超深裂缝性多重介质致密砂岩气藏多尺度渗流机理与治水对策

xyvvbmdwy46umd 2022-08-15 发布于新疆

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江同文；孙贺东；肖香姣；朱松柏；欧阳伟平；唐永亮

Front. Energy Res., 10 August 2022

Sec. Advanced Clean Fuel Technologies

https:///10.3389/fenrg.2022.977439

摘要：中国塔里木盆地克深气田由多个超深层裂缝性致密砂岩边底水气藏组成，地质构造十分复杂，发育不同尺度裂缝体系，现有渗流理论无法有效描述其渗流特征。本文基于气藏实际动静态资料，对裂缝系统进行了分级刻画表征，建立了“孔－缝－断”多尺度非连续介质单相气体和气水两相渗流数学模型，利用Monte-Carlo法随机生成裂缝网络，对裂缝网络进行非结构化网格离散，采用混合单元有限元方法对渗流模型进行求解。以克深气藏群为例, 建立了4种储层动态模式，系统总结了此类气藏的开发特征，揭示了不同尺度裂缝逐级动用耦合供气机理和水侵机理：单相气体渗流具有“断层裂缝逐级动用、基质缝网耦合叠加”的特征，气水两相渗流具有“快速突进、逐级水淹、条块分割”的特征，从而有效解释了该类气藏特殊的开发特征，并提出了全生命周期系统治水的提高采收率技术对策，预计气藏采收率将提高10%以上，对于克深及周边近百亿立方米新投产气田的高产稳产必将产生深远的影响。

关键词：裂缝性气藏；离散裂缝模型；多尺度；渗流机理；水侵；动态描述

0 引言

克深气田位于中国塔里木盆地库车坳陷克拉苏构造带，2008年8月，克深2井的突破拉开了克深气田勘探开发的序幕，截至2021年底，累计探明天然气地质储量超过8000亿立方米，年产气规模突破105亿立方米，已成为塔里木油田天然气增储上产的主战场。克深气田地表高大山体发育，断崖林立、沟壑纵横，地下叠瓦冲断构造和突发构造等复杂构造十分发育，具有埋藏深（5000-8000m）、压力高（88-138MPa）、储层基质致密（0.001-0.5mD）、多级次断层发育、大多为有水气藏且气水分布复杂等特点，复杂的地表条件和地下地质结构导致地震资料的品质较差，常规的采集处理技术还不能从本质上改善资料的品质，盐下构造解释难度大，构造落实程度较低。国内外无类似气田可供借鉴，为此先后在克深2和克深8气藏进行了两个阶段的开发试验。克深2气藏借鉴致密气和连续型油气藏的概念，按照非常规气藏的开发思路，采用面积井网加体积压裂技术进行开发，设计生产规模35×10⁸m³/a。由于方案设计和井位部署时缺少地震资料可靠性评价，导致失利井、低效井较多，初期建成产能只有22×10⁸m³/a。投产初期地层压力均衡下降，但压力下降快，动态储量与静态储量存在较大偏差，实际开发指标与方案设计偏差大，投产后见水快；自然产能低，改造后产能递减快，投产3年后该区块气井无阻流量总和仅为投产初期的30%。克深8气藏按照构造控藏、裂缝控产的开发思路，取得了良好的应用效果。

克深气田开发特征与常规裂缝性气藏差异巨大，表现为气井产能井间差异大，井间压力响应迅速，水侵速度快等特征，并探索形成了“高部位集中布井、适度改造、早期排水”的开发对策，形成了“孔－缝－断”三重介质渗流的认识，但传统的双孔/三孔连续介质模型无法表征此类“孔－缝－断”强非均质储层的渗流规律；离散裂缝模型通过对裂缝进行显式处理来准确描述任意裂缝的形态、方位及导流能力，该模型在处理确定性裂缝性砂岩储层上具有明显的优势，但不适用高度随机发育的裂缝性储层，为此通过分批次分区域多次随机生成裂缝再组合的方式构建了多尺度随机裂缝网络，多尺度离散裂缝性数值试井模型初步实现了对储层动态特征的较好描述，还需进一步揭示其开发机理，进而为制定合理开发对策、提高气藏采收率奠定基础。

本文针对克深气田裂缝发育高度离散的特征，基于离散裂缝模型的思想，基于“孔－缝－断”三重非连续介质单相气体渗流数学模型，旨在揭示基质及不同尺度裂缝系统间逐级动用耦合供气机理；结合渗流实验数据，建立气水两相渗流模型，旨在揭示不同尺度裂缝逐级水侵机理；基于不同储层类型气藏在开发不同阶段渗流机理分析，制定相应的开发技术对策。

