李 奇 高樹(shù)生 劉華勛 葉禮友 安為國(guó) 劉廣昊

1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 2. 中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所3. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院滲流所 4. 中國(guó)石油華北油田公司第一采油廠

關(guān)鍵字：鄂爾多斯盆地；蘇里格；致密砂巖氣藏；氣、水層合采；滲流規(guī)律；層間越流；氣水交互

0 引言

蘇里格致密砂巖氣田是保證長(zhǎng)慶氣區(qū)天然氣產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)油氣當(dāng)量 5 000×104t穩(wěn)產(chǎn)、6 000×104t增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要致密砂巖氣田[1-2]。其有效砂體規(guī)模小、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、物性差，儲(chǔ)集層多以氣水混存型分布模式存在，直井開(kāi)發(fā)鉆遇氣、水層垂向接觸模式多樣。當(dāng)前尚未深入明確氣水層間兩相滲流規(guī)律，就大規(guī)模常規(guī)開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致相鄰氣井產(chǎn)水、產(chǎn)氣特征差異大，且部分氣井投產(chǎn)就產(chǎn)水[3-4]，是影響致密砂巖氣藏有效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題[5-6]。由此可見(jiàn)，正確認(rèn)識(shí)蘇里格致密砂巖氣藏不同氣水層分布模式下，多層合采氣水交互滲流的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征及滲流規(guī)律，可以為氣田精準(zhǔn)、高效開(kāi)發(fā)提出指導(dǎo)性建議。

目前關(guān)于蘇里格氣田氣、水層合采開(kāi)發(fā)的物理模擬方法和種類(lèi)較少。調(diào)研發(fā)現(xiàn)[7-11]，胡勇[12-14]等先后依據(jù)儲(chǔ)層地質(zhì)特征，建立雙層氣藏、層間無(wú)越流的物模實(shí)驗(yàn)，探究衰竭開(kāi)發(fā)過(guò)程中單井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征以及儲(chǔ)層向氣井的供氣動(dòng)態(tài)特征。游利軍[15-19]等開(kāi)展多層氣、水層合采供氣能力的實(shí)驗(yàn)研究，初步揭示氣井出水機(jī)理及不同因素對(duì)氣井供氣能力的影響。雖針對(duì)氣藏多層合采的物模實(shí)驗(yàn)已有一些研究成果，但由于實(shí)驗(yàn)條件及設(shè)備的不完善，以上所述實(shí)驗(yàn)及成果均存在不同的局限性：①忽略氣藏儲(chǔ)層分布模式及開(kāi)發(fā)方式的多樣化；②迫于研究條件的局限，無(wú)法考慮層間越流，認(rèn)為層間“交流”只發(fā)生在井筒；③以上實(shí)驗(yàn)采用多入口、出口相連的方式，未能揭示疊置儲(chǔ)層在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)“氣水交互，層間干擾”的滲流規(guī)律。綜合目前研究現(xiàn)狀及存在的開(kāi)發(fā)問(wèn)題，需采用有效實(shí)驗(yàn)研究手段，探究蘇里格致密砂巖氣藏氣、水層合采越流的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征及滲流規(guī)律。

本文統(tǒng)計(jì)蘇里格氣田大部分氣井氣水層分布特征，歸納并選取3種典型氣水層分布模式，探究實(shí)際氣藏開(kāi)發(fā)生產(chǎn)時(shí)氣、水層間滲流規(guī)律。選取4組合適長(zhǎng)度巖心作為研究對(duì)象，利用復(fù)雜氣藏開(kāi)發(fā)多點(diǎn)測(cè)壓模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)復(fù)雜氣藏雙層流動(dòng)多點(diǎn)測(cè)壓衰竭開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)流程，突破常規(guī)多層合采實(shí)驗(yàn)方法，建立不同開(kāi)發(fā)方式下氣、水層間可交互越流的雙層開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)物模實(shí)驗(yàn)。對(duì)比分析不同影響因素下每組實(shí)驗(yàn)的壓降曲線、產(chǎn)水動(dòng)態(tài)、采收率等變化，從而揭示蘇里格氣田不同氣水層分布模式下開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)特征及層間滲流規(guī)律。

1 多層合采氣水交互越流實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)蘇里格氣田2個(gè)典型區(qū)塊的氣井，應(yīng)用可動(dòng)水飽和度測(cè)井解釋新方法進(jìn)行氣水層的解釋與識(shí)別，并歸納所有井的氣水層分布關(guān)系類(lèi)型[20-21]，共劃分為4種基本氣水層分布模式（圖1）：M1純氣層分布，M2氣、水層遠(yuǎn)距離間隔分布，M3氣水層緊鄰分布，M4氣水薄層交替分布。統(tǒng)計(jì)2個(gè)區(qū)塊四種分布模式的數(shù)量可知，第一個(gè)典型區(qū)塊中氣水分布模式M1、M2、M3、M4分別占比6%、12%、25%和57%；第二個(gè)典型區(qū)塊中氣水分布模式M1、M2、M3、M4分別占比18%、23%、48%和11%?？傮wM3、M4模式占比最多，且兩種模式本質(zhì)均為氣層、含水層緊鄰疊置分布，所以設(shè)計(jì)氣、水層緊鄰分布的雙層合采物模實(shí)驗(yàn)?？紤]到實(shí)驗(yàn)室模擬條件以及直井壓裂時(shí)裂縫的不規(guī)則性，實(shí)驗(yàn)使用3條長(zhǎng)10 cm、內(nèi)徑為0.17 cm的耐高壓管線均勻分置并連通兩層，以便于充分模擬真實(shí)流體在層間裂縫的滲流流動(dòng)。通過(guò)對(duì)實(shí)際氣田直井的壓裂及生產(chǎn)狀況調(diào)研，同時(shí)計(jì)算該實(shí)驗(yàn)?zāi)M人造裂縫的相似比例[22]，基本實(shí)現(xiàn)了流體在層間裂縫越流條件的模擬效果，保證了雙層合采層間流體的“溝通”與 “交流”。同時(shí)設(shè)定M1純氣層分布模式作對(duì)比模式，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)具有完整性、對(duì)比性。

