文 敏，幸雪松，邱 浩，潘 豪，侯澤寧，王 帥，李占東

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京100027；2.黑龍江省天然氣水合物高效開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163318；3.東北石油大學(xué) 海洋油氣工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318）

當(dāng)前石油及天然氣化工依舊是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，也將是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域[1]。當(dāng)前，世界石油工業(yè)的研究熱點(diǎn)逐漸由陸地油田開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)向海洋水域油氣田[2]。世界海上油氣勘探開(kāi)發(fā)步伐明顯加快，海上油氣新發(fā)現(xiàn)超過(guò)陸上，儲(chǔ)產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，海洋已成為全球油氣資源的戰(zhàn)略接替區(qū)。因此，加快我國(guó)海洋油氣的開(kāi)發(fā)進(jìn)程已刻不容緩。

受平臺(tái)空間和投資成本等眾多因素限制，海上油氣田鉆井多以水平井、定向井、大位移斜井井型居多。實(shí)踐證明，水平井在底水活躍油氣藏開(kāi)采過(guò)程中，均不同程度出現(xiàn)了過(guò)早見(jiàn)水難題[3]。針對(duì)這一技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種控水工藝[4?5]，如變密度篩管控水、中心管技術(shù)、ICD（或AICD）篩管控水、DWS 雙層完井排液壓錐技術(shù)等[6?9]。盡管如此，眾多控水工藝仍存在各自的優(yōu)勢(shì)和局限性[10?12]，特別是海上潛山裂縫氣藏控水開(kāi)發(fā)，尚未形成有效的控水方案。與油藏不同[13?15]，潛山氣藏開(kāi)發(fā)面臨主要難題如下：（1）天然氣具有可壓縮性，開(kāi)采時(shí)比油井具有更高的滲流速度，見(jiàn)水風(fēng)險(xiǎn)高[16]。（2）裂縫對(duì)氣體的疏導(dǎo)能力強(qiáng)，易造成邊底水迅速錐進(jìn)[17]，控制難度大。因此，本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，以惠州26?6 潛山裂縫凝析氣田為例，提出了一套基于分段控水工藝，并通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，重點(diǎn)闡明非均質(zhì)裂縫氣田水侵規(guī)律，從而達(dá)到延長(zhǎng)無(wú)水采氣周期的目的。研究成果旨在建立潛山氣藏復(fù)合控水開(kāi)發(fā)的模式，可為海域同類(lèi)氣藏開(kāi)發(fā)提供借鑒的思路。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)初始參數(shù) 實(shí)驗(yàn)裝置采用三維耐高溫耐高壓反應(yīng)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），釜體外壁鋼體厚10 cm，內(nèi)部有效空間長(zhǎng)50 cm、寬50 cm、高50 cm，能夠承受最高壓力75 MPa 和最高溫度150 ℃。釜體底部為飽和度測(cè)點(diǎn)和壓力測(cè)點(diǎn)連接處，連接內(nèi)部壓力傳感器測(cè)點(diǎn)和飽和度傳感器測(cè)點(diǎn)；釜體側(cè)面布置3 個(gè)注入閥，采用“面注”代替“點(diǎn)注”方式，以此達(dá)到底面均衡注水的目的；釜體頂面設(shè)有一圈密封閥，用于密封釜體模型；釜體內(nèi)側(cè)頂部安裝有防砂致密篩網(wǎng)，有效防止反復(fù)注氣破壞砂體穩(wěn)定性。反應(yīng)釜注入閥外接ISCO 泵和空氣壓縮機(jī)，通過(guò)ISCO 泵實(shí)現(xiàn)恒速注入水體，空氣壓縮機(jī)用于注入高壓氣體。

1.1.2 裂縫氣藏參數(shù)設(shè)計(jì) 潛山凝析氣藏裂縫展布特征的構(gòu)建，是基于惠州26?6 氣田典型井裂縫展布特征完成的（見(jiàn)圖2）。由圖2 可看出，研究區(qū)為高角度裂縫發(fā)育區(qū)，其中裂縫角度60°~90°占比較高，裂縫產(chǎn)狀以網(wǎng)狀縫、平行縫為主，裂縫長(zhǎng)度平均分布在10~80 m。

圖2 惠州26?6 氣田典型取心井及裂縫產(chǎn)狀直方圖Fig.2 Histogram of typical cored wells and crack occurrence in the HZ26?6 gas field

