气藏水侵早期识别方法及水侵量计算的研究——以河坝飞三气藏为例（可编辑）

气藏水侵早期识别方法及水侵量计算的研究——以河坝飞三气藏为例（可编辑） 学校代码: 分类号 学号: 成都理工大学硕士学位论文 气藏水侵早期识别方法及水侵量计算研究 ??以河坝飞三气藏为例 刘云 指导教师姓名及职称 卢渊 副教授 申请学位级别 硕士 专业名称 油气田开发 . . 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位和日期成都理工大学 年 月 答辩委 评阅人 年月独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的 研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外, 论文中不包含其 他人已经发或撰写过的研究成果,也不包含为获得盛都堡王太 堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的人员对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 副云 弓日 年 易月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛鳌堡王太堂有关保留、使用学位论文的规定, 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都堡王太堂可以将学位论文的全部或部分编入有关数 据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学学位位论论 文文作作者者签导 名师:签 、四氰 冽 声 、?/ 年 ,多日 多月摘要 气藏水侵早期识别方法及水侵量计算研究 ??以河坝飞三气藏为例 作者简介:刘云,男,年月生,师从成都理工大学卢渊副教授, 年月毕业于成都理工大学油气田开发工程专业,获得工学硕士学位。 摘要 四川盆地气藏埋藏深,裂缝较发育,且大多存在边底水,气藏极易进入有水 开发阶段,甚至容易造成气藏水淹。气藏见水后会给气藏开发带来很大危害,增 加治水成本,不利于提高气藏最终采收率。因此,研究气藏水侵早期识别方法和 水体大小,对气藏开发调整,选择合理治水措施,具有很好的指导意义。本 文在分析总结前人研究成果基础上,利用数值模拟手段分析气藏水侵机理及其影 响因素,结合异常高压气藏的开发特点,探索了异常高压气藏水侵识别方法及水 体大小计算方法,通过理论推导和各种方法适应性评价,利用上述研究成果在河 坝飞三气藏进行了现场应用,并取得了较好的预测效果,本文研究成果为河坝飞 三气藏高效开发,提供了扎实的理论依据,同时为国内有水气藏开发具有一定的 借鉴意义。本文取得如下认识与成果: 利用数值模拟方法,建立异常高压有水气藏水侵机理理论模型,理论 研究结果表明:构造越陡、基质渗透率越大水侵越困难;裂缝渗透率越大,裂缝 长度越长,水体储量越大,气藏水侵速度越快;同时采气速度是控制水侵的有效 手段,对于有水气藏可以降低单井日产气量,减缓气藏水侵。 气藏不同开发阶段必须采用针对性的水侵识别方法,试井监测方法和 气体含量检测方法可以提前识别和预报气藏水侵,视地层压力法对异常高压 气藏水侵识别的适应性较差,但考虑异常高压影响的视地质储量法可以很好地识 别气藏水侵。 针对气藏水侵的复杂性和不同方法的适应性,气藏不同开发阶段应有 针对性地采用水侵识别技术,在综合应用各种信息的基础上,准 确识别气藏水侵。 气田开发初期,采用容积法可以粗略估算气藏水体大小;气藏开 发中 后期,可以采用气藏工程方法半定量地评价气藏水体大小;同时 也可以利用油藏 数值模拟方法定量评价水体大小。 关键词:水侵早期识别 水侵量水体大小 河坝飞三气藏成都理大 学硕士学位论文 .??坷 , , :,,. ,., ,. , , ., , . , ,, 曲,, , . . : , .曲.: ; , ; , ,, ? ,. .,. 曲 . .,.,. .; .:目 录 目 录 第章引 言。 .研究目的及意义?.. .研究现状?. .主要研究内容??.. .技术路线?. .研究成果?. 第章水侵机理及其影响因素分析。 .水侵机理?. .水侵影响因素分析. 第章气藏水侵早期识别方法研究。 .生产动态数据识别方法? .含量识别方法. ..地层水中的来源??. ..地层水中气体溶解度变化情况??. ..利用天然气中含量变化计算水体大小??. .试井监测识别方法。 ..考虑水封气的试井识别方法??. ..考虑气水复合渗流的试井识别方法??. ..考虑相分离的试井识别方法 .物质平衡原理识别方法? ..物质平衡方程??.. ..三种常规水侵识别方法?. .气藏水侵早期识别方法综合评价 第章气藏水体储量、水侵量计算??.. .气藏工程方法..容积法??. ..气藏水侵量自动拟合算法. ..非稳态水侵经典解析方法. ..动态分析方法??. .气藏数值模拟方法??一 ..三维数值模型的建立??.成都理工大学硕士学位论文 ..历史拟合?. .水体大小和水侵量计算方法适应性评价 .