摘  要  水驅(qū)砂巖氣藏型地下儲(chǔ)氣庫(kù)的滲流機(jī)理具有特殊性及復(fù)雜性，并客觀上決定了地下儲(chǔ)氣庫(kù)多周期運(yùn)行的注采效果。為此，針對(duì)其儲(chǔ)層特征，開展了多輪次氣、水互驅(qū)物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究了儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層氣、水二相滲流特征，分析了儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層孔隙空間可利用率的變化規(guī)律，并揭示了該類儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)及運(yùn)行的主要影響因素。研究表明：①該類儲(chǔ)氣庫(kù)經(jīng)長(zhǎng)期注采運(yùn)行，水相滲流能力相應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致邊水運(yùn)移越發(fā)活躍，儲(chǔ)層孔隙空間出現(xiàn)大量殘余氣、束縛水，氣相滲流阻力相應(yīng)增加，氣庫(kù)擴(kuò)容及注采效果受到影響；②儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行中邊水往復(fù)運(yùn)移造成儲(chǔ)層空間形成大量死氣區(qū)，導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙空間利用效果變差，庫(kù)容可利用率降低，儲(chǔ)層孔隙空間可利用率介于40％～70％；③該類儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)及運(yùn)行過程中應(yīng)重視儲(chǔ)層含水量的變化，并采取相應(yīng)措施以降低水侵對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行效果的影響。

關(guān)鍵詞  水驅(qū)砂巖氣藏  地下儲(chǔ)氣庫(kù)  滲流機(jī)理  注采循環(huán)  儲(chǔ)層孔隙空間可利用率  氣、水互驅(qū)物理模擬

水驅(qū)砂巖氣藏內(nèi)部及周邊存在一定規(guī)模的邊、底水，因此，在水驅(qū)砂巖氣藏型地下儲(chǔ)氣庫(kù)的設(shè)計(jì)中，充分認(rèn)識(shí)氣庫(kù)建設(shè)及運(yùn)行中的氣、水二相滲流機(jī)理是很重要的^[1]。氣庫(kù)運(yùn)行中邊水侵入儲(chǔ)層可造成儲(chǔ)層傷害，導(dǎo)致注氣損失、庫(kù)容動(dòng)用效果變差等，致使氣庫(kù)運(yùn)行指標(biāo)難以預(yù)測(cè)^[2-6]。由于水驅(qū)砂巖氣藏型儲(chǔ)層巖石的親水性，多周期運(yùn)行過后孔隙喉道壁面易形成水膜，造成氣相滲流阻力，影響氣庫(kù)擴(kuò)容及注采能力^[7-17]。

根據(jù)水驅(qū)砂巖氣藏型地下儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層及運(yùn)行特征，設(shè)計(jì)了氣、水互驅(qū)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展多輪次氣、水互驅(qū)實(shí)驗(yàn)，針對(duì)水驅(qū)砂巖氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行過程中氣、水二相滲流機(jī)理及庫(kù)容可動(dòng)空間變化特征，分析了氣庫(kù)儲(chǔ)層孔隙空間可利用程度變化規(guī)律，并揭示了該類儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)及運(yùn)行的主要影響因素。

1氣、水互驅(qū)物理模擬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)水驅(qū)砂巖氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)及運(yùn)行特征，設(shè)計(jì)了室內(nèi)氣、水互驅(qū)物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)。

1．1實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品選取某水驅(qū)砂巖氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層巖心，代表地下儲(chǔ)氣庫(kù)高、中、低各類滲透率級(jí)別的儲(chǔ)層，樣品基礎(chǔ)參數(shù)見表l。

1．2氣、水互驅(qū)實(shí)驗(yàn)流程

高、中、低滲透率的小巖心樣品分別連續(xù)完成3組氣、水互驅(qū)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)過程中記錄時(shí)間、流量、壓力，并繪制氣、水相對(duì)滲透率與含水飽和度的關(guān)系曲線。具體實(shí)驗(yàn)流程如下：

1)用模擬地層水飽和巖心樣品。

2)氣驅(qū)水，記錄各時(shí)間點(diǎn)氣、水流量及壓力等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制氣、水相對(duì)滲透率曲線，氣驅(qū)結(jié)束計(jì)算束縛水飽和度及束縛水下氣相相對(duì)滲透率。

3)水驅(qū)氣，記錄各流量及壓力等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，水驅(qū)結(jié)束后記錄殘余氣飽和度及殘余氣下水相相對(duì)滲透率。

