摘要：低滲透氣藏近井區(qū)地層水蒸發(fā)對氣體滲流會產(chǎn)生一定的影響。為此，研究了水相蒸發(fā)現(xiàn)象產(chǎn)生的機理和變化規(guī)律，分析了利用水相蒸發(fā)解除氣井水鎖效應的可行性。結(jié)果表明：氣井生產(chǎn)壓差和氣井產(chǎn)量是影響近井區(qū)水相蒸發(fā)的兩個主要因素，產(chǎn)量越高，生產(chǎn)壓差越大，水相蒸發(fā)的影響半徑越大；水相蒸發(fā)主要發(fā)生在距井筒5m的范圍內(nèi)；在低滲透氣藏氣井生產(chǎn)初期可以適當降低井底壓力，放大生產(chǎn)壓差，提高水相蒸發(fā)速率以快速解除水鎖效應，降低氣體滲流阻力。

關(guān)鍵詞：低滲透油氣藏；地層水；蒸發(fā)；含水飽和度；滲流

    在高溫、高壓的地層條件下氣藏氣態(tài)烴中會飽和有一定量的地層水，隨著壓力的降低或者溫度的升高地層水會迅速蒸發(fā)，引起氣態(tài)烴中飽和蒸汽量的增加^[1～3]。在無邊底水氣藏這種水相蒸發(fā)會引起地層含水飽和度降低，提高氣相相對滲透率，改善近井儲層的滲流能力。在鉆井、完井過程中外來水相流體侵入到儲層孔道后，會在近井區(qū)的孔道中形成水相堵塞，即水鎖效應^[4]。低滲透氣藏儲層由于孔隙小、吼道細，水鎖效應對低滲透氣藏儲層的損害更嚴重，對于地層水鹽分含量較低的儲層，合理利用近井區(qū)水相的蒸發(fā)作用，可以降低近井區(qū)含水飽和度，解除水鎖效應。因此，有必要研究水相蒸發(fā)現(xiàn)象產(chǎn)生的機理和變化規(guī)律及其對氣體滲流的影響。

    天然氣含水量可以通過1958年Mcketta-Wehe提出的天然氣含水量估算圖版獲得。在估算圖版中，壓力和溫度是影響天然氣含水量的主要因素，隨著溫度的降低氣體中含水量逐漸減小，隨著壓力的降低氣體含水量逐漸增加。圖1顯示，在不同溫度下天然氣中飽和蒸汽含量隨著壓力的降低而增加。尤其是在壓力低于5MPa時，天然氣中蒸汽含量急劇增加。目前主要通過圖板法估算天然氣中蒸汽的含量^[5]，然后根據(jù)天然氣中飽和蒸汽含量與壓力和溫度的關(guān)系進行回歸處理。在不同溫度下，天然氣飽和蒸汽含量與壓力滿足乘冪關(guān)系，即

   w=Ap^-B   (1)

    A、B為與溫度有關(guān)的系數(shù)，可通過回歸求得。

 

在氣井卸壓生產(chǎn)的過程中地層溫度基本恒定，影響天然氣中蒸汽含量變化的主要是壓力，當不考慮溫度的影響時，對式(1)求導得：

 

此時A、B在對應地層溫度下為定值。定義y=dw/dp為儲層中水相蒸發(fā)因子，則式(2)改寫為：

 

    式(3)表明水相蒸發(fā)因子與壓力成反比，負號表示水相蒸發(fā)因子隨著壓力的降低而增加。

    由于氣井開始生產(chǎn)后，地層壓力下降，水相開始蒸發(fā)，氣體中的含水量逐漸增加，在無邊底水的儲層中會造成地層含水飽和度的減小，因此有必要研究近井區(qū)含水飽和度的變化規(guī)律。

    ① 地層溫度恒定；②地層水中含鹽量低，不考慮鹽分沉積的影響；③氣體流動符合達西定律，氣井定產(chǎn)生產(chǎn)。

    選取地層r處的體積元△V為研究對象，圖2為體積元劃分示意圖。

 

    在圖2的體積元內(nèi)地層孔隙體積為：.

    △V=2πrhφdr    (4)

    由于水相蒸發(fā)造成儲層中地層水的體積減小量為：

    △V_w1=△VdS_w=2πrhφdrdS_w    (5)

    在dt時間內(nèi)由于水相蒸發(fā)造成氣體中蒸汽的增加量為：

孔隙中地層水減小的體積量，應該等于氣體中增加的蒸汽量，所以式(5)與式(6)相等，即

 

式(7)的右邊項可以改寫成：

 

在模型所示的穩(wěn)定流過程中，基于達西定律的氣井徑向壓力降為：

 

將式(9)帶入式(8)得：

 

將水相蒸發(fā)因子帶入式(10)后，可以改寫成：

 

對式(11)分離變量并進行積分得：

體積系數(shù)為：

 

將p_sc=0.101MPa，T_sc=293K和式(13)代入式(12)，并改為以SI制礦場實用單位表示時式(12)為：

 

   由于氣相對滲透率是含水飽和度的函數(shù)，因此需要將實驗獲得的氣相相對滲透率與含水飽和度的關(guān)系代入上式進行積分，即可得到水相蒸發(fā)作用引起的儲層含水飽和度變化計算公式。