水侵强度评价..无水采气期. ..水驱指数?.. ..水体活跃程度??. 第章水侵早期识别及水侵量计算方法在河坝飞三气藏的应用?. .气藏概况? ..勘探开发简况??。 ..气藏生产现状??. .气藏水侵早期识别 ..生产动态数据识别方法?. ..产出流体识别方法. ..试井分析方法 ..物质平衡分析方法. .水体大小及水侵量计算? .水体强度评价.河坝飞三气藏开发建议? 结论及建议谢?..??.. 参考文献? 读学位期间取得的学术成果.. 付录?.第章引言 第章引 言 .研究目的及意义 作为一种清洁环保的优质能源,天然气在改善能源结构,推动低 碳经济发展 过程中,近年来得到了突飞猛进式的跨越发展。世界各国对天然气的开发与利用 日益重视,.年年中,世界石油探明储量增加了.%,而天然气探 明储量却增加了.%;世界石油产量增加了.%,而天然气产量则增加了 .%?。据预测,天然气将在年替代石油成为世界主要能源。年我 国开展了全国性的天然气利用规划,将天然气开发利用提到重要高度,使天然气 领域的竞争不断加剧,年,中国天然气产量达.×,按照国际产气 大国标准,我国正在从贫气国走向产气大国。 四川盆地气藏储层较致密,裂缝十分发育且分布复杂,储层非均质性较强, 且边底水活跃【】。截止年底,四川盆地出水气田占气田总数的.%,出 水气藏占气藏总数的.%。在开发过程中地层水逐渐侵入气藏内部,对开采 造成很大的影响,具体表现在:地层水的侵入使得原来的单相渗流变为多相渗流, 无形中增加了气藏的渗流阻力,大大降低了单井的产量和气藏最终采收率;若储 层中裂缝发育,地层水便沿着高渗通道侵入气藏内部,形成大量的水封气,严重 情况下,造成气藏水淹停产;为此必须采取相应的治水措施,提高有水气藏的最 终采收率和经济效益。 因此开展气藏水侵早期识别和预报技术,评价水体大小,弄清气藏水侵规律, 对气藏开发方式地及时调整,延长气藏无水采气期和稳产期,降低有水气藏开采 成本,提高气藏的整体开发经济效益具有重要意义。 .研究现状 气藏水侵识别方法研究现状 随着对气藏水侵危害的认识的加深,国内外在水侵识别方法研究方面做了大 量的工作。目前水侵的主要识别方法主要有四种,产出流体分析、生产数据识别、 试井监测和物质平衡常规方法识别。 产出流体分析识别水侵包括气体含量测定、水样分析方法。生产数据 识别方法包括压力变化监测、水气比分两种方法。析物质平衡识别方法,主要利 用定容封闭气藏和水驱气藏的物质方程的同,绘制关系曲线,判断水侵,该方法 包括视地层压力法、水侵体积系数法、视地质储量法。试井监测 主要是水侵是一成都理工大学硕七学位论文 个动态的过程,其变化必定反映到动态监测资料上,常用复合地层试井模型和线 性不连续边界试井模型。 刘蜀知等通过基于气藏的物质平衡方程式,提出一种识别水驱气藏 的新方法,即视地质储量法,该方法可用于气藏开发初期,其识别正确率明显高 于视地层压力法及水侵体积系数法。 陶诗平等】应用不稳定试井分析方法识别气藏早期水侵,把气藏水侵 假设成复合地层试井模型和线性不连续边界试井模型,分析天然气水侵边界,进 行水侵识别。 康晓东等】对早期水识别方法加以总结和概述各种方法的适用条件, 水样监测与产水分析法仅适用于气井出水之后,压降曲线分析法是最常用的方 法,但该方法在水侵早期识别中存在很大的风险,仅适用于压降图出现曲线段后, 试井分析法不稳定试井分析方法是水侵早期识别的重要方法,该方法要求气井在 不同时期有多次试井,这是方法应用中的主要限制,同时试井解释的可靠性也是 存在问题。 李晓平等】利用不稳定渗流理论将水驱气藏视为复合地层,建立了渗 流数学模型,在获得数学模型的解后,利用算法计算出水驱气藏中气井 的压力及压力导数特征曲线。 气藏水侵量计算方法研究现状 目前水侵量的计算方法主要有以下几大类,一是传统的稳态法、非稳态法, 比如:】基于达西稳定渗流规律提出的稳态水侵量计算方法,它适 用于具有很大水体、采气速度不高的气藏水侵量计算。 和 】提出了平面径向流和线性流的非稳态水侵量计算公式,成为目前较 常用的水侵量计算方法。给出了底水驱气藏半球形流系统的天然累积水侵 量的计算方法。】也曾提出有限含水区近似水侵理论,是对 和方法的很好改进,避免了每个时间步长叠加解的复杂性,使 得计算过程更加简单、易行,常用于油气藏数值模拟。二是统计法,比如:廖运 涛旧】应用数理统计方法,得到了计算无量纲水侵量的近似公式,在允许的 工程误差内,可以较方便地编程计算无因次水侵量。三是非线性最优化法,比如: ,..等提出的水体影响函数法,该方法不考虑气水边界的形态,利用 气藏早期试采数据来预测水体的性质。熊钰等】也进行了这方面的研究, 分析了由于断层切割形成的局部封存水体性质和水侵动态,并指出了其水体影响 函数为抛物线型。王怒涛等】通过对物质平衡方程的分析,提出了以 地层压力及采出量等生产数据建立目标函数,用最小二乘法进行自动拟合,直接 计算水驱气藏动态地质储量及水侵量的方法。四是其它方法,比如:黄天星等 ”】利用数值反演法,给出了底水油藏无因次水侵量的数值解。张 第章引言 伦友等】提出了采用曲线拟合法求解水侵量和动态储量的方法。 ...