1 气体在孔-缝-断多尺度介质中的流动

1.1 物理模型与假设条件

裂缝性储层传统的双重孔隙连续介质模型（图1a）假设裂缝是流动通道，基质是储集空间；本文考虑断层、裂缝（天然裂缝和人工裂缝）和基质三种孔隙介质的多尺度离散裂缝物理模型如图1b所示。

1.2 数学模型（略）

假设条件如下：①储层存在三种孔隙介质，分别为基质、裂缝和断层，三种介质的渗透率差异至少在一个数量级以上；②气体流动为单相渗流，且满足达西定律；③流体在裂缝和断层中的流动为一维流动，在基质中的流动为二维流动，裂缝和断层均为有限导流裂缝，但导流能力各不相同；④天然裂缝与断层按照概率分布函数随机生成，人工裂缝为双翼对称缝。

利用非结构化网格离散技术对所建立的数学模型包含随机裂缝的计算区域进行Delaunay三角网格剖分，采用混合单元有限元方法对模型进行求解。

1.3 流动机理

上述数学模型数值计算结果表明：与视均质缝网压力渐变扩散的传统认识不同，孔缝断多尺度相邻介质间存在压力突变、不同孔隙介质气体动用存在时空差异，单相气体流动表现出“断-缝-孔逐级动用、耦合叠加、协同供气”的流动特征，试井PPD导数曲线也表现出基质供气特征（该曲线通常为一递减曲线，曲线止跌变平即为能量补给反映），如图2所示。

2 气水两相在孔缝断多尺度介质中的流动

2.1 假设条件

假设非连续性致密气藏中有一口气井，井筒周边存在断层、天然裂缝和人工裂缝，如图1（b）所示。假设条件如下：①储层存在三种孔隙介质，分别为基质、裂缝和断层，三种介质的渗透率差异至少在一个数量级以上；②流动为气水两相渗流，且满足达西定律，忽略气体滑脱效应，考虑毛细管力的影响；③流体在裂缝和断层中的流动为一维流动，在基质中的流动为二维流动，裂缝和断层均为有限导流裂缝，但导流能力各不相同；④天然裂缝与断层按照概率分布函数随机生成，人工裂缝为双翼对称缝；⑤原始水的赋存状态有三种形式：分别为边水型、底水型和气水同层。

2.2 数学模型（略）

2.3 模型验证

2.4 流动机理

3 克深气田储层动态描述

近两年，随着超高压（井口大于100MPa）小油管气井产出剖面技术的突破和远探声波测井技术的广泛应用，进一步证实了试井动态描述的正确性。如图9所示，某井远探测声波测井解释井周边存在大裂缝，通过产出剖面测试得到进一步证实，气水均从大裂缝产出。

4 治水对策

气藏一旦见水，地层水会沿“高速公路”迅速侵入气藏内部引起“水封气”，产量会大幅下降。如克深2气藏2013年4月投入试采，2014年开始边部生产井见水，由于未及时开展持续有效的排水工作，2019年5月开始气藏南部、北部、中高部位生产井相继见水，产量迅速下降，气藏整体被水分割，基质中的气难以采出。克深8气藏2015年7月投产，2020年起气藏西部KS8-11、KS801、KS802等6口井相继见水，地层水沿大断裂系统迅速推进，如图11所示。见水井生产测井显示，主力产气层和产水层位明显对应，地层水主要产自射孔段裂缝发育区域。

克深8气藏机理研究和开发实践证实气藏早期实施排水采气对提高天然气采收率的影响显著。气藏边部生产井见水后转排水采气，设计日排水200～4000m³不同排水量，数值模拟预测结果如图12所示，随排水量增加，气藏废弃压力降低，采收率提高，见水时间推迟。日排水量2800m³和1000m³方案对比，天然气采收率提高10%，废弃压力下降7.62MPa，高部位井见水时间延缓5年。

2021年11月，克深8气藏先期采取构造边部2口见水井KS801井和KS802井实施连续油管增强性气举排水措施。KS801井大规模气举排水后，KS8-11井在生产制度没有变化的情况下，日产气量平稳，油压呈现小幅上升趋势。该井油压从2021年12月上旬的22.5MPa增加至2022年2月初的27.79MPa，受效显著；同时，两口排水井排水量逐渐降低，进一步说明水体能量有限，如图13所示。