圖1 4種基本氣水層分布模式

選取研究區(qū)儲(chǔ)集層8塊滲透率介于0.05～3.5 mD之間的長(zhǎng)巖樣。定義參數(shù)σ為含水層與氣層初始滲透率的比值，用以描述緊鄰氣、水層間滲透率差異，按照不同數(shù)量級(jí)的σ將巖樣分為4組不同物性的氣水層組合模式：σ=95.02的儲(chǔ)層組合模式A，σ=1.183的儲(chǔ)層組合模式B，σ=23.37的儲(chǔ)層組合模式C，σ=0.039的儲(chǔ)層組合模式D。依次針對(duì)模式A、B、C、D開(kāi)展在不同含水階段的雙層合采氣水交互滲流對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。模型設(shè)計(jì)中所選巖樣的尺寸、物性參數(shù)以及巖樣上各測(cè)點(diǎn)距離如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)巖樣常規(guī)物性參數(shù)表

2 實(shí)驗(yàn)方案與過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

實(shí)驗(yàn)巖心系統(tǒng)由兩個(gè)規(guī)格相同的長(zhǎng)巖心夾持器組成，每個(gè)夾持器的測(cè)壓點(diǎn)內(nèi)均為可嵌入式空心探針，以確保合采時(shí)層間流體交互越流。實(shí)驗(yàn)前，根據(jù)多點(diǎn)測(cè)壓巖心夾持器使用說(shuō)明與規(guī)范，按照多點(diǎn)夾持器的測(cè)點(diǎn)位置，相對(duì)應(yīng)地在長(zhǎng)巖心上打孔，孔深保持4 mm。實(shí)驗(yàn)采用高純氮?dú)饽M儲(chǔ)集層中的天然氣，配置礦化度為60 000 mg/L的氯化鉀溶液。參考實(shí)際研究區(qū)儲(chǔ)層溫度、上覆壓力、孔隙壓力條件，設(shè)定所有實(shí)驗(yàn)初始溫度為70 ℃，圍壓為40 MPa，流壓為30 MPa，并以500 mL/min的瞬時(shí)流速定容衰竭開(kāi)發(fā)，直至儲(chǔ)層出口壓力降到廢棄壓力3 MPa（廢棄條件：出口端壓力約為初始流壓的10%[23-24]）。

鑒于研究區(qū)氣藏儲(chǔ)層分布模式及開(kāi)發(fā)方式的多樣性，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并搭建相應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置流程（圖2）。該實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)由多點(diǎn)測(cè)壓模擬巖心系統(tǒng)、雙流體注入系統(tǒng)和綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。多點(diǎn)測(cè)壓模擬巖心系統(tǒng)是氣層和（含）水層合采物模實(shí)驗(yàn)的主要部分，通過(guò)控制測(cè)點(diǎn)間閥門(mén)5、6、7實(shí)現(xiàn)兩層流體間的交互流動(dòng)。雙流體注入系統(tǒng)向巖心系統(tǒng)提供高壓氣體，也負(fù)責(zé)建立不同含水飽和度的含水層。綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄實(shí)驗(yàn)全過(guò)程的時(shí)間、各測(cè)點(diǎn)壓力、瞬時(shí)流量及累計(jì)產(chǎn)量等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。該實(shí)驗(yàn)裝置具有耐高壓、密封性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)效率高等特點(diǎn)，完全能夠滿足物理模擬實(shí)驗(yàn)的基本要求。與常規(guī)多層并聯(lián)合采實(shí)驗(yàn)不同，本次雙層合采越流實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)在于層間流體的有效連通，以初步探究實(shí)際氣藏多儲(chǔ)層合采時(shí)層內(nèi)滲流及層間越流規(guī)律。

圖2 復(fù)雜氣藏雙層流動(dòng)多點(diǎn)測(cè)壓開(kāi)發(fā)模擬裝置流程圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方案與過(guò)程