提出了一种综合考虑边水和底水来计算水侵量的模型,将边、底 水油气藏水侵量的计算方法有机地结合起来,证明了 和的 平面径向模型只是以上模型的一种特例。此外,刘蜀知等】利用水侵气藏 物质平衡方程推导出了压降方程和不稳态水侵量的计算模型,可预测未来气藏水 侵量和压力的变化。李传亮】提出了利用生产资料计算水侵量的简易方法 ??亏空体积曲线法和生产指示曲线法,无需考虑油气藏的水体形状和大小。唐 毅等”通过分别考虑应力敏感性气藏基质和裂缝系统的有效压缩系数的 基础上,推导出了应力敏感性产水气藏的物质平衡方程,绘制出气藏的生产指示 曲线得到产水气藏的地质储量,再利用差值法计算水侵量的大小,该方法与常规 方法相比,计算过程简单且结果满足精度要求。从文献调研情况看:天然水侵量 的计算方法已经很丰富,可以根据油气藏的具体情况对不同的水侵模型进行综合 分析,选择合适的计算方法。 .主要研究内容 本论文在总结前人研究基础上,利用数值模拟方法研究水侵机理 及其影响因 素,从渗流力学和物质平衡方法基本原理入手,建立并评价了各种气藏水侵识别 方法,在气藏工程法及气藏数值模拟法基础上进行了气藏水体储量和水侵量大小 评价,并将上述研究成果在河坝飞三气藏进行了现场验证,本文的主要研究内容 如下: 气藏水侵机理及其影响因素分析 在调研裂缝性有水气藏水侵模式基础上,利用气藏数值模拟方法建立异常高 压气藏水侵机理模型,并利用该模型对影响气藏最终开发效果的地质和开发等多 种因素进行理论分析。 气藏水侵早期识别方法 从渗流基本原理出发,建立了异常高压有水气藏渗流数学模型,通过对该模 型进行求解,获得了井底压力响应的通解,从理论的高度论证了生产动态数据方 法的可靠性。从地层水中气体来源及溶解度变化规律入手,建立了一套利 用天然气中气体的微小变化,识别和预报气藏水侵、定量评价水 体大小技 术体系。同时利用现代试井分析方法的研究成果,从理论上论证了气藏水侵过程 中对井底压力响应曲线识别气藏水侵的可靠性:同时建立定容封闭气藏、水驱气 藏及异常高压水驱气藏物质平衡方程,阐述了视地层压力法、水侵体积系数法、 视地层储量法识别气藏水侵的具体过程。 气藏水体储量及水侵量计算成都理工大学硕士学位论文 从容积法、动态分析法及非稳态水侵的经典解析方法入手,建立了气藏水侵 量自动拟合算法,同时利用河坝飞三气藏数值模拟预测模型,定量评价气藏水体 大小及水侵量,在此基础上总结了水侵强度评价方法。 现场应用 水侵早期识别及水侵量计算方法在河坝、井的应用,评价水侵强度,分 析各种方法的适应性,为河坝飞三气藏开发提供参考意见。 .技术路线 本论文在总结前人研究基础上,从渗流力学和物质平衡方法基本原理入手, 建立并评价了各种气藏水侵识别方法,进行了气藏水体储量和水 侵量大小评价, 并将上述研究成果在河坝飞三气藏进行了现场验证,研究思路图见下图.。第章引言 在调研裂缝性有水气藏水侵模式基础上,利用气藏数值模拟方法建立 异常高压气藏水侵机理模型,并利用该模型对影响气藏最终开发效果的地质和开 发等多种因素进行理论分析。 从渗流基本原理出发,建立了异常高压有水气藏渗流数学模型,从理 论的高度论证了生产动态数据方法的可靠性;从地层水中气体来源及溶解 度变化规律入手,建立了一套利用天然气中气体的微小变化,识别和预报 气藏水侵、定量评价水体大小技术体系;同时利用现代试井分析方法的研究成果, 从理论上论证了气藏水侵过程中对井底压力响应曲线识别气藏水侵的可靠性。 从容积法、动态分析法及非稳态水侵的经典解析方法入手,建立了气 藏水侵量自动拟合算法;同时利用河坝飞三气藏数值模拟预测模型,定量评价气 藏水体大小及水侵量,在此基础上总结了水侵强度评价方法。 在理论研究基础上,根据河坝地区实际情况,选取气藏水侵识别方法 和水侵量计算理论进行现场应用。 成都理工大学硕士学位论文 第章水侵机理及其影响因素分析 有水气藏裂缝发育,地层水容易沿裂缝推进,造成气藏出水,为此有必要研 究气藏水侵机理及水侵影响因素,分析出水规律,对气藏水侵早期识别,以及预 防气藏出水都有一定的指导意义。 .水侵机理 裂缝性有水气藏水侵可分为两种形式:一是边、底水大面积侵入含气区,裂 缝不发育,就表现出“水侵”特征;二是生产压差使底水很快沿高渗裂缝窜至局部 气井,生产压差越大水窜越快,主要表现出“水窜”特征。裂缝性水窜可导致很多 气井投产短时间就见地层水而气水同产,不久就被水淹。由于气藏裂缝发育程度 和分布在地层中异常复杂,因此气藏水侵活动中表现出多种多样的水侵模式。为 】: 了进行深入的研究,可将气藏的水侵模式归纳为以下几种类型【 水锥型 气井所处区域内中、小裂缝或微细裂缝发育,且分布相对均匀,无大缝存在, 储层表现出似均质特征,井下存在大量微细裂缝且呈网状分布,试井解释呈双重 介质特征。该区域气井投产后,在井底附近形成一个相对低压区,微观上底水沿 裂缝上窜,宏观上呈水锥推进。气井出水后,产水量小且上升平缓,大都分布在 气藏边、翼部低渗区,但也有少数分布在项部高渗区。 纵窜型 纵窜型气井多位于高角度大缝区,有大缝与井筒直接相连,底水沿大缝直接 窜流入井筒,十分活跃,有时甚至表现为管流特征,产水迅猛且量大,对气井生 产影响很大,短期内可使气井水淹而死,对于纵窜型气井,地层水的危害性很大, 有些呈封闭状危及气井,有些扩大到一片,转化为纵窜横侵型。 