非均质气藏水侵规律物理模拟实验研究

方飞飞， 刘华勋， 肖前华， 青红艳， 杨棽垚

(1.重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆401331;2.中国科学院大学工程科学学院，北京100190;3.中国石油勘探开发研究院，北京100190)

0 引言

在气藏形成的过程中，气藏的边缘地带会形成不同大小的水体［1-3］，如果水体较为活跃，随着气藏开发的进行，气藏压力将逐渐降低，在压力势能的作用下，边、底水不断侵入含气区，在气藏储层中形成气、水两相渗流，降低气相渗流能力，造成单井产能下降较快［4-6］;同时随着水侵的加剧，水体侵入井底，导致井筒液面激增，废弃压力增高，圈闭储层中的天然气，降低了气藏的采收率［7-10］;而且当井筒中过低的气相流速不能提供足够的能量来携带出井底的积液时，需要进行排水等作业，增加了生产成本。总之边、底水的侵入，不但会造成整个天然气藏采收率的降低，而且会增加单井的生产成本和生产困难［11-14］。因此，针对边、底水活跃的气藏而言，是否能够认清水侵机理的本质，掌握水侵规律，将直接关系到边、底水气藏能否高效合理的开发。

迄今为止，虽然很多学者针对水侵做了大量研究，但多集中在孔隙型或裂缝型等单一类型储层［15-19］，而实际气藏储层存在非均质性，不同区域储层类型不一样，一般同时存在着孔隙(洞)型与裂缝型储层，而且在气藏的实际开发过程中，一般需要在不同的区域同时布井，以达到气藏快速高效开发的目的［20］，因此气藏在多个气井同时开发时，水侵规律将表现为不同类型储层组合下的水侵规律，但由于不同类型储层之间连通性和采出程度的不均衡，导致气藏整体水侵规律不是简单的不同类型储层水侵规律的叠加，水侵规律将更为复杂。

因此为了能够深入认清多井同时开发时，边、底水气藏的水侵规律与开发效果，将气藏作为一个整体研究水侵和生产动态的变化过程，分析不同储层区域渗透率级差及不同布井方式对非均质气藏水侵规律和开发效果的影响，为气藏整体防水、治水提供实验依据。

1 实验装置与实验方法

1.1 实验样品

结合以往研究者针对孔隙型和裂缝型气藏水侵规律的实验研究，同时为了能够准确的表征非均质气藏在不同区域渗透率差异较大，选取了不同类型、不同渗透率的岩心进行串并联组合，模拟真实气藏储层，研究气藏的水侵规律和开发效果，岩心基本物性参数如表1。

表1 岩心基本物性参数

采用实验室配置的80 g/L氯化钠型标准地层水模拟气藏边缘水体，选用实验室99.99%的高纯氮气模拟气藏储层中的天然气。

1.2 实验装置与流程

非均质气藏水侵规律模拟装置如图1，选用高纯氮气模拟储层条件下的天然气;采用装满80 g/L的实验室配置的标准地层水的不同容积的中间容器模拟地层水体;在开发模式上采用定产量的衰竭开发模式，即初期通过调节出口端阀门大小，将流量稳定在设定的采气速度进行开采;当水侵前缘到达实验模型出口端之后，气水经过气液分离器进行气水分离，分别计量产水量和产气量。在实验过程中，利用压力传感器、流量计等记录整个实验过程的压力与流量数据，用于分析水侵过程中不同时刻的水侵规律。

1.3 实验方案设计

图1 水侵规律物理模拟实验流程

为了模拟不同储层区域渗透率级差及不同布井方式对非均质气藏水侵规律和开发效果的影响，设计了如下实验内容(见表2)。①不同区域储层渗透率级差:分别选用平均渗透率为0.01 mD的1和2号岩心模拟低渗区储层，选用平均渗透率为0.1～100 mD的岩心模拟高渗区储层，在7倍水体、采气速度为1 L/min的条件下研究不同区域储层之间渗透率级差不同时水侵对气藏开发的影响。②不同布井方式:分别选用平均渗透率为0.01 mD的1和2号岩心与平均渗透率为0.1 mD的3和4号岩心模拟低渗区储层，选取平均渗透率为100 mD的11和12号岩心模拟高渗区储层，在7倍水体、采气速度为1 L/min的条件下，分别模拟只在低渗区布井、仅在高渗区布井和在高渗区与低渗区同时布井时水侵对气藏开发的影响。

表2 实验方案

2 实验结果与分析

通过实验室模拟非均质气藏水侵和生产动态变化过程，获取水侵量、出水量、采出程度等关键参数。综合处理这些参数，分析不同渗透率级差和不同布井方式对非均质气藏开发效果的影响，为后续气藏的开发和评价提供实验依据。

