水驱气藏型储气库储集空间动用率实验评价

石磊邵龙义王皆明朱华银

1.中国矿业大学（北京）；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院；3. 中国石油天然气集团公司油气地下储库工程重点实验室

水驱气藏型储气库储集空间动用率实验评价

石磊1，2，3邵龙义1王皆明2，3朱华银2，3

1.中国矿业大学（北京）；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院；3. 中国石油天然气集团公司油气地下储库工程重点实验室

水驱气藏型储气库高速注采气运行过程中伴随水体往复运移，建库储层地质条件和水体渗流特征对储气库储集空间动用效率影响较大。针对国内典型水驱气藏储气库储层特征，开展周期注采模拟饱和度场、核磁共振分析等实验。将物理模拟结果与数值模拟相结合，通过多方案对比分析注采参数，并利用相似准则转换为矿场指标。研究结果表明：水驱气藏型储气库多周期注采运行过程中，出现部分储集空间未动用的现象，三维饱和度场和核磁特征谱表明气驱纯气带是提高空间动用的主力区，而气水过渡带是导致储气库空间动用效果变差的主要区域，排驱扩容、气水互锁作用效果与储气库的注采速度和储集空间物性分区密切相关；对于华北典型水驱气藏型储气库多周期注采运行而言，在注气速度为291×104m3/d、采气速度为533×104m3/d时，26%库容为无效库容。研究结果为水驱气藏改建储气库及优化注采运行提供参考。

水驱气藏型储气库；储集空间动用率；周期注采；饱和度场；核磁共振

我国大规模的天然气开发利用和天然气长输管道的兴建带动了地下储气库的需求和建设。我国商业性储气库建库较晚，已建储气库大部分为枯竭气藏型地下储气库［1-4］。枯竭气藏在改建储气库前经多年衰竭开采存在一定规模的边底水，侵入水体占据部分孔隙，受非均质性等因素影响储层气水关系复杂，导致可动含气孔隙体积减少，储气库气驱效率降低［5］。为了提高气藏采收率并且加快储气库建设，国内外学者对关于水驱气藏开发和建库效率的影响因素做了大量研究：GRIGG R B［6］、HABERL J［7］等认为高速流对气水两相渗流以及储层渗透率有重要影响；生如岩［8-10］等发现边底水体积小于10倍孔隙体积时，水体能够补充气藏能量、改善开发效果；班凡生［11-13］等通过研究枯竭油气藏改建储气库过程发现储层物性、水体侵入以及气水渗流变化规律等是影响建库效率的主要因素，并提出注采速度与气驱效率存在一定相关性。由于实验条件的限制，目前的研究工作主要定性地描述了影响建库效率的主要因素。

储气库注采参数评价技术表现出巨大的潜力，其提高储气库注采运行效率的机理在于通过调整注采速度改善气水剖面，从而改善储气库储集空间动用效果［14-19］。笔者通过综合考虑水驱气藏的地质、开发特征，利用储气库多功能智能驱替实验装置，开展了水驱气藏储气库周期注采模拟实验、核磁在线分析实验，进行物理模拟的精细数值模拟，分析国内典型水驱气藏储气库周期注采参数指标，从而指导矿场应用。

1 物理模拟研究

Physical simulation

将周期注采模拟实验、核磁在线分析实验、微观可视化模拟实验3种实验方法相结合：周期注采模拟实验可以提供储气库多周期注采气量动态数据；核磁在线分析实验用于认识不同注采阶段孔隙空间可动流体变化规律；微观可视化模拟实验可直接观察储气库周期注采过程中气水两相渗流过程，为水驱气藏储气库注采过程中储集空间动用机理分析提供可视化支持。

1.1 实验装置

Experimental apparatus

实验设备流程如图1所示，主要由模型分析、水体能量调节、气驱、液驱、采集计量等模块组成［20］。其中模型分析模块由三维模型和核磁共振分析装置组成，用于实验过程中模型饱和度场和孔隙空间可动流体的分析；水体能量调节模块用于储气库实际运行中的水体运移过程模拟；气驱、液驱模块用于向核磁共振分析模块中岩心夹持器中注入气体、液体；采集计量模块用于计量压力、温度、流量等实验参数。整个系统实验最高工作压力可达70 MPa。

