水淹衰竭型地下儲氣庫的達容規律及影響因素

摘 要

1 概況利用廢棄油氣藏改建地下儲氣庫是國內外地下儲氣庫建設的主要類型，在國內已建的地下儲氣庫中由水淹氣藏改建地下儲氣庫又是普遍現象。目前我國建成投產的用于商業性調峰
1 概況
利用廢棄油氣藏改建地下儲氣庫是國內外地下儲氣庫建設的主要類型，在國內已建的地下儲氣庫中由水淹氣藏改建地下儲氣庫又是普遍現象。目前我國建成投產的用于商業性調峰的地下儲氣庫主要是大港地下儲氣庫群，共有6座，均為砂巖孔隙型，其分布如圖1所示。除大張坨地下儲氣庫外，其余5座地下儲氣庫均由水淹衰竭氣藏改建而成。
 
 
    目前國內對地下儲氣庫庫容的研究多集中于最大庫容量值的確定方法陋引。地下儲氣庫設計的庫容量是一個最大靜態值，也是需要多個注采運行周期才能逐漸達到的目標最大值。因地質結構的復雜性、氣藏內部流體的混雜性以及地下儲氣庫生產運行方式等方面的原因，地下儲氣庫達到設計庫容是一個長期、復雜的動態變化過程，業內稱為“達容”過程。對于水淹教竭氣藏改建的地下儲氣庫其庫容動態變化過程中體現的驅水達容規律，是研究地下儲氣庫達到設計庫容時間以及最終能達到庫容量的重要依據，而目前國內尚無進行此項理論研究的報道，更缺少相應的實例研究。為此，以含水巖心氣驅擴容室內實驗為基礎，以大港儲氣庫群達容實例為依據，系統闡述了水淹衰竭氣藏改建地下儲氣庫的達容規律及其影響因素。
2含水巖心氣驅擴容物理模擬實驗研究
    選擇已建地下儲氣庫代表性的巖心，進行地下儲氣庫的注采機理物理模擬實驗研究，測試在不同實驗條件、不同注采周期下地下儲氣庫巖心注氣量、采氣量及產液量隨時間的變化規律。研究水淹型地下儲氣庫在多次循環注氣、采氣過程中氣、液間的相互作用、氣液滲流特征、采出程度及其對儲采氣能力的影響，為衰竭氣藏改建儲氣庫的達容變化規律提供實驗依據。
2．1 實驗過程
    1)建立4塊巖心的原始含水氣藏模型，其中1-1、1—2號為低孔低滲巖心，2-1、2—2號為中高孔中高滲巖心。
    2)針對4塊巖心分別進行了較低采氣速度下的3次采氣和2次注氣循環實驗，模擬地下儲氣庫低速注氣驅水的3次過程。
    3)對低孑L低滲的巖心1 2和中孔中滲巖心2-2分別進行了較高采氣速度下的4次采氣和3次注氣循環實驗，模擬地下儲氣庫高速注氣驅水的4次過程。
    4)4塊巖心的試驗壓力介于35～10 MPa，相當于地下儲氣庫原始壓力的l00 0 0～29％。
2．2 實驗結果
    實驗結果得出的地下儲氣庫巖心注氣驅水擴容變化曲線如圖2所示。
    1)氣驅水效率與巖石的致密性有關：中高孔中高滲巖心的氣體驅水效率明顯高于低孔低滲巖心，第l次氣驅水效率可以達到34％～40％，經過3～4次的驅替，氣驅水效率可以達到36％～46％。
    2)氣驅水效率與驅替速度有關：低速注氣驅水擴容效率大于高速注氣驅水擴容效率，中高孔中高滲巖心擴容效率差異較大，可達4％，低孔低滲巖心達2％。
    3)氣驅水效率與驅替次數有關：隨驅替次數的增加，巖心每次采氣的產水量逐漸減少，巖心增容能力逐漸減弱并趨于最大值，中高孔中高滲巖心的氣體驅水最高效率可達46％，低孔低滲巖心氣體驅水最高效率可達36％。
2．3實驗規律
    實驗結果揭示：地下儲氣庫內的含水區可以實現較高的氣體驅替，4塊巖心的氣驅試驗壓力降落區間為地下儲氣庫原始壓力的100％～29％時，第l次氣體驅替效率可達到34％～40％，第2、3次累加氣驅效率可達36％～46％；地下儲氣庫實際注采生產過程中隨多周期的注采驅替，氣驅水達容效率是逐步增加的過程，或者說若要實現地下儲氣庫較高的氣體驅替效率，則需要多年的注采周期。
3 已建水淹衰竭型地下儲氣庫的庫容
變化規律
    5座水淹衰竭氣藏地下儲氣庫都是由帶邊水的衰竭開發至廢棄的凝析氣藏改建而成，盡管注采周期不同，但都體現了相同的庫容變化規律。各地下儲氣庫
注采時的庫容變化曲線如圖3～7所示。
 