横侵型 气井附近低角度裂缝发育,且与有高角度裂缝的井相连,地层水 由横向侵入, 纵向上出现水层下又有气层交互分布现象。横侵型气井底水大多不活跃,只有少 量井较为活跃,主要分布在构造高点附近的中高渗地带。 复合型 实际的裂缝性有水气藏极少存在单纯的一种水侵模式,而是“横侵纵窜”复合 式的模式:一种是沿构造发育带或高渗带选择性水侵;一种是沿断层裂缝带平行 断层走向水窜,而断层裂缝不发育的翼部的水体在开发过程中基本不动。如出水 井附近存在高渗空洞层,并与高角度大缝相连,地层水沿大缝上窜,再通过高渗 孔洞层横向侵入气井。这便形成了复合型的水侵模式。 第章水侵机理及其影响冈素分析 .水侵影响因素分析 有水气藏在开发中水侵特征主要受两个大的方面的影响:一是地质因素,即 气藏储层的基质渗透率、裂缝大小和分布、水驱能量;二是开发因素,包括采气 速度、井网部署、气井单井配产等。为深化有水气藏水侵动态的认识,利用 数值模拟软件设计了一个理想数值模拟模型如图.,借助于数值模拟方法深 入分析有水气藏地层水活动的各种因素,找出影响有水气藏开发效果的最主要关 键因素,为合理高效开发该类气藏提供理论指导。该理想模型为单一倾斜构造项 部一口气井,气藏中主要储集空间为基质岩块,裂缝为主要渗流通道。利用数值 模拟网格加密技术模拟了裂缝渗流过程,在加密网格中裂缝的渗透率遵循导流能 力守恒的原则。为模拟水侵过程中水封气的形成过程,特设计了两组横向加密网 格。此外利用数值水体模型模拟了气藏的边水侵入过程。在模型预测过程 中考虑实际水处理能力有限,假设气井产水量达到/后,采用定水量预测。 图河坝飞三气藏水侵机理模型 基质渗透率对水侵的影响 气藏在开发中发生水侵时,基质孔隙渗透率的大小对边水的侵入会产生较大 的影响,为此设计了基质渗透率分别为.、、、、、‘的理想模 型各模型中裂缝与基质渗透率的比值保持恒定。模拟计算结果如 图.所示: 气藏基质渗透率越低,地层水更容易沿主裂缝侵入到气藏主体部位,气井见水时 间相对提前,水封气现象越明显,最终导致气藏开发效果变差。 成都理工大学硕士学位论文 图基质渗透率对水侵速度的影响 构造倾角对水侵的影响 为研究构造对气藏水侵的影响,特设计了不同地层倾角的数值模拟模型,各 模型的其它基本参数均相等。模拟计算结果如图.所示:对于裂缝性有水气藏, 在水侵量一定的情况下,构造越平缓,气井见水时间越早,采出程度越低;反之 地层倾角越大,水的重力充当阻力增大,气井见水时间越晚,采出程度越高。 图构造倾角对水侵速度的影响 裂缝渗透率和长度对水侵的影响 有水气藏局部水侵的主要原因是裂缝水窜,气井生产所形成的压力降首先沿 大裂缝传到远处,在大裂缝中形成低能带,如果大裂缝与水体连通则水沿大裂缝 迅速到达井底,形成裂缝水窜。裂缝水窜主要与地层中大裂缝或 断裂带、储层的 非均质性具有密切关系。考虑裂缝渗透率和裂缝长度对水侵的影响,设计了裂缝第章水侵机理及其影响冈素分析 渗透率的理论模拟模型。 为了研究裂缝渗透率控制水侵的难易程度,设计裂缝渗透率分别为.、.、 .、.、.、.。.的理想模型。计算结果如图表明:裂缝渗透率越 大,气井见水时间越早,水气比上升速度越快,气藏采收率越低。 图.裂缝渗透率对水侵速度的影响 图裂缝长度对水侵速度的影响 此外考虑了不同裂缝长度对水侵的影响缝长分别为:、、、、 、,研究结果如图.表明:裂缝长度越长,地层水更容易沿裂缝进 入气井,见水时间越早,水气比上升速度越快,气藏采收率越低。 水体面积大小对水侵的影响 水体能量的大小直接影响到气藏水侵的活跃程度,设计了水层水体倍数比分 别为、、、、、、的理论模型卡特水侵模型。计算结果如图 成都理工大学硕士学位论文 表明:随着边水水体储量的增加,水体越活跃,气井见水时间越早,无水采 气期越短,水气比上升越快,气藏采收率越低。 图水体倍数比对水侵速度的影响 采气速度对水侵的影响 在气藏开发过程中,通过采取合理的开采方式,可以较好地控制边水向气藏 内部的侵入,延长气藏的无水采气期,提高气藏的采出程度,改善气藏的开发效 果,其中,采气速度是最重要的影响因素。采气速度对有水气藏无水采气期的长 短、采收率高低有较大的影响,边、底水活跃的气藏,慎重地选取采气速度是十 分重要的,如图?表明:采气速度越大,气藏在开采过程中形成较大的压降漏 斗,导致气井过早水淹,使气藏处于十分被动的开发局面。 图产气速度对水侵速度的影响 第章气藏水侵早期识别方法研究 第章气藏水侵早期识别方法研究 在有水气藏的开发中,由于边底水的侵入而造成的气井出水,不仅会增加气 藏的开发开采难度,而且会造成气井产能的损失,降低气藏采收率,影响气藏开 发效益。水侵动态的准确判断,特别是早期水侵识别,是主动有效地开发气藏的 基础。基于不同的原理,目前的识别方法主要有生产动态数据识 别、产出流体分 析、试井监测、物质平衡原理识别方法。 .生产动态数据识别方法 气藏主要以弹性气驱单相渗流为主,地层水以束缚水的形式存在。储层发育 的大裂缝是气体的主要渗流通道,基质只起到储存气体的作用,不参与渗流过程。 