中坝气田须二气藏水侵方向研究新方法

谭晓华，李胜胜¹，李晓平^1*，曹  建²，张楚越²

（1 油气藏地质及开发工程国家重点实验室 西南石油大学，四川成都 610500；2 中国石油西南油气田分公司川西北气矿，四川绵阳 621700）

摘要：气井水侵将会造成气井产能大幅下降，影响气藏的开发动态。水侵方向的确定和预测是水侵气藏动态分析和预测的一项重要内容。以往学者是主要结合气藏数值模拟和示踪剂监测，了解整体的侵入趋势，该方法只能对整个气藏水侵分析出主体方向。针对水侵气藏开发中后期水侵方向不确定的问题，本文对须二气藏的水侵方向通过势的叠加原理，引入水侵势函数用以描述气井水侵，计算出每口井的水侵方向。结果表明，水侵方向与前面两个研究的结果一致，且该方法可以一定地预测出小部分水体地入侵方向，并可以运用在其它类似气藏。

关键词：水侵气藏；水侵方向；水侵势函数

引言

在水驱气藏的开发中，由于地层水的侵入而造成的气井出水，不仅会使得气藏的开发开采难度变大，而且会使得气井产能造成损失，降低气藏最终采收率。水侵动态的准确判断，特别是监测中后期水侵，是主动有效地对后期开发气藏的基础^[1]。因此，水侵方向的确定和预测是水侵气藏动态分析和预测的一项重要内容，它直接关系到气藏的后期开发方案的设计和调整。国内一些学者以气藏的开发动态以及地质特征为基础，已研究出水侵气藏开发中后期的整体水侵方向，但对预测单井水侵方向的方法研究甚少。目前常用确定气藏水侵方向的分析方法有：刘俊丰等人^[2]通过注示踪剂监测并结合气藏数值模拟和动态分析，得出平水侵方向向着高压区域向低压区域推进；万小井^[3]综合气井地质以及射孔资料和水侵模式等一些研究结果，探究气藏的水侵方向；张子为等人^[4]利用数值模拟软件对水侵动态过程进行模拟，分析气藏水侵方向。这些分析方法只能针对整个气藏水侵分析出主体方向，不能针对于每口生产井进行具体分析。

本文利用通过势的叠加原理，引入水侵势函数用以描述气井水侵，可以计算出地层中任意一点的水侵方向。该方法在不需要大量现场实测数据的情况下也能够较为准确的预测各生产井的水侵方向，不仅能节约大量的测试成本，也能对其它类似气藏的水侵动态研究工作提供指导作用。

中坝气田位于四川省江油市，须二气藏于1972年11月发现，至目前钻达须二段的井共计46口，获工业气井27口。气藏于1973年8月投入开发，1978年编制开发方案。现有生产井26口，其中坝纯气井12口，气水同产井14口（包括2口工艺排水井），观察井2口（见图1）。

中坝须二气藏属边水水侵气藏，由于储层裂缝发育不均，气井出水呈现多样化特^[5]。

（1）北区排水后，水气比平稳下降，水气比较高井主要分布在构造东部断层边界附近从气井单井产水看，差异较大，现有26口生产井中坝，有14口气水同产井，12口纯气井，产水最高的中坝35井，日产水高达95m³，产水气井主要分布在构造东部断层边界附近与气藏水侵方式是一致的。

（2）裂缝是中坝须二气藏水侵的主要通道，出水气井基本位于I类裂缝发育区^[5]。

从单井产水量及生产水气比分析，产水量较高的气井基本位于I类裂缝发育区。中坝须二气藏基质物性较差，裂缝是气、水流动的主要通道，中高产井也处于裂缝发育区。对这类气井的开采应采取较为谨慎的策略，裂缝的水淹封闭压力较高，开采不当容易导致气藏过早废弃，降低整个气藏的采收率。

（3）北区水侵程度高于南区；水侵方向呈“由北向南，由外向内”变化趋势^[5]；南区应控制采速，减缓水侵前沿向气区内部侵入。

（4）主力排水井日产水量逐年减低，2005年提产后气藏水侵有向气区内部扩展趋势，后期应加大气藏的排水量，降低内部气区储层水淹风险。

（5）油套压差差异大，高产水井存在井底积液。

 

