李開發(fā) 張楚越 朱亮 袁港 羅靜 李旭成

（中國石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川 江油 621741）

0 引言

世界范圍內(nèi)的地下儲氣庫建設(shè)工作始于20 世紀［1-2］，我國地下儲氣庫的建設(shè)起步于20 世紀70 年代的大慶油田［3］。隨著國內(nèi)天然氣需求量快速增長，季節(jié)性、區(qū)域性差異愈發(fā)顯著，儲氣庫在應急調(diào)峰和戰(zhàn)略儲備方面的意義尤為重要。國家高度重視儲氣庫改建工作，相繼在國內(nèi)呼圖壁［4-5］、相國寺［6-8］、蘇橋［9］及靖邊［10］等氣田建設(shè)投產(chǎn)了一批儲氣庫。經(jīng)歷20 余年發(fā)展，我國目前在儲氣庫地質(zhì)密封性論證、高速注采不穩(wěn)定滲流理論及模型建立、井注采配套工藝技術(shù)、全生命周期的安全風險管控等方面形成了關(guān)鍵技術(shù)并取得了顯著的成效［11］。在四川盆地的約500個氣藏和含氣構(gòu)造中，水驅(qū)氣藏有近250 個，約占氣藏總數(shù)的50%［12］，氣藏開發(fā)過程中，極易受到水侵影響，而水侵形成的復雜氣、水兩相共流也是改建儲氣庫需要解決的關(guān)鍵問題［13］。目前針對低滲透砂巖有水氣藏改建儲氣庫可行性、水侵影響及有效庫容評價的系統(tǒng)性研究仍較少。中壩氣田上三疊統(tǒng)須家河組二段氣藏已經(jīng)安全高效開發(fā)50 年，地質(zhì)采出程度為77.75%，為有水氣藏開發(fā)典范。筆者從氣藏地質(zhì)條件建庫可行性出發(fā)，重點論述動態(tài)上氣水關(guān)系、水體強度及能量大小，結(jié)合注采循環(huán)巖心實驗及數(shù)值模擬研究，開展建庫水侵影響及有效庫容空間評價，建立了低滲透砂巖有水氣藏改建儲氣庫可行性的系統(tǒng)評價方法。

1 氣藏地質(zhì)特征

中壩氣田構(gòu)造上位于四川盆地北部龍門山斷褶帶和川北古中坳陷低緩帶過渡區(qū)域，為一受斷層控制的潛伏背斜［14］。中壩構(gòu)造發(fā)育的斷層均屬逆沖斷層，縱向上多發(fā)育于三疊系和侏羅系，規(guī)模較大的斷層分布于構(gòu)造兩翼，走向與構(gòu)造軸向一致，呈北東向。構(gòu)造軸部發(fā)育6條斷層，規(guī)模較小，均在須家河組內(nèi)部消失（圖1）。彰明斷層、江油斷層、雙河口斷層是該構(gòu)造上規(guī)模大、延伸長、影響較深的逆沖斷層，均具有較好的封閉性。頂板主要為上覆侏羅系和須三段地層，底板為須一段地層，皆以發(fā)育大套泥巖為主且橫向分布穩(wěn)定。儲集巖以長石巖屑砂巖為主，儲集空間主要為粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔，裂縫是重要的滲流通道，平均孔隙度為6.29%，平均滲透率為0.19 mD，總體表現(xiàn)為低孔隙度、低滲透率的裂縫—孔隙型儲層。氣藏埋藏深度介于2 400～2 560 m，中部海拔為-2 000 m。

圖1 中壩氣田須二段氣藏累計產(chǎn)量平面分布圖

2 氣藏動態(tài)特征

中壩氣田須二段氣藏于1973 年在ZB4 井投產(chǎn)開始開發(fā)，同年4月開始產(chǎn)地層水，通過單井工藝排水及“北排南控”整體治水，氣藏以60×104m3／d 規(guī)模穩(wěn)產(chǎn)30余年。目前氣藏日產(chǎn)氣量為35×104m3，日產(chǎn)水量為158 m3，累計產(chǎn)氣量為108.39×108m3，累計產(chǎn)水量為305.37×104m3。

2.1 產(chǎn)水井位于氣藏邊部低部位，主體區(qū)受水侵影響較小

鉆井及測試結(jié)果表明，中壩須二段受斷層及構(gòu)造圈閉復合控制，整體為一構(gòu)造型邊水氣藏，氣藏鉆井最低氣層海拔-2 185 m，最高水層海拔-2 205 m，以-2 200 m作為氣藏的原始氣水界面。

