/d。

4 結(jié)論

基于考慮儲(chǔ)層應(yīng)力敏感特性，建立了儲(chǔ)層、井筒、地面模型，耦合連接建立裂縫-孔隙型儲(chǔ)氣庫(kù)一體化模型，為儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行影響因素分析及注采能力評(píng)價(jià)奠定模型基礎(chǔ)。

從注采能力影響因素分析來(lái)看，壓力對(duì)注采氣能力影響較大，粗糙度和井口溫度對(duì)注氣能力影響較小，液氣比對(duì)采氣能力影響較小。

從注采運(yùn)行診斷分析來(lái)看，當(dāng)氣藏壓力低于27 MPa 時(shí)，采氣指數(shù)明顯下降，應(yīng)力敏感性更強(qiáng)，儲(chǔ)層孔隙體積變小。主要原因可能是該儲(chǔ)氣庫(kù)目標(biāo)儲(chǔ)層物性差，基質(zhì)中氣體擴(kuò)散慢、滲流速度低，裂縫局部發(fā)育且可能部分閉合，井周壓力較高，對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)有效運(yùn)行影響較大，需要進(jìn)一步加強(qiáng)基質(zhì)滲流規(guī)律研究認(rèn)識(shí)。

從流動(dòng)保障看，該儲(chǔ)氣庫(kù)低壓時(shí)可能存在臨界攜液情況，但無(wú)沖蝕影響，低注低采時(shí)需預(yù)防水合物生成。

通過(guò)節(jié)點(diǎn)分析方法計(jì)算出不同井口壓力下的合理注采氣量范圍，為儲(chǔ)氣庫(kù)注采運(yùn)行注采氣量設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。該儲(chǔ)氣庫(kù)在一體化運(yùn)行優(yōu)化指導(dǎo)下，安全運(yùn)行2 個(gè)周期，可以滿足應(yīng)急調(diào)峰需要。