依次建立4種氣、水層組合模式A、B、C、D中含水層的不同含水飽和度，通過(guò)氣井多層連通合采的兩種開(kāi)發(fā)方式，設(shè)計(jì)4種模式下的兩種合采開(kāi)發(fā)方案和純氣層單層開(kāi)采對(duì)比方案（圖3），即方案一：純氣層開(kāi)采，模擬氣藏中純氣層獨(dú)立分布且只開(kāi)采此層。方案二：氣水雙層同時(shí)射孔開(kāi)采，模擬氣水組合模式A、B、C、D中含水層在不同含水飽和度下，與氣層并聯(lián)連通且同時(shí)射孔開(kāi)采。方案三：僅射孔開(kāi)采氣層，模擬氣水組合模式A、B、C、D中含水層在不同含水飽和度下，與氣層并聯(lián)連通但只對(duì)氣層進(jìn)行射孔開(kāi)采。方案二、三中每組實(shí)驗(yàn)含水層的含水飽和度分別建立為100%、80%、70%、60%、50%。

圖3 氣、水層分布模式下的兩種開(kāi)發(fā)方式圖

以上3種方案的物理模擬實(shí)驗(yàn)詳細(xì)步驟如下：

2.2.1 方案一：純氣層開(kāi)采

1）模式A中作為氣層的巖心烘干后放入夾持器，對(duì)準(zhǔn)巖心打孔與夾持器測(cè)點(diǎn)位置，關(guān)閉所有閥門(mén)，確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備密封并調(diào)好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，檢查測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄是否正常。

2）保持氣層閥2關(guān)閉并打開(kāi)閥1，增加氣層巖心的圍壓和內(nèi)部孔壓，使二者保持5～8 MPa壓差同時(shí)上漲，直到圍壓達(dá)到40 MPa，氣層巖心的入口1與出口1流壓示數(shù)均穩(wěn)定在30 MPa后關(guān)閥1。

3）待各測(cè)點(diǎn)壓力示數(shù)平衡時(shí)，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。打開(kāi)閥2，并時(shí)刻調(diào)控回壓閥10，保持流量計(jì)的瞬時(shí)流量500 mL/min進(jìn)行衰竭開(kāi)采，控制系統(tǒng)每隔5 s記錄一組（5個(gè)）壓力數(shù)據(jù)，直至出口壓力降至3 MPa廢棄壓力時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉所有閥門(mén)。

4）分別更換模式B、C、D中作為氣層的巖心，均按照模式A進(jìn)行步驟（1）～（3），分別開(kāi)展其余模式的純氣層開(kāi)采實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 方案二：雙層同時(shí)射孔開(kāi)采

1）烘干模式A的兩塊長(zhǎng)巖心，含水層巖心抽真空飽和地層水，建立100%的初始含水飽和度。兩塊巖心各自放入夾持器，打孔與測(cè)點(diǎn)位置對(duì)準(zhǔn)，關(guān)閉并控制回壓閥10保持500 mL/min瞬時(shí)流量雙層衰竭合采。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)軟件每隔5 s記錄兩儲(chǔ)層的壓力，直至氣層出口1壓力降至3 MPa廢棄時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

4）關(guān)閉所有閥門(mén)，稱(chēng)量并記錄實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出到中間容器的產(chǎn)出水，以及越流到氣層巖心的越流水。

5）取出巖心烘干，再分別建立該模式A中含水層其余含水飽和度80%、70%、60%、50%，依次按照步驟（1）～（4）進(jìn)行含水層不同飽和度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。最后更換模式B、C、D，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.2.3 方案三：僅射孔開(kāi)采氣層

方案三與上述實(shí)驗(yàn)方案二的步驟（3）存在區(qū)別，方案三步驟（3）：只打開(kāi)氣層的閥2，關(guān)閉含水層閥4，即不對(duì)含水層射孔開(kāi)采，只對(duì)氣層進(jìn)行衰竭開(kāi)發(fā)，其余步驟則相同。重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟，分別開(kāi)展模式A、B、C、D中不同含水飽和度下僅射孔開(kāi)采氣層的雙層合采氣水交互物理模擬實(shí)驗(yàn)。

以上實(shí)驗(yàn)通過(guò)觀測(cè)流量計(jì)示數(shù)大小，隨時(shí)手動(dòng)調(diào)控出口閥門(mén)以保持500 mL/min流量，雖瞬時(shí)流量存在差量變化，但偏差量微小，誤差均在4%以內(nèi)。另外，每組實(shí)驗(yàn)完成后，使恒壓3 MPa氣體驅(qū)出流入氣層的越流水，出口接入氣液分離干燥管，保持溫度恒定氣驅(qū)8 h，每隔一段時(shí)間換新干燥管，最后計(jì)量總重量差即實(shí)驗(yàn)越流水重量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

所有閥門(mén)，確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備密封并調(diào)好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，檢查測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄是否正常。

2）保持閥2、4關(guān)閉，打開(kāi)閥1、3，使用雙流體注入系統(tǒng)增加兩塊巖心的圍壓和內(nèi)部孔壓，保持每層巖心的有效壓差5～8 MPa同時(shí)上漲。當(dāng)建立100%含水飽和度時(shí)，利用注入系統(tǒng)的地層水壓使含水層達(dá)到30 MPa（含水層則先使用“氣驅(qū)水”實(shí)驗(yàn)方法建立相應(yīng)的含水飽和度，再依照實(shí)驗(yàn)步驟注入高壓氣體至30 MPa）。當(dāng)兩塊巖心的圍壓、孔壓均穩(wěn)定在 40 MPa、30 MPa 時(shí)，關(guān)閉閥 1、3。