 
 
1)地下儲氣庫庫容量呈現逐漸增加的趨勢，并最終趨于最大庫容量。以注氣期結束時的庫容量為地下儲氣庫的當期庫容量，采氣期結束時的庫容量為地下儲氣庫的當期墊氣量，庫容量與墊氣量之差即為當期工作氣量(采氣量)。從地下儲氣庫的實際庫容量變化曲線看(圖3～7)，隨著地下儲氣庫注采周期的增加，庫容曲線普遍右移，地下儲氣庫庫容明顯增大，而且注采周期越多，庫容增加愈多。板876地下儲氣庫運行5～8個注采周期時，庫容變化曲線基本重疊，表明地下儲氣庫已達到最大庫容量。由此也說明地下儲氣庫達容是一個長期的過程。從已建地下儲氣庫的達容特征看，水淹型地下儲氣庫的達容周期超過5年。
 
2)地下儲氣庫投產初期庫容增速快，后期增速變緩。從地下儲氣庫庫容增量與注采周期關系曲線看(圖8)，盡管地下儲氣庫不同、注采周期不同，但基本遵循了早期擴容多、后期擴容少、庫容逐漸增加的規律。水淹衰竭型氣藏改建地下儲氣庫后，第1注采周期由于地層壓力低，地下儲氣庫虧空大，注入氣以彌補空余的孑L隙空間為主，庫容增加快。一旦第1注采周期補虧庫容之后，隨著地下墊氣量增多和地層壓力水平的提高，第2注采周期達容主要體現在以氣驅水置換水體孔隙空間為主，驅水擴容成為主要增容方式，增容難度增大，增容幅度變小。同時此階段也真實反映了地下儲氣庫地層水體對庫容的影響效果。
 
    盡管地下儲氣庫的達容過程具有前快后慢的特點，但地下儲氣庫從第2注采周期開始，單位壓力下庫容的變化量即彈性庫容率卻基本維持在一個穩定值，盡管不同地下儲氣庫的該數值不同，但同一地下儲氣庫彈性庫容率基本穩定的規律相同。地下儲氣庫單位壓力庫容變化曲線圖9所示。同理，在圖3～7中每個地下儲氣庫不同注采周期的曲線斜率也基本相同，反映每一個地下儲氣庫在壓力運行區間內單位壓力變化所波及的有效孔隙空間容積基本不變。由此推測，實際上地下儲氣庫內的氣水與地下儲氣庫外部的弱水體總體上組成了同一氣水系統，類似于定容氣水系統的特征。以板876地下儲氣庫為例，在地下儲氣庫生產運行的8個注采周期中，除第5注采周期生產管理因素外，其余各注采周期的彈性庫容率基本相同，無論庫容增速快慢或庫容量大小變化，但彈性庫容率卻基本不變。但板中北地下儲氣庫卻是個特例，其具有較強的邊部水體，在地下儲氣庫生產運行的7個注采周期中，隨著注采周期增加庫容量逐漸增大，同期彈性庫容率也逐漸增大，反映了強邊水地下儲氣庫的庫容率變化規律。
 3)地下儲氣庫的墊氣量與工作氣量系，但增長不同步。地下儲氣庫的每一注量都在增加，由于儲層物性的非均質性及地下儲氣庫內侵入水體的存在，導致水淹型地下儲氣庫注氣階段會有一部分氣體向邊部水體突進，在采氣階段由于水的阻隔作用，造成部分氣體成為死氣區無法采出，顯示為盡管地下的存氣量不斷增加，庫容量不斷增加，但工作氣量卻比庫容增加得緩慢(圖10、11） 
 
 
 
