碳酸盐岩储气库多轮次强注强采流体互驱机理研究现状

谢 俊， 梁会珍， 郭 睿， 王金凯， 王梦琪， 段雅君

(1.山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；2. 山东省高校深部矿产资源勘查开发地质研究重点实验室，山东 青岛 266590； 3. 中国石油华北油田分公司勘探开发研究院，河北 任丘 062552)

据统计，目前世界上30多个国家和地区建设的640多座地下储气库中78%的储气库由枯竭砂岩气藏改建而成，国内已建成的大张坨、板876等地下储气库亦多为枯竭砂岩气藏改建而成，这些已建成的地下储气库存在构造破碎、砂体规模小以及储层物性差等不利因素，导致建库规模受限。中国碳酸盐岩分布范围广,约占沉积岩总面积的55%。另外，与砂岩储气库相比，碳酸盐岩多重介质裂缝性油藏具备构造完整、储层物性好、库容量大、埋深适中以及裂缝系统渗流条件好等优势，是较为理想的建库目标，有利于形成大型碳酸盐岩储气库群。国外未见利用碳酸盐岩油藏改建地下储气库的成功先例，我国首例碳酸盐岩地下储气库正在华北苏桥潜山油藏筹建，从碳酸盐岩多尺度、多轮次强注强采流体互驱的运移机理和渗流规律以及碳酸盐岩储层建库气、水互驱机理综合评价理论等方面开展碳酸盐岩地下储气库现状研究尤为重要。

1 碳酸盐岩储气库现场实施运行状况

一个天然气藏的形成从生烃到运聚成藏往往需要几百万年，从投入开发到枯竭也需要几十年的时间，这种情况下，地下储层中的流体渗流基本遵循达西定律，用比较成熟的油气藏开发、渗流理论基本可以描述这些规律；而一个城市调峰型地下储气库要求其必须在短时间内完成储层孔隙的充注与释放(一般在8个月内完成一次气体充注，4个月完成一次气体释放，形成一个注采周期)，也就是说必须在8个月内将天然气注入到储层形成地下储气库，然后在4个月内将天然气开采出来供城市调峰，这种高强度的强注强采方式改变了储层中油-气-水三相流体的相对渗流规律，注入的天然气极易进入油层或水层，被油膜或水膜包裹，形成“油包气”或“水包气”现象，这种不连续相造成了气体的逃逸或被俘获，形成损失气[1](见图1)。检测数据显示，板876地下储气库存在注入多、采出少的现象，部分注入气体进入到水层，难以回收，产生损失气，我国其它正在运行地下储气库也存在类似损失气量的问题，严重影响了地下储气库运行效率。

图1 储气库高速注采过程中损失气的赋存状态图Fig.1 The occurrence state diagram of lost gas during high speed injection and production of gas storage

碳酸盐岩孔、洞、缝及复杂基质的多重介质储层以及介质内强注强采的油、气、水多尺度耦合渗流特征客观上决定了地下储气库多周期运行效果差异。为此，碳酸盐岩油藏改建地下储气库实施前，针对其特有的储层特征开展多轮次油、气、水互驱物理模拟实验，研究多相流体宏观和微观注采机理及渗流规律，评价储气库建设及运行的主控因素，明确储气库气体漏失及孔隙空间可利用率的变化规律，是碳酸盐岩油藏改建地下储气库亟待解决的重点和难点问题，是有效工作气体积优化设计及库容扩建的基本前提和理论基础。在调研碳酸盐岩储气库多轮次强注强采流体互驱基础上，开展相关科技攻关不仅可直接与我国长输管网配套碳酸盐岩油藏地下储气库建设与实施相衔接，为我国长距离供气工程的顺利实施提供强有力技术支持；而且具有前瞻性，可以完善国内外碳酸盐岩储层建库气驱机理评价的研究理论，并为碳酸盐岩地下储气库的建设和实施提供技术支撑。

目前国内外对于常规砂岩储气库气驱油、水驱气及气驱水等方面的机理做了大量研究，但未就碳酸盐岩储气库高强度注采过程中三相流体接触关系及渗流规律开展深入研究。

2 碳酸盐岩储气库强注强采流体互驱机理研究现状

枯竭型砂岩气藏改建地下储气库流体多尺度运移机理在国内外取得了许多重要成果和认识，但未见枯竭裂缝性碳酸盐岩油藏改建地下储气库相关实例和理论研究报道。碳酸盐岩储层的储集空间多样，基岩、裂缝及溶蚀作用形成了极其复杂的孔隙连通系统(见图2)。碳酸盐岩储层这种多尺度、多重介质中的洞穴和基质孔隙是主要储集空间[2]，裂缝是主要渗滤通道，孔、洞、缝互相穿插[3-4]；又由于储气库强注强采周期性及气、油和气、水界面周期性往复进退等特点决定了碳酸盐岩储层改建地下储气库流体渗流规律和驱替机理与常规单一孔隙介质的显著差异。碳酸盐岩多尺度、多轮次油、气、水互驱的运移规律和渗流机理以及碳酸盐岩储层建库气、水互驱机理综合评价理论是碳酸盐岩多重介质储层改建地下储气库急待解决的重点和难点问题。