3）待各測(cè)點(diǎn)壓力示數(shù)平衡時(shí)，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。打開(kāi)閥1、3使巖心兩端入口連通，打開(kāi)連通閥5、6、7使兩層巖心連通，打開(kāi)閥2、4使巖心兩端出口連通，

綜合處理實(shí)驗(yàn)獲取的瞬時(shí)產(chǎn)量、累計(jì)產(chǎn)量、壓力、時(shí)間等參數(shù)，研究氣、水層合采時(shí)氣藏及氣層壓力特征、產(chǎn)水特征的變化，合采方案與純氣層單層開(kāi)采方案對(duì)比的優(yōu)劣差異，以及依靠裂縫實(shí)現(xiàn)的層間滲流對(duì)氣藏產(chǎn)量和采收率的影響等，分析并總結(jié)氣、水層合采時(shí)層間交互流動(dòng)的開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)特征及滲流規(guī)律，從而有利于指導(dǎo)蘇里格致密砂巖有水氣田的高效開(kāi)發(fā)。

3.1 氣、水層合采壓力變化分析

3.1.1 壓力剖面結(jié)果與分析

根據(jù)致密砂巖氣藏物質(zhì)平衡法[25-26]可知，帶有偏差系數(shù)的地層壓力即視壓力p/Z，在氣藏工程中通常替代壓力值（p）進(jìn)行相關(guān)動(dòng)態(tài)計(jì)算。按照巖心上各測(cè)點(diǎn)距離出口端長(zhǎng)度值由小到大，依次設(shè)定橫坐標(biāo)點(diǎn)，選取每組實(shí)驗(yàn)衰竭至結(jié)束時(shí)，各測(cè)點(diǎn)及出入口的視壓力值作為縱坐標(biāo)點(diǎn)。以此類(lèi)推，做出模式A、B、C、D分別以實(shí)驗(yàn)方案一、二、三開(kāi)發(fā)時(shí)，不同含水飽和度條件下氣層各測(cè)點(diǎn)的壓力剖面圖，這里選擇最接近蘇里格氣田儲(chǔ)層物性的模式B為例說(shuō)明。

方案二中氣層不同位置的壓力變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖4-a）表明，含水飽和度（Sw）在60%～100%的致密高含水層與氣層合采時(shí)，與純氣層單層開(kāi)采的壓力剖面相比，氣層壓力剖面變化較大。距離出口端較近區(qū)域的氣層各位置間壓差較大，壓降漏斗陡峭度明顯；距出口較遠(yuǎn)區(qū)域的壓降較小且壓降速度變緩，說(shuō)明高含水致密儲(chǔ)層與氣層合采時(shí)，致使氣層的泄流半徑變小，井控范圍變得有限，氣層動(dòng)用范圍明顯縮小，距離泄流面越遠(yuǎn)，氣藏的采出程度越低。致密含水層含水飽和度（Sw）在50%～60%時(shí)，氣層泄流半徑及井控范圍均變大，與純氣層單層開(kāi)采壓力剖面相比，氣層壓力剖面變化甚小，兩組曲線趨勢(shì)形態(tài)較為一致，此條件下合采致密的中低含水層不會(huì)抑制氣層的生產(chǎn)。100%純水層與氣層合采時(shí)，相鄰位置處視壓力差小、壓降緩慢，氣層動(dòng)用范圍大于含水60%組而稍小于含水50%組。這是由于100%純水致密儲(chǔ)層無(wú)氣體存在，純地層水體的膨脹能量小，產(chǎn)生層間干擾變?nèi)酰瑢?duì)氣層生產(chǎn)的抑制作用變?nèi)?，氣層則呈現(xiàn)出較大的泄流半徑與動(dòng)用范圍。因此從整體上看，在低滲透致密氣藏中含水層與氣層合采時(shí)，隨含水層含水飽和度與能量的增加，對(duì)氣層滲流能力的抑制作用越來(lái)越強(qiáng)，導(dǎo)致氣層的泄流半徑、動(dòng)用范圍均明顯減小。

圖4 模式B生產(chǎn)至廢棄時(shí)氣層壓力剖面變化曲線

方案三合采壓力變化曲線 （圖4-b）與相同條件方案二相比，氣層的壓降漏斗更加陡峭，各測(cè)點(diǎn)位置間的壓差更大，泄流面積變得更小，動(dòng)用范圍更加有限。其余實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的滲流規(guī)律及產(chǎn)生層間干擾機(jī)理相似，不再重述。

3.1.2 層間溝通的壓力變化分析

通過(guò)分析兩儲(chǔ)層3對(duì)連通點(diǎn)平均壓力的變化，也可反映層間流體的流動(dòng)規(guī)律。計(jì)算不同時(shí)刻下氣、水層同層3個(gè)連通點(diǎn)的壓力平均值，以及水層與氣層的平均壓差變化曲線。