4影響地下儲氣庫達容的主要因素
    目前，大港水淹衰竭型氣藏改建的地下儲氣庫經過5～8個注采周期的運行，庫容達容率為70％～90％，影響水淹衰竭型地下儲氣庫達容的主要因素有以下5點：
4．1 地下儲氣庫構造特征對達容的影響
    地下儲氣庫的構造特征影響著達容的速度。對于完整的背斜或單斜構造型地下儲氣庫，邊部水體在建庫前的氣藏開采階段，由低向高的水侵結果通常使低部位含水多高部位含水少，流體分布遵循上輕下重的重力分異規律。當地下儲氣庫采取由高向低的注氣驅水達容方案時，這種規律性表現得更突出，這是由實踐證實的普遍性規律。板中北高點地下儲氣庫7個注采周期后的流體分布狀態如圖l2所示。對于內部存在較多斷層的破碎型地下儲氣庫，由于斷層的阻隔作用，只能形成局部性的小單元注氣驅水達容過程，通常由于范圍小、井數少，無法實現高部位注氣向低部位驅水的理想過程，造成小單元內氣水分布混雜、驅水達容效果差，進而影響到整個地下儲氣庫驅水達容的效果。如板中南地下儲氣庫整體形態為一背斜構造(見圖12)，但由于內部發育有5條小斷層，造成多個小單元自成系統，難以實現完善的氣體驅水注采關系，影響了達容效率，延長了達容時問。板中南地下儲氣庫5個注采周期后的流體分布狀態如圖l2所示。
4．2地下儲氣庫儲層物性對達容的影響
    儲層物性的好壞和非均質性的強弱直接影響著地下儲氣庫的達容效果。由于水淹衰竭型氣藏改建的地F儲氣庫實現庫容主要依靠注氣驅水擴容，因此儲層物性較好的地下儲氣庫注氣驅水速度快、效果好，而儲層物性較差的地下儲氣庫注氣驅水速度慢、效果差，這已為室內巖心實驗和開采實踐所證實。
    儲層非均質性強弱對地下儲氣庫驅水擴容效率的影響較大，在注氣和采氣過程中，儲層高滲透帶氣驅水速度快，低滲透帶氣驅水速度慢，非均質性強弱造成氣水移動界面不會呈活塞式移動，而是出現舌進、指進等現象。其中板中南高點地下儲氣庫除內部斷層影響外，儲層非均質性強也是造成達容效果差的重要原因。
4．3地下儲氣庫注采能力對達容的影響
    水淹衰竭型氣藏改建的地下儲氣庫，改建地下儲氣庫前的氣藏內部均有不同程度的水淹，且通常氣水分布復雜，往往出現新鉆井井底氣水混雜分布的現象，導致地下儲氣庫井開始生產就見水。氣井含水降低了氣井的產能，進而降低了地下儲氣庫的采氣量；同時氣井井底地層含水，增大了地層流體的滲流阻力，影響了累計注氣量。地層含水對氣井注氣、采氣能力的雙向影響，降低了地下儲氣庫每個生產周期的注氣量與采氣量，致使氣驅水達容速度降低。
4．4地下儲氣庫地層水體對達容的影響
    水體對地下儲氣庫達容的影響主要表現在以下3個方面：①地下儲氣庫的快速采氣生產導致邊水侵入地下儲氣庫內部，邊部水體能量愈強則侵入地下儲氣庫的程度越強，而退出地下儲氣庫的程度越弱，達容難度越大；②地下儲氣庫內存在的水體(尤其是井底附近的水體)封堵了氣體滲流通道，降低了注入氣的滲流能力和散布范圍，使注氣井少量注氣就會造成井區壓力快速升高，迅速達到地下儲氣庫上限壓力，使得注氣過程被迫停止，降低注氣量，導致井區壓力達到地下儲氣庫上限壓力，但整個地下儲氣庫實際的平均地層壓力明顯小于設計的運行上限壓力；③水體的影響導致氣井含水后出現高壓停采，使得地下儲氣庫運行的下限壓力高于設計的下限壓力，縮小了地下儲氣庫運行的真實運行區間，嚴重影響了地下儲氣庫的達容速度和工作氣量。
4．5 地下儲氣庫擴容方式對達容的影響
    地下儲氣庫達容的途徑有2種：①注入氣驅替庫內水體外移實現驅液達容；②通過氣井采液來增加庫容。從地下儲氣庫實際生產效果分析，水淹衰竭型氣藏改建地下儲氣庫的達容規律以驅液達容為主、采液達容為輔。板876地下儲氣庫運行8個注采周期驅液和采液增加的庫容量數值如表1所示。
表1 板876地下儲氣庫不同注采周期庫容量的變化情況表
 
    板876地下儲氣庫庫容量從投產運行前的1.530×108 m3上升到第8注采周期的4.005×108 m3，累計增加了2.475×108 m3，其中驅替累計增加2.385×108 m3，占總庫容增量的96.36%，采液累計增加0.090×108 m3，占總庫容增量的3．64％。可見水淹衰竭型地下儲氣庫庫容的增加量以注氣驅替水體為主，氣井采液增加的庫容量比例較小。其他水淹衰竭型氣藏改建地下儲氣庫的達容規律也基本相同。
5 結論
    大港地下儲氣庫是國內最早一批建成投產的地下儲氣庫，其庫容的變化規律及其影響因素對目前國內正在建設或待建的地下儲氣庫有著重要的借鑒意義。地下儲氣庫的注采機理物理模擬實驗研究規律表明：地下儲氣庫內的含水區可以實現較高的氣體驅替，但氣驅水達容效率是逐步增加的過程，需要多年的注采周期才能實現。以大港水淹型地下儲氣庫為例，總結了地下儲氣庫擴容規律及影響庫容的主要因素：
    1)地下儲氣庫庫容量呈現逐漸增加的趨勢，并最終趨于最大庫容量。
    2)地下儲氣庫投產初期庫容增速快，后期增速變緩。
    3)地下儲氣庫地下墊氣量與工作氣量呈正增長關系，但增長不同步。
    4)影響地下儲氣庫達容的主要因素包括：構造特征、儲層物性、注采能力、水體分布以及擴容方式。
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