測試產(chǎn)水情況及生產(chǎn)動態(tài)特征表明，水體主要來自于氣藏西北部，彰明斷層的北消失端（ZB22井方向）可動水體是邊水入侵的主要方向，邊水主要沿斷層附近高滲透帶侵入氣藏（圖1）。

中壩氣田須二段氣藏立足“北排南控”整體治水，排水采氣工藝效果顯著，通過主動控制生產(chǎn)規(guī)模，優(yōu)化調(diào)整工藝措施，邊水水線前緣推進得到了有效控制。ZB22 井及氣水同產(chǎn)井的水樣分析結(jié)果顯示，其水樣化學組分及離子含量基本相同，都屬于CaCl2水型，屬于深層封閉構(gòu)造環(huán)境下形成的水，環(huán)境封閉性好，有利于油、氣聚集和保存，是含油氣性良好的標志［15］。氣藏壓降儲量圖上累計采氣量與視地層壓力的關(guān)系基本上為一條直線，后段無明顯上翹，說明邊水對氣藏的開采無明顯影響。且隨著開采的不斷進行，地層壓力不斷降低，后期水侵速度整體呈下降趨勢，綜合分析表明須二段氣藏構(gòu)造主體區(qū)受水侵影響較小。

2.2 氣藏屬弱水驅(qū)、不活躍氣藏，水侵方向水區(qū)能量有限

氣藏主要水侵方向ZB22 井的地層壓力與純氣區(qū)中的ZB2 井和ZB20 井的地層壓力是同步下降的。ZB22 井于2004 年8 月下壓力計實測水區(qū)地層壓力為16.443 MPa，同年氣藏的平均地層壓力為12.662 MPa，與1976年6月氣藏平均地層壓力26.115 MPa及ZB22井水區(qū)地層壓力28.411 MPa對比，氣藏地層壓力下降速度為0.037 1 MPa／mon，ZB22井水區(qū)地層壓力下降速度為0.033 1 MPa／mon，可見氣區(qū)與水區(qū)的壓降速度非常接近，主要水侵方向水區(qū)能量是有限的。

利用氣藏歷年壓力點繪制諾莫圖，圖上點偏離45°線，結(jié)合各氣井生產(chǎn)特征，認為氣藏存在水侵現(xiàn)象，隨著氣藏生產(chǎn)，諾莫圖上的點未繼續(xù)偏離45°線，水侵得到一定程度的緩解（圖2）。

圖2 中壩氣田須二段氣藏諾莫圖

采用van Everdingen-Hurst 線性水侵模型［16］以及非線性自動擬合法［17］對水侵量進行計算，結(jié)果表明：①采用van Everdingen-Hurst 線性水侵模型對氣藏分階段進行水侵計算，累計水侵量為984.98×104m3，天然氣動態(tài)儲量在130×108m3以上，水驅(qū)指數(shù)為0.04，水侵替換系數(shù)為0.11；②采用非線性自動擬合法整段分析得到氣藏累計水侵量為957.98×104m3，天然氣儲量為135.82×108m3，水驅(qū)指數(shù)為0.05，水侵替換系數(shù)為0.16，整段擬合較好。綜合分析認為，中壩氣田須二段氣藏為弱水驅(qū)、次活躍氣藏。

3 氣水滲流規(guī)律研究

實驗選取ZB46 井、ZB50 井巖心，其中ZB46 井全井段取心，資料條件較好。本次利用代表研究區(qū)儲層的孔隙模型開展氣驅(qū)水巖心相滲實驗及儲氣庫多周期注采模擬實驗，分析儲氣庫周期注采運行過程中的氣水兩相滲流及分布特征，研究儲氣庫運行過程中影響儲集空間流體動用效果的影響因素。

3.1 氣驅(qū)水相滲特征

單次氣驅(qū)水過程中，利用實驗數(shù)據(jù)繪制氣水相對滲透率曲線如圖3所示，驅(qū)替至束縛水狀態(tài)記錄束縛水飽和度及束縛水下的氣相相對滲透率。實驗結(jié)果顯示，曲線形態(tài)呈現(xiàn)孔隙型介質(zhì)滲流特征，隨著含氣飽和度增加，氣相相對滲透率增加，氣相滲流能力增強，而水相相對滲透率隨含水飽和度增加，前期上升緩慢，后期上升加快。

圖3 單次氣驅(qū)水相對滲透率曲線圖

孔隙介質(zhì)系統(tǒng)相滲曲線共滲區(qū)間較寬，隨著含水飽和度增加，相對滲透率逐步增加。地層巖石孔隙溝通滲流能力越強，共滲區(qū)間越寬，共滲點滲透率越高，氣相相對滲透率也越高。

