多井协同开发水侵规律物理模拟实验研究

方飞飞,高树生,刘华勋,肖前华,马小登,张春秋

(1.重庆科技学院 石油与天然气工程学院，重庆 401331；2.中国科学院大学 工程技术学院，北京 100190;3.中国石油勘探开发研究院 渗流流体力学研究所，北京 100190；4.中国石油新疆油田分公司 实验检测研究院计量监督检测中心,新疆 克拉玛依 834000)

0 引 言

天然气藏的边缘地带一般存在不同大小的边、底水[1-4]，如果水体较为活跃，在气藏开采的过程中将面临着水侵的风险，气藏一旦水侵，不但会造成单井产量和采出程度的降低，而且还会增加生产成本[5-8]。同时气藏一般存在非均质性，不同区域不同储层之间孔隙度、渗透率差异较大，为了能够达到气藏快速高效开采的目的，气藏在实际生产过程中，会在不同区域同时布井进行协同开采[9-14]，因此含边、底水气藏在多井协同开采时，开采难度大大增加。

为了解决这一问题，焦春燕等[15]通过对均质砂岩岩心进行水侵模拟，认为边、底水气藏采出程度主要取决于采气速度和渗透率，水体可以为气藏提供一定能量，但影响较小；刘华勋等[16]认为孔隙型气藏储层渗透性较好时才可能发生大规模水侵，而对于致密储层，水侵对其生产效果几乎没有影响。Fang等[17]等通过对不同渗透率的孔隙型岩心进行了不同采气速度、不同水体大小的实验模拟，认为不同水体大小对孔隙型气藏采出程度的影响存在一个拐点，渗透率越低，拐点对应的水体倍数越大；采气速度越大，水侵速度越快，采出程度越低，但随着渗透率的增加，采气速度对采出程度的影响逐渐减弱；沈伟军等通过对孔隙型岩心进行压裂并填充支撑剂制成裂缝型岩心研究了不同水体大小、不同采气速度和不同裂缝开度等因素对气藏采出程度的影响，认为裂缝开度越大，渗透率越高，采出程度越低；底水对裂缝性气藏影响很大，但底水大小超过一定程度，对气井生产影响的变化幅度不大；胡勇等认为储层渗透率越高、水体越大，水体沿裂缝推进速度越快，储层渗透率越低，基质对水相的渗吸作用越大。不同研究者针对水侵机理、水侵规律等进行研究，但多集中在孔隙型或裂缝型等单一类型储层，因此为了能够深入认清多井同时开发时，边、底水气藏的水侵规律与开采效果，本文结合前期的研究结果，将气藏作为一个整体，利用多个岩心进行串并联组合来模拟边、底水气藏在多个气井同时开采时水侵和生产动态的变化过程，更进一步的研究不同配产方式、不同开采顺序和不同生产制度对水侵规律和开发效果的影响，为气藏合理高效开采提供实验支持。

1 实验装置与实验方法

1.1 实验样品

结合以往研究者针对孔隙型和裂缝型气藏水侵规律的实验研究，同时为了能够准确的表征同一气藏在非均质严重的条件下，不同开采方式对气藏开发效果的影响，选取了不同类型、不同渗透率的岩心进行串并联组合，模拟真实气藏储层，研究气藏的水侵规律和开发效果，岩心基本物性参数见表1。

表1 岩心基本物性参数

地层水体与实验气体：选用不同容积大小的中间容器进行组合，填充80 g/L的实验室配置的标准地层水，模拟地层水体。采用实验室高纯氮气(99.99%)作为气源，模拟储层条件下的天然气。

1.2 实验装置与流程

多井开采水侵规律模拟装置如图1所示，选用高纯氮气模拟储层条件下的天然气；采用装满80 g/L的实验室配置的标准地层水的不同容积的中间容器模拟地层水体；在开采模式上采用定产量的衰竭开采模式，即初期通过调节出口端阀门大小，将流量稳定在设定的采气速度进行开采；当水侵前缘到达实验模型出口端之后，气水经过气液分离器进行气水分离，分别计量产水量和产气量。在实验过程中，利用压力传感器、流量计等记录整个实验过程的压力与流量数据，用于分析水侵过程中不同时刻的水侵规律。

图1 水侵规律物理模拟实验流程

1.3 实验方案设计

为了模拟多井开发对气藏开发效果的影响，选取平均渗透率为0.1 mD的1和2号岩心模拟低渗区储层，选取平均渗透率为100 mD的3和4号岩心模拟高渗区储层，在7倍水体条件下分别进行如下实验(见表2)：①不同配产方式：分别模拟两口井以相同的采气速度开采和高渗区储层高采气速度、低渗区储层低采气速度时水侵对气藏开发的影响；②不同开采顺序：分别模拟先开采低渗区储层再开采高渗区储层、同时开采高渗区储层与低渗区储层和先开采高渗区储层再开发低渗区储层时水侵对气藏开采的影响；③不同生产制度：分别模拟高渗区储层见水后不关井和高渗区储层见水后关井时水侵对气藏开发的影响。

