鄂尔多斯盆地苏里格致密砂岩...多层合采干扰指数模型及应用_刘华勋.pdf

第 34卷 第 6期2023年 6月Vol.34 No.6Jun.2023天 然 气 地 球 科 学NATURALGASGEOSCIENCE引用格式：刘华勋，高树生，李小刚，等.鄂尔多斯盆地苏里格致密砂岩气藏多层合采干扰指数模型及应用 J.天然气地球科学，2023，34（6）：950-962.LIU Huaxun，GAO Shusheng，LI Xiaogang，et al.Model of cross-flow interference index and application for multi-layer commingled production in Sulige tight sandstone gas reservoir，Ordos Basin J.Natural Gas Geoscience，2023，34（6）：950-962.DOI：10.11764/j.issn.1672-1926.2022.12.014鄂尔多斯盆地苏里格致密砂岩气藏多层合采干扰指数模型及应用刘华勋1，高树生1，2，李小刚3，李奇4，朱文涛3，焦春艳1，叶礼友1，2，安为国1，朱文卿1（1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国科学院大学，北京 101408；3.中石油煤层气有限责任公司勘探开发建设分公司，北京 100028；4.中海油能源发展股份有限公司，北京 100027）摘要：多层合采是鄂尔多斯盆地苏里格致密砂岩气藏目前开发的主要方式，致密气、水层层间是否存在干扰、如何表征是气藏能否有效开发需要关注的重要问题。通过设计裂缝沟通的层间合采物理模拟实验流程和方案，开展了不同层间组合模式的开发模拟实验。结果表明：致密气、水层多层合采过程中，无论是只射开气层，还是同时射开气、水层，都普遍存在层间气、水交互越流的现象，从而产生层间干扰，降低气藏采出程度。基于此提出致密砂岩气藏多层合采层间干扰指数概念，并运用多元线性回归方法拟合得到干扰指数模型。干扰指数决定于储层物性的好和差，含水饱和度越高、水层与气层渗透率比值越大（大于临界值 1），层间干扰出现得越早，干扰指数越大。最后基于干扰指数模型，建立致密气藏气井产能评价新方法，气井实例计算结果表明，干扰指数曲线可以有效描述气井的层间干扰动态，基于干扰指数模型的产能评价方法计算的气井产能和生产动态与生产历史基本一致，证明了干扰指数模型的有效性与准确性。因此，干扰指数模型可以有效预测苏里格致密砂岩气藏气井的产能和生产动态。研究成果对于苏里格致密砂岩气藏的高效开发具有重要的理论指导和实践意义。关键词：致密砂岩气藏；储层物性参数；多层合采；层间越流；干扰指数中图分类号：TE122.2 文献标志码：A 文章编号：1672-1926（2023）06-0950-130 引言 苏里格致密砂岩气藏是中国储量和产量规模最大的典型致密砂岩气藏1-3。苏里格气藏有效砂体在平面上以透镜状孤立存在，砂体连通范围不足800 m；在垂向上多层叠置分布，连续性差、规模小、储层非均质性强、孔隙度小、渗流能力差、含水饱和度高、气、水关系复杂，储集层多以气、水混存型分布模式存在4-8。气井普遍的生产方式都是多层合采，这就造成了气、水层（包括含气水层）等多层合采的实际生产状况。另外，致密气藏气井通常都需要压裂才能产生工业气流，因此经常会导致层间被压裂缝沟通而出现层间气、水交互越流的现象，由此产生的层间干扰及其对开发效果的影响是致密气藏开发关注的重点。在致密气藏多层合采实验方面，胡勇等9依据收稿日期：20221121；修回日期：20221216；网络首发日期：20230221.基金项目：中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目“不同类型气藏采收率标定与提高采收率机理”（编号：2021DJ1701）资助.