裂缝的发育程度和裂缝沟通范围内的储量大小对气井的产量及井口压力下掉速 度起着决定性的作用。当气藏存在边底水,水侵速度主要受产气速度影响,气井 配产过高,可能造成气井压力下降过快,裂缝压力越来越低,地层水逐渐进入到 裂缝中。裂缝的气相渗透率逐渐降低,水相渗透率越来越高,同时由于贾敏效应 的存在,水分子聚集并堵塞细小孔喉处,导致基质中的气体被封闭,单井有效控 制储量越来越小,气井气产量和井口压力递减越来越快,最终气井水淹。 气藏水侵可以近似地看成是气井控制半径随时间不断减小,变化趋势受裂缝 影响,控制储量也不断减小,最后导致控制储量为零,即气井水 淹。基于上述理 论及理想物理模型如图.,建立均质气藏考虑水侵不稳定渗流数 学模型,其假 设条件如下: ?孔隙介质为均质,孑隙度及渗透率为常数; ?地层中流体为气体单相渗流,流体流动服从达西定律,等温渗 流; ?忽略重力、毛管力以及微小压力梯度的影响; ?压力梯度很小,膨乘积近似为常数; ?单井控制半径乞为时间的函数,随时间发生变化不断减小。 气体不稳定渗流数学模型的微分方程为: . 旦厂至:上至 ,务办/ .叩钟 式中:,一导压系数,./.; 一距离井处在时刻的压力,: 一时间,。 成都理工大学硕士学位论文 气 边 图气藏水侵渗流物理模型 初始条件: . ,,.乞 内边界条件: . ,.孙~坠篙华 封闭外边界: 考吣 式中:,一原始地层压力, 一距离井,.处在时刻的平均压力,; ,一气井产量,/; 丁?气层温度,; 一气层渗透率,岬; ?气层厚度,; ‖一平均压力和温度下的天然气粘度,.; 一平均压力和温度下的天然气压缩因子,小数; ~一井筒半径,; 匕?外边界半径,。 对上述数学模型的求解,可直接用分离变量法,也可直接作变量 代换以 后,进行拉普拉斯变换,使函数变为常微分方程并在相应定解条 件求解,再 进行拉氏反演求解。由此原理,获得地层中任一点在任一时刻的 压力表达式 为: 第章气藏水侵早期识别方法研究 ? 可;一?.? 面厂 扣警幢, × 半地半一.卜喜 小七吖 式中:%一方程厶口。皇似。一厶口。遮。。兰的第个根; ’” \ 。、。口。一为第一类、第二类一阶贝塞尔函数; 订一井底压力,; 当生产时间很长时,当地层中的压降速度为常数,式.中的最后 一项趋于零,得到处于拟稳定期时井底流压表达式: 蹦沪旷学陋.一筹, 式中:一分别为平均压力和温度下的综合压缩系数,; 矽?孔隙度,小数。 图井底流压随水侵速度变化关系曲线 根据拟稳定下得井底流压公式,假设气井定产量生产,水侵均匀 推进,气藏 半径可以用公式‘乞一表示,其中表示单位时间的水侵速度,绘制不同 水侵速度下井底流压随时间变化关系曲线如图.。从图中可以看出:在无水侵 成都理工大学硕士学位论文 状况下,井底流压与时间成直线关系,当存在水侵时,井底流压与时间成曲线关 系,水侵速度越大,曲线弯曲幅度越大,井底流压下降速度越快。因此,可以通 过气井井底流压与时间变化关系曲线的形状及弯曲幅度,来判断水侵快慢及强 弱,达到早期识别水侵的目的。 .含量识别方法 通过国内外含硫气田开发实践过程发现,随气田开发时间的延长,天然气中 的含量不断上升。以加拿大卡洛林气田为例,气田投产前平均含量为%, 投入开发年后,含量增加至%,且气田开发时间越长,含量增加速度 越快。法国拉克气田以及国内长庆气田也有随气田开发时间变长,产出气体中 逐渐增加的现象四。 地层水中的溶解度主要受压力、温度及地层水化学性质等影响。在气 藏开采过程中,如果气藏存在边底水,水体补充能量不足以补偿地层亏空,造成 压力下降,同时由于流体产出带走大量的热量,使得地层温度下降,地层水中的 气体溶解度也随之降低,部分气体从地层水中逸出。逸出的气体流 动速度大于气藏水侵速度,因此通过监测天然气中气体浓度变化,可以达 到提前预测气藏水侵的目的。 含量测定水侵早期识别方法具有预测时间早,水侵危害小,对早期不含 气井水侵识别效果明显的特点。 ..地层水中的来源 气体是一种剧毒腐蚀性危险气体,众多学者已对其形成机理和成因特征 进行过大量的研究和实验,得出自然界的主要有三大类成因类型,即生物 成因生物降解、微生物硫酸盐还原、热化学成因有机硫化物的高温热分解、 硫酸盐热化学还原和岩浆成因。 生物成因主要有两种方式:一是通过微生物同化还原作用和植物等的吸收作 用形成含硫有机化合物,而后在一定的条件下分解而产生,这是在腐败作用 主导下形成的过程。该方式形成的气体规模、分布不广,不利于保存, 只适合浅层。生物成因的另一种方式,是通过硫酸盐还原菌对硫酸盐的异化还原 代谢而实现,硫酸盐还原菌利用各种有机质或烃类作为给氢体来还原硫酸盐,在 异化作用下直接形成。微生物硫酸盐还原是生物化学成因的主要作用类 型,由于这种异化作用是在严格的还原环境中进行的,需要地层条件适合硫酸盐 还原菌的生长和繁殖,且在地层深处难以实现。虽然生成在浅层利于保存 和聚集,但是形成的丰度一般不会超过%。 第章气藏水侵早期识别方法研究 热化学成因主要包括热化学分解成因和硫酸盐热化学还原成因。热化学分解 成因是指含硫有机化合物在热力作用下,含硫杂环断裂形成,又 称为裂解型 。这种方式形成的浓度一般小于%。