唐立根，王皆明，丁國(guó)生，孫莎莎，趙凱，孫軍昌，郭凱，白鳳娟（. 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院；2. 中國(guó)石油集團(tuán)公司油氣地下儲(chǔ)庫(kù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司天然氣與管道分公司；. 中國(guó)昆侖工程公司）

基于開發(fā)資料預(yù)測(cè)氣藏改建儲(chǔ)氣庫(kù)后井底流入動(dòng)態(tài)

唐立根1, 2，王皆明1, 2，丁國(guó)生1, 2，孫莎莎1，趙凱1, 2，孫軍昌1, 2，郭凱3，白鳳娟4
（1. 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院；2. 中國(guó)石油集團(tuán)公司油氣地下儲(chǔ)庫(kù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司天然氣與管道分公司；4. 中國(guó)昆侖工程公司）

摘要：針對(duì)應(yīng)用當(dāng)前方法預(yù)測(cè)儲(chǔ)氣庫(kù)井底流入動(dòng)態(tài)誤差大的問題，開展儲(chǔ)氣庫(kù)滲流模擬實(shí)驗(yàn)，建立了考慮氣藏改建儲(chǔ)氣庫(kù)后滲透率變化的井底流入動(dòng)態(tài)方程，并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水侵儲(chǔ)集層改建儲(chǔ)氣庫(kù)后，氣相滲透率與氣藏開發(fā)階段不同，受儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行中氣水滲流關(guān)系的影響，過(guò)渡帶滲透率逐步惡化，純氣區(qū)滲透率逐步改善、甚至超過(guò)氣藏開發(fā)初期儲(chǔ)集層水侵前的水平。依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引入描述氣藏改建儲(chǔ)氣庫(kù)后滲透率變化的參數(shù)，改進(jìn)了傳統(tǒng)井底流入動(dòng)態(tài)方程，利用氣藏開發(fā)資料預(yù)測(cè)改建儲(chǔ)氣庫(kù)后井底流入動(dòng)態(tài)。實(shí)例分析結(jié)果表明，改進(jìn)后的井底流入動(dòng)態(tài)方程考慮了滲透率的影響，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，而傳統(tǒng)方法預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有較大差別。圖2表1參18

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)氣庫(kù)；井底流入動(dòng)態(tài)；滲流實(shí)驗(yàn)；滲透率變化；過(guò)渡帶；純氣區(qū)

0　引言

目前全球建成715座儲(chǔ)氣庫(kù)，形成工作氣量3 930× 108m3，其中中國(guó)現(xiàn)役25座儲(chǔ)氣庫(kù)，保障著管道平穩(wěn)運(yùn)行和市場(chǎng)安全供氣。中國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)大都在枯竭油氣藏基礎(chǔ)上改建而成[1-5]，建庫(kù)時(shí)儲(chǔ)集層發(fā)生水侵，在后期多年的運(yùn)行過(guò)程中，構(gòu)造低部位井采氣時(shí)，受地層水影響，采氣能力遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)數(shù)值，不能發(fā)揮儲(chǔ)氣庫(kù)預(yù)期的調(diào)峰能力。當(dāng)前預(yù)測(cè)儲(chǔ)氣庫(kù)井底流入動(dòng)態(tài)時(shí)，由于缺乏考慮滲透率變化的預(yù)測(cè)方法，以及沒有大規(guī)模開展現(xiàn)場(chǎng)試注試采等原因，一般直接采用氣田開發(fā)階段的地層滲流方程[6-14]。雖然有學(xué)者考慮了儲(chǔ)集層的應(yīng)力敏感特點(diǎn)[15]，卻沒有考慮水侵對(duì)儲(chǔ)集層滲透率的影響。因此，本文開展儲(chǔ)氣庫(kù)滲流模擬實(shí)驗(yàn)，建立考慮氣藏改建儲(chǔ)氣庫(kù)后滲透率變化的井底流入動(dòng)態(tài)方程。