3.2 多周期注采巖心滲流特征

針對氣藏儲氣庫的多周期運行特點，從仿真模擬研究角度出發(fā)，模擬儲氣庫建庫及運行過程，研究儲氣庫多周期運行過程中孔隙空間的動用特征。實驗模擬儲氣庫的成藏模擬、衰竭開采和多周期注采運行過程，分析多周期注采運行過程中建庫孔隙空間的動用效果及其影響因素。實驗用水選用研究區(qū)的模擬地層水，實驗用氣為氮氣，選取ZB46井天然巖心樣品作為儲層模型，代表地下儲氣庫建庫儲層儲集空間。根據(jù)行業(yè)標準《砂巖氣藏型儲氣庫庫容參數(shù)設(shè)計方法》［18］中的描述，氣藏開發(fā)及儲氣庫運行過程中儲氣庫剖面簡化成4 帶4 界面，即純氣帶、氣驅(qū)純氣帶、過渡帶、水淹帶。

根據(jù)實驗模擬結(jié)果（圖4）可知，建庫前純氣帶含氣空間動用效率保持在89%；氣驅(qū)純氣帶含氣空間動用率從50%逐步增加至60%；氣水過渡帶含氣空間動用率從48%緩慢降低至40%。說明氣水過渡帶是儲氣庫空間動用效果變差的主要區(qū)域，而氣驅(qū)純氣帶是儲氣庫空間有效動用增加的主要區(qū)域，為動用優(yōu)勢區(qū)。

圖4 儲氣庫多周期注采模擬含氣空間動用率圖

兩項實驗結(jié)果顯示，氣藏裂縫網(wǎng)絡(luò)溝通能力較強，為儲氣庫的主要滲流通道，裂縫—孔隙型相滲特征穩(wěn)定，巖樣孔隙型相滲滯后效應顯著，氣驅(qū)純氣帶受膨脹攜液作用的影響，儲氣空間增加，而氣水過渡帶受氣水互鎖影響，氣相滲流及動用率降低。

4 建庫水侵影響及有效庫容空間評價

4.1 氣藏數(shù)值模擬

根據(jù)中壩氣田須二段氣藏的地質(zhì)、測井等資料建立了精細三維地質(zhì)模型，并在此基礎(chǔ)上開展數(shù)值模擬（圖5）。本次使用CMG 數(shù)值模擬軟件，基于中壩氣田須二段氣藏類型、儲層特征及滲流機理，根據(jù)研究區(qū)塊幾何形態(tài)，選用三維兩相氣水雙重介質(zhì)模擬模型［19］。

圖5 中壩須二段構(gòu)造層面模型圖

研究工區(qū)原始地層壓力為27.25 MPa，在模擬進行前，采用平衡法初始化，同時將氣水界面設(shè)置在-2 200 m。基于巖心相滲實驗數(shù)據(jù)，確定數(shù)值模擬模型的基礎(chǔ)參數(shù)。同時完成儲量擬合、全區(qū)生產(chǎn)歷史擬合、單井生產(chǎn)歷史擬合，總體上擬合精度達到了85%，擬合較為成功，由此認為采用數(shù)值模擬開展相關(guān)研究是可信的。

4.2 建庫水侵影響評價

中壩須二段為邊水氣藏，水體存在于氣藏東北部ZB22-1井至ZB35井附近，向氣藏西南部侵入。受構(gòu)造和巖性復合控制，邊水與外界不連通，動態(tài)上表現(xiàn)出水體不活躍。通過氣藏水侵強度、水侵量、水驅(qū)指數(shù)等參數(shù)計算，認為氣藏整體呈弱水驅(qū)，邊底水為次活躍狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)有資料分析可知，開發(fā)過程中水體特征認識清楚，治水效果好，氣藏采出程度高，目前仍有10 口純氣井。微觀巖心實驗結(jié)果證實儲層水侵前后含氣孔隙空間動用相對穩(wěn)定。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，截止到擬合期末，累計水侵量為892.02×104m3，隨著開采的不斷進行，地層壓力不斷降低，水侵速度逐漸加快，在1980 年達到峰值，后期水侵速度整體呈下降趨勢，目前的年水侵量為6.19 × 104m3（圖6）。建庫區(qū)水侵孔隙體積僅占3.13%，建庫注采運行后，水侵面積會進一步縮小。綜合各項研究認為，在中壩氣田須二段氣藏改建儲氣庫后，地層水不會對儲氣庫的庫容和調(diào)峰能力造成大的影響。

