澀北氣田氣水分布及氣水運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

摘 要

摘要：氣井出水是長(zhǎng)期以來(lái)困擾澀北氣田提高開發(fā)效果的主要問(wèn)題之一。首先從宏觀氣水分布及氣水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的角度出發(fā)，分析了邊水、層內(nèi)水、層間水的形成機(jī)理和氣井見(jiàn)水的3種基本
摘要：氣井出水是長(zhǎng)期以來(lái)困擾澀北氣田提高開發(fā)效果的主要問(wèn)題之一。首先從宏觀氣水分布及氣水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的角度出發(fā)，分析了邊水、層內(nèi)水、層間水的形成機(jī)理和氣井見(jiàn)水的3種基本模式；然后從微觀角度，對(duì)疏松砂巖氣藏的儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及巖石潤(rùn)濕性進(jìn)行了研究，分析其對(duì)氣藏原始?xì)馑植嫉目刂谱饔?。結(jié)果表明，澀北氣田儲(chǔ)層縱向上砂、泥巖間互分布，對(duì)于孔隙結(jié)構(gòu)較差、以細(xì)小孔隙為主、孔隙與喉道半徑較小且分選性較差的儲(chǔ)層，將導(dǎo)致氣水分異作用減弱，從而形成較長(zhǎng)的氣水過(guò)渡帶。對(duì)于澀北氣田，構(gòu)造位置是控制原始?xì)馑植嫉臎Q定性因素，毛細(xì)管壓力是造成氣水界面分布特征的關(guān)鍵因素，儲(chǔ)層巖石的混合潤(rùn)濕性也是影響因素之一。
關(guān)鍵詞：澀北氣田；儲(chǔ)集層；孔隙類型；潤(rùn)濕性；氣水邊界；兩相流動(dòng)
1 原始?xì)馑植?/span>
1.1 氣水總體分布特征
    雖然澀北氣田的構(gòu)造形態(tài)完整，圈閉主要受構(gòu)造控制且儲(chǔ)層連片分布，但由于氣藏頂部區(qū)域的蓋層、各含氣小層的隔層、小層非均質(zhì)性、天然氣充滿程度、驅(qū)動(dòng)能量及邊界條件等都存在差異，致使氣水邊界和含氣面積各不相同，氣水界面不完全受構(gòu)造圈閉等深線控制。從平面總體看，原始?xì)馑植级季哂?ldquo;南高北低”的特征。
1.2 邊水的形成與邊水驅(qū)動(dòng)
    本區(qū)第四系源巖產(chǎn)生甲烷的過(guò)程始于沉積埋藏的初期并且一直持續(xù)至今[1]，但由于四系圈閉規(guī)模和蓋層封蓋能力有限，當(dāng)本區(qū)自生自儲(chǔ)的第四系生物氣藏達(dá)到一定規(guī)模后便不再繼續(xù)擴(kuò)大，而處于一種相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。
    沉積作用剛剛結(jié)束的第四系飽含束縛水，在有效圈閉范圍內(nèi)，由于生物氣對(duì)地層水的排驅(qū)作用，逐漸在砂巖儲(chǔ)層中形成聚集，隨著氣藏規(guī)模的不斷擴(kuò)大，一旦氣藏能量達(dá)到上覆蓋層封蓋能力的上限，便沒(méi)有能力繼續(xù)排驅(qū)氣藏以外砂巖儲(chǔ)層孔隙中的地層水，從而在氣藏外圍較低部位形成環(huán)狀的地層水分布帶，也即“氣藏邊水”。
    動(dòng)態(tài)平衡的第四系氣藏一旦投入生產(chǎn)，由于氣藏能量被釋放，平衡狀態(tài)被打破，被原始?xì)獠嘏膨?qū)在外的氣藏邊水就會(huì)形成一個(gè)回壓，將天然氣推向氣藏的較高部位，也就是“邊水驅(qū)動(dòng)”。研究認(rèn)為，澀北氣田的所有氣藏均有邊水環(huán)繞，系統(tǒng)試井及壓力恢復(fù)資料也顯示氣田具有邊水驅(qū)動(dòng)的特征。
1.3 夾層水
    對(duì)于具有較強(qiáng)封隔能力的泥質(zhì)巖，排驅(qū)過(guò)程中氣體無(wú)法進(jìn)入，更無(wú)法排驅(qū)其孔隙中的地層水，因此在兩段泥巖之間就有可能形成被獨(dú)立分隔的水體，并零星分布于儲(chǔ)層當(dāng)中，形成了“夾層水”。
1.4 層內(nèi)可動(dòng)水分布
    根據(jù)測(cè)井資料的解釋以及生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，層內(nèi)可動(dòng)水多以?shī)A層水的形式存在。夾層水一般分布于各氣層組的底部。澀北一號(hào)和澀北二號(hào)兩個(gè)構(gòu)造在高部位的一些井均發(fā)現(xiàn)多處含水層，零星分布，橫向延伸不大，有的表現(xiàn)為近鄰氣層的局部底水，有的是由泥巖分割的單水層。分析其成因，大部分是氣充注不足的滯留水或毛細(xì)管力從低部位滲吸上來(lái)的水。
1.5 氣水過(guò)渡帶
構(gòu)造位置是原始?xì)馑植嫉闹苯記Q定因素。對(duì)于澀北氣田，儲(chǔ)層的非均質(zhì)性也是造成氣水界面分布特征的關(guān)鍵因素。對(duì)于物性較好的儲(chǔ)層，氣水過(guò)渡帶很短，氣水界面以上30m的含氣飽和度便可達(dá)到50%，而對(duì)于物性較差的儲(chǔ)層，氣柱高度在80～90m時(shí)含氣飽和度才能達(dá)到50%[2]，氣水過(guò)渡帶在整個(gè)儲(chǔ)層縱向上占有相當(dāng)大的比例。
2 氣井見(jiàn)水模式
2.1 縱向水竄
盡管疏松砂巖沒(méi)有明顯的裂縫顯示，但不排除在局部存在高角度穿層縫和與層間水連通的高滲透條帶(圖1)。
 