硫酸盐热化学还原成因主要是指 硫酸盐与有机物或烃类发生作用,将硫酸盐矿物还原生成和。硫酸盐热 化学还原成因是生成高含天然气和型天然气的主要形式,它发生的温 度一般大于??川。 岩浆成因由于地球内部硫元素的丰度远高于地壳,岩浆活动使地壳深部的岩 石熔融并产生含的挥发成份,所以岩浆中常常含有。而的含量主要 取决于岩浆的成分、气体运移条件等,因此岩浆中的含量极不稳定,而且 也只有在特定的运移和储集条件下才能在天然气中聚集下来。 ..地层水中气体溶解度变化情况 在原始地层压力条件下,可以在地层水中大量溶解,随着压力的降低, 在地层水中溶解度降低,部分原来溶解于地层水中开始析出,使得产出 气体中含量增加。 图 在水中溶解度实验结果图据李云波, 年英国化学家威廉?亨利提出了压力对气体在水中的溶解度影响规律, 在一定温度下,某种气体在溶液中的浓度与液面上该气体的平衡压力成正比,即 式中:一为溶解系数,表示一定温度下,每增加.时,单位体积溶液中 溶解的气量,/..: 尺,一溶解度,即压力为时单位体积溶液中溶解的量,/。成都理工大学硕士学位论文 卡别】在高压条件下研究了气体在地层水中的溶解度,实验 证明:高压条件下气体在地层水中的溶解度随压力的升高而增大,但是其 规律与低压条件下亨利定律存在一定差异,溶解度与压力不存在线性直线关系。 拟合后的溶解度与压力、温度关系系数公式如下: ,一 式中:口、为与地层水温度及地层水化学性质有关。 当压力一定时,气体在地层水中的溶解度随着温度的升高而减小。这一点对 气体来说也毫无例外,因为随着温度的升高,分子运动速率加快,容易 从地层水中逸出。从图.中可以看出在地层水中的溶解度主要受压力影响, 对温度的敏感程度相对要弱。 ..利用天然气中含量变化计算水体大小 易溶于水,同时在一定温度下其溶解度随地层压力增大而增加,随压力 的降低而减小。气藏中的在原始条件下,绝大部分是溶解于水中。在气田 开发过程中,随着地层压力降低的溶解度减小,逐渐从地层水中析出,且 进入天然气中与其混合。地下水体越大,从地层水中析出的也就越多,天 然气中的含量越高,假定气体进入天然气中,经过一定时间,一段距 离扩散运动后,气体在天然气中均匀分布。在一定地层压力下测定出代 表全气藏的平均含量,利用某一压力降到某一压力时的含量的增量算出全气藏的 含量总增量。的总增量除以在这两个压力下的溶解度差值便能得到 地下水体大小。计算水体模型图如图?所示。 。天然气 天然? 卜析出、/ 一 ?伊 一 二一二一二一二一三 瑟警一二 毒警二二 十 一一一一一 图 含量计算水体大小模型图 在:时,根据物质守恒原理:天然气中的增量?已采出的天然气中 的增量总和剩余天然气储量中的含量总和。 第章气藏水侵早期识别方法研究 . 一屈/一?岛一层 地下水体大小为: 垒竺 :垒望鱼垒三?望二垒望丛垒二垒 形: . ,?, ?, 整理得: 形:?????一? ?, 式中:屈一在。条件下天然气中含量,/。 展一在:条件下天然气中含量取气井出地层水前的含量, /; ?。时天然气储量量,; ?一从到时采出的天然气量,; 一在条件水中的溶解度,即,,/; 一在条件下水中的溶解度,即,,/; ?气井井口取样分析数据,‖?: .试井监测识别方法 气藏水侵是一个动态的过程,其压力变化必然会反映到动态监测资料上。根 据试井理论,静态地质因素引起的试井曲线边界特征反映,在一口井的多次试井 中不会改变,即试井分析得出的边界性质和边界距离都不会随时问而改变。而有 水气藏如果水侵活跃,开发过程中天然水侵边界的移动特性,将在靠近气水边界 附近井的不同时期的多次试井分析曲线中不同程度地反映出来。 ..考虑水封气的试井识别方法 气藏周围常存在活跃的边底水,在生产压差的作用下,边水沿着 大裂缝侵入 地层,由于毛管力和贾敏效应的存在使得气相渗透率降低,并产生一定数量的封 闭气,因此可以把水层看成气藏的封闭边界,通过监测压力变化,分析不同时期 边界距离,来识别水侵快慢及强弱。考虑水封气气藏渗流模型的基本假设条件如 下: ?孔隙介质为均质,孔隙度及渗透率为常数; ?气井以恒定产量投产,开井前地层各处压力相等且为;; ?考虑井筒储存和表皮效应; 成都理工大学硕士学位论文 ?气体为理想气体,流动月艮从达西定律; ?忽略重力及温度的影响。 渗流数学模型及求解 通过无因次化构建成封闭气藏定产量生产试井解释模型如下: ? 鲍上监:监 锑 钆 夙 ? , 五 嘣卜剀州 四 %等一卜钮 划: . %:% 定义以下无因次变量:鼢厂 ‰西丽葡 瓦研‘ 瓦瓦瓦 :二,?一 式中:一井筒储集系数,/; . 吣卅压力,:争,/ 即。弘 在数学上,对试井解释模型的求解有许多方法,其中运用拉普拉斯变换对其 求解是较多的。拉普拉斯变换是一中积分变换,是求解微分方程的有效方法,可 以将偏微分方程变成常微分方程,将常微分方程变成代数方程求解,求解后再通 过拉普拉斯逆变换将解变换到实空间来。下面就用拉普拉斯变换对其求解过程: 作对的拉普拉斯变换:第章气藏水侵早期识别方法研究 一 歹。饧,吵。饧,如弦一%% 所以,式?~式?在拉普拉斯空间中的数学模型为: ? ~ 孕上誓:歹。 ‰ 蟛 . , ? 酷卜割碉 . 呖?一卜矧三 到: ? ,:% 将式可以转化为方程式标准形式,即 . 