模式B兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明：方案二100%純水層、79.4%含水層分別與氣層合采定容衰竭開(kāi)發(fā)。由圖5-a可知，100%組實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，氣、水兩層連通點(diǎn)的平均壓力下降趨勢(shì)一致且壓差值較小，但壓差值發(fā)生正、負(fù)交替波動(dòng)變化且位于合理的壓差變化范圍。開(kāi)采前期0～330 s，水層與氣層連通點(diǎn)平均壓差存在負(fù)值，水層平均壓力小于氣層，促使氣層中氣體向水層流動(dòng)；開(kāi)采330 s至結(jié)束，水層與氣層壓差值大部分為正，水層平均壓力大于氣層，促使水層中流體向氣層越流。

為明確同一時(shí)刻不同連通位置的層間流體流動(dòng)狀態(tài)，選取100 s時(shí)刻氣、水層分別在位置1、2、3壓力（圖5-b）。對(duì)比可知，100 s時(shí)刻位置3處水層壓力大于氣層壓力，兩層在位置1、2的壓力值相當(dāng)，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)進(jìn)行100 s時(shí)，位置3處水層流體向氣層流動(dòng)，剩余位置壓力值則反映兩層暫處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。兩層連通點(diǎn)平均壓差正負(fù)交替變化，同位置處壓力值上下小范圍波動(dòng)，均證明致密氣、水層同時(shí)射孔合采，層間流體發(fā)生交互越流。

圖5 模式B下Sw=100%組雙層同時(shí)射孔開(kāi)采的連通點(diǎn)壓力變化圖

另一組模式B中79.4%水層與氣層雙層射孔合采（圖6-a），兩層的平均壓力差值出現(xiàn)正、負(fù)波動(dòng)變化，且壓差正負(fù)波動(dòng)范圍較大。開(kāi)采310 s時(shí)刻（圖6-b），位置1、2處氣層壓力大于含水層壓力，促使氣層中氣體向水層流動(dòng)；位置3處氣層壓力小于含水層壓力，則含水層流體向氣層流動(dòng)。壓力的瞬時(shí)值變化說(shuō)明310 s時(shí)刻氣層中氣體通過(guò)位置1、2向含水層流動(dòng)，含水層中流體通過(guò)位置3向氣層流動(dòng)。圖6與圖5相比，連通點(diǎn)平均壓差上下波動(dòng)的幅度較大，同時(shí)刻連通位置處兩層壓差較大，可知79.4%組相比100%組發(fā)生更劇烈的氣水交互越流，層間越流現(xiàn)象更明顯。同理，其余所有實(shí)驗(yàn)組均存在層間交互越流，不再具體贅述。通過(guò)以上兩組典型實(shí)驗(yàn)以及未展示其余組實(shí)驗(yàn)均證實(shí)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M條件下，氣、水層合采層間都存在氣水交互越流、相互干擾的流動(dòng)現(xiàn)象。

圖6 模式B下Sw=79.4%組雙層同時(shí)射孔開(kāi)采的連通點(diǎn)壓力變化圖

3.2 合采層間氣水交互滲流特征分析

3.2.1 四種模式下的產(chǎn)水特征分析

多層合采實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)出水與越流水可以反映層間流動(dòng)情況，圖7為4種模式在兩種方案下不同含水階段的產(chǎn)水量統(tǒng)計(jì)圖。方案二的實(shí)驗(yàn)組均存在越流水和產(chǎn)出水。方案三的實(shí)驗(yàn)組僅存在越流水但無(wú)產(chǎn)出水。

圖7 4種儲(chǔ)層組合模式的產(chǎn)水量變化圖

分析方案二產(chǎn)水情況：同一模式下含水層在高含水（60%＜Sw＜100%）階段，隨其含水飽和度增加，層間越流水逐漸增多，其中最大越流水量可大于1.427 g。水體進(jìn)入氣層后氣相滲流阻力變大，氣、水層間干擾現(xiàn)象越來(lái)越明顯，嚴(yán)重阻礙氣層生產(chǎn)。中低含水（Sw≤60 %）階段，含水層的含水飽和度減少導(dǎo)致越流水變少，觀察此條件下實(shí)驗(yàn)組最大的越流水量也只有0.209 g，僅占高含水階段最大越流水量的1/7。此階段含水層對(duì)氣層的干擾抑制作用逐漸變?nèi)跚液笃谵D(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)作用。另外，模式A與模式B的80%組相比，滲透率比值（σ）越大，層間越流水量越多，產(chǎn)出水量越多，反映出含水層對(duì)氣層甚至氣藏生產(chǎn)的抑制作用越強(qiáng)烈，層間干擾現(xiàn)象越明顯。其余模式的對(duì)比也具有相似規(guī)律。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：合采過(guò)程中，相同含水階段下層間干擾劇烈程度，受控于含水層與氣層的滲透率比值（σ）。同時(shí)相同組合模式下，隨著含水層含水飽和度的上升，氣、水層間交互越流會(huì)進(jìn)一步加劇，層間干擾現(xiàn)象變得更加明顯。在高含水期（60%＜Sw＜100%）合采時(shí)，滲透率比值（σ）較大的物性組合，尤其含水層滲透率大于氣層滲透率，其含水層物性相對(duì)較好，水相滲流能力較強(qiáng)，層間干擾對(duì)氣層產(chǎn)氣能力的抑制作用明顯增強(qiáng)，使得越流水量大于滲透率比值（σ）較小的組合模式。在中低含水（Sw≤60%）合采階段，含水飽和度減少，氣水層間越流現(xiàn)象不明顯，層間干擾對(duì)氣藏生產(chǎn)的抑制作用相對(duì)較弱且變化平緩。