2.1 碳酸盐岩多尺度、多轮次强注强采流体互驱的运移机理和渗流规律

已有的碳酸盐岩渗流机理主要集中在碳酸盐岩油藏的流体驱替实验方面，常用的碳酸盐岩储层流体驱替实验模型分为岩心级的填充模型和孔隙级的刻蚀模型，前者主要用于直接考察驱替的宏观波及现象，后者微观模拟实验往往利用可视化微观模型研究微观驱替机理，借助显微放大、录像、图像分析和实验计量技术实现从储层流体微观渗流过程定性机理分析到定量描述的研究，揭示储层内流体微观渗流特征[5]；国内外学者开展的实验侧重利用微观岩石薄片模型及微观可视化模型进行碳酸盐岩油藏的油、气、水室内渗吸实验研究，评价不同孔隙结构、裂缝形态及裂缝分布对油、水渗流的影响[6]以及岩石特性、润湿性、流体特性以及边界条件等各种因素对油、水渗吸的影响程度及变化规律[7]。对碳酸盐岩储气库的研究则集中在边水运移对储气库储层动用状况的影响[8]，排气井不同释放速率对地下浅层气藏中气水运移的影响[9]，水驱砂岩气藏型地下储气库多轮次气、水二相渗流特征[10]。

利用储层微观可视化模型开展油、气、水多相渗流实验比油、水驱替实验具有更大的难度[11]，原因在于为避免气体的释放，实验过程中出口端必须加回压；利用微观玻璃模型，对孔隙介质中气水两相在排驱和渗吸过程中的微观渗流机理实验发现：气水两相排驱和渗吸的微观渗流机理截然不同[12]，气驱水实验观测到驱替后的气水分布状态跳跃式的运移前缘(见图3)；在多条裂缝交叉处，由于绕流和贾敏效应，气体活塞的推进出现滞后现象，只有当某一条裂缝处的气体活塞积聚能量克服贾敏效应时才会出现突破而形成高速气流向前流动。在压差驱动下，天然气总是力图充满近注入点的孔隙，然后再以有限或指状的前缘向前运移到较大的孔隙[13](见图4)；而水驱气实验研究发现：压差是产生水窜的真正动力、裂缝是产生水窜的客观条件，水驱气易形成封闭气，导致气体漏失，主要有指进、卡断、孔隙盲端及H型孔道形成的封闭气几种情况[14](见图5)。

图2 碳酸盐岩储层的多重渗流介质类型Fig.2 Types of multiple seepage media in carbonate reservoirs

图3 气驱水的微观驱替过程示意图[13]Fig.3 Schematic diagram of micro displacement process of gas flooding water[13]

碳酸盐岩油藏驱替实验多是在符合达西流的模型中开展的，不能模拟气体高速注入、快速采出的特征，其研究结果不能真实反映碳酸盐岩储层改建地下储气库多轮次注采渗流机理的差异。油、气、水互驱的相互影响及运移规律研究仍处于探索阶段，碳酸盐岩多尺度、多轮次油、气、水互驱的运移规律和渗流机理研究多集中在碳酸盐岩油藏，未见碳酸盐岩地下储气库高强度注采方式下流体多尺度渗流机理方面的相关报道。

(左图为下部注入，右图为上部注入。The left picture shows the lower injection and the right picture shows the upper injection.)

图4 不同注入方式下的气驱水波及特征[13]
Fig.4 Characteristics of gas-driven water in different injection modes[13]

图5 裂缝-孔隙水驱气形成封闭气的主要方式Fig.5 The main way to form sealing gas during water flooding gas for the fracture-pore reservoir