2.1 不同渗透率级差

非均质气藏不同区域渗透率差异较大，为了研究不同区域渗透率差异对气藏开发效果的影响，选用平均渗透率为0.01 mD的1和2号岩心模拟低渗区储层，选用平均渗透率约为 0.1、0.5、1、10、100 mD 的岩心模拟高渗区储层，整体气藏储层渗透率级差分别为10、50、100、1 000、10 000，在 7 倍水体、采气速度为 1 L/min的条件下开展不含边、底水与含边、底水时气藏开发规律物理模拟实验，实验结果如图2所示。

当气藏不含边、底水时，采出程度随着渗透率级差的增加逐渐增大，这是因为渗透率级差越大，气藏整体储层物性越好，在气藏开发过程中气体受到的渗流阻力越小，因此采出程度越高。当气藏存在边、底水时，采出程度随着渗透率级差的增加呈现先增大后减小的趋势，这是因为随着渗透率级差的增加，气藏储层整体物性逐渐改善，但同时气藏非均型性更加严重，高渗区域渗流能力更强，这也造成了一方面减小了气体渗流阻力，增强了气藏的渗流能力，另一方面，也为地层水体的快速向前推进提供了优势渗流通道。当渗透率级差较小时，此时通过提高渗流能力为气藏带来的正效应大于水体快速突进圈闭气体的能力，采出程度增加，相反随着渗透率级差的增加，水体极易通过高渗区储层快速水侵而造成气藏过早见水，造成采出程度的快速下降。

图2 采出程度随渗透率级差变化曲线

2.2 不同布井方式

由前面实验可知，当气藏非均质严重时，地层水体极易通过高渗区域快速水侵而造成气藏整体采出程度的降低，因此能否通过改变在不同区域的布井方式，以达到整体气藏的最佳开采状态成为研究内容。为此分别选取低渗区储层平均渗透率为0.01和0.1 mD、高渗区储层平均渗透率为100 mD的岩心，在7倍水体，高渗区储层与低渗区储层采气速度均为1 L/min条件下开展不同布井方式(只在低渗储区储层布井、高渗区储层布井和同时在低渗区储层与高渗区储层布井)的水侵规律物理模拟实验。

2.2.1 低渗区储层渗透率为0.01 mD

当低渗区储层渗透率为0.01 mD时，实验结果如表3和图3所示，此时低渗区储层较为致密，渗流能力差，因此只在低渗区储层布井，虽然水侵量小，气藏在开发结束时也未有地层水体产出，能够有效的抑制整体气藏的水侵，但气藏的整体采出程度小，仅为33.3%;当只在高渗区储层布井时，由于高渗区储层渗流能力强，水体沿着高渗区储层快速向前推进，无水期采出程度较低，仅有33.8%，而且气井水侵量大，最终采出程度为63.3%;而同时在低渗区储层与高渗区储层布井时，无水采出程度相对较高(55.9%)，比仅在高渗区储层布井无水采出程度高出22.1%，最终采出程度也相对较高(65.6%)，开发效果最好，因此，当低渗区储层渗透率较为致密时，建议同时在高渗区储层和低渗区储层同时布井，以提高气藏的整体采出程度。

表3 不同布井方式的水侵规律模拟结果(0.01 mD)

图3 不同布井方式采出程度与水侵量变化图

2.2.2 低渗区储层渗透率为0.1 mD

当低渗区储层渗透率为0.1 mD时，实验结果如表4和图4所示，此时低渗区储层渗流能力较储层渗透率为0.01 mD时强，与高渗区储层连通性更好，此时仅在低渗区储层布井，采出程度达到58.7%，能够有效的动用整个气藏的气体，同时在实验结束时，气藏并未产水，这也说明在低渗区储层布井水侵速度较慢，能够有效的抑制整体气藏的水侵;而仅在高渗区储层布井时，最终采出程度与仅在低渗区储层布井时的采出程度相当，但无水采出程度仅为49.9%，低于仅在低渗区储层布井时的无水采出程度，而且后期气藏还面临着大量产水的问题;同时在低渗区储层与高渗区储层布井，最终采出程度最高，但后期气藏出水严重。因此当气田具有较强的产出水处理能力时，建议同时在高渗区储层与低渗区储层布井，以获取较高的气藏采出程度，而当气田产出水处理能力较弱时，建议仅在低渗区储层布井，以达到最大的无水采出程度，获取最大的经济效益。

表4 不同布井方式的水侵规律模拟结果(0.1 mD)

图4 不同布井方式采出程度与水侵量变化图

3 结论

(1)气藏不存在边、底水时，同一气藏不同区域渗透率级差越大，采出程度越高;但存在边底水时，气藏采出程度随着渗透率级差的增加先增大后减小;当气藏具有较强的水处理能力时，建议在高渗区储层与低渗区储层同时布井，以获取较高的气藏采出程度，而当气田水处理能力较弱时，建议仅在低渗区储层布井，以达到最大的无水采出程度，获取最大的经济效益。

(2)通过实验研究明确了不同的布井方式对气藏开发效果的影响，但研究还有局限性，后期实验可以继续开展不同的配产方式、不同的开发顺序、不同的压裂规模、不同的生产制度等因素对气藏水侵规律及开发效果的影响，为气藏的更好开发提供依据。