水淹氣藏型地下儲氣庫提高庫存動用關鍵技術
——以板中北儲氣庫為例

葉 萍 施金伶 王權國 韓世慶 周春明 李德寧 王 雪 許 倩 劉 薇

中國石油大港油田公司天津儲氣庫分公司

0 引言

當前，國內(nèi)已建的儲氣庫大部分是由水淹氣藏改建而成[1-5]。國際上，自20世紀50年代水侵氣藏開始建庫以來已形成一系列配套關鍵技術。而我國儲氣庫建設較晚，20世紀末第一座商業(yè)化儲氣庫大張坨正式開始投運，經(jīng)過20 余年的發(fā)展，目前國內(nèi)已建成了超過100×108m3的工作氣量。但由于我國復雜的建庫地質(zhì)條件，受儲層物性差、非均質(zhì)性強及邊水選擇性侵入等因素影響，氣藏改建儲氣庫后，氣水多相滲流機理復雜，儲氣庫運行過程中暴露出達容達產(chǎn)效果差、工作氣量增速緩慢等問題。大港儲氣庫群目前已運行近20年，運行動態(tài)分析跟蹤結果表明，除大張坨儲氣庫是在開采中期改建儲氣庫，目前儲氣庫參數(shù)達到設計指標之外，其余5 座水淹枯竭氣藏型儲氣庫經(jīng)過近17 周期運行目前基本處于穩(wěn)定階段，但是儲氣庫均未達到設計指標。水淹枯竭氣藏型儲氣庫在注采過程中水侵嚴重影響氣井的產(chǎn)能，庫容動態(tài)變化過程中的驅(qū)水達容規(guī)律具有復雜性和普遍性，直接影響其注采能力和達容達產(chǎn)時間。筆者以板中北儲氣庫為例，深度剖析注采運行各項指標及周期擴容達產(chǎn)能力，分析影響庫存動用的原因，提出提高庫存動用關鍵技術和措施，優(yōu)化儲氣庫運行的關鍵參數(shù)，從而提高了儲氣庫的運行質(zhì)量，為同類型儲氣庫提高庫存動用提供方法借鑒。

1 氣藏型儲氣庫庫存動用程度評價方法

庫存量是指某地層壓力下儲存的天然氣量在標準參比條件下的體積，一般由有效庫存量和未動用庫存量組成。有效庫存量是指在現(xiàn)有注采井網(wǎng)下能動用的天然氣量在標準參比條件下的體積。而庫存動用率是有效庫存量與庫存量的比值，反映庫存動用程度。

式中ηGr表示庫存動用率；Grm表示有效庫存量，108m3；Gr表示靜態(tài)庫存量，108m3。

根據(jù)儲氣庫注采運行庫存曲線，某周期有效庫存量等于注氣末期庫存量減去采氣曲線向下外延至X軸交點對應的庫存量（圖1）。針對弱—中等水侵氣藏型儲氣庫，有效庫存量應按下式計算：

圖1 儲氣庫多周期注采庫存曲線示意圖

式中Qp表示周期采氣量，108m3；pin表示注氣末期地層壓力，MPa；Zin表示注氣末期天然氣偏差系數(shù)，無因次；pcm表示采氣末期地層壓力，MPa；Zcm表示采氣末期天然氣偏差系數(shù)，無因次。

從有效庫存量關系曲線和庫存動用率公式可以看出，提高有效庫存量是提高庫存動用率的關鍵因素，有效庫存量的大小取決于注采氣階段壓力波及范圍內(nèi)能夠有效動用的庫存量。

2 板中北儲氣庫庫存動用程度影響因素

以板中北儲氣庫為例，該氣藏為一個半背斜構造，圈閉受斷層和巖性雙重因素控制，構造邊部為油環(huán)和水體封閉。由于邊水的入侵[6-7]，建庫后的注采運行過程中，氣驅(qū)水淹區(qū)的微細孔道難以有效驅(qū)替，注采井網(wǎng)對砂體控制程度降低[8-10]，部分氣體不能及時動用。加之儲層非均質(zhì)性的影響、邊部水侵導致氣井產(chǎn)能大幅降低等[11-13]，使得現(xiàn)井網(wǎng)的庫存動用率遠遠低于設計指標，也是儲氣庫不達標的主要原因。

2.1 流體分布復雜

板中北氣藏自1975年投入衰竭式開發(fā)，至2000年底枯竭加水淹停采，2003年該氣藏改建為儲氣庫，設計庫容為24.48×108m3，設計壓力介于13.0～30.5 MPa，以b840 斷層分界將板中北儲氣庫分為東、西兩個區(qū)塊。板中北儲氣庫建庫前東區(qū)低部位與西區(qū)大部分區(qū)域已水淹，流體分布遵循上輕下重的重力分異規(guī)律[14-15]。同時由于氣藏內(nèi)部巖性非均質(zhì)性的存在，造成氣水移動界面出現(xiàn)舌進、指進等現(xiàn)象，進而導致儲氣庫內(nèi)部流體分布趨于復雜化。