《等等一毛珏。 式.的解析解通解形式为: . 。鸽饧正胀。饧?为 式中:、一为两个满足二阶微分方程的常数; 饧?;、。%?;一分别是第一类修正零阶杯赛尔函数和第二类修正 零阶贝塞尔函数。 贝塞尔函数具有以下性质: . 厂。正』。饧压 . ;饧正一。饧正 由式.和式.得: . 正%正一跳如正 :??????????、::?? ? ,曲? 由式.和式.得: 成都理工大学硕士学位论文 协” 啊。一翰外饧,等.三 ??????二???????一 ? 正??正一?正 式中:口篆老旁;‖咄石‰扬; 由式?、式.和式.得: 少曲瓦万丽万画 考虑水封气影响的气井渗流特征及影响因素分析 图.给出了圆形封闭边界考虑水封气影响的双对数压力响应和压力导数曲 线.从双对数曲线中可以发现气渗流存存四个流动阶殷: 图圆形封闭边界考虑水封气影响的各流动阶段双对数曲线 ?早期纯井筒储集阶段,在压力和压力导数双对数曲线上表现为斜率为. 的直线段,该阶段反映了早期井筒储集效应对压力和压力导数曲线的影响。 ?过渡流动阶段,压力导数出现峰值后向下倾斜,峰值的高低取决于参数 的大小。由于处于指数位置,所以受表皮系数的影响较大一些。越 大,则峰值越高,下倾越陡,而且峰值出现时间越晚。 ?中期径向流阶段,在压力和压力导数双对数曲线上压力导数曲线出现水平 段且值为.,该阶段反映了水平方向上的径向流动。 ?晚期径向封闭边界反映阶段,具体表现为:在双对数曲线上,压力导数曲第章气藏水侵早期识别方法研究 线迅速上翘,且压力导数呈斜率为.的直线,该阶段反映了圆形封 闭边界对压 力和压力导数曲线的影响。 图外边界半径尺曲对圆形封闭边界考虑水封气影响的井底压力响应的影响 图.是外边界距离尺,对考虑水封气影响的气井井底压力动态的影响关系 图。从图中可以看出,存在圆形封闭外边界情形的流动阶段表现为一个晚期的拟 稳态流动阶段,其渗流特征为压力与压力导数曲线迅速上翘,且压力导数曲线为 斜率为.的直线段,而到边界的距离主要影响径向流动阶段的结束时间。外边 界距离尺。越大,径向流动阶段的结束时间越晚;反之外边界距离尺。越小,径 向流动阶段的结束时间就越早,如果尺。足够小,则径向流动阶段就可能观测不 到。 图表皮系数对圆形封闭边界考虑水封气影响的井底压力响应的影响 成都理工大学硕士学位论文 图.是表皮系数对考虑水封气影响的气井井底压力动态的影响关系图。 从图中可以看出,表皮系数对曲线形态的影响主要反映在由纯井筒储存阶段向 内区径向流动阶段的过渡阶段,表皮系数越大,过渡流段峰值越高,表示井所 受的污染越严重,反之表皮系数越小,过渡段的驼峰越低,污染越小。 图井筒储集系数对圆形封闭边界考虑水封气影响的井底压力响应的影响 图.是井筒储存系数对考虑水封气影响的气井井底压力动态的影响关 系图。从图中可以看出,井筒储存系数对曲线形态的影响主要反映在早期纯 井筒储集阶段,主要表现在井筒储存系数越大,早期纯井筒储集阶段持续的 时间越长,过渡流动阶段出现越晚,如果井筒储存系数足够大,则井筒储集效应 可能掩盖中期径向流动阶段;反之井筒储存系数越小,早期纯井筒储集阶段 持续的时间越短,过渡流动阶段出现越早。 ..考虑气水复合渗流的试井识别方法 在封闭的构造圈闭中,气藏附近常常存在天然水层,生产过程中,随着气藏 压力的下降,水体逐渐向气区推进,因此在实际的试井解释分析中,常用复合地 层试井模型和线性不连续边界试井模型来研究天然水侵边界。为此可以通过建立 试井复合渗流数学模型,解释试井气藏边界反映识别水侵。 物理模型及基本假设 如图所示,复合气藏存在两个渗流区域,井底附近的一个区域即内区 为气区,其半径为,地层及流体物性参数为。、唬、/。、。,远井区即外区 为水区是半径为%的圆形无界和有界渗流区,地层及流体物性参数为,、办、第章气藏水侵早期识别方法研究 、:。气水边界半径为,内区压力用。表示,外区用压力:表示。 基本假设条件: ?内区和外区分别是单相弱可压缩的气和水渗流; ?地层水平、均质、等厚、各向同性; ?气井以恒定产量投产,开井前地层各处压力相等且为,; ?考虑井筒储存和表皮效应; ?内外区的流动均服从达西定律; ?两相渗流区界面上不存在附加压降; ?忽略重力影响。 渗流数学模型及求解 由上述物理模型及假设条件,则渗流数学模型可表示为以下形 式: 渗流微分方程: 内区 . 等百警 . 躯 ,% 可瓦瓦鲁 %初始条件: . 厂,, 内边界条件: 表皮效应 . 毗斗。一割州 井筒储集效应 ? %等一卜锐?成都理工大学硕士学位论文 外边界条件:厂专,无限大边界 . 定压边界 , . 由,封闭边界 在气水边界交接面,即尺处: . 界面流速相等: 。 。 等%如去等%如 % 朋% . 界面压力相等: 少归,尺归, .加/,,.一,,、.定义无因次量: ’ 。瓦丽而 ..一.、 。两石万丽 ?订 曲? ?.??? ?二 ., 丽意扣 妒‖气 ,. 仍: 厂 一’ 田:生, 。 ~ , ~ / 流度比: / 弹性储能系数: %鲁 对上述数学模型,作?的拉普拉斯变换,拉普拉斯空间中的数学模 型 歹 . .???二?二 :监 . 饧 研. 上?????? :鱼旦堕 一? 乞 白 卦 ? 