    選取長慶氣田陜x井進行試算分析，該井氣層溫度為112℃，原始地層壓力為32.83MPa，黏度為0.021mPa·s，氣體偏差因子為0.93，儲層有效厚度為6m，原始含水飽和度為0.40，束縛水飽和度為0.24，滲透率為15×10^-3μm²，孔隙度為0.08。

    根據(jù)氣田實驗室測得的相對滲透率與含水飽和度關(guān)系為：

    ㏑K_rg=-0.53S_w+1.35    (15)

帶入式(11)進行積分得到：

 

    式(16)表明影響近井區(qū)含水飽和度變化的因素有徑向距離、生產(chǎn)時間和氣井產(chǎn)量。

    圖3為不同時間含水飽和度隨徑向距離的變化關(guān)系曲線(產(chǎn)量為5×10⁴m³/d)。顯示越靠近井筒水相蒸發(fā)越明顯，在近井區(qū)(距井筒的徑向距離小于5m)，儲層含水飽和度甚至可以降低到零，同時隨著生產(chǎn)時間的延長，發(fā)生水相蒸發(fā)區(qū)域逐漸向從井筒向地層擴展，但當r超過10m之后水相蒸發(fā)引起含水飽和度降低的作用迅速降低。

    圖4為不同產(chǎn)量下含水飽和度隨徑向距離變化(生產(chǎn)時間為75d)的曲線。顯示距井筒越近水相蒸發(fā)越明顯，隨著產(chǎn)量的增加水相蒸發(fā)的影響半徑逐漸從井筒向地層延伸，產(chǎn)量越高影響半徑越大。

 

   當含水飽和度降低到束縛水飽和度時，氣相滲透率達到最大。定義此時含水飽和度對應的徑向距離為臨界半徑，則隨著生產(chǎn)時間的延長和壓力的降低，臨界半徑由井筒附近逐漸向地層伸出推移，對應的臨界半徑推移計算公式為：

計算的臨界半徑隨時間推移曲線如圖5。表明生產(chǎn)時間越長臨界半徑越大，水相蒸發(fā)的影響范圍越深，但是當生產(chǎn)時間超過一定值后(120d)，臨界半徑趨于定值，水相蒸發(fā)作用逐漸變緩。

 

    由于水鎖效應主要發(fā)生在近井韻井壁1.2m的范圍內(nèi)^[6]，小于臨界半徑，因此通過水相蒸發(fā)降低近井區(qū)含水飽和度來解除水鎖是可行的。

    1) 無邊底水氣藏的儲層，近井區(qū)壓力的降低會引起地層中的水相蒸發(fā)，導致近井區(qū)含水飽和度減小。

    2) 生產(chǎn)時間和氣井產(chǎn)量是影響近井區(qū)水相蒸發(fā)的兩個主要因素，水相蒸發(fā)對儲層的影響范圍在距井筒5m的范圍內(nèi)，產(chǎn)量越高，生產(chǎn)時間越長，水相蒸發(fā)的作用半徑越大。

    3) 在低滲透氣藏氣井生產(chǎn)初期可以通過適當降低井底壓力，放大生產(chǎn)壓差，提高水相蒸發(fā)速率，快速消除水鎖效應，降低氣體滲流阻力。

    w為天然氣中飽和蒸汽含量，m³/m³；p為壓力，MPa；y為儲層中地層水相蒸發(fā)因子，m³/(m³·MPa)；r_w為井筒半徑，m；r_e為供給半徑，m；r為平面徑向距離，m；△V為體積元孔隙體積，m³；△V_wi為地層水的減小量，m³；△V_w2為氣體中的蒸汽增加量，m³；d_w為單位時間內(nèi)氣體中蒸汽含量變化量，m³/m³；S_w為含水飽和度；t為生產(chǎn)時間，d；q_g為地面標準條件下的產(chǎn)量，10⁴m³/d；h為儲層有效厚度，m；φ為有效孔隙度；B_g體積系數(shù)，m³/m³；μ_g為地層氣體黏度，mPa·s；K為絕對滲透率，10^-3μm²；K_rg為氣相相對滲透率；S_wi為初始含水飽和度；p_sc為地面標準壓力，MPa；Z為氣體偏差系數(shù)；T為地層溫度，K；p_R為地層壓力，MPa；T_sc為地面標準溫度，K；p_wf為井底壓力，MPa；p_c為供給邊界壓力，MPa；S_wc為束縛水飽和度；r_c為水相蒸發(fā)影響的臨界半徑，m。

[1] 樊建明，郭平，鄧壘，等.氣中水含量對氣藏流體相態(tài)與滲流的影響[J].西南石油大學學報：自然科學版，2008，30(1)：100-102.

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[3] ZULUAGA E，LAKE L W. Semianalytical model for water vaporization in gas producers [C]∥SPE Western Regional Meeting. California：SPE，2005.

[4] 賴南君，葉仲斌，劉向君，等.低滲透致密砂巖氣藏水鎖損害室內(nèi)研究[J].天然氣工業(yè)，2005，25(4)：125-127.

[5] 諸林，王兵.天然氣含水量的估算[J].天然氣工業(yè)，1995，15(6)：57-60.

[6] 李淑白，樊世忠，李茂成.水鎖損害定量預測研究[J].鉆井液與完井液，2002，19(5)：8-12.

 

(本文作者：尚希濤 何順利 李秀生 劉輝 胡景宏 中國石油大學石油工程教育部重點實驗室)