1　儲(chǔ)氣庫(kù)流體分布與滲流機(jī)理

現(xiàn)役儲(chǔ)氣庫(kù)大都存在邊底水，氣水界面上下移動(dòng)，注氣時(shí)因壓力升高而下移，采氣時(shí)因壓力下降而上移，移動(dòng)的氣水界面將儲(chǔ)集層分為純氣區(qū)、過(guò)渡帶和水淹區(qū)3部分[5]。儲(chǔ)氣庫(kù)注采井為了保持一定的注采能力，大都位于純氣區(qū)和過(guò)渡帶中，但實(shí)際運(yùn)行的井底流入動(dòng)態(tài)與設(shè)計(jì)結(jié)果差別較大，主要是井附近儲(chǔ)集層氣水滲流所致。

為了描述儲(chǔ)氣庫(kù)注采井附近儲(chǔ)集層的滲流機(jī)理，針對(duì)過(guò)渡帶和純氣區(qū)設(shè)計(jì)物理模擬實(shí)驗(yàn)：①氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)，模擬純氣區(qū)氣驅(qū)水的滲流過(guò)程；②氣驅(qū)水-水驅(qū)氣實(shí)驗(yàn)，模擬過(guò)渡帶氣驅(qū)水-水驅(qū)氣的滲流過(guò)程。實(shí)驗(yàn)設(shè)備與氣藏開發(fā)氣水相滲實(shí)驗(yàn)相似，但需要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中增加多輪次氣驅(qū)水-水驅(qū)氣的步驟。參照SY/T 5345-2007《巖石中兩相流體相對(duì)滲透率測(cè)定方法》[16]，選擇同一塊巖心分別開展①、②兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，記錄驅(qū)替時(shí)間、流量、壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到氣相相對(duì)滲透率隨驅(qū)替次數(shù)的變化規(guī)律。

物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與氣藏開發(fā)階段表現(xiàn)的規(guī)律不同，束縛水條件下氣相相對(duì)滲透率隨運(yùn)行周期發(fā)生變化，呈現(xiàn)3個(gè)階段（見圖1中AB、BC和BD段）。圖1中，A點(diǎn)代表原始含氣儲(chǔ)集層未發(fā)生水侵時(shí)的滲透率水平，為氣藏開發(fā)階段測(cè)試的數(shù)值；AB段隨著氣藏開發(fā)的深入，氣藏發(fā)生水侵，隨后改建儲(chǔ)氣庫(kù)，B點(diǎn)為第1次注滿氣后儲(chǔ)集層滲透率數(shù)值；BC段為純氣區(qū)儲(chǔ)集層滲透性逐步改善的過(guò)程，隨著運(yùn)行周期的增加和束縛水飽和度的降低，滲透率逐步增加，甚至超過(guò)原始?xì)獠亻_發(fā)階段的數(shù)值，最終基本穩(wěn)定在C點(diǎn)的數(shù)值；BD段為過(guò)渡帶儲(chǔ)集層滲透性逐步惡化的過(guò)程，隨著運(yùn)行周期的增加和束縛水飽和度的增加，滲透率逐步降低，最終基本穩(wěn)定在D點(diǎn)的數(shù)值。

圖1　儲(chǔ)氣庫(kù)注采井附近地層氣相相對(duì)滲透率變化規(guī)律

由圖1可見，過(guò)渡帶和純氣區(qū)儲(chǔ)集層滲透率隨運(yùn)行周期的變化趨勢(shì)不同。這是由各自不同的滲流機(jī)理所致。過(guò)渡帶因?yàn)闅馑ユi形成殘余氣，使不可動(dòng)用的流體飽和度增加，進(jìn)而氣相相對(duì)滲透率不斷降低[5]；而純氣區(qū)因?yàn)闅怛?qū)水使孔隙喉道壁面水膜厚度減小，導(dǎo)致含氣飽和度減小，進(jìn)而氣相相對(duì)滲透率不斷增加。

2　傳統(tǒng)井底流入動(dòng)態(tài)方程改進(jìn)

2.1改進(jìn)原因

氣藏開發(fā)中常用Al-Hussainy R[17]定義的關(guān)于真實(shí)氣體的擬壓力函數(shù)及對(duì)應(yīng)的二項(xiàng)式滲流方程：