归,尺归, 第章气藏水侵早期识别方法研究 等,去等, . 一?,无限大边界 ? 田,定压边界 . 罢生厂田,:封闭边界 协 三 呖帕一卜等 歹帕:歹。。一孥 ?,: 式.和式的通解分别为: ? ,他‰?肷‰ . 脒%?允 根据外边界条件可以得到: . 其中: 口无限大边界 口:???? 万定压边界 』% 口:茎堑磐封闭边界 五万/ 根据气水界面上压力连续方程式?,可以得到以下方程: ? 以。%厄。‰;。‰?万。临‖云 根据气水界面上渗流速度相等方程式?,可以得到以下方程: . 御场厄一。%压?万/。:缸。场压一场压 由式.和式.联合得到: 式中:口:堕坠生尘些鱼善;:錾竺』堑丝?茎鱼髦 ? ~厶饧? ,.,? 将式代入内边界式.和式.,经过简单化简,得到 , 卜。锻‖%,等,?成都理工大学硕士学位论文 . 一 艿:????????一 式中:‖/。?习石;正。压一。正 拉普拉斯空间上的井底压力: . ’ 瓦:一旦些?????。二??一 对式?进行数值反演,可以得到井底压力。与无量纲组合时 间的数值关系,绘制出气水复合渗流试井的典型曲线图。 考虑气水复合渗流的气井渗流特征及影响因素分析 图.给出了圆形封闭边界气藏气水复合渗流的双对数压力响应和压力导 数曲线,从双对数曲线中可以发现气井渗流存在六个流动阶段,其中比圆形封闭 边界考虑水封气影响气井的双对数压力响应和压力导数曲线多了两个流动阶段: 一个是内区向外区流动的过渡阶段,另一个是外区径向流动阶段,这两个流动阶 段受外区与内区流体物性及储集空间变化的影响。 图.圆形封闭边界气藏气水复合渗流的双对数曲线 图?是弹性储能系数对井底压力动态的影响关系图。从图中可以看出, 弹性储能系数主要影响水区边界影响阶段;对于天然水侵边界,由于水的粘度比 气的粘度大得多,远井区水区的流度:/“:明显小于近井区气区的流度 。/%,弹性储能系数唬:也小于办。,说明内区物性比外区物性好,由内区 和外区共同作用的径向流动阶段的压力导数曲线位于外区径向流动导数曲线的第章气藏水侵早期识别方法研究 上方。弹性储能系数:越大,外区径向流动阶段持续时间越长,外区边界影响 阶段出现时间越晚;反之弹性储能系数:越小,外区径向流动阶段持续时间越 短,水区边界影响阶段出现时间越早。 图弹性储能系数对圆形边界气藏气水复合渗流井底压力响应的影响 图流度比对圆形边界气藏气水复合渗流井底压力响应的影响 图.是流度比对井底压力动态的影响关系图。从图中可以看出,流度比 主要影响从外区径向流动阶段和外区边界影响阶段,其值为.:/。流度比。: 越大,外区径向流的压力导数曲线的台阶越高,持续的时间就越短,外区边界影 响阶段出项越早;反之,外区径向流的压力导数曲线的台阶越低,持续的时间就 越长,外区边界影响阶段出项越晚。 成都理工大学硕士学位论文 图.内区半径尺舯对圆形边界气藏气水复合渗流井底压力响应的影响 图.是内区半径尺对圆形边界气藏气水复合渗流气井井底压力动态的 影响关系图。从图中可以看出,内区半径尺主要影响内区向外区过渡流动段及 外区径向流动段。内区半径仍越大,内区向外区过渡流动段及外区径向流动段 出现时间越早,外区径向流动段越短;反之内区半径,越小,内区向外区过渡 流动段及外区径向流动段出现时间越晚,外区径向流动段越长。 在气井开采过程中,储层中的压力场发生变化,流体在储层中的分布特征也 会发生变化,水体边缘逐渐向井靠近,内区半径尺仍越来越小,内区边界反应时 间提前,导数曲线内区向外区流动过渡段逐渐左移,而径向流直线段段变短,甚 至被反映内区边界特征段所掩盖。根据内区边界反映段在导数曲线上的位置,通 过试井分析方法可以计算出水侵前缘到井的距离。由于水侵前缘在气井开采过程 中不断变化,通过试井分析方法计算得到同一气井不同时期的边界距离也各不相 同。不同时期进行试井追踪对比分析可以判断气藏水侵的强弱和快慢。 ..考虑相分离的试井识别方法 气体的物理性质与液体存在很大差异,不仅压缩性强,而且粘度小、流速高, 气液分相明显。气井生产过程中,由于气体的高速流动,气流将携带大量的液体, 这部分液体一般以微滴形式分散到气体之中。当关井进行压力恢复过程中,气体 将停止流动,井筒中的液体由于重力分异作用而沉入井底,出项气液两相分离的 现象‘:。气液两相分离现象在试井曲线上的主要反映特征,就是驼峰的出现,第章气藏水侵早期识别方法研究 因此可以通过试井曲线驼峰来识别水侵。 等人研究井筒相分离问题时认为井筒相分离问题就是变井筒储集效 应,可以通过叠加相分离再分布压差函数来修正井底压力,并提出了一个描述压 力不稳定试井过程时,井筒中相分离所产生附加压力的指数函数形式的关系式。 ?一一幻/肋 热驴志 ? ? ~一百丽而 胪麓 在目前的研究理论中,提出的指数函数关系式和提出的误差 函数关系式在实验室研究资料和现场实测资料比较吻合,所以采 用提出的 指数函关系式和提出的误差函数关系式较为常见。 渗流数学模型及求解 由质量守恒定律、状态方程、运动方程等可推导出考虑相分离影 响的均质气 藏不稳定试井解释模型: 鱼堕牟一监:监 , %等一等等卜? 。。。 一卜乱 .一. : 忍,模型 ?一一幻肋 对上述模型方程组进行拉氏变换,整理得: