考虑水封气的水驱气藏开发因素数值模拟研究

刘念肖 雷登生 黄小亮 王作豪 闵春荣

(重庆科技学院 石油与天然气工程学院，重庆 401331)

0 前 言

水封气是指受水侵影响而滞留在地层中难以流动、难以被采出的气体。水驱气藏在生产过程中，井底压力快速下降，形成压降漏斗，当压力波传递到气藏边缘时，在压差的作用下其边、底水得以推进。随着水体的不断侵入，地层中形成气水两相流动区，气相相对渗透率降低，由于毛管力、贾敏效应等因素的影响，部分气体被封存在基质或毛管中，难以流动，这将导致气藏最终采收率降低[1]。

在制定有水气藏的开发方案时，应充分考虑水封气的影响，使方案更合理，从而确保气藏采收率的提高。2002年，郑伟等人针对不同类型的气藏，提出了不同采气速度的开发方案[2]。2020年，曹廷宽等人对川西某气藏的采气速度进行了数值模拟研究，并提出了合理的采油速度及配产方案[3]。2020年，刘成川等人针对川西某气藏进行了井型井网设计研究，采用数模和经济计算相结合的方法确定了井型井网的最优部署方案[4]。目前多以常规水驱气藏为模型，模拟各项开发因素对气藏采收率的影响，而并未考虑水封气对气藏内部的影响，这将导致采收率的预测值偏高。

本次研究根据实际地质模型，建立考虑水封气影响的数值模拟模型，模拟分析不同开发因素对气藏采收率的影响。

1 H气藏概况及网格模型建立

1.1 H气藏概况

H气藏为川东地区典型的石炭系背斜构造气藏，构造走向为北东—南西，圈闭面积为8.86 km2，闭合高度为320 m，气藏埋藏深度约为4 200 m。气藏储层基本参数：平均孔隙度为3.90%；平均渗透率为4.5×10-3μm2；气井岩心平均含水饱和度为12.12%；水井岩心平均含水饱和度为54.41%；储层以裂缝-孔隙双重介质为主，气藏中部的原始折算压力基本一致，地层压力约为53.44 MPa，温度约为106 ℃。储层孔渗之间无明显的相关性，这表明储层孔隙结构发育较差、渗流能力较弱、储层非均质性较强。

根据物质平衡法，计算得到H气藏动储量为39.10×108m3。H气藏于1995年投入开发，截至2020年 6月，其累计产气量达30.61×108m3，动储量采出程度达到78.30%，但依然有大量的气体未被采出。

1.2 数值模拟网格模型建立

数值模拟网格模型基于角点网格系统而建立，生产数据和测井结果表明，H气藏边水推进具有典型层状特征，因此，将气藏z方向(纵向)划分为5个小层。模型总网格数为56 500(226×50×5)，其中有效网格数为11 300。气藏网格划分模型如图1所示。

图1 气藏网格划分模型

2 考虑水封气的模型建立

2.1 水封气机理

(1)宏观机理。在气藏开采过程中，水体会沿高渗带或裂缝向井筒附近突进，高渗带及裂缝周围局部压差减小，这将封隔或阻碍气体的运移[5]，气体无法从低渗基质流向裂缝等高渗通道。水侵渗流过程如图2所示。

图2 水侵渗流过程

(2)微观机理。当水体侵入井筒附近时，地层孔隙中会出现气水两相的气驱水过程。此时，由于毛管力及贾敏效应等因素的影响，部分气体会被封存在孔隙毛管中，从而产生水封气[6]。

2.2 水封气数值模拟参数计算

根据水封气渗流机理，水封气效应主要表现为水相滞留和气水两相相渗滞后[6]。

(1)当水封气效应表现为水相滞留时，设定较高的束缚水饱和度。

(2)当水封气效应表现为气水两相相渗滞后时，计算中考虑驱替和渗吸过程。

考虑水封气前后的相渗参数变化如图3所示。经计算，束缚水饱和度提高了2%。对于气水两相相渗滞后，采用Land方程、许焕昌方程等进行计算[7-8]。

图3 考虑水封气前后相渗参数变化曲线

2.3 考虑水封气模型的历史数据拟合

针对H气藏中4口井的历史数据进行动态拟合，其中，需要拟合的指标包括全区日产气量、日产水量等(见图4、图5)。如图所示，各项指标拟合效果较好，符合模拟条件。

图4 H气藏日产气量历史拟合曲线

图5 H气藏日产水量历史拟合曲线

2.4 考虑水封气的方案模拟

采用考虑水封气和不考虑水封气的两个模型，对研究区1995—2020年的开发情况进行模拟，气藏采收率及累计产气量结果如表1、图6所示。由模拟结果可知：采用不考虑水封气的模型，气藏最终采收率为82.10%，与该气藏实际采收率相差较大；采用考虑水封气模型，气藏最终采收率为78.10%，与该气藏动储量实际采收率的误差仅为0.20%。这说明考虑水封气的模型可以更准确的对气藏开发进行模拟。

表1 历史开发年限采收率模拟结果

图6 历史开发年限累计产气量模拟结果对比

3 各开发因素对气藏采收率的影响

应用考虑水封气模型，分析采气速度、井网密度、加密时机及排水量等因素对气藏开发的影响。针对各因素分别设计数种方案(见表2)，基于研究区历史数据(1995—2020年)，模拟各方案条件下的气藏采收率及累计产气量(历史开发年限模拟)。然后，在此基础上，对未来20年(2020—2040年)的气藏采收率及累计产气量进行模拟(未来开发年限预测模拟)。将模拟结果与原始方案进行对比。

表2 开发方案设计表

3.1 采气速度对采收率的影响

采气速度作为气藏开发方案编制的重要指标之一[9]，合理的采气速度对于气藏生产尤为重要。

根据气藏实际生产过程，在原始方案基础上，对不同时期的采气速度进行调整，设计了3套方案。方案1(P1-1)为降低后期采气速度；方案2(P1-2)为降低前期采气速度；方案3(P1-3)为降低整体采气速度，各方案采收率和累计产气量的模拟结果如表3、图7所示。

表3 不同采气速度方案下采收率模拟结果

图7 不同采气速度方案下累计产气量模拟结果对比

由模拟结果可知：(1)降低前期采气速度对气藏早期开发影响较为显著，但在长期开发中效果一般。这是因为气藏前期为单井生产，采气速度过高会造成地层局部生产压差变大；生产井附近水体较为活跃，水体沿高渗带快速突进到井底附近，导致气井大量产水；同时，水体的快速入侵会产生水封气。所以降低前期采气速度能使气藏采收率提高。但随着开发的进行，前期采气速度对其采收率的影响逐渐降低。(2)降低后期采气速度，能减少后期气井所受水侵的影响，从而提高气藏采收率。(3)降低整体采气速度，可使气藏最终采收率大幅提高。这是因为降低采气速度能减小生产压差，地层水由于毛管力的作用滞留于孔隙中，裂缝及大孔道中的水容易被气流带动而产出[10]，这在一定程度上减缓了区块后期所受水侵的影响，因此气藏采收率相对较高。

3.2 井网密度对采收率的影响

合理的井网密度布局是实现高质量开发的关键因素之一。井网的布置，不仅需要考虑经济因素，更要结合地层的实际情况。井网密度小，则地层生产压差大，气井出水快；井网密度大，则投资大，经济效益见效慢[11]。

在原始方案的基础上，针对井网密度设计了 2套方案。方案1(P2-1)为生产井1单独生产；方案2(P2-2为)生产井1、2共同生产。各方案采收率及累计产气量的模拟结果如表4、图8所示。