4)如此往復(fù)3次，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后稱取巖心質(zhì)量以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)精度。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

針對(duì)各類儲(chǔ)層巖心的3輪氣、水互驅(qū)結(jié)果(表2)，分析水驅(qū)砂巖氣藏型儲(chǔ)層氣、水二相的滲流特征及兩相流動(dòng)區(qū)間的變化規(guī)律。

2．1氣、水二相滲流特征

圖2為3輪氣、水互驅(qū)相對(duì)滲透率曲線的對(duì)比效果圖。

隨著氣、水互驅(qū)輪次的增加，氣、水兩相區(qū)間收窄，氣相滲流等滲點(diǎn)下移。表明氣庫(kù)經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行，儲(chǔ)層受邊水運(yùn)移影響孔隙空間可利用程度逐步降低，氣相滲流阻力逐步增加，影響氣庫(kù)擴(kuò)容及注采效果。

對(duì)比各輪氣、水互驅(qū)結(jié)束的束縛水、殘余氣飽和度。隨著氣、水互驅(qū)輪次的增加，儲(chǔ)層束縛水飽和度及殘余氣飽和度相應(yīng)增加。其中，由于低滲透率層孔喉發(fā)育差，氣驅(qū)水效果較差，孔隙水動(dòng)用效果不佳，導(dǎo)致束縛水飽和度較高；而高滲透率層孔喉發(fā)育均質(zhì)性較差，水驅(qū)氣過程中容易產(chǎn)生繞流封閉氣，儲(chǔ)層空間出現(xiàn)大量死氣區(qū)致使殘余氣飽和度較高。

2．2儲(chǔ)層孔隙空間可利用率

為描述水驅(qū)砂巖氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層孔隙空間的動(dòng)用效果，提出孔隙空間可利用率的概念，用來表示氣庫(kù)運(yùn)行中儲(chǔ)層孔隙空間的可動(dòng)用程度，下面給出具體算法：

式中S_wc為束縛水飽和度；S_gc為殘余氣飽和度。

利用各輪氣、水互驅(qū)的束縛水、殘余氣飽和度，計(jì)算各類儲(chǔ)層巖心孔隙空間可利用率，結(jié)果見圖3。經(jīng)3輪氣、水互驅(qū)，各類儲(chǔ)層孔隙空間可利用率的差距較為明顯，高、中、低滲率層孔隙空間可利用率分別為46.5％、56.0％、74.0％，并且隨著氣、水互驅(qū)輪次的增加，儲(chǔ)層孔隙空間可利用率表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。其中低滲透率層孔隙空間可利用率下降幅度較大，表明由于孔喉發(fā)育較差，低滲透率儲(chǔ)層孔隙空間動(dòng)用能力受水驅(qū)效果影響更加明顯。

3水驅(qū)砂巖氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行影響因素

水驅(qū)砂巖氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行過程中，隨著采氣循環(huán)，庫(kù)內(nèi)壓力迅速下降，為緩沖庫(kù)內(nèi)壓力變化，邊水侵入儲(chǔ)層孔隙空間，由于高滲透率儲(chǔ)層孔喉發(fā)育非均質(zhì)性較強(qiáng)，邊水選擇優(yōu)勢(shì)通道流動(dòng)，而臨近較細(xì)孔喉空間無(wú)法有效動(dòng)用，形成大量封閉氣死空間，導(dǎo)致殘余氣飽和度較高，儲(chǔ)層孔隙空間可利用率較低，影響庫(kù)容可動(dòng)用率。

地下儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行過程屬于高速注采過程，在細(xì)孔喉的減切作用下，孔隙空間出現(xiàn)氣、水互鎖現(xiàn)象。水驅(qū)砂巖氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行，儲(chǔ)層孔隙空間氣、水二相分布趨于復(fù)雜，出現(xiàn)大量殘余氣及束縛水，氣庫(kù)擴(kuò)容及注采能力受到影響。因此，針對(duì)水驅(qū)砂巖氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)及運(yùn)行，要特別重視儲(chǔ)層含水狀況，將邊水運(yùn)移控制在一定范圍之內(nèi)，以降低氣庫(kù)運(yùn)行中的水侵傷害。

4  結(jié)論

1)自主設(shè)計(jì)研發(fā)了水驅(qū)砂巖氣藏型地下儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并通過氣、水互驅(qū)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步揭示了氣庫(kù)運(yùn)行氣、水二相滲流規(guī)律。