縱向水竄發(fā)生的時(shí)間較早，產(chǎn)量較高時(shí)，水竄快；產(chǎn)量調(diào)低，水竄甚至可能消失。盡管縱向水竄的出水量不穩(wěn)定，但通常只發(fā)生在井產(chǎn)段的下部，并且由于澀北氣田氣藏的縱向連通性較差，該模式的出水對(duì)產(chǎn)井氣量的影響幅度較小。氣井產(chǎn)量基本穩(wěn)定，略有波動(dòng)或小幅下降?？v向水竄多發(fā)生在較厚儲(chǔ)層內(nèi)，并且水體供給較差充足。
2.2 橫向水竄
層間壓差導(dǎo)致層間水首先沿縱向侵入到相鄰層，然后再在層內(nèi)推動(dòng)下沿平面高滲透條帶或水平微裂縫橫向推進(jìn)到氣井(圖2)。由于水進(jìn)路線長(zhǎng)，氣井出水通常較晚，但一旦見(jiàn)水，出水量將持續(xù)增加，產(chǎn)氣量明顯下降。
 

橫向水竄導(dǎo)致平面內(nèi)氣水共存，調(diào)整產(chǎn)量對(duì)控制水的橫侵作用不會(huì)明顯。橫向水竄多發(fā)生在氣水層接觸面積較大的薄儲(chǔ)層內(nèi)，出水具有連續(xù)性，氣井產(chǎn)量遞減呈現(xiàn)出一致規(guī)律。
2.3 邊水水侵
    盡管澀北氣田的邊水能量不強(qiáng)，但開采中后期，當(dāng)氣藏能量衰竭到一定程度后，邊水仍將成為氣藏開發(fā)的主要驅(qū)動(dòng)能量之一。因此在開采中、后期將出現(xiàn)較大規(guī)模的水侵，造成產(chǎn)量遞減(圖3)。
 