图1 储气库周期注采模拟实验装置流程Fig. 1 Flow chart of experimental apparatus for simulating the cyclic injection and production of gas storage

1.2 实验模型

Experimental model

通过微观可视化模拟实验观测储气库微观孔喉内周期注采气水驱替过程。微观模型采用透明的二维玻璃模型，采用光化学刻蚀工艺，将孔隙网络模型精密光刻到平板玻璃上，最后经高温高压烧结制成。标准模型大小为40 mm×40 mm，孔隙体积一般为50 μL，最小孔径可达 10 μm。

通过储气库三维物理模拟以流体饱和度云图的方式，直观展示储气库注采过程中气水运移特征。根据华北储气库储层物性分区制作三维填砂模型，模型直径40 cm，高度35 cm，孔隙度为5.2%，渗透率为7.3 mD。

利用注采核磁在线物理模拟以1D谱和T2谱的方式，进一步精细分析储气库循环周期注采过程中各区带储集空间动用规律。选取华北储气库储层3块典型天然岩样，岩性统一为碳酸盐岩，但物性存在差异，基本参数见表1。代表储层上部的样品物性较好，孔隙度4.5%，渗透率10.5 mD，说明其储集和渗流能力相对较好；储层下部岩样物性较差，孔隙度低、渗透率小，储渗能力较差。根据矿场纵向物性由高到低排列分区特征，将岩样按高渗、中渗、低渗顺序串联组合作为储层模型，代表储气库储集空间。

表1 实验岩心样品基本物性参数Table 1 Basic physical property parameters of core samples in the experiment

1.3 实验方法与步骤

Experimental method and procedure

储气库的注采模拟应与库区的实际运行情况相匹配。在实验方法设计过程中，考虑了水淹气藏型储气库的实际状况：储层中含边、底水；运行中的储层压力波动；注采的时间短，属强注、强采；运行周期长，多循环注采。注采模拟先后完成前期准备、成藏、开采、建库、采气及循环注采6个实验步骤。实验过程中需记录时间、气液流量、压力，实验结束对实验数据进行统计分析。周期注采模拟实验采用定流速驱替方式，由于气体具有强压缩性，进入岩心的气体流速和压力都处于非稳定状态，无法对模型的渗流能力进行分析。为此，通过对比相同注采条件不同注采流速下的注采气量，以含气孔隙空间的方式量化评价储气库空间动用效率。

通过微观可视化实验模拟高温、高压地层条件下储气库微观孔喉内周期注采气水驱替过程。实验过程中利用显微镜对注采气过程中不同阶段时刻的气水分布变化进行可视化观测，并实时摄像记录孔喉内流体动用及运移图像。

通过储气库三维物理模拟实验可以在周期注采模拟高温、高压环境下，对地层条件下储气库模型内多相流体分布特征进行观测。利用电阻率分析仪对模型进行三维饱和度场在线分析，获得注采运行过程中模型饱和度云图，通过颜色梯度变化反映模型不同截面、不同区块位置流体运移规律，其中颜色偏蓝代表含水饱和度高，颜色偏红代表含气饱和度高。通过对比注采不同阶段下的多相流体饱和度云图，分析水驱气藏储气库注采运行过程中储集空间动用特征。

在周期注采模拟实验过程中，利用核磁共振分析仪对岩心夹持器内的岩心进行可动流体参数在线分析，获得不同注采周期下岩心模型T2谱、1D谱曲线，1D谱曲线可反映岩心不同截面位置孔隙空间流体分布特征，T2谱曲线可反映岩心不同尺度孔隙空间流体分布特征［21］。通过对比不同注采周期下的T2谱和1D谱曲线，可以分析多周期注采模拟过程中储气库储集空间不同尺度孔隙和不同截面位置流体动用特征，进而评价水驱气藏储气库不同区带和不同阶段的动用特征。