2)水驅(qū)砂巖氣藏型地下儲(chǔ)氣庫(kù)經(jīng)長(zhǎng)期注采運(yùn)行，水相滲流能力相應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致邊水運(yùn)移越發(fā)活躍，儲(chǔ)層孔隙空間出現(xiàn)大量殘余氣、束縛水，氣相滲流阻力相應(yīng)增加，氣庫(kù)擴(kuò)容及注采效果受到影響。

3)由于氣庫(kù)運(yùn)行中邊水往復(fù)運(yùn)移造成了儲(chǔ)層傷害，導(dǎo)致庫(kù)容可動(dòng)用率降低，儲(chǔ)層孔隙空間可利用率介于40％～70％。儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)重視儲(chǔ)層含水的變化，采取措施以降低水侵對(duì)氣庫(kù)運(yùn)行效果的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 王皆明，郭平，姜鳳光．含水層儲(chǔ)氣庫(kù)氣驅(qū)多相滲流機(jī)理物理模擬研究[J]．天然氣地球科學(xué)，2006，17(4)：597-600.

[2] WOOD D J，LAKE L W，JOHNS R T，et al．A screening model for C0₂ flooding and storage in gulf coast reservoirs based on dimensionless groups[J]．SPE Reservoir Evaluation & Engineering，2008，11(3)：513-520．

[3] COSTA A．Permeability-porosity relationship：a reexamination of the Kozeny-Carman equation based on a fractal pore-space geometry assumption[J]．Geophysical Research Letters，2006，33：L02318，5PP．

[4] WITHERSPOON P A，NEUMAN S P．Evaluating a slightly permeable caprock in aquifer gas storage：1. Caprock of infinite thickness[J]．Journal of Petroleum Technology，1967，19(7)：949-955．

[5] ARNS C H，BAUGET F，LIMAYE A，et al．Pore-scale characterization of carbonates using X-Ray microtomography[J]．SPE Journal，2005，10(4)：475-484．

[6] 王皆明，姜風(fēng)光．地下儲(chǔ)氣庫(kù)注采動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型[J]．天然氣工業(yè)，2009，29(2)：108-110．

[7] XU Peng，YU Boming．Developing a new form of permeability and Kozeny-Carman constant for homogeneous porous media by means of fractal geometry[J]．Advances in

  Water Resources，2008，31(1)：74-81．

[8] RIOS R B，BASTOS-NETO M，AMORA JR M R，et al． Experimental analysis of the efficiency on charge／discharge cycles in natural gas storage by adsorption[J]．Fuel，2011，90(1)：113-119．

[9] 李明誠(chéng)，李偉，蔡峰，等．油氣成藏保存條件的綜合研究[J]．石油學(xué)報(bào)，1997，18(2)：41-48．

[10] BEN Teng ，PEI Cuiying，ZHANG Daliang，et al．Gas storage in porous aromatic frameworks[J]．Energy and Environmental Science，2011，4(10)：3991-3999．

[11] 陳祖安，伍向陽(yáng)，孫德明，等．砂巖滲透率隨靜壓力變化的關(guān)系研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1995，14(2)：155-159．

[12] SHIN C H，LEE J H．A numerical study on the compositional variation and the validity of conversion of a gas condensate reservoir into underground storage[J]．Energy Sources，Part A：Recovery，Utilization，and Environmental Effects，2011，33(20)：1921-1932．

[13] 羅群，孫宏智．?dāng)嗔鸦顒?dòng)與油氣藏保存關(guān)系研究[J]．石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2000，22(3)：225-231．

[14] 張守良，沈琛，鄧金根．巖石變形及破壞中滲透率變化規(guī)律的試驗(yàn)研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19(增刊)：885-888．

[15] YU B M．Analysis of flow in fractal porous media[J]．Applied Mechanics Review，2008，61(4)：50-80．

[16] 賀玉龍，楊立中．圍壓升降過程中巖體滲透率變化特性的試驗(yàn)研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(3)：415-419．

[17] WANG Z，HOLDITCH S A．A comprehensive parametric simulation study of the mechanisms of a gas storage aquifer[J]．Society of Petroleum Engineers，2005(6)：1-8．

本文作者：石磊   廖廣志  熊偉   高樹生   耿彤

作者單位：中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院  中國(guó)石油勘探與生產(chǎn)分公司  中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所  中國(guó)石油華北油田公司采油工藝研究院