（1）式雖然考慮了氣體黏度和壓縮因子在滲流過(guò)程中的變化，但沒有考慮儲(chǔ)集層滲透率的變化，無(wú)法利用氣藏現(xiàn)有開發(fā)資料預(yù)測(cè)其改建儲(chǔ)氣庫(kù)引起滲透率變化后的井底流入動(dòng)態(tài)。然而，前文物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣藏改建儲(chǔ)氣庫(kù)后滲透率數(shù)值變化較大，因此，需要改進(jìn)傳統(tǒng)井底流入動(dòng)態(tài)方程。

2.2方程改進(jìn)

為了預(yù)測(cè)儲(chǔ)集層滲透率改變后的井底流入動(dòng)態(tài)，在Al-Hussainy R[17]定義的擬壓力函數(shù)的基礎(chǔ)上，引入(Kg/K)n，描述儲(chǔ)集層改建儲(chǔ)氣庫(kù)后滲透率的變化，其數(shù)值隨運(yùn)行周期n不斷變化，基于此將傳統(tǒng)擬壓力函數(shù)改寫為：

（2）式采用數(shù)值積分方法求解。改進(jìn)后的擬壓力函數(shù)較復(fù)雜，包含了水侵和儲(chǔ)集層應(yīng)力敏感對(duì)滲流方程的影響，考慮因素更全面。

假設(shè)地層均質(zhì)等厚，氣體流動(dòng)服從達(dá)西定律，得到平面徑向流動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，代入氣體高壓物性參數(shù)，將氣藏條件下的流量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀況下形式，分離變量后得到：

假設(shè)氣體為擬穩(wěn)態(tài)滲流，在供給范圍內(nèi)依靠流體和巖石的彈性能量生產(chǎn)，由等溫壓縮定義得到距離井眼不同距離處產(chǎn)量，其中井底產(chǎn)量與半徑為r處產(chǎn)量的關(guān)系為：

聯(lián)立（2）式—（4）式，并結(jié)合Forchheimer高速非達(dá)西滲流方程[18]，略去K的高階小項(xiàng)的變化，考慮表皮系數(shù)S，整理后得到考慮水侵的井底流入動(dòng)態(tài)方程：

將改進(jìn)后的擬壓力函數(shù)帶入（5）式，整理后得到：

對(duì)比改進(jìn)前后的井底流入動(dòng)態(tài)方程，即（1）式和（6）式，可以發(fā)現(xiàn)，兩者形式相同，等式右邊的表達(dá)式也完全相同，不同的是等式左邊的擬壓力函數(shù)，說(shuō)明預(yù)測(cè)改建儲(chǔ)氣庫(kù)后井底流入動(dòng)態(tài)時(shí)引用氣藏開發(fā)階段的系數(shù)a、b數(shù)值是可靠的。氣藏開發(fā)過(guò)程中，產(chǎn)能試井的1個(gè)重要結(jié)果是得到系數(shù)a、b的數(shù)值，這兩個(gè)系數(shù)是滲透率的函數(shù)，但儲(chǔ)集層水侵后，滲透率必將發(fā)生變化。在預(yù)測(cè)改建儲(chǔ)氣庫(kù)后井底流入動(dòng)態(tài)時(shí)，唯一能夠利用的資料是此前測(cè)試的a、b數(shù)值，但是如果直接采用（1）式，會(huì)產(chǎn)生較大誤差。因此，通過(guò)改進(jìn)擬壓力函數(shù)，將水侵對(duì)滲透率的影響從系數(shù)a、b中剝離，并轉(zhuǎn)移到擬壓力函數(shù)中，這樣不但可以直接利用氣藏開發(fā)階段a、b數(shù)值，還能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)儲(chǔ)集層水侵后改建儲(chǔ)氣庫(kù)的井底流入動(dòng)態(tài)。