基于上述裂縫參數(shù)，模型充填石英砂模擬氣層儲(chǔ)層（見(jiàn)表1），模型儲(chǔ)層平均滲透率5 D，模型裂縫滲透率45 D，裂縫長(zhǎng)度10 cm，裂縫寬度0.3 cm，參照巖心裂縫展布特征，完成儲(chǔ)層砂體裂縫的人為設(shè)置，并采用10~30 目陶粒作為模擬裂縫支撐劑介質(zhì)，構(gòu)造網(wǎng)狀縫和平行縫兩種類(lèi)型（見(jiàn)圖3），按等比相似法，設(shè)定裂縫長(zhǎng)度10 cm，裂縫寬度0.3 cm，裂縫與儲(chǔ)層的夾角定為80°?；诹芽p與氣井水平段空間組合關(guān)系，共設(shè)計(jì)了3 套方案：過(guò)水平井非等間距平行縫（裂縫數(shù)量按1、2、4 條）、過(guò)水平井網(wǎng)狀縫、未過(guò)水平井網(wǎng)狀縫（距水平井10 cm）。

表1 分段控水模型參數(shù)設(shè)計(jì)Table 1 Parameter design of segmental water control models

圖3 不同形態(tài)人工裂縫模型Fig.3 Model of artificial crack in different forms

1.1.3 分段式完井參數(shù)設(shè)計(jì) 分段控水是一種適用于裸眼完井的控水工藝，針對(duì)地層非均質(zhì)性強(qiáng)、水體能量高的油氣藏普適性較好。其工藝主要特點(diǎn)是根據(jù)地層滲透率差異，將水平井井段分割成若干生產(chǎn)段和盲管段，生產(chǎn)段與盲管段相配合，每個(gè)生產(chǎn)段相當(dāng)于一口獨(dú)立水平井，同時(shí)進(jìn)行天然氣開(kāi)采。盲管段工藝是在管外封隔器加入抑水盲管段，通過(guò)調(diào)整盲管段長(zhǎng)度大小，可以控制（延長(zhǎng)）錐進(jìn)至水平段的水體繞流盲管井段時(shí)間，以及限制水體突破管外封隔器滲流至鄰近水平井段的能力，一定程度上能夠延緩氣井的見(jiàn)水時(shí)間，從而達(dá)到限水不限產(chǎn)的目的。

利用PVC 管模擬水平井井筒，根據(jù)反應(yīng)釜內(nèi)部實(shí)際尺寸，氣井水平段置于釜體2/3 處，水平段長(zhǎng)度定為30 cm。根據(jù)裂縫展布特征，分別設(shè)計(jì)過(guò)井水平裂縫、過(guò)井網(wǎng)狀裂縫、不過(guò)井網(wǎng)狀裂縫3 套布井方案。其中，過(guò)井水平縫橫向劃分為6 個(gè)單元（見(jiàn)表2），段2、段4、段6 為盲管段，段1、段3、段5 為產(chǎn)氣段；不過(guò)井網(wǎng)狀縫水平段和過(guò)井網(wǎng)狀縫水平段橫向均劃分5 個(gè)單元，段2、段4 為盲管段，段1、段3、段5為采氣段。為了便于實(shí)驗(yàn)?zāi)M，生產(chǎn)段進(jìn)行開(kāi)孔，盲管段不開(kāi)孔。

表2 分段控水工藝盲管段參數(shù)設(shè)計(jì)Table 2 Parameter design of segmented water control process on the blind pipe section

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 建立裂縫氣藏控水物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?鋪設(shè)地層壓力和含水飽和度測(cè)點(diǎn)。為了保證模擬測(cè)點(diǎn)精度，理論上壓力測(cè)點(diǎn)越多精度越高，但限于反應(yīng)釜有限空間，本次壓力測(cè)點(diǎn)鋪設(shè)是縱向分4 個(gè)層，每一層平面圍繞水平井平均鋪8 個(gè)測(cè)點(diǎn)，空間上共計(jì)32 個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)分布在釜體內(nèi)；含水飽和度測(cè)點(diǎn)為縱向分5 個(gè)層，每層16 個(gè)測(cè)點(diǎn)，空間上共計(jì)90 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

利用PVC 管材模擬水平井井段。實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)模型的建立，首先在反應(yīng)釜內(nèi)充填石英砂至釜體2/3處，以滿足設(shè)計(jì)裂縫的位置和規(guī)模要求?；谠O(shè)計(jì)，裂縫參數(shù)在已鋪設(shè)砂體內(nèi)完成人工造縫及支撐劑充填。其次，將水平井段嵌入至人造裂縫模型內(nèi)，按照裂縫與水平段空間關(guān)系設(shè)計(jì)，將水平段放置于釜內(nèi)合適位置。最后，繼續(xù)充填石英砂并壓實(shí)，安裝釜體頂部防砂隔板并進(jìn)行加蓋密封。