图1 中坝气田须二气藏水侵示意图

Fig.1 schematic diagram of water invasion in Xu-2 gas rcscrvoir of Zhongba

1 地层水性质分析

地层水是地下流体的重要组成部分，涉及了整个油气生成、储集和运移的过程，在地下的岩石孔隙空间中有着不同形式，其分布特征是盆地演化过程中多种地质作用的综合反映^[6]。目前2018年的地层水分析得出：地层水性质：据该区水样分析统计表明，地层水性质为CaCl₂型，PH值一般为5.00～6.95，Cl^-含量变化范围为1.48mg/L～60848mg/L，Ba²⁺+Sr²⁺含量变化范围为0mg/L～3852mg/L（含量为0的井有：中坝9、16、52、53、54以及63），相对密度在0～1.0487之间，总矿化度在0.186mg/L～73444.96mg/L，平均17532.029mg/L；另外还含有其他微量元素。绘画不同年限的矿化度（图2~7），从1989-2004矿化度变化趋势看出，地层水逐渐向中坝19以及中坝64井水侵，并出现两个水侵区块；从2005-2014年，为气藏排水提高产量阶段，气藏排水量保持在原250m³/d左右；从2015年到目前，为气藏控产阶段，水侵量增加，矿化度也随之增加，水侵方向主要往东北以及西南小部分水体。并且通过判断Ba²⁺+Sr²⁺含量与矿化度大小，可以大致判断出每口井是否水侵。每年矿化度分布图可以得出，升高更快的井，水侵速度应该更快，与目前水侵前缘大致位于中坝44-51-63-53-64-34-65可以相匹配，为后期进行水侵分析有一定指导意义，也可以大致判断出气藏的主体水侵方向从东北到西南。

 

图2 1989年矿化度分布图 图3 1999年矿化度分布图

Fig.2 salinity distribution in 1989 Fig.3 salinity distribution in 1989

 

图4 2004年矿化度分布图 图5 2014年矿化度分布图

Fig.4 salinity distribution in 2004 Fig.5 salinity distribution in 2014

 

图6 2017年矿化度分布图 图7 2018年矿化度分布图

Fig.6 salinity distribution in 2017 Fig.7 salinity distribution in 2018

2 数值模拟以及动态分析

根据气藏地质认识、生产动态、压力监测等资料建立数值模拟模型，用精细的数值模拟方法来构建准确的气藏预测模型，气藏数值模拟软件以真实模拟水驱气的非活塞式驱替过程，因此，利用数值模拟软件模拟水侵动态过程会更精确^[4]。根据对中坝须二气藏出水井产水的拟合，大致模拟出了模型的水侵过程，图8，表1为部分井见水时间。

 

图8 中坝须二气藏部分井出水时间示意图

Fig.8 schematic diagram of water emergence time of some wells in Xu-2 gas rcscrvoir of Zhongba

表1 中坝须二气藏气井出水时间表

Table 1 water emergence time schedule of gas well in Xu-2 gas rcscrvoir of Zhongba

 

图9 须二气藏1973-08水侵过程示意图 图10 须二气藏1977-08水侵过程示意图

Fig.9 schematic diagram of water invasion process of 1973-08 in Xu-2 gas rcscrvoir Fig.10 schematic diagram of water invasion process of 1977-08 in Xu-2 gas rcscrvoir

 

图11 须二气藏2004-08水侵过程示意图 图12 须二气藏2014-08水侵过程示意图

Fig.11 schematic diagram of water invasion process of 2004-08 in Xu-2 gas rcscrvoir Fig.12 schematic diagram of water invasion process of 2014-08 in Xu-2 gas rcscrvoir

 

图13 须二气藏2016-08水侵过程示意图 图14 须二气藏2018-08水侵过程示意图

Fig.13 schematic diagram of water invasion process of 2016-08 in Xu-2 gas rcscrvoir Fig.14 schematic diagram of water invasion process of 2018-08 in Xu-2 gas rcscrvoir

从图9~14可以看出，主要水侵方向为西北向东南方向水侵，目前水侵前缘与生产动态认识相吻合，并与地层水性质分析得到的主体方向一致。

3 水侵方向确定新方法

进行通过对涩北6个层组10个井组注示踪剂监测并结合气藏数值模拟和动态分析，得知各见剂井组的水侵方向，了解了层组边水整体的侵入趋势。水侵方向沿高压区向低压区推进。说明压力的差异影响水侵方向，下面详细介绍每口井水侵方向的计算新方法。