1.4 实验结果

Experimental result

图2为储气库微观可视化模拟实验图像，分别清晰展示了储气库周期注采过程中的膨胀携液作用和气水互锁作用。

图2 微观可视化模拟实验图像Fig. 2 Picture of microscopic visual simulation experiment

由图2（a）可见，储气库采气周期孔隙空间高压气体快速膨胀，孔隙壁面水膜由厚逐步变薄，说明采气周期驱动压差下孔隙空间内可动水随气体一并采出，含气孔隙空间增加，储集空间得到有效动用，由于储气库高渗区大尺度孔隙毛管阻力较弱，膨胀携液作用更为显著。由图2（b）可见，储气库高速注采过程中气水两相在微细孔喉处反复剪切，局部区域出现气水混相，加之气水两相界面张力的叠加作用，在有限驱替压差作用下无法动用，说明周期注采中局部孔隙空间出现束缚水和残余气，有效含气孔隙空间降低，储集空间动用受到影响，由于低渗区小尺度孔隙空间剪切作用更加突出，气水互锁现象严重。

1.4.1 储气库注采三维动用特征 图3为储气库周期注采模拟三维饱和度场，分别清晰展示了储气库建库前水淹、注气周期排驱扩容及采气周期膨胀携液现象。图3（a）中水驱气藏型储气库模型处于注采周期前，各部位表现出不同程度蓝色，说明模型整体处于水淹状态。图3（b）中储气库模型处于注气周期，模型顶部偏红，含气饱和度较高，边部和底部偏蓝，含水饱和度较高，说明模型整体处于注气排驱扩容阶段，但由于模型存在一定非均质性，部分储集空间排驱动用效果不佳。图3（c）中储气库模型处于采气周期，模型内部压力迅速降低，边部和底部蓝色区域向红色转变，含水饱和度降低，说明在气体高速采出膨胀携液作用下，储集空间内的可动水不断降低，但由于局部区域孔喉细小，毛管阻力较强，部分储集空间动用效果不佳。在注气排驱和膨胀携液共同作用下，模型含气饱和度值随注采轮次增加而升高，但变化幅度逐步减小，气水分布趋于稳定。

图3 储气库周期注采模拟三维饱和度场Fig. 3 3D saturation feld in cyclic injection-production simulation of gas storage

1.4.2 储气库注采分区带动用特征 图4为储气库周期注采模拟核磁共振特征曲线。核磁1D谱曲线与纵坐标轴所包围成的面积代表全部充填水的孔隙空间，不同注采周期下的包围面积变化可反映岩心模型垂向各截面位置孔隙空间水体的动用状况；核磁T2谱曲线与横坐标轴所包围成的面积代表全部充填水的孔隙空间，不同注采周期下的包围面积变化可反映岩心模型不同尺度孔隙空间水体的动用状况。

图4 储气库周期注采模拟核磁共振特征曲线Fig. 4 NMR characteristic curve in cyclic injection-production simulation of gas storage

由图4（a）可看出，随注采周期增加，不同部位含水呈下降趋势。多周期注采过程中模型核磁1D谱特征曲线仍呈梯形形态，但代表纵向不同部位空间的1D曲线逐步向左侧移动，其中代表高渗的顶部孔隙空间下降幅度较为明显，说明在多周期注采气过程中气体的膨胀携液作用下，顶部高渗孔隙中水首先被携带出，下部低渗孔隙中的水被携带出的难度较大，含水下降幅度较小。因此，储气库含气饱和度随注采轮次增加而升高，其中高渗透率区孔喉较为发育、连通性好，可动水更容易被排驱携带出储集空间，含气饱和度增幅较大，而低渗区正好相反。建库运行中顶部高渗孔隙空间是储气库含气空间增加的主要区域。

由图4（b）可看出，随注采周期增加，不同尺度孔隙空间含水呈下降趋势。虽然多周期注采过程中模型核磁T2谱特征曲线仍呈双峰形态，但代表不同尺度孔隙空间的T2曲线逐步向下移动，其中代表大尺度孔隙空间的右峰下降幅度较为明显，说明在多周期注采气过程中气体的膨胀携液作用下，大尺度孔隙中毛管力作用力较低，其孔隙中的水首先被携带出，小尺度孔隙中毛管力作用力相对较高，其孔隙中的水被携带出的难度较大，因此左侧峰下降幅度较小。因此，在储气库注采运行过程中不同尺度孔隙空间含气饱和度逐步增加，其中大尺度孔隙空间是储气库含气空间增加的主要区域。