2.2 氣井產(chǎn)水影響單井產(chǎn)能

板中北儲氣庫氣水過渡帶的注采井，盡管物性與高部位氣井大致相當，但在采氣生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)氣水兩相流動，地層滲流阻力增加，氣井采氣能力受到限制[16-18]，與高部位井具有一定差距（圖2）。

2.3 不同區(qū)帶運行壓力存在差異

儲氣庫多周期注采氣平衡期單井靜壓測量值顯示（圖3），氣井整體連通性較好，采氣末期東區(qū)中高部位井基本能實現(xiàn)下限壓力13.0 MPa，邊部井因受液量影響下限壓力較高，達21.0 MPa。板中北儲氣庫東、西兩區(qū)采氣結束后壓力分別為15.9 MPa、21.8 MPa，壓力相差5.9 MPa。同時構造邊部位井由于水淹程度高，采氣后測壓值相對較高，構造邊部的k3-11 井壓力為17.0 MPa，k3-19 井壓力為19.3 MPa，比構造高部位的k3-1 井分別高2.7 MPa、5.0 MPa。

圖3 板中北儲氣庫某周期采氣末期單井壓力分布圖

3 板中北儲氣庫提高庫存動用關鍵技術

3.1 合理配產(chǎn)配注，實現(xiàn)氣庫均衡驅(qū)替

板中北儲氣庫由枯竭式氣藏改建，地層虧空較為嚴重，儲氣庫構造高點海拔為－2 706 m，閉合高度為94 m，圈閉面積8.9 km2。儲層分布穩(wěn)定，平均有效厚度為19.4 m，測井平均孔隙度為20%，平均滲透率為220 mD，屬于中孔隙度、中高滲透率砂巖儲層，構造較平緩，構造主體部位傾角2°～3°。投產(chǎn)注氣后注氣壓力高，配注量大，容易形成天然氣滲流優(yōu)勢通道，進而產(chǎn)生指進或氣水互鎖現(xiàn)象，導致氣驅(qū)波及效率大幅降低，因此，結合板中北儲氣庫地質(zhì)特點及井網(wǎng)分布情況，應用臨界注氣速度方法和物質(zhì)平衡方法對單井合理配產(chǎn)配注進行計算[19-23]。

3.1.1 臨界注氣速度方法

當注入氣地層滲流速度恰好等于地層水滲流速度時，能確保氣水前緣平穩(wěn)外推。單井注氣量（Qgc）計算公式如下：

式中Kg表示氣相滲透率，μm2；μg表示氣體黏度，mPa·s；A表示氣井注氣滲流截面積，m2；ρg表示氣體密度，kg/m3；ρw表示水的密度，kg/m3；g表示重力加速度，m/s2；α表示建庫儲層傾角，（°）；Mgw表示氣水流度比，無因次。

3.1.2 物質(zhì)平衡方法

k3-5 井日均注氣量（Qgm）計算公式如下：

式中Re表示注氣井控半徑，m；h表示平均有效厚度，m；φ表示平均孔隙度；Swr表示束縛水飽和度；T表示注氣時間，d；Bg1、Bg2分別表示注初、注末天然氣體積系數(shù)。

針對水淹氣藏儲氣庫注氣期，遵循“先高后低”“先強后緩”的注氣原則，在注氣初期加強氣藏高、中部位注氣，實施強注氣，盡快把采氣過程中侵入進來的液相流體向外驅(qū)替，隨著地層壓力的升高逐步增開構造中低部位井，注氣后期地層壓力高，采取緩注、間注方式注氣。

截至2022年，板中北儲氣庫共增加庫容16.92×108m3，其中累計排液量為115.03×104m3，按排出液全部被氣占據(jù)，估算約形成2.3×108m3庫容，計算結果表明儲氣庫庫容主要為氣驅(qū)水形成。通過均衡驅(qū)替，儲氣庫純氣區(qū)、氣水過渡帶含氣飽和度不斷提高，數(shù)值模擬顯示氣液界面均勻外推約120 m（圖4）。

圖4 板中北儲氣庫建庫前和多周期運行流體分布圖

3.2 邊部控水，提高庫存利用率

建立不同地層壓力、水氣比下得合理產(chǎn)氣曲線，隨著不同區(qū)帶注采井液氣比的不斷升高，在氣水過渡帶單井液氣比達到（6～10）m3/104m3，合理產(chǎn)氣量為（15～30）×104m3/d（圖5）。

圖5 產(chǎn)水氣井產(chǎn)能修正曲線圖

采氣期通過優(yōu)化單井采氣配產(chǎn)，位于構造邊部的井采取“穩(wěn)產(chǎn)排液”方式采氣，以控制合理日采氣量，減緩邊水內(nèi)侵，避免造成井筒積液停噴，延長邊部位井采氣生產(chǎn)時間（圖6），實現(xiàn)控制邊水入侵的目的。