3.2.2 氣、水層開(kāi)發(fā)過(guò)程中交互滲流現(xiàn)象明顯

根據(jù)上述產(chǎn)水特征分析可知，多層合采時(shí)含水層中地層水會(huì)越流到氣層，嚴(yán)重阻礙氣體的產(chǎn)出。通過(guò)特定組實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)水情況，深入探究層間兩相流體的流動(dòng)規(guī)律。以純水層Sw=100%組在方案二下的開(kāi)發(fā)為例，首先假設(shè)氣層中無(wú)氣體進(jìn)入純水層，若水層壓力下降Δp，儲(chǔ)層巖石孔隙體積縮小，地層中彈性能量變大，地層水會(huì)發(fā)生膨脹?；诩僭O(shè)條件，壓力下降 Δp，水層中水的膨脹量為 ΔVw[25,27]。若膨脹水量的數(shù)值等于越流水加產(chǎn)出水，則假設(shè)條件成立，反證法證明了氣層中沒(méi)有氣體進(jìn)入水層；反之，假設(shè)不成立，即氣層中氣體進(jìn)入水層。同理，按照相同假設(shè)與計(jì)算方法，計(jì)算實(shí)驗(yàn)方案三100%純水層組的膨脹水，判斷膨脹水與實(shí)驗(yàn)僅得到的越流水?dāng)?shù)值（實(shí)驗(yàn)方案三無(wú)產(chǎn)出水）是否相等，若膨脹水量等于越流水量，則假設(shè)成立；反之，假設(shè)不成立。膨脹水計(jì)算公式如下：

圖8-a所示可知，方案二下模式A、C中膨脹水遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)計(jì)量的越流水與產(chǎn)出水的和，模式B、D中膨脹水量小于越流水和產(chǎn)出水的和。圖8-b所示，方案三下模式A、C中膨脹水小于實(shí)驗(yàn)計(jì)量的越流水，模式B、D中膨脹水量可約等于越流水。以上100%純水層組，在4種模式、兩種方案下的實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果都與前提假設(shè)條件矛盾，否定了假設(shè)，即證實(shí)在氣、水層合采過(guò)程中，不僅含水層中水會(huì)進(jìn)入氣層，而且氣層中的氣體也會(huì)進(jìn)入水層。這是因?yàn)榇蟛糠之a(chǎn)出水和越流水是借助氣層能量實(shí)現(xiàn)流動(dòng)，靠水體自身有限的膨脹能量很難進(jìn)行層間越流。氣體通過(guò)連接兩層的裂縫越流到水層，驅(qū)替一部分地層水使其沿含水層產(chǎn)出到末端中間容器，同時(shí)氣體又能促使部分水通過(guò)連通位置進(jìn)入氣層，兩層、兩相依次循環(huán)滲流流動(dòng)直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，便形成多層合采時(shí)的層間氣水交互越流現(xiàn)象。另外，模式A、C和模式B、D的氣水交互越流規(guī)律具有差異性。通過(guò)產(chǎn)出水、越流水與計(jì)算的膨脹水之間的差值大小可知，不同模式中滲透率比值（σ）越大，其氣水交互現(xiàn)象越明顯，滲透率級(jí)差越小，氣水交互現(xiàn)象較弱不明顯。

圖8 純水層與氣層合采的3類(lèi)水?dāng)?shù)值對(duì)比圖

3.3 多層合采開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)規(guī)律分析

3.3.1 不同模式下含水飽和度對(duì)采收率的影響

圖9展示了4種模式不同含水期下氣藏最終采收率，由此可知，方案二隨每組含水層含水飽和度遞增，4種模式氣藏采收率均降低，尤其是滲透率比值（σ）大的模式A，氣藏采收率降低幅度最明顯且采收率最低。而（σ）值小的模式D，不同含水飽和度的采收率差值較小。同理，方案三具有相似規(guī)律變化。觀察4種模式的100%純水層與氣層合采組，氣藏采收率均相對(duì)變大，這由于水層致密、無(wú)氣體存在，純地層水體的膨脹能量小，與80%含水層相比對(duì)氣層生產(chǎn)的抑制作用變?nèi)?，合采過(guò)程中的層間干擾較小，衰竭開(kāi)發(fā)氣藏采收率相對(duì)80%組變大。以上4種模式以方案二、三方式雙層合采可知：含水層Sw＞60%時(shí)，氣藏整體采收率較低；含水氣層Sw＜60%時(shí)，氣藏整體采收率較高。即初步判斷氣、水層疊置合采時(shí)，含水層Sw=60%是氣藏開(kāi)發(fā)效果好壞的臨界含水飽和度。含水層的Sw=80%的雙層合采，由于20%的非連續(xù)流動(dòng)氣體為層間越流提供能量，與100%水層相比更早更快地發(fā)生越流，嚴(yán)重抑制氣層的開(kāi)采，所以采收率在Sw=80%處發(fā)生趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?？梢?jiàn)多層合采含水層的含水飽和度高低和層內(nèi)水體膨脹能量大小，是影響層間干擾、兩相越流劇烈程度的前提條件，同時(shí)也是導(dǎo)致氣藏采收率變化的根本影響因素。