表4 不同井网密度方案下采收率模拟结果

图8 不同井网密度方案下累计产气量模拟结果对比

由模拟结果可知：(1)P2-1：1井单独生产时，气藏采收率最低。这是因为1井受水侵影响严重，生产年限相对较短。(2)P2-2：1、2井共同生产时，随着2井的加密，气藏采收率大幅提高，并且后期采收率增幅较大。这是因为2井受水侵影响较小，随着2井的加密，地层局部压差减小，气体占据渗流优势通道，这减缓了水体对1井生产的影响，延长了1井的开采年限。(3)原始方案：1、2、3井同时生产时，气藏采收率最高。这说明井网的加密可使气藏采收率提高。H气藏剩余储量8.61×108m3，其中区块西南部储量约4.63×108m3。可考虑在西南部部署一口新井，从而提高气藏采收率。

3.3 加密时机对采收率的影响

井网加密时机的选择是影响气田采收率的重要因素之一[12]。根据H气藏原始开发的情况，调整各井投产时间，设计了3套模拟方案。方案1(P3-1)为2井提前开发；方案2(P3-2)为3井提前开发；方案3(P-3)为2、3井均提前开发。各方案采收率及累计产气量的模拟结果如表5、图9所示。

表5 不同井网加密时机方案下采收率模拟结果

图9 不同井网加密时机方案下累计产气量模拟结果对比

由模拟结果可知，与原始方案相比，采用P3-1、P3-2、P3-3，气藏采收率均提高。(1)P3-1：2井的提前开发使地层中流体的流动状态发生改变，分担了地层及水体的能量，减缓了水体对1井的入侵程度，增加了1井的稳产年限，从而使气井的采收率提高。(2)P3-2：3井的提前开发减少了区块后期所受水侵的影响，所以其对气藏后期采收率影响较大。(3)P3-3: 2、3井同时提前开发，气藏采收率大幅提高。这是因为随着2、3井提前开发，地层局部压差减小，渗流优势通道为气体，延长了气井的开采年限。

3.4 排水量对气藏采收率的影响

制定合理的排水量才能有效提高气藏采收率。排水量过小，则无法缓解裂缝与基质压差，封存的气体无法采出；排水量过大，裂缝压力迅速下降，水体快速补充，这也将导致被封存气体无法释放[13]。

2009年设计了一口排水井，初期设置排水量为100 m3/d，目前生产井出现大量产水的情况。针对不同的排水量，设计了4套方案(P4-1、P4-2、P4-3、P4-4)，排水量分别设置为0、60、80、120 m3/d。各方案采收率及累计采气量的模拟结果如表6、图10所示。

表6 不同排水方案下采收率模拟结果

图10 不同排水方案下累计产气量模拟结果对比

由模拟结果可知，随着排水量的增大，气藏采收率不断提高，但当排水量大于100 m3/d时，气藏采收率提高缓慢。这是因为早期设置较大的排水量，可以大幅消耗地层水体的能量，避免气井过早出现大量产水的情况。由于地层水体连通性较好、能量较强，所以大量的排水在短期内见效快，但在气藏开发的后期，效果不明显。随着排水量的增大，地层中封存的气体仍然难以产出，所以当排水量大于100 m3/d时，气藏采收率提高不明显。

4 结 语

合理的采气速度可以减缓地层水侵的影响，防止基质与裂缝压差过大而形成水封气。气藏开发前期，布井较少的情况下，应降低单井的采气速度；气藏开发后期，布井多的情况下，应控制区块整体采气速度，延长气井稳产期，从而提高气藏的采收率。

通过井网加密的方式可以减缓地层水体对单一气井的入侵程度。提前进行井网加密可以避免地层局部压差过大，减少水封气的形成，提高气井的开采年限。

排水可以降低地层水体能量，从而提高气藏采收率。但采收率并不随着排水量的增大而持续大幅提高，过大的排水量综合收益并不好。设置合理的排水量能有效地提高气藏采收率。