3　實(shí)例分析

BQ氣藏位于大港油田，屬于渤海灣盆地的構(gòu)造巖性氣藏，1975年在古近系沙一段發(fā)現(xiàn)油氣顯示，經(jīng)過(guò)多年開發(fā)，于2000年左右改建儲(chǔ)氣庫(kù)。以BQ氣藏為例，采用本文提出的改進(jìn)后的井底流入動(dòng)態(tài)方程，依據(jù)BQ氣藏改建儲(chǔ)氣庫(kù)滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見圖1），結(jié)合氣藏開發(fā)階段B52井的試井結(jié)果（見表1），預(yù)測(cè)改建儲(chǔ)氣庫(kù)后井底流入動(dòng)態(tài)。根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，得到井底流入動(dòng)態(tài)方程中系數(shù)a、b的數(shù)值分別為236.05和0.198 5，進(jìn)而通過(guò)（6）式得到儲(chǔ)氣庫(kù)各個(gè)運(yùn)行周期的井底流入動(dòng)態(tài)（見圖2）。

表1　B52井產(chǎn)能測(cè)試結(jié)果

圖2　氣藏改建儲(chǔ)氣庫(kù)后井底流入動(dòng)態(tài)

圖2顯示，氣藏改建儲(chǔ)氣庫(kù)后井底流入動(dòng)態(tài)以O(shè)B為界分為左右兩部分。①左半部分OBD區(qū)域，代表過(guò)渡帶，井底流入動(dòng)態(tài)在儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中逐步惡化，無(wú)阻流量逐步降低，并最終基本穩(wěn)定于D點(diǎn)；②右半部分OBC區(qū)域，代表純氣區(qū)，井底流入動(dòng)態(tài)逐步改善，無(wú)阻流量逐步增加，并最終基本穩(wěn)定于C點(diǎn)。過(guò)渡帶和純氣區(qū)的井底流入動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)相反，前者逐步惡化，后者逐步改善，這與二者的滲透率變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明改進(jìn)后的井底流入動(dòng)態(tài)方程考慮了滲透率的影響。

BQ氣藏于2000年左右改建儲(chǔ)氣庫(kù)，運(yùn)用傳統(tǒng)井底流入動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法，未區(qū)分過(guò)渡帶和純氣區(qū)，沒有考慮建庫(kù)后滲透率的變化，得到圖2中OA所示預(yù)測(cè)結(jié)果，無(wú)阻流量全部設(shè)計(jì)為211×104m3/d。儲(chǔ)氣庫(kù)經(jīng)過(guò)15個(gè)注采周期的運(yùn)行，結(jié)果顯示，井底流入動(dòng)態(tài)與圖2中OA所示預(yù)測(cè)結(jié)果有一定差別：過(guò)渡帶井的無(wú)阻流量沒有達(dá)到設(shè)計(jì)值，其中BQ-5井實(shí)際測(cè)試的無(wú)阻流量?jī)H為153.6×104m3/d，與本文方法預(yù)測(cè)結(jié)果（153.3×104m3/d）接近；而純氣區(qū)井的無(wú)阻流量超過(guò)了設(shè)計(jì)值，其中BQ-2井實(shí)際測(cè)試的無(wú)阻流量為290×104m3/d，與本文方法預(yù)測(cè)結(jié)果（283.7×104m3/d）接近。因此，本文提出的井底流入動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法優(yōu)于傳統(tǒng)方法，且預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

4　結(jié)論

儲(chǔ)氣庫(kù)流體分布與滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，水侵儲(chǔ)集層改建儲(chǔ)氣庫(kù)后，隨著儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行周期的增加以及氣水滲流關(guān)系的影響，過(guò)渡帶的滲透率逐步惡化，純氣區(qū)的滲透率逐步改善、甚至超過(guò)氣藏開發(fā)初期儲(chǔ)集層水侵前的水平。

引入描述儲(chǔ)集層改建儲(chǔ)氣庫(kù)后滲透率變化的參數(shù)，改進(jìn)傳統(tǒng)井底流入動(dòng)態(tài)方程。結(jié)果表明，只需修改擬壓力項(xiàng)，方程中的層流系數(shù)和紊流系數(shù)保持不變，證明了利用氣藏開發(fā)階段測(cè)試得到的層流系數(shù)和紊流系數(shù)數(shù)值來(lái)預(yù)測(cè)改建儲(chǔ)氣庫(kù)后井底流入動(dòng)態(tài)的可靠性。