作者简介：刘华勋（1985-），男，江西九江人，硕士，高级工程师，主要从事油气渗流理论研究.E-mail：.通信作者：高树生（1969-），男，河北张家口人，博士，高级工程师，主要从事油气田开发研究.E-mail：.No.6刘华勋等：鄂尔多斯盆地苏里格致密砂岩气藏多层合采干扰指数模型及应用苏里格气藏单井地质模型，开展了双层合采物理模拟实验，揭示了非均质性气藏在衰竭开发过程中压力和产量变化规律。朱华银等10运用现场新鲜岩样“并联”组合的方式进行了物理模拟实验，分析了多层气藏在两层合采时储层非均质性、压力差异和气井配产等控制因素对合采的影响。廖毅11设计并开展了致密砂岩多层合采供气能力评价的“串并联”实验，初步揭示致密砂岩多层合采气井出水机理等。徐小虎等12针对致密气藏储层特征，设计全直径岩心多层合采模型，给出并联多层合采方式下每个气层的生产特征。谭玉涵等13根据低孔低渗致密气藏特征，采用多层合采、接替生产的方式进行室内物理模拟实验，探究气藏渗流特征及合采接替生产的最佳时机。王璐等14建立多种孔隙类型岩心的多层合采物理模拟实验方案，统一研究了各层生产压力，层间物性差异和含水饱和度等变量因素对供气能力的影响。杨雅和等15设计了多层气、水层合采供气能力物理模拟实验，初步揭示气井出水机理及不同因素对气井供气能力的影响。当前多层合采实验最大的缺陷就是没有真正实现层间干扰的模拟，多层之间都是相互独立的，只在出、入口联通，层间一般不会产生干扰。在表征多层合采模型研究方面，主要考虑层间天然气渗流能力差异性和层间天然气窜流，如刘启国等16建立多层气藏井分层产量贡献计算方法，给出不同阶段分层产量贡献计算公式；顾岱鸿等17运用突变理论建立多层合采气产量劈分的新方法，通过参数分类拟合得到各产层产量劈分系数。李成勇等18建立了以单井为研究对象的多层气藏渗流数学模型，通过拉氏变换获得多层采气气井拉氏空间井底压力动态响应方程；张铭洋19采用数值模拟方法研究致密气藏多层压裂直井产能影响因素。这些研究都假定水以束缚水的形式存在，适合成藏较充分、含水饱和度相对较低的中高渗气藏，而致密砂岩气藏储层含水饱和度高，气、水层叠置分布，储层水可动且层间存在气、水交互越流，现有的模型难以准确描述致密砂岩气藏多层合采开发动态。综合目前研究现状以及存在的问题，本文设计了岩心嵌入式多点精准测压实验流程（图 1），真正实现了对多层合采时“气、水交互，层间干扰”的层间交互越流的动态模拟。依据物理模拟实验结果，深入分析多层合采时压力、产气和产水特征，论证了层间气、水交互越流是层间发生干扰的本质，并提出干扰指数概念，建立层间干扰指数模型及相应的气井产能评价方法，形成致密砂岩气藏气井产能评价新方法。1 苏里格致密气多层合采层物理模拟实验1.1实验流程、方案与岩样物性参数苏里格致密砂岩气藏砂体厚度大，有效砂体平面上不连续，纵向上叠置分布，存在多个透镜状砂体，属于准连续气藏20。直井一般会钻穿多个透镜状砂体，多层同时开发，可能会造成层间干扰，尤其是在气、水层紧邻叠置分布时21-23，压裂容易沟通相邻层系24，导致气、水层之间可能存在气、水交互越流的情况，造成的层间干扰会严重影响气井产能。根据可动水饱和度测井解释25，苏里格气藏致密气、水层紧邻叠置分布情况非常普遍。以苏75井区为例，钻遇气、水层紧邻叠置分布的气井占比高达56%。因此，明确多层合采时层间气、水交互越流和层间干扰规律，可有效指导致密砂岩气藏合理高效开发。为了验证致密砂岩气藏开发过程中层间是否存在交互越流的行为，设计了岩心嵌入式多点精准测压实验流程（图 1），并真正实现了气、水层紧邻叠置分布时交互越流动态模拟。以气藏实际地质模型为原型，设计 3 种模拟实验方案（图 2）：方案一为纯气层单层开发，仅作为对比研究的基础，文中不做专门论述；方案二为气、水层紧邻叠置分布，同时射开气、水层；方案三为气、水层紧邻叠置分布，只射开气层，图 2 仅表示气、水层紧邻叠置分布，不局限气层在上、水层在下情况，也可以是水层在上，气层在下的情况。