圖9 4種模式在不同含水階段下氣藏采收率大小

3.3.2 不同模式下含水飽和度對(duì)壓力的影響

每組合實(shí)驗(yàn)中，對(duì)時(shí)間、氣層瞬時(shí)井底視壓力、總產(chǎn)氣量與原始地質(zhì)儲(chǔ)量進(jìn)行同步插值，得到不同各組在方案一、二、三下的氣層井底視壓力隨采收率變化曲線（本文主要展示模式A、B變化曲線圖10～11）。分析不同含水階段的4種模式在方案二、三兩種多層合采方式下，井底流壓隨采出程度變化規(guī)律，含水層對(duì)氣層生產(chǎn)的影響，及整個(gè)氣藏合采與單采的動(dòng)態(tài)變化差異。

圖10 模式A井底視壓力下降曲線圖

圖11 模式B井底視壓力下降曲線

模式B（圖10-a）說(shuō)明：方案二合采的前期（ER=0～20%），不同含水組的氣層井底壓降曲線與純氣層單層開(kāi)采相比，隨采出程度增加，氣層壓降曲線未出現(xiàn)明顯的偏離趨勢(shì)，此階段含水層不影響氣層的開(kāi)發(fā)。合采中后期（ER=20%～60%），氣層壓降曲線出現(xiàn)不同程度的增速下降，其中含水80%組的氣層壓降曲線增速偏離下降較快，純氣層單層開(kāi)采的壓降曲線相比，位于同一采出程度前者井底流壓更小，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)其氣藏最終采收率最低。100%純水層與氣層合采時(shí)，直到采出程度達(dá)到60%，相對(duì)單層開(kāi)采壓降曲線才出現(xiàn)小幅度向下偏離走勢(shì)。含水50%組區(qū)別于高含水層組，其采出程度在20%～70%氣層壓降曲線存在高于純氣層開(kāi)采壓降曲線。

氣層壓降曲線結(jié)果分析可知：中后期階段高含水層嚴(yán)重阻礙氣層開(kāi)采，層間干擾對(duì)整個(gè)氣藏的產(chǎn)氣表現(xiàn)為不同程度的抑制作用，含水層含水飽和度增加抑制作用逐漸增強(qiáng)。當(dāng)增加至100%含水時(shí)，水層無(wú)氣體存在，純地層水體的膨脹能量小，此時(shí)發(fā)生層間干擾的條件性變差，故合采生產(chǎn)過(guò)程中層間干擾變?nèi)酰瑢?duì)氣藏產(chǎn)出的抑制作用也減弱。另外，一旦含水層的含水飽和度降低，氣、水層合采時(shí)可延緩氣層流壓的下降，最終增加了氣藏的采收率，此情況下的層間干擾對(duì)氣層壓降以及氣藏產(chǎn)出的作用效果出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，主要表現(xiàn)為由抑制產(chǎn)出逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)整體采出。

模式B方案三，合采前期（ER=0～22%）整體表現(xiàn)為氣層壓降曲線未出現(xiàn)偏離趨勢(shì)。合采中后期（ER=22%～65%）高含水層嚴(yán)重阻礙氣層開(kāi)采，隨含水層含水飽和度增加，層間干擾對(duì)生產(chǎn)的抑制作用逐漸增強(qiáng)。與方案二相比，方案三中同一含水飽和度含水層與氣層合采時(shí)，其壓降曲線下降幅度更大，層間干擾影響程度更強(qiáng)，致使氣藏最終采收率下降更多。同理，剩余不同儲(chǔ)層組合模式、不同含水階段、不同開(kāi)發(fā)方式的實(shí)驗(yàn)具有相似滲流規(guī)律，不再詳盡描述。

氣藏的采收率與平均廢棄視壓力呈現(xiàn)很好的負(fù)相關(guān)性[25]。由圖12可知，方案二氣層平均廢棄視壓力與含水飽和度相關(guān)曲線可知，含水飽和度越高氣層平均廢棄視壓力越大，直至達(dá)到100%純水層，氣層廢棄視壓力稍有所變小。因?yàn)楹喜蓵r(shí)含水層向氣層越流的較大水量阻礙氣層生產(chǎn)，封鎖致密氣產(chǎn)出，致使達(dá)到井底廢棄壓力時(shí)氣層的平均壓力仍然較高，氣藏的最終采收率較低。純水層合采組，與前文分析的層間干擾作用原理相同，層間越流干擾變?nèi)?，含水層?duì)氣層生產(chǎn)影響較小，氣層的廢棄視壓力相對(duì)變小，氣藏最終采收率稍有增加。同時(shí)還可看出，相同條件下4種模式中滲透率比值（σ）越大，變化曲線越居于上方，平均視壓力越大。

圖12 方案二氣層廢棄視壓力與含水飽和度關(guān)系曲線

3.3.3 氣水層組合開(kāi)發(fā)的采收率影響因素分析

通過(guò)以上分析并結(jié)合氣水滲流機(jī)理[28-29]，發(fā)現(xiàn)氣水層組合以不同條件進(jìn)行合采時(shí)，均會(huì)影響氣藏最終采收率結(jié)果的變化。氣、水層合采時(shí)影響氣藏采收率的主要因素：