圖6 延長邊部位產(chǎn)水井k3-21 井多周期采氣曲線圖

3.3 分區(qū)動用，優(yōu)化注采結構，提高單井注采能力

利用物質(zhì)平衡方法計算了目前井網(wǎng)的控制庫存量。板中北儲氣庫累計控制庫存量為14.5×108m3，控制程度為57.5%。其中東區(qū)控制庫存量為11.6×108m3，控制程度為80%；西區(qū)控制庫存量為2.9×108m3，控制程度為20%（圖7）。

圖7 板中北儲氣庫單井控制庫存量對比圖

板中北儲氣庫高點東區(qū)氣頂區(qū)存氣量較多，已形成有效庫容，但東區(qū)邊部和西區(qū)存氣量較低，含水較多，壓力較高，井網(wǎng)控制程度低，沒有形成有效庫容，為了提高儲氣庫擴容速度和控制邊水侵入速度，依據(jù)含水井產(chǎn)量約為純氣井產(chǎn)量50%的比例關系，在氣水過渡帶部署實施6 口加密井（k3-19、k3-20、k3-21、k3-11、k3-16、k3-17 井，圖8），通過強化注氣驅(qū)水和控制邊水侵入，加速擴容增產(chǎn)。

板中北儲氣庫原有流程只能對A、B 井場進行混合注氣，由于停采末期東、西區(qū)地層壓力差異，籠統(tǒng)注氣的西區(qū)塊各井壓力較高，吸氣滯后不能滿足低部位水淹區(qū)氣井的注氣需求。2018年對站內(nèi)工藝進行改造，實現(xiàn)B 井場6 口井（k3-11、k3-12、k3-13、k3-16、k3-17、k3-18 井）獨立注氣，提升了單井注采能力（圖9）。

圖9 板中北西區(qū)氣水過渡帶k3-16 井多周期采氣曲線圖

4 提高庫存動用關鍵技術應用效果

4.1 庫存動用率提高

在儲氣庫多周期注采運行過程中，可根據(jù)運行曲線定性分析儲氣庫的運行狀況，如儲氣庫擴容、氣體漏失等現(xiàn)象；也可根據(jù)各運行指標變化規(guī)律和趨勢，將儲氣庫劃分為不同的擴容階段[27-32]。通過板中北儲氣庫多周期庫存曲線變化規(guī)律看出，儲氣庫庫存曲線向右移動，整體處于不斷擴容階段，庫存曲線斜率變小，說明有效庫存量增加（圖10-a）。有效庫存量和庫存動用率曲線表明（圖10-b），庫存動用率由初期的50.3%增加至目前的61.2%，庫存動用率提高了10.9%。

圖10 板中北儲氣庫多周期庫存量、有效庫存量、庫存動用率變化曲線圖

4.2 調(diào)峰能力增強

板中北儲氣庫經(jīng)歷了19 個注采周期，初期工作氣量為1.9×108m3。伴隨儲氣庫達容擴容工程的實施，不斷優(yōu)化單井配產(chǎn)配注，調(diào)整注采結構，精細注采擴大運行壓力區(qū)間，庫存動用程度提高的同時，調(diào)峰能力不斷增強，2009—2010年季節(jié)調(diào)峰氣量5.6×108m3，2021—2022年季節(jié)調(diào)峰氣量6.19×108m3，儲氣庫當前工作氣量已達到7.2×108m3，整體運行效果不斷改善。

5 結論

1）從儲氣庫庫存動用程度評價方法出發(fā)，結合注采動態(tài)跟蹤分析研究，提出了復雜的油氣水流體分布、儲氣庫注采氣速度、氣井產(chǎn)水、運行壓力區(qū)間差異、井網(wǎng)井距是影響板中北水侵氣藏型儲氣庫庫存動用程度的主要因素。

2）以臨界注氣速度和物質(zhì)平衡方法為約束，結合板中北氣藏地質(zhì)特點和井網(wǎng)分布情況，建立單井合理配注方法，實行單井差異化注氣，確保氣水前緣平穩(wěn)外推，實現(xiàn)氣庫均衡驅(qū)替。

4）通過水侵氣藏型儲氣庫合理井網(wǎng)井距論證，優(yōu)化不同區(qū)帶注采井網(wǎng)，調(diào)整注采結構和壓縮機配置，解決了水侵氣庫壓力差異大的問題，實現(xiàn)氣庫精細化注采，提高擴容效率。

5）通過單井合理配注、含水氣井產(chǎn)能修正、完善井網(wǎng)、分區(qū)動用優(yōu)化注采結構等提高庫存動用關鍵技術的應用，板中北水淹氣藏型儲氣庫的庫存動用程度提高了近10%。