表2 实验方案

2 实验结果与分析

通过实验室模拟边、底水气藏在多个气井同时开采时水侵和生产动态变化过程，并考虑不同配产方式、不同开发顺序、不同生产制度等因素对水侵规律与气藏开发效果的影响，以获取水侵量、采出程度等参数。综合分析与处理这些参数，能够更加清晰的认识和掌握多井同时开采时气藏的水侵规律，为后续气藏的开采和评价提供实验依据。

2.1 不同配产方式

在气藏开采过程中，通常配产大小由无阻流量来确定，高渗储层渗透率高，无阻流量大，配产高，而低渗储层渗透率低，无阻流量小，配产低。为了探究在含有地层水体条件下，不同配产对气藏水侵和开采效果的影响，选用同时在高渗区储层与低渗区储层的布井方式，其中一组实验两口井采气速度相同，均以1 L/min速度采气，另一组高渗区储层渗透率高，采气速度配产为1.5 L/min，低渗区储层渗透率低，采气速度配产为0.5 L/min，整体气藏的配产与第1组一致，总体配产(低渗储层与高渗储层配产之和)均为2 L/min，在7倍水体条件下模拟水侵气藏的开发，实验结果如表3和图2所示。

对比分析两组实验，低渗区储层和高渗区储层均匀采气的最终采出程度与高渗区储层高采、低渗区储层低采的最终采出程度接近，但无水采出程度更高，气藏产水量更小，这是由于均匀采气时储层动用较为均匀，水侵前缘推进速度相对较慢，因此在气藏开采过程中要限制高渗区储层的采气速度，避免因为过高的采气速度导致地层水体沿着高渗区储层快速锥进，造成气藏的过早水淹。

表3 不同配产方式的水侵规律模拟结果

(a)采出程度

(b)水侵量

2.2 不同开采顺序

由前面实验得知，同时在高渗区储层与低渗区储层布井具有较高的采出程度，但开采后期出水严重，而仅在低渗区储层布井虽最终采出程度低，但具有较高的无水采出程度，因此为了研究能否通过改变气藏的开采顺序，以达到更高的采出程度同时产水较少的效果，在采气速度均为1 L/min，7倍水体条件下，分别进行低渗区储层与高渗区储层同时开发、先开发低渗区储层后开发高渗区储层和先开发高渗区储层后开发低渗区储层3组水侵模拟实验，实验结果如表4和图3所示。

表4 不同开发顺序水侵规律模拟结果

对比分析3组实验，最终出水量和最终采出程度差别不大，但先开发低渗区储层再开发高渗区储层具有更高的无水采出程度和最终采出程度，明显优于其他两组实验结果，这是因为先动用均质程度好的低渗区储储层，使更多水侵集中在低渗区储层区域，可有效降低水侵能量，延缓边、底水在后期沿高渗区储层的推进速度。

(a)采出程度

(b)水侵量

2.3 不同生产制度

考虑到边底水气藏气井见水后是继续生产还是关井，目前业界还无统一的认识，针对此问题，在采气速度均为1 L/min，7倍水体条件下，分别开展高渗区储层气井见水后继续生产和高渗区储层气井见水后关井两组水侵模拟实验，实验结果如表5和图4所示。

表5 不同生产制度水侵规律模拟结果

(a)采出程度

(b)水侵量

对比分析两组实验，当高渗区储层见水时，低渗区储层还未见水，此时高渗区储层气井关井，随着开发的进行，气藏压力逐渐降低，边、底水继续向低渗区储层侵入，但由于低渗区储层渗透率相对较低，在气藏开采结束时，气藏还没见水，此时采出程度为65%；如果高渗区储层见水后继续开发，则气藏的采出程度为71.41%，大于高渗区储层见水后直接关井的采出程度，这是由于高渗区储层水侵见水后气井采取继续生产政策，通过高渗区储层的排水能有效的降低整体水侵能量，延缓还未见水气井区域的水侵速度，改善周边未见水气井的开发效果，整体提高了气藏采出程度，但也面临着产出水处理的问题。

3 结 语

气藏在多井协同开采时，要限制高渗区储层的采气速度，避免因为过高的采气速度导致地层水体沿着高渗区储层快速锥进，造成气藏的过早水淹，从而降低气藏的整体采出程度；不同的开采顺序水侵量和产水量差别不大，但是先开发低渗区储层再开发高渗区储层具有更高的无水采出程度和最终采出程度；高渗区储层水侵见水后气井采取继续生产能有效提高气藏的整体采出程度，但也面临着产出水处理的问题，需要提前做好产出水处理工作。