1.4.3 注采参数分析 通过储集空间动用率反映储气库多周期注采运行过程中储集空间动用效果［16］。

式中，Grm为有效库容；p/Z为视地层压力，MPa；pi/Zi为原始视地层压力，MPa；Gp为累积产气量，m3；Swi为原始含水饱和度；Cf为岩石有效压缩系数，MPa-1；Cw为地层水压缩系数，MPa-1；We为边水运移量，mL；Wp为采出水量，mL；Bw为水体体积系数；Vge为含气孔隙空间中水侵部分孔隙体积，mL；Vrm为可动含气孔隙体积，即含气孔隙空间中可动用部分孔隙体积，mL；Bgi为气体体积系数；Srm为可动含气饱和度，即孔隙空间中可动用部分所占孔隙体积百分数；V为孔隙体积，mL；Vg为含气孔隙体积，mL；φ为储集空间动用率，即可动用孔隙空间体积与含气孔隙空间体积的比值。

以储气库实际矿场的运行压力区间和水体能量为基础，分析注采物理模拟实验的注采速度参数，进而以此反演矿场实际运行参数指标。基于储气库周期注采运行方式，研究不同注气速度对储集空间动用效果的影响。以采气速度1.1 mL/min、注气速度0.6 mL/min为基准（实际运行中采气速度为注气速度的1.8倍），设定无因次注采速度（实际注采气速度与基准注采速度的比值）1、4、7、10、13、16、19、22、25、28、31进行注采模拟，其中注气速度设定为采气速度的1.8倍。由图5可见，在储气库注气上限压力、采气下限压力相同条件下，当采气速度是采气速度基准1.1 mL/min的16倍时可动含气饱和度为44.9%、储集空间动用率为81%，动用效果较好，之后继续提高注采速度，动用程度呈降低趋势。其原因在于储集空间孔隙结构分布的复杂性，气体优先进入连通较好的孔隙，气驱压力无法及时向低渗微细孔喉波及，导致储气库部分储集空间无法有效动用；而当注采速度过低时，虽动用效率较高，但不能满足市场需求。因此，实际运行中应根据矿场与市场供需关系，合理设定注采气速度，以保证储气库经济、高效运行。

图5 注采速度与储集空间动用特征参数相关曲线Fig. 5 Correlation curve between injection-production rate and characteristic parameter of reservoir space mobilization

2 数值模拟研究

Numerical simulation

2.1 数值模型建立

Establishment of numerical model

针对华北储气库不同区带分别计算对应有效孔隙体积，作为有效库容参数分析的基础。根据苏桥潜山气藏的地质、测井等资料，建立了三维精细地质模型，并通过模型粗化和气藏岩石及流体参数添加，建立了华北水驱气藏储气库的三维动态模型。通过历史拟合调整各项气藏参数，使得数值模拟与实际气藏开发、建库及运行相一致。通过储气库不同阶段储层流体分布数值模拟，得出储气库地下储集空间中的气水分布状况，见图6。

图6 华北储气库三维地质模型Fig. 6 3D geologic model of gas storage in North China

根据华北储气库矿场实际运行注采压力区间设定数值模拟运行压力区间。基于相似准则，将物理模拟实验注采气流量反演到矿场［22-23］，实验与矿场注采气速度关系见式（5）、表2。

式中，η为时间相似变量；L为几何相似变量；φ为孔隙度；下角标1表示模型，2表示矿场。

表2 华北储气库数值模拟注采参数换算结果Table 2 Conversion result of injection-production parameters in the numerical simulation of gas storage in North China

2.2 数值模拟结果分析

Analysis on the numerical simulation results

根据水驱气藏型储气库数值模拟结果，将整个储气库由下至上可划分为水淹带、气水过渡带、气驱纯气带、建库前纯气带4个区带，具体见表3。

表3 水驱气藏型储气库地层区带定义Table 3 Defnition of stratigraphic zone in water-fooding gas storage

图7为储气库周期注采模拟区带动用效果对比图，可见周期注采开始之后，气水过渡带动用率初期下降显著，后期逐步趋于稳定，含气空间动用率由79.6%降至77.6%，说明气水过渡带随注采周期增加动用效果逐步变差，并保持在相对较低的水平。气驱纯气带动用率初期增幅显著，后期逐步趋于稳定，动用率由83.0%增至85.7%，说明气驱纯气带动用效果随注采周期增加逐步改善；建库前纯气带动用率周期注采过程中较高，动用率保持在87.8%～88.3%之间，说明建库前纯气带动用效果相对较好，并随注采周期增加保持相对稳定。