    邊水水侵發(fā)生較晚，一旦出水，標(biāo)志著水線已經(jīng)接近氣井，水量將急劇上升，導(dǎo)致氣井的暴性水淹，氣井產(chǎn)量大幅下降甚至停產(chǎn)。邊水水侵具有連續(xù)性，較容易得到一致性規(guī)律。
3 微觀氣水分布
3.1 孔隙結(jié)構(gòu)特征
    182個(gè)壓汞資料和156塊鑄體薄片的統(tǒng)計(jì)和分析結(jié)論如下。
3.1.1孔隙結(jié)構(gòu)類型
    鑄體薄片分析表明，該類氣藏儲(chǔ)集層的主要孔隙類型有粒間孔、微裂縫、溶孔、溶縫及晶間孔。有效孔隙以原生粒間孔為主，孔徑分布介于0.05～0.10mm，主要存在于粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和砂質(zhì)條帶中。微裂縫主要存在于粉砂質(zhì)泥巖和泥巖中，多為沉積過(guò)程的泄水通道，連通性好，大多被菱鐵礦等化學(xué)沉積物支撐呈張開狀態(tài)。
3.1.2壓汞曲線特征
    澀北氣田儲(chǔ)層孔隙毛細(xì)管力曲線可分為4種類型：①A類，排驅(qū)壓力和中值壓力均較低，退汞效率低，該類曲線平緩，分選性好，代表孔隙好，粗孔喉，滲透性好的粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖；②B類，排驅(qū)壓力低而中值壓力較高，孔喉半徑小，退汞效率較高，該類曲線代表以孔隙膠結(jié)為主的泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖儲(chǔ)層，分選較好，滲透率較高；③C類，排驅(qū)壓力與中值壓力均較高，退汞效率較高，該類曲線平緩，分選性好，儲(chǔ)層多為孔隙差，以細(xì)孔喉為主，滲透性較差的泥質(zhì)巖類；④D類，排驅(qū)壓力低，中值壓力較高，退汞效率較高，該類曲線代表微裂縫和粗細(xì)孔喉分選差的巖類，滲透率高。
3.2 微觀氣水分布
    對(duì)于澀北氣田，構(gòu)造位置是原始?xì)馑植嫉闹饕獩Q定性因素，而毛細(xì)管壓力則是造成氣水界面分布特征的關(guān)鍵因素[3～6]。
在毛細(xì)管壓力曲線上，一定壓力對(duì)應(yīng)的非潤(rùn)濕相飽和度相當(dāng)于氣藏中一定高度的含氣飽和度，因此，把毛細(xì)管壓力曲線的縱坐標(biāo)用自由水面以上的液柱高度來(lái)表示，就可以用該曲線來(lái)確定出氣藏中任意高度上的含氣飽和度，從而得出整個(gè)氣藏的氣水縱向分布特征。自由水面以上液柱高度的計(jì)算公式為：
 
式中：H為液柱高度，m；pc為氣藏條件下氣水界面毛細(xì)管力，MPa；ρw為地層水密度，kg/m3；ρg為地下天然氣密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的毛細(xì)管壓力曲線，可得到氣藏條件下的氣水間毛細(xì)管壓力：
 
式中：σwg為氣水界面張力，N/m；σHg為汞的界面張力，N/m；θwg為地下氣水界面的接觸角，°)；θHg為汞的接觸角，(°)；pHg實(shí)驗(yàn)室毛細(xì)管壓力，MPa。
將式(2)代入式(1)得：
 
毛細(xì)管力曲線與地下流體飽和度具有函數(shù)關(guān)系，而自由水面以上的氣液柱高度又是由毛細(xì)管力決定的，因此，地下流體飽和度也是自由水面以上氣液柱高度的函數(shù)，氣柱高度等于自由水面以上氣液柱高度減去靜水壓力對(duì)應(yīng)的自由水面以上液柱高度。據(jù)此，利用澀北疏松砂巖氣藏4類典型的毛細(xì)管力曲線，就可以計(jì)算得出氣柱高度和含氣飽和度之間的關(guān)系曲線(圖4)。
 