1）含水層含水飽和度（Sw）。不同物性組合模式的氣、水層合采時(shí)，壓力剖面、壓降曲線及產(chǎn)水特征等變化的結(jié)果，均說(shuō)明含水層含水飽和度大小直接影響雙層合采的開(kāi)發(fā)效果。含水飽和度越大的高含水層，與氣層合采時(shí)越流水量越多，層間干擾對(duì)氣層滲流能力的抑制作用增強(qiáng)，嚴(yán)重阻礙氣層開(kāi)采，使儲(chǔ)層的井控動(dòng)用范圍明顯縮小，致使氣藏的采收率變低。

2）相鄰儲(chǔ)集層縱向非均質(zhì)性。相鄰氣、水層交替分布型致密砂巖氣藏，其儲(chǔ)集層縱向非均質(zhì)性主要由含水層與氣層滲透率比值（σ）和含水層物性好壞來(lái)描述。滲透率比值（σ）大小不同的物性組合模式代表不同致密儲(chǔ)層縱向非均質(zhì)程度，根本上決定了氣、水層合采效果的基本上下限。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，相同合采條件相鄰氣水層滲透率比值（σ）越大，儲(chǔ)集層縱向非均質(zhì)性越強(qiáng)，層間干擾產(chǎn)生概率越大，干擾現(xiàn)象越嚴(yán)重，對(duì)氣藏生產(chǎn)抑制作用越強(qiáng)。含水層物性好壞是產(chǎn)生層間干擾阻礙氣層生產(chǎn)，從而影響氣藏采收率大小的直接因素。相同含水條件及合采方式下，含水層滲透率越大，層內(nèi)較好物性的儲(chǔ)集層為水體膨脹提供更多可能性，促使更多水體參與層間越流，層間氣水交互越流越劇烈，最終影響生產(chǎn)并使得氣藏采收率變小。

3）開(kāi)發(fā)方式差異。方案二雙層同時(shí)射孔開(kāi)采與方案三只射孔開(kāi)采氣層，存在明顯生產(chǎn)差異，也是影響氣藏采收率變化的是一種因素?？刂破溆嗌a(chǎn)條件相同，方案二的合采開(kāi)發(fā)方式優(yōu)于方案三，層間越流干擾相對(duì)較弱，有利于雙層合采時(shí)氣藏采收率的提高。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述分析，針對(duì)致密砂巖氣藏氣水層相鄰分布的現(xiàn)場(chǎng)合采生產(chǎn)提出建議：①多層合采時(shí)高含水層（60%＜Sw＜100%）與氣層滲透率比值越大，在生產(chǎn)中后期層間干擾對(duì)氣藏生產(chǎn)的抑制作用越強(qiáng)，后期合采開(kāi)發(fā)的采收率提高效果相對(duì)氣層單采沒(méi)有增加反而降低，因此建議在高含水層與氣層滲透率比值極大的多層氣藏開(kāi)發(fā)后期應(yīng)及時(shí)調(diào)整開(kāi)發(fā)方案，或不使用合采的開(kāi)發(fā)方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。②當(dāng)中低含水層（Sw≤60%）與氣層合采時(shí)，合采的層間干擾對(duì)產(chǎn)氣的抑制作用相對(duì)較弱且變化平緩，同時(shí)不因滲透率比值大小而影響氣藏生產(chǎn)，建議該階段采用雙層同時(shí)射孔合采的開(kāi)發(fā)方式開(kāi)采。

4 結(jié)論

1）通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，致密氣、水層交替疊置型氣藏的多層合采過(guò)程中，普遍存在氣、水交互越流現(xiàn)象，致使層間產(chǎn)生干擾，抑制氣藏有效開(kāi)采。

2）儲(chǔ)集層縱向非均質(zhì)性、含水層含水飽和度（Sw）、開(kāi)發(fā)方式差異等影響合采時(shí)兩相交互越流強(qiáng)烈程度，決定了氣藏采收率的最終大小；可見(jiàn)，氣、水層合采時(shí)兩相交互越流是產(chǎn)生層間干擾的主要原因。

3）多層合采時(shí)高含水層（60%＜Sw＜100%）與氣層滲透率比值越大，在生產(chǎn)中后期層間干擾對(duì)氣藏生產(chǎn)的抑制作用越強(qiáng)，建議在高含水層與氣層滲透率比值極大時(shí)，不便使用合采的開(kāi)發(fā)方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)；中低含水層（Sw≤60%）與氣層合采時(shí)，層間干擾對(duì)產(chǎn)氣的抑制作用相對(duì)較弱且變化平緩，建議該階段采用雙層同時(shí)射孔合采的開(kāi)發(fā)方式開(kāi)采。

4）結(jié)合產(chǎn)水、壓力、采收率變化等特征初步可知，低滲透氣層與致密水層（水層Kw＜0.1 mD）合采時(shí)，合采過(guò)程中未見(jiàn)嚴(yán)重的水竄越流現(xiàn)象，對(duì)氣藏整體采收率影響較小。物性較差、滲透率較小的含水層有利于氣、水疊置型氣藏的多層合采，容易實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)發(fā)。