一口气井水侵方向主要由两方面因素决定，第一方面因素为该井周围气井的生产特征与地质特征，若周围一口气井A与该井沟通良好且配产高，则该井容易向A井水侵，反之，则不容易向A井水侵；第二方面因素为周围气井A与该井的距离，同等条件下距离越近影响越强烈。因此，引入水侵势函数用以描述气井水侵。

假设渗流平面上有一点汇，液体质点沿径向流向该点，并在此消失。如在该点画出半径为r的圆周，则其平面径向流的流量为：

                          （1）

令，则（1）式变为：

                            （2）

对（2）式分离变量并积分得：

                          （3）

（3）式为平面上点汇势的数学表达式，其中C是由边界条件确定的积分常数^[7]。

当时，，将其代入（3）式得：

                         （4）

当时，，将其代入（4）式得：

                         （5）

由（3）式、（4）式或（5）式得平面上任意一点势：

                          （6）

或

                         （7）

由（6）式、（7）式得单位厚度上的产量：

                        （8）

由（8）式，平面上点汇的产量：

             （9）

当地层中同时存在若干口井时，可根据势的叠加原则来确定地层中任意一点的势。若有n口井，各口井的产量分别为q₁，q₂，q₃，…，q_n，单位厚度上的产量分别为q_h1，q_h2，q_h3，…，q_hn，则地层中任意一点M的势差应为各井单独工作时在该点产生的势差的代数和^[8]，即：

                    （10）

式中：——第i井单独工作时M点的势。

由（10）式，对地层中任意一点M而言，当第i井单独工作时，存在：

                      （11）

且

                       （12）

则当第i井单独工作时在M点产生的势差为：

                      （13）

当n口井同时工作时，由（13）式得M点的势差：

                     （14）

多井工作时，每一口井到供给边界的距离r_ei不相等，这就造成了计算困难。实际中，常取油井所在区域中心到供给边界的半径作为各井共同的供给边界半径。实践证明，只要供给边界离井所在区域足够远，一般供给边界半径大于油井分布区域直径的2.5倍时已经足够准确，于是得到多井干扰情况下地层中任意一点的势差为：

                     （15）

由此引入

                       （16）

F_w为水侵强度，该值是由张伦友等^[9]对不同类型，不同水体活跃程度的气藏研究中得出的，该值为一个常数，不随气藏的生产而变化。对于水驱气藏，存水体积系数与采出程度满足式（17），即：

                          （17）

对于正常压力系统的水驱气藏，可忽略岩石的压缩和束缚水膨胀，则水驱气藏物质平衡压降方程可改写为：

                      （18）

令无因次拟压力，联立式（3-17）和式（3-18）得：

                       （19）

由上式可以得出判定水体活跃程度图版，将B值固定，可在直角坐标系绘制出P_p~R关系曲线，改变B值大小，这样根据不同的B值就能绘制出不同的P_p~R关系曲线，即为水侵强度判定图版，根据累计产气量和地层压力数据，并将数据绘制在图板上，即可从图板上得出气藏相应的B值。

根据势的叠加理论可以计算出地层中任意一点的水侵方向。当计算某一气井水侵方向，需明确地层中每口气井的水驱强度以及各气井与该井的距离。基于以上理论，我们只需先定好一口井为中心井，以中心井为中心，将目标小层的所有井以坐标，距离，水驱强度等参数代入公式，即可求取各气井水侵方向。最后计算完成后，水侵方向使用角度坐标表示（0-360°，正北方向为0°）。

计算成该小层除中心井外其他井到中心井的距离：

                  （20）

所以，水侵方向判定步骤：

（1）将中心井坐标，水驱强度归零；

（2）分别计算除中心井外其他井到中心井的距离和每口井距中心井的水驱强度梯度；

（3）以不同的井为中心井，就能得出每口井的水侵方向。

（4）最后在已经画出的水侵强度分布图中，标明每口井的水侵方向，并且箭头的长度等于水侵强度的倒数。（图15）

 

图15 水侵方向原理图

Fig.15 basic diagram of water invasion direction

根据中坝气田各井水侵强度梯度分布图判定得到各井的水侵方向，见表2。

表2 中坝气田须二气藏26口井水侵方向

Table 2 water invasion direction of 26 wells in Xu-2 gas rcscrvoir of Zhongba