實(shí)例分析表明，隨著運(yùn)行周期的增加，過(guò)渡帶井底流入動(dòng)態(tài)逐步惡化，純氣區(qū)井底流入動(dòng)態(tài)逐步改善，變化趨勢(shì)與滲透率相同，說(shuō)明改進(jìn)后的井底流入動(dòng)態(tài)方程考慮了滲透率的變化。儲(chǔ)氣庫(kù)井經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，實(shí)測(cè)無(wú)阻流量與傳統(tǒng)方法預(yù)測(cè)結(jié)果有較大差別，與本文方法預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致。

符號(hào)注釋：

a——層流系數(shù)；b——紊流系數(shù)；h——儲(chǔ)集層厚度，m；K——原始?xì)獠貤l件下儲(chǔ)集層滲透率，10-3μm2；Kg——水淹儲(chǔ)集層改建儲(chǔ)氣庫(kù)后氣相滲透率，10-3μm2；n——儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行周期數(shù)；p——?dú)獠貕毫?，MPa；pa——供給范圍內(nèi)平均壓力，Pa；psc——標(biāo)準(zhǔn)狀況下壓力，取0.101 325 MPa；pwf——井底流壓，MPa；qr——半徑r處產(chǎn)氣量，m3/d；Q——標(biāo)準(zhǔn)狀況下產(chǎn)氣量，m3/d；r——距離井眼中心半徑，m；re——供給半徑，m；rg——?dú)怏w相對(duì)密度；rw——井筒半徑，m；S——表皮系數(shù)；T——?dú)獠販囟龋琄；Tsc——標(biāo)準(zhǔn)狀況下溫度，取293 K；Z——?dú)怏w壓縮因子；Zsc——標(biāo)準(zhǔn)狀況氣體壓縮因子；β——速度系數(shù)，m-1；φ(p)——傳統(tǒng)擬壓力函數(shù)；φm(p)n——改進(jìn)后的擬壓力函數(shù)；μ——?dú)怏w黏度，mPa·s。

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（編輯胡葦瑋）

Downhole inflow-performance forecast for underground gas storage based on gas reservoir development data

TANG Ligen1, 2, WANG Jieming1, 2, DING Guosheng1, 2, SUN Shasha1, ZHAO Kai1, 2, SUN Junchang1, 2, GUO Kai3, BAI Fengjuan4
(1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development-Langfang, Langfang 065007, China; 2. CNPC Key Laboratory of Oil and Gas Underground Storage, Langfang 065007, China; 3. PetroChina Natural Gas & Pipeline Company, Beijing 100011, China; 4. China Kunlun Constracting & Engeering Corporation, Beijing 100037, China)

Abstract:In view of the gap between the inflow-performance forecasted by the traditional equation and the actual inflow-performance, experiments of gas-gas alternating seepage flow and gas-water alternating seepage flow were carried out, and a modified equation of inflow-performance relationship considering gas permeability change due to water invasion was established. This equation was verified by example analysis. The experimental results show that: gas permeability of net pay, when water-invaded reservoirs are converted into underground gas storage, is different from that during actual gas field development, in that the value of permeability decreases gradually in gas-water zone while the value increases gradually and even higher than that of original gas field in gas zone as a result of gas water alternative flooding in gas storage. Then one parameter describing the extent of permeability change when gas reservoirs are converted into gas storage was defined based on the result of the experiments, and eventually the traditional equation of inflow-performance relationship was modified to forecast inflow-performance in gas storage based on data from field development. Example analysis result shows that: the modified equation considers the effect of changing permeability, its results agree with the actual inflow-performance, while the result of traditional equation differs greatly from the actual inflow-performance.

Key words:underground gas storage; well inflow-performance; percolation experiment; permeability change; gas-water zone; gas zone

基金項(xiàng)目：中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重大科技專項(xiàng)“地下儲(chǔ)氣庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”（2015E-4001）

中圖分類號(hào)：TE972+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-0747(2016)01-0127-04

DOI:10.11698/PED.2016.01.16

第一作者簡(jiǎn)介：唐立根（1982-），男，山東菏澤人，碩士，中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院工程師，主要從事儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)分析研究。地址：河北省廊坊市44#信箱專家樓201室，郵政編碼：065007。E-mail：tangligen@petrochina.com.cn

收稿日期：2015-04-11修回日期：2015-08-26