图7 周期注采模拟区带储集空间动用效果Fig. 7 Reservoir space mobilization result of the zones in cyclic injection-production simulation

统计分析储集空间动用参数指标见表4，结果表明相对于低速注采，高速注采条件下的水驱气藏型储气库中26%库容无法有效动用（见图8）。

表4 华北水驱气藏储气库库容参数复核结果Table 4 Check results of storage capacity parameters of waterfooding gas storage in North China

图8 华北水驱气藏储气库库容参数曲线Fig. 8 Storage capacity parameter curve of water-fooding gas storage in North China

3 结论

Conclusions

（1）综合运用微观可视化模拟、三维注采模拟、核磁共振分析系列实验，建立“孔隙空间流体分布图”分析方法，直观表征水驱气藏建库储集空间中流体动用能力。

（2）气驱水纯气带是提高空间动用的主力区，而气水过渡带是储集空间动用效果变差的主要区域。注气排驱对水驱气藏建库扩容起到决定作用，而气水互锁是导致建库空间动用效率降低的主要因素。

（3） 国内华北水驱气藏储气库在高速注采条件下，26%库容无法有效动用，其中建库储层物性分区、注采速度为影响储集空间动用效率的主控因素。

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（修改稿收到日期 2017-06-23）

〔编辑 朱 伟〕

Experimental evaluation on the mobilization ratio of reservoir space in water- fl ooding gas storage

SHI Lei1,2,3, SHAO Longyi1, WANG Jieming2,3, ZHU Huayin2,3
1. China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China;2. Langfang Branch, PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Langfang 065007, Hebei, China;3. CNPC Key Laboratory of Oil & Gas Underground Storage Engineering, Langfang 065007, Hebei, China

As the water moves back and forth during the high-speed injection and production of water-fooding gas storage, the geologic conditions and water fowing characteristics of reservoirs for gas storage building have more effect on the mobilization ratio of reservoir space in the gas storage. In this paper, saturation feld and nuclear magnetic resonance were analyzed in the cyclic injection-production simulation based on the reservoir characteristics of typical water-fooding gas storages at home. The injection-production parameters of multiple programs were comparatively analyzed by combining the physical simulation results with the numerical simulation results, and then converted into the feld index according to the similarity criteria. It is indicated that in the process of multi-cycle injection and production of water-fooding gas storages, some reservoir space is not mobilized. It is shown from 3D saturation feld and nuclear magnetic characteristic spectrum that the pure gas zone of gas displacement is the principal zone to increase the space mobilization and gas-water transitional zone is the main zone to worsen the space mobilization result of gas storage. The displacement based capacity expansion and the water-gas interlocking are in close relation with the injection-production rate of gas storage and the physical property zoning of reservoir space. As for the multi-cycle injection and production of typical water-fooding gas storages in North China,26% storage capacity at the gas injection rate of 291×104m3/d and gas production rate of 533×104m3/d is defned as inactive storage capacity. The research results can be used as the reference for the rebuilding and injection-production optimization of water-fooding gas storages.

water-fooding gas storage; mobilization ratio of reservoir space; cyclic injection-production; saturation feld; nuclear magnetic resonance

石磊，邵龙义，王皆明，朱华银.水驱气藏型储气库储集空间动用率实验评价［J］.石油钻采工艺，2017，39（4）：405-412.

TE822

A

1000 – 7393（ 2017 ） 04 – 0405 – 08

10.13639/j.odpt.2017.04.003

:SHI Lei, SHAO Longyi, WANG Jieming, ZHU Huayin. Experimental evaluation on the mobilization ratio of reservoir space in water-fooding gas storage［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(4): 405-412.

国家科技重大专项“致密砂岩气有效开发与评价技术”（编号：2011ZX05013-002）。

石磊（1982-），2012年获中科院渗流所博士学位，现主要从事储气库注采机理研究工作，工程师。通讯地址：（065007）河北廊坊万庄石油矿区石油分院。E-mail：jinfsh19821230@163.com