    不同儲(chǔ)集空間對(duì)應(yīng)毛細(xì)管力曲線類型不同，澀北氣田疏松砂巖氣藏存在4類典型的毛細(xì)管力曲線，充分說(shuō)明其氣水界面的分布具有不規(guī)則性：①A類，代表孔隙好，以粗孔喉，滲透性好的粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，此類儲(chǔ)層空間形態(tài)中氣水過(guò)渡帶最短，在氣液柱高度不到30m處含氣飽和度就可達(dá)到50%；②B類，代表以孔隙膠結(jié)的泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖儲(chǔ)層為主，分選較好，滲透率較高，該類儲(chǔ)層空間形態(tài)中的氣水過(guò)渡帶相比A類較長(zhǎng)；③C類，代表以細(xì)孔喉，滲透性較差的泥質(zhì)巖類為主，該類型儲(chǔ)層空間形態(tài)中的氣水過(guò)渡帶最長(zhǎng)，其平均含氣飽和度相當(dāng)?shù)?，無(wú)法成為有效生產(chǎn)層段；④D類，代表微裂縫和粗細(xì)孔喉分選差的巖類，滲透率高，雖然氣水過(guò)渡帶較C類短，但其以上的平均含氣飽和度不高。
    總而言之，對(duì)于孔隙結(jié)構(gòu)較差，以細(xì)小孔隙為主，孔隙、喉道半徑較小，且分選性較差的儲(chǔ)層，將導(dǎo)致氣水分異作用的減弱，從而形成較長(zhǎng)的氣水過(guò)渡帶；反之，則氣水過(guò)渡帶較短。
3.3 潤(rùn)濕性的影響
    對(duì)于澀北氣田，在氣藏的成藏過(guò)程中，天然氣初次運(yùn)移進(jìn)入到儲(chǔ)集層后，氣體將在成藏動(dòng)力作用下，發(fā)生二次運(yùn)移，將地層水逐漸排驅(qū)，而逐漸在砂巖儲(chǔ)層中聚集形成氣藏。
    在氣驅(qū)水過(guò)程中，疏松砂巖儲(chǔ)層水濕巖石的孔隙中幾乎完全飽和水，水在氣體的驅(qū)動(dòng)下開始流動(dòng)，其孔隙中的部分水可以被排驅(qū)出來(lái)。不同的驅(qū)替機(jī)理將形成不同的地層水賦存狀態(tài)。
3.3.1束縛水
    對(duì)于結(jié)構(gòu)較好，喉道半徑較大的孔隙，大部分水將會(huì)被排驅(qū)出來(lái)。但由于水與儲(chǔ)層巖石長(zhǎng)期接觸，且接觸的兩相界面很大，巖石顆粒表面對(duì)其附近水分子具有較強(qiáng)的吸附作用。附著在孔隙顆粒表面的地層水水膜無(wú)法得以完全排驅(qū)，這部分地層水會(huì)殘留在儲(chǔ)層砂巖孔隙的表面，以束縛水狀態(tài)分布于儲(chǔ)層孔隙中。
3.3.2共存水
    對(duì)于結(jié)構(gòu)較差，喉道半徑較小的孔隙，當(dāng)孔隙中含氣飽和度增加，含水飽和度降低到一定程度后，由于砂巖的親水性，親水孔道中氣水兩相界面處產(chǎn)生較大的毛細(xì)管阻力，使除了附著在顆粒表面的地層水水膜外，還有較大部分的水會(huì)殘留于孔隙中，這部分水依然連通，但由于排驅(qū)動(dòng)力不足，不繼續(xù)參與流動(dòng)，從而形成了“共存水”。
    以上分析表明，疏松砂巖氣藏的成藏過(guò)程伴隨著氣驅(qū)水，而巖石的潤(rùn)濕性對(duì)氣驅(qū)水的過(guò)程與驅(qū)替效率影響重大。由于儲(chǔ)層巖石的潤(rùn)濕性，使得儲(chǔ)層中存在較多的束縛水，而那些砂巖孔隙中的“共存水”由于相互連通，分布在儲(chǔ)層的各處，與泥巖隔層水統(tǒng)稱為“層間水”，因此巖石的潤(rùn)濕性同樣也是對(duì)疏松砂巖氣藏原始?xì)馑植嫉闹匾绊懸蛩刂?sup>[3]。
4 氣水兩相滲流規(guī)律
4.1 巖心實(shí)驗(yàn)總結(jié)
    對(duì)澀3-15井的取心巖樣進(jìn)行了孔、滲、飽和相對(duì)滲透率曲線的測(cè)量，得到以下認(rèn)識(shí)：①巖樣抽空飽和地層水計(jì)算得到的孔隙度比氣測(cè)孔隙度要大，說(shuō)明巖樣接觸水后發(fā)生膨脹，吸入水量過(guò)多；②測(cè)試過(guò)程中出砂普遍，有的巖樣出砂量較大，甚至比出水量還多；③驅(qū)替后的殘余水飽和度較高，為45.9%～90.0%，平均71.9%，因而在相滲曲線上表現(xiàn)出較窄的兩相共流區(qū)。