1.2.2 建立均衡氣水界面 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，選擇恒流模式打開(kāi)ISCO 泵持續(xù)注水，水通過(guò)1 號(hào)閥門(mén)向底水層注入，通過(guò)軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水體頂面位置，到達(dá)預(yù)設(shè)位置后關(guān)閉1 號(hào)閥門(mén)。然后打開(kāi)空氣壓縮機(jī)，通過(guò)2 號(hào)閥門(mén)進(jìn)行注氣，緩慢升高地層內(nèi)部壓力至氣藏實(shí)驗(yàn)?zāi)M壓力，關(guān)閉2 號(hào)閥門(mén)。之后，釜體及模型靜止24 h，使釜體內(nèi)氣水到達(dá)穩(wěn)態(tài)，此時(shí)水體頂面會(huì)出現(xiàn)小幅度下降，打開(kāi)1 號(hào)閥門(mén)，低速恒流模式注水，直至水體界面重新恢復(fù)到預(yù)設(shè)位置，關(guān)閉1 號(hào)閥門(mén)，繼續(xù)對(duì)釜體進(jìn)行靜止實(shí)驗(yàn)，同時(shí)觀察釜體壓力和水體界面位置變化，重復(fù)進(jìn)行上述控制流程，直至氣水達(dá)到均衡狀態(tài)，即釜體內(nèi)壓力環(huán)境及氣水界面在預(yù)設(shè)位置不發(fā)生明顯變化。

1.2.3 控水工藝分析及適應(yīng)性評(píng)價(jià) 實(shí)驗(yàn)以HZ26?6?3 井參數(shù)為基礎(chǔ)，總體實(shí)驗(yàn)方案分為2 個(gè)階段，第1 階段假定為不采取控水措施開(kāi)采實(shí)驗(yàn)，第2階段為3 組分段控水措施實(shí)驗(yàn)?zāi)M。對(duì)3 組控水工藝開(kāi)展分析評(píng)價(jià)的同時(shí)，分別與不采用控水實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合各組方案模型的底水錐進(jìn)形態(tài)、無(wú)水采氣期、總產(chǎn)時(shí)間、總產(chǎn)氣量等模擬結(jié)果，完成分段控水工藝的控水效果分析，以此進(jìn)行分段控水工藝在不同裂縫條件下的適應(yīng)性評(píng)價(jià)，明確該控水工藝在裂縫氣藏實(shí)施的有效范圍。

2 結(jié)果與討論

2.1 分段式控水效果分析

分段式控水可以有效延長(zhǎng)無(wú)水采氣期，一定程度上延緩了見(jiàn)水時(shí)間。與水平井全井段完井開(kāi)采相比，水平井分段式開(kāi)采控制下的底水水脊為非均勻流量線匯，由于盲管段對(duì)高滲帶封堵阻隔形成壓差，流體沿水平井筒兩側(cè)生產(chǎn)段流入井筒。圖4 為不同措施下水平井開(kāi)發(fā)水脊形態(tài)效果。從平行裂縫過(guò)井控水實(shí)驗(yàn)可以看出（見(jiàn)圖4（a）、（d）），過(guò)裂縫水平井底水錐進(jìn)較快，水平井呈現(xiàn)出暴行水淹。開(kāi)采初期，氣水界面波動(dòng)不明顯，底水推進(jìn)較為緩慢，整體上底水波及范圍較大，但隨著氣水界面逐漸向上推進(jìn)，當(dāng)氣水沿儲(chǔ)層高滲帶推進(jìn)一定高度后，由于水平井趾端水平裂縫較發(fā)育，與高滲帶儲(chǔ)層構(gòu)成了優(yōu)勢(shì)滲流通道，氣水錐進(jìn)速度提升明顯，底水突破后，水平井趾端率先水淹，剖面上氣水界面構(gòu)成了座椅狀特征，采用盲管分段式控水后，盲管段在井底形成一段非滲透隔板，水體錐進(jìn)至井筒受隔板阻隔作用，水線沿水平井筒方向橫向滲流至井底，導(dǎo)致水錐脊進(jìn)突進(jìn)點(diǎn)轉(zhuǎn)移至低滲帶，從而延緩了水平井見(jiàn)水時(shí)間。

圖4 不同措施下水平井開(kāi)發(fā)水脊形態(tài)效果Fig.4 The effect of water ridge pattern of horizontal well development under different measures