圖6 水侵量隨時間變化圖

4.3 有效庫容空間評價

1）建庫區(qū)域

中壩主體構(gòu)造與南北低滲透帶連通性較差，且28 口投產(chǎn)井中，北部僅ZB25（已封堵）、ZB27（間開小產(chǎn)）兩口投產(chǎn)井，累計產(chǎn)氣量不足氣藏的1%；同時主體構(gòu)造內(nèi)27 口生產(chǎn)井的累計產(chǎn)氣量達107.33×108m3，單井累計產(chǎn)氣量平均為3.89×108m3，目前仍有10 口純氣井，開發(fā)效果較好?；谥袎雾毝螌嶋H動態(tài)特征認識成果，在平面上將儲氣庫分為南北低滲透區(qū)、純氣區(qū)、氣水過渡區(qū)和水淹帶。在氣藏開發(fā)過程中，地層水或邊水侵入后占據(jù)了一定的孔隙空間，從而減少了可動含氣孔隙體積，建庫后多周期運行過程中水淹帶的主要對象仍然是以大孔道為主，微細孔道難以有效驅(qū)替，有效供氣半徑減小，從而降低了注采井網(wǎng)對砂體的控制程度，使得部分氣體不能及時動用［20］。由于地層水侵入將占據(jù)一部分孔隙體積，水鎖形成的封閉氣難以動用，儲層非均質(zhì)性和注采井網(wǎng)對砂體的控制程度將導致一部分孔隙不能及時動用，從而減小了可動含氣孔隙體積。結(jié)合多周期注采模擬實驗結(jié)果，實際建庫過程中平面上還應扣除水淹帶，因此初步優(yōu)選中壩潛伏構(gòu)造純氣區(qū)和氣水過渡區(qū)為儲氣庫建庫范圍（圖7）。

圖7 中壩氣田須二段氣藏儲氣庫分區(qū)示意圖

2）有效庫容空間評價

對于弱—中等水侵氣藏建庫，以原始含氣孔隙體積為基準，扣除建庫儲層不同區(qū)帶儲層物性及非均質(zhì)性、邊底水侵入、儲層敏感性等因素對建庫有效孔隙體積的影響，得到某運行壓力下建庫的有效孔隙體積。

本次數(shù)值模擬將須二段劃分為10 個小層，其中須二下亞段為1～4 小層，須二上亞段為5～10 小層。結(jié)合數(shù)值模擬研究及室內(nèi)實驗結(jié)果，縱向上將建庫主體層位確定為須二上亞段。具體理由如下：統(tǒng)計氣井進入須二段深度與測試產(chǎn)量的關(guān)系可知（圖8），測試產(chǎn)量大的單井主要集中在進入須二段0～100 m的氣井，因此證實須二段的主要儲集空間在須二段的上部。

圖8 各井下入須二段深度與測試產(chǎn)量的關(guān)系圖

根據(jù)中壩氣田須二段氣藏歷史擬合結(jié)果得到中壩氣田須二段氣藏各小層的孔隙空間分布，須二段的儲量也主要分布在須二上亞段。最終結(jié)合數(shù)值模擬純氣區(qū)與氣水過渡區(qū)須二上亞段的含氣孔隙體積確定儲氣庫原始地層壓力下的建庫區(qū)域有效庫容空間為106.80×108m3。

5 結(jié)論

1）氣藏主體區(qū)具統(tǒng)一壓力系統(tǒng)，連通性較好，與南、北低滲透帶連通性較差，區(qū)域內(nèi)斷層及蓋托層封閉性較好，須二段儲層連續(xù)且厚度較大，具備改建儲氣庫的地質(zhì)條件。

2）氣藏主體區(qū)局部存在水侵，但水侵影響較小，對氣藏儲集空間影響不明顯，在氣藏改建儲氣庫后，地層水不會對儲氣庫的庫容和調(diào)峰能力造成大的影響。

3）氣藏主體區(qū)儲滲條件較優(yōu)，建庫區(qū)儲層含氣空間動用率仍可保持在較高水平，多周期注采運行時含氣孔隙空間占比較高且動用相對穩(wěn)定。

4）結(jié)合氣藏工程和數(shù)值模擬綜合確定建庫可動區(qū)域為純氣區(qū)和氣水過渡區(qū)，建庫主體層位為須二上亞段，扣除水淹后不可動用空間，綜合計算原始地層壓力27.25 MPa 下的建庫區(qū)域有效庫容空間為106.80×108m3。