    根據(jù)水相滲透率的最大值對(duì)相滲曲線分類，最大水相相對(duì)滲透率大于0.75的為Ⅰ類，最大水相相對(duì)滲透率小于0.3的為Ⅱ類，中間的為過(guò)渡類。16塊巖樣中，Ⅰ類8塊，占總數(shù)50%；過(guò)渡類6塊，占總數(shù)37.5%；Ⅲ類2塊，占總數(shù)12.5%。
4.2 氣水運(yùn)動(dòng)規(guī)律
    由于氣水兩相共流區(qū)小，可動(dòng)水對(duì)氣相相對(duì)滲透率的影響明顯，在開發(fā)過(guò)程中，水對(duì)天然氣流動(dòng)影響大，氣井見(jiàn)水或施工液侵入地層后，將嚴(yán)重影響氣井產(chǎn)能的發(fā)揮和氣井探測(cè)半徑的擴(kuò)大，導(dǎo)致氣井壓力迅速下降[4]，因此，在開發(fā)中應(yīng)該尤其注意防水。
    巖心相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)表明，一半的巖心水相相對(duì)滲透率曲線抬升緩慢，且數(shù)值偏低(Ⅱ類)，說(shuō)明澀北氣田儲(chǔ)層見(jiàn)水后，水的流動(dòng)能力不強(qiáng)，也間接說(shuō)明了在開發(fā)過(guò)程中，氣藏的邊、底水推進(jìn)不會(huì)很快，推進(jìn)距離有限。
    另一半的巖心測(cè)試表明，水的相對(duì)滲透率急劇上升(Ⅰ類)，Ⅰ、Ⅱ類及過(guò)渡類型相滲曲線的同時(shí)存在，說(shuō)明澀北氣田內(nèi)水的流動(dòng)性不均衡，氣井見(jiàn)水情況將出現(xiàn)較大的差異。
    較高的殘余水飽和度是后期層內(nèi)出水的主要水源之一。隨著地層壓力的下降，流體膨脹，當(dāng)氣體被部分采出后，含水飽和度將進(jìn)一步增加，直到超過(guò)殘余水飽和度，超出的部分變成可動(dòng)水，在壓差的作用下參與流動(dòng)，被氣井采出。
   建議對(duì)氣藏不同部位的井，尤其是邊部生產(chǎn)井，增加取心的井次，通過(guò)巖心滲流實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步論證和驗(yàn)證邊水的侵入規(guī)律。
5 結(jié)論與建議
    1) 從微觀角度，澀北氣田主要是以原生粒間孔隙為主，但由于砂泥巖間互分布，導(dǎo)致原始?xì)馑植缄P(guān)系較為復(fù)雜；通過(guò)對(duì)成藏過(guò)程氣驅(qū)水的分析，認(rèn)為儲(chǔ)層巖石的混合潤(rùn)濕性是束縛水、共存水賦存狀態(tài)的重要控制因素。
    2) 從宏觀氣水運(yùn)移的角度分析，澀北氣田的水存在狀態(tài)包括邊底水、夾層水和層內(nèi)可動(dòng)水。構(gòu)造位置是原始?xì)馑植嫉闹苯記Q定因素，儲(chǔ)層的非均質(zhì)性則是氣水界面分布特征的關(guān)鍵影響因素。
    3) 澀北氣田毛細(xì)管壓力與氣柱高度的關(guān)系表明，毛細(xì)管壓力是決定原始?xì)馑缑娴闹饕蛩?，澀北氣田的四類?chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)共存，這也是造成了該氣田氣水界面分布不規(guī)則性的主要原因之一。
    4) 巖心實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為，在開發(fā)過(guò)程中，水對(duì)天然氣流動(dòng)的影響程度最大，氣井見(jiàn)水將嚴(yán)重影響氣井產(chǎn)能的發(fā)揮和氣井探測(cè)半徑的擴(kuò)大，導(dǎo)致氣井壓力迅速下降，在開發(fā)中應(yīng)該尤其注意防水；三類相對(duì)滲透率曲線特征說(shuō)明，潤(rùn)濕性的差異也是導(dǎo)致澀北氣田氣井見(jiàn)水出現(xiàn)較大差異的主要原因。
    5) 根據(jù)澀北氣田儲(chǔ)層構(gòu)造特征與原始?xì)馑植继攸c(diǎn)，結(jié)合生產(chǎn)井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，將氣井見(jiàn)水模式歸結(jié)為三類：縱向、橫向水竄和邊水水侵。
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(本文作者：華銳湘1 賈英蘭1 李清2 許文平1 秦彩虹2 1.中國(guó)石油青海油田公司；2.中國(guó)石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院)