同理，針對(duì)網(wǎng)狀裂縫未過(guò)井模型實(shí)驗(yàn)，不同方案其水體錐進(jìn)差異明顯。對(duì)于不采取控水措施氣藏而言（見(jiàn)圖4（b）），氣水界面受儲(chǔ)層物性非均質(zhì)作用明顯?？傮w特征可劃分為3 個(gè)階段：氣井開(kāi)采初期，表現(xiàn)為氣井開(kāi)采模擬初期均勻緩慢上升，水平段跟部泄壓高于趾端，但“趾跟效應(yīng)”不是特別明顯；受高滲帶和低滲帶差異作用，水線沿高滲帶脊進(jìn)速度逐漸波及較快，當(dāng)氣水界面推進(jìn)至網(wǎng)狀裂縫后，水體沿裂縫高滲帶快速脊進(jìn)，形成了單向翹板式推進(jìn)特征；開(kāi)采后期，水體漫過(guò)儲(chǔ)層裂縫段，地層滲透率降低至原始滲透率，同時(shí)受盲管段封隔阻水作用，氣體沿水平井筒方向橫向流至井底。未控水網(wǎng)狀裂縫模型地層高滲層優(yōu)先見(jiàn)水。下盲管分段式控水效果明顯（見(jiàn)圖4（e）），底水界面形成多個(gè)“凸”字型水脊，各水脊基本在一個(gè)水平高程內(nèi)。然而，網(wǎng)狀裂縫過(guò)井模型無(wú)論是否采取控水措施（見(jiàn)圖4（c）、（f）），其見(jiàn)水時(shí)間快，控水效果不明顯，分段式控水工藝不適用該類(lèi)儲(chǔ)層。

2.2 分段式完井開(kāi)采特征

分段式控水工藝應(yīng)能最大程度滿足底水氣藏水錐進(jìn)上升速度，延緩水平井暴性水淹風(fēng)險(xiǎn)。如前所述的3 套實(shí)驗(yàn)方案，不同產(chǎn)狀的裂縫與水平井段組合不同，產(chǎn)氣特征差異較大（見(jiàn)表3）。

表3 不同裂縫形態(tài)下控水措施前后開(kāi)采時(shí)間與采氣量Table 3 Extraction time and gas recovery volume before and after water control measures under varying crack patterns

針對(duì)方案1，對(duì)比過(guò)井平行裂縫實(shí)驗(yàn)方案控水前后生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，未控水井采氣持續(xù)時(shí)間為17.2 d，累計(jì)無(wú)水采氣量19.0 L；采用分段復(fù)合控水后累計(jì)采氣時(shí)間19.0 d，累計(jì)無(wú)水采氣量達(dá)22.0 L，措施前后采收率提高了13.6%；針對(duì)方案2，不過(guò)井網(wǎng)狀裂縫模型累計(jì)產(chǎn)氣時(shí)間為13.0 d，累計(jì)無(wú)水采氣量17.0 L，采用控水措施后累計(jì)無(wú)水采氣時(shí)間為14.5 d，無(wú)水期累計(jì)產(chǎn)氣量18.2 L，總產(chǎn)氣時(shí)間延長(zhǎng)了11.5%，氣藏采收率提高了7.1%。針對(duì)方案3，過(guò)井網(wǎng)狀裂縫實(shí)驗(yàn)，未控水累計(jì)采氣時(shí)間為12.5 d，累計(jì)采氣量17.0 L，采用下盲管措施后，總產(chǎn)氣時(shí)間增加至13.8 d，但累計(jì)產(chǎn)氣量降低至16.0 L?？傮w來(lái)看，過(guò)井平行裂縫分段式控水效果較好，不過(guò)井網(wǎng)狀裂縫分段式控水效果次之，過(guò)井網(wǎng)狀裂縫分段式控水無(wú)效果。

2.3 分段控水對(duì)產(chǎn)能影響

天然氣具有可壓縮性，開(kāi)采時(shí)具有比油井更高的滲流速度，且由于潛山裂縫對(duì)氣體的疏導(dǎo)能力強(qiáng)，氣井開(kāi)采見(jiàn)水風(fēng)險(xiǎn)高[18?19]。水平井分段式復(fù)合控水與變密度篩管控水機(jī)理相似，即通過(guò)均衡儲(chǔ)層與井筒壓差，實(shí)現(xiàn)均衡控水，但又有別于變密度篩管控水。