重点研究方案二、方案三，简化设计裂缝沟通的气、水层合采实验装置（图 1），模拟两层不同孔、渗组合而成的 A、B、C、D这 4种储层模式（表 1），开展苏里格致密砂岩气藏层间气、水交互越流模拟实验。其中，每个模式下分别进行水层含水饱和度 60%、70%、80%和 100%时气、水交互越流模拟实验，表中渗透率比值为水层渗透率 Kw与气层渗透率 Kg比值，用符号 表征。研究气、水层紧邻叠置分布时气、水两相渗流规律，并提出层间干扰指数的概念。1.2层间气、水交互越流论证及其对开发效果的影响以方案二为例，模拟气、水层紧邻叠置，同时射开气、水层的情况，模式 B 含水饱和度 80%的水层与气层合采（简称双层合采）过程中，两层连通测压951Vol.34天然气地球科学点平均压差存在正、负交替波动变化且位于合理的压差变化范围 图 3（a），说明气、水层之间的平均压力并非一直是气层高水层低（或水层高气层低），而是高低交替出现，即两层之间流体有交互越流的现象。实验直接获得产出水量数据，通过气层岩心秤重获取水层越流到气层的水量，简称越流水量，等于实验结束后气层岩心重量减去实验前气层岩心重量；根据弹性膨胀定律计算水层水膨胀量，表达式如式（1），为了验证层间流体是否存在交互越流的现象，设计水层含水饱和度 100%，便于水层水膨胀量计算。理论上讲如果层间没有气体越流，根据图 2致密气开发物理模拟方案Fig.2Physical simulation scheme for tight gas development表 1物理模拟实验参数Table 1Physical simulation experiment parameters组合ABCD储层气层水层气层水层气层水层气层水层岩心编号1-53-61-101-141-11-71-21-3孔隙体积（Vp）/cm33063.9246.2162.1841.3859.6251.8430.44孔隙度/%8.8015.9414.4714.7413.4714.1612.319.91渗透率/（103 m2）0.0333.120.160.180.0701.641.550.06195.021.18323.370.039长度（L）/cm303830.239.930.139.739.730.1图 1气、水层合采实验装置Fig.1Experimental device for gas and water layer combined production952No.6刘华勋等：鄂尔多斯盆地苏里格致密砂岩气藏多层合采干扰指数模型及应用岩心孔隙压缩系数和水压缩系数计算的膨胀水量等于进入气层的越流水量与产出水量之和，而实际却并非如此 图 3（b），模式 A、C的产出水量与越流水量之和远大于膨胀水量，说明气层中的气越流到水层，水层有气体驱替作用，模式 B、D 的产出水量与越流水量之和也大于膨胀水量，气层中的气也越流到水层。可见，从压力变化和产水量 2 个角度都证明致密砂岩气藏多层合采时存在气、水交互越流的现象。We=Vp(Cw+Cp)(pi-p)（1）式中：Vp为水层孔隙体积，mL；Cw为水的压缩系数，1/MPa；pi为水层初始压力，MPa；Cp为岩心孔隙压缩系数，1/MPa；p为实验结束时水层压力，MPa。水层与气层渗透率比值 较大（大于临界值 1，模式A）时，以方案二模式A为例，气、水层合采时压降曲线明显偏离纯气层单层开采时压降曲线 图4（a），证明层间干扰明显，水层对于气层影响严重，降低了气藏的采收率。随着水层含水饱和度增加，层间干扰对气藏开发效果的影响先增加再减小，含水饱和度 80%影响最大，这是由于水层含水饱和度 80%时水的流动能力强，且含有 20%的气体，此时水层流体弹性膨胀能量远大于纯水时流体弹性膨胀能量，导致含水饱和度 80%的水层影响大于含水饱和度 100%的水层。渗透率比值 较小（模式 B）时，实验到中后期气层压降曲线才出现偏离 图 4（b），且渗透率比值越小出现偏离程度越不明显，层间干扰影响越小。水层与气层渗透率比值 和水层含水饱和度决定了双层合采效果及层间干扰程度。2 苏里格致密气合采干扰指数