水平井分段控水與氣藏滲流作用是一個(gè)復(fù)雜耦合過(guò)程。分段式控水是聯(lián)合盲管段抑水和生產(chǎn)段產(chǎn)氣組合，達(dá)到水平井限流抑水的目的（見(jiàn)圖5）。以全井段完井為例，氣井井底流壓特性曲線是隨井筒由根端至趾端逐漸遞減，需要完成兩個(gè)流動(dòng)過(guò)程：一是氣體流入井底需克服地層壓力和井筒壓力，產(chǎn)生附加壓降。二是氣體井筒內(nèi)需克服跟趾端流場(chǎng)勢(shì)，受沿井筒流壓驅(qū)動(dòng)從趾端流入根端，因此流壓從趾端至根端逐漸減小，生產(chǎn)壓差從趾端到根端逐漸增加，井筒內(nèi)的產(chǎn)量變化又反作用于井筒與地層滲流過(guò)程，距離根端越近其壓差越小，水侵風(fēng)險(xiǎn)越大。分段式控水的盲管段改變了底水錐進(jìn)路線，由于盲管的存在，流體只能從生產(chǎn)段流入井筒，盲管段未有流體流入，盲管段對(duì)應(yīng)井筒壓力較全井段完井壓力降低。同樣，對(duì)應(yīng)井筒外的有效附加壓降較全井段完全升高。此外，由于盲管段封隔限流作用，流體只能從相鄰兩端的生產(chǎn)段流入井底，但由于盲管段兩端生產(chǎn)段加速度壓降不同，流入生產(chǎn)段的流體又反作用于生產(chǎn)段流體，彼此互相影響，從而產(chǎn)生復(fù)雜流線分布。

圖5 物性非均質(zhì)氣藏不同階段底水推進(jìn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of bottom water advancement at different stages in non?homogeneous gas reservoirs

盲管段與生產(chǎn)段匹配直接影響氣井的產(chǎn)能。無(wú)論是均質(zhì)氣藏，還是非均質(zhì)氣藏，盲管段沒(méi)有徑向流量，但影響氣藏勢(shì)分布（見(jiàn)圖6）。一個(gè)盲管段可以把井筒分割成兩個(gè)獨(dú)立生產(chǎn)段，對(duì)于每一個(gè)獨(dú)立生產(chǎn)段而言，氣藏流入井筒形成了獨(dú)立的橢圓滲流單元，每一生產(chǎn)段流體流入速度呈現(xiàn)出非對(duì)稱(chēng)“U”型曲線。分段后打開(kāi)程度越高，盲管段越小，流體流量越大，其產(chǎn)能越高。盲管位置同樣影響氣井產(chǎn)能。一般來(lái)說(shuō)，水平井根端生產(chǎn)壓差最小，產(chǎn)氣量越大。因此，盲管段距離根端越近，造成跟端生產(chǎn)壓差越大，產(chǎn)能越低，反之亦然。不難理解，盲管段越長(zhǎng)，生產(chǎn)段越短，產(chǎn)氣速度越快，但由于滲流通道受限，總采氣量和產(chǎn)能越低。如果盲管段置于高滲層或裂縫層，則可有利于氣井控水，能夠延緩無(wú)水采氣周期，但降低了采氣速度。

圖6 分段完井控水與流量速率示意Fig.6 Schematic diagram of water control and production rate for the segregated well completion

3 結(jié) 論

（1）分段式控水可以有效延長(zhǎng)無(wú)水采氣期，一定程度上延緩了見(jiàn)水時(shí)間。不同裂縫形態(tài)氣藏開(kāi)采見(jiàn)水時(shí)間和產(chǎn)氣量略有差別，其中，過(guò)井平行裂縫模型采氣周期短、產(chǎn)氣速度快，而趾端過(guò)井網(wǎng)狀裂縫的分段控水無(wú)效果。

（2）水平井分段控水與氣藏滲流作用是一個(gè)復(fù)雜耦合過(guò)程。分段式控水的盲管段改變了底水錐進(jìn)路線，由于盲管的存在，盲管段未有流體流入，盲管段兩端生產(chǎn)段加速度壓降不同，流體又反作用于生產(chǎn)段流體，彼此互相影響，從而產(chǎn)生了復(fù)雜流線分布。

（3）盲管段與生產(chǎn)段匹配直接影響氣井的產(chǎn)能。生產(chǎn)段打開(kāi)程度越高，盲管段長(zhǎng)度越小，產(chǎn)量越高；盲管位置同樣影響氣井產(chǎn)能，盲管位置從根端向趾端位移，產(chǎn)氣量和采收率提升越高；盲管段置于高滲層或裂縫層，則可有利于氣井控水，能夠延緩無(wú)水采氣周期。