2.2 碳酸盐岩储层建库气、水互驱机理综合评价理论

对于碳酸盐岩油藏的渗流研究已近半个世纪，第一个双重介质的渗流模型由Brentblat.t 等于1960年提出。在1963年Warrant和Root[15]提出了另外一个重要模型即Warrant-Root模型，是目前最为完善的模型，之后对模型的改进主要集中在基质和裂缝的窜流计算，主要包括Kazami[16]、Coats[17]、Ueda[18]以及蔡建超[19]、张允[20]等裂缝储层流体渗流机理模拟研究成果。然而，碳酸盐岩洞穴-裂缝-孔隙型气藏既不同于均质地层，又有别于裂缝-孔隙气藏，气藏中裂缝系统作为渗流的主要通道向井筒供气，洞穴、基质系统作为补给源向裂缝窜流，具有特殊渗流机理，利用现有的双重介质理论无法解释，现有的砂岩储层建模方法难以直接借鉴。侯加根等[21]提出了大型洞穴、溶蚀孔洞、大尺度裂缝、小尺度裂缝的“多类多尺度建模”的基本思路，呈现了缝洞型储层的结构形态；蒲春生等[22-23]建立了多孔介质中二元叠合波平面径向流渗流时的耦合数学模型；姚军等[24-25]采用多尺度混合有限元方法研究了强非均质油藏中的油水两相渗流问题；朱斌等[26]通过建立和求解洞穴-裂缝-孔隙型气藏气井定井底流压生产数学模型，显示了不同裂缝储容比、不同洞穴窜流系数和不同基质窜流系数对气井产量特征的影响；流体流动的能量包括缝洞基质弹性能、原油弹性能、底水驱动能及井底压力差等[27]；裂缝-孔隙型双重介质储层往往采取降低井底流压、增大生产压差的方法来提高单井产量[28]，然而井底流压的降低会产生储层的应力敏感效应，导致产层有效上覆压力增大而使裂缝高度减小，甚至产生裂缝闭合，增大了近井壁地带的渗流阻力，导致产量降低，显然上述定井底流压模型有着很大的局限性，不符合储气库气藏多周期注、采的实际情况；吴望一等[29]认为，对于孔隙、溶洞和裂缝双重介质渗流问题，渗流速度大，达西定律已不能描述其渗流规律，需要对Buckley-Leverett理论作非线性推广，并考虑双重孔隙介质的两相流驱替问题中的非线性效应；李勇等[30]以渗流力学理论为基础，建立了碳酸盐岩三重介质油藏的渗流模型。

对于枯竭裂缝性油藏改建地下储气库的模型研究仍处于探索阶段，付玉等[31]在Warren-Root双孔模型的基础上，考虑压力反复升降使介质发生不完全可逆变形对储气库孔隙度和渗透率的影响，建立了数学模型；王皆明等[32]提出了描述裂缝性碳酸盐岩块状底水油藏改建地下储气库工作气量预测的数学模型；姜凤光等[33]引入了气体半球渗流和等效气井打开半径的概念，推导了碳酸盐岩裂缝性油藏建库气井稳定渗流产能方程；王保辉等[34]通过建立含水层型地下储气库天然气运移的等效渗流模型，研究了储层渗透率、储层厚度、注气速率等参数对天然气运移规律的影响；赵斌等[35]对含水层储气库在注采气过程中储层平均压力和气泡体积变化等问题进行了研究；陶卫方等[36]提出水淹油气藏改建储气库注采工艺联合运行技术。文献相关研究都是针对碳酸盐岩储气库工作气量以及各类地质参数对储气库运行指标的影响分析，而对于多周期、多轮次强注强采的油气水分布规律和相关模型并未进行相关实验及机理研究。

谢俊等[37]2003年开展了碳酸盐岩油藏改建地下储气库可行性先期评价，对碳酸盐岩油藏改建地下储气库的盖层封闭性、库容大小、影响因素和承载压力进行了研究，认为碳酸盐岩油藏具备改建地下储气库的基本条件；王金凯、谢俊等[38-39]对砂岩储气库强注强采过程中的气水互驱开展了等效性模拟，并取得了初步进展。

3 储气库流体互驱机理研究面临的难题

针对常规岩心实验难以研究碳酸盐岩多尺度、多轮次油、气、水互驱的运移规律和渗流机理等诸多问题，一方面，可以设计高温、高压天然造缝、造洞平板大岩心模型，并通过大岩心物理模拟实验系统及其流程的自主设计和研发，模拟地层条件下碳酸盐岩油藏改建地下储气库多轮次强注强采运行过程中的多相流体宏观分布、渗流特征及其对库容量和注采气能力的影响；另一方面，在微观上，设计微观可视化实验模型装置及储气库多轮次连续气、水互驱实验方案，通过微观可视化实验研究可明确碳酸盐岩储气库多轮次气、水互驱的运移规律及水沿裂缝推进的变化规律、封闭气(滞留气)的形成方式、油气水三相的分布关系、采出封闭气的方法以及水侵速度与驱替系数之间的关系。因此，当前需要解决的第一个关键问题是：揭示碳酸盐岩储气库多轮次油气水互驱对碳酸盐岩储层多尺度多重介质的动力学影响规律，对地层条件下碳酸盐岩储层建库和注采运行物理模拟及微观可视化物理模拟进行实验研究。

进行碳酸盐岩地下储气库数值模拟时，前国内外各类模型难以精确表征高强度注采过程，特别是存在油、气、水三相流体时，地下渗流规律不完全符合常规的达西流，只能增加约束条件近似等效，这对模拟结果造成了很大不确定性，严重影响了模拟精度。鉴于以上存在问题，可以提出天然气强注强采过程中被俘获的假设，即一部分气体在高强度注入过程中沿高渗透条带突进到水域或油区，形成“水包气”或“油包气”，当气库开采压力下降时，由于储层性质及渗流速度的差异导致这部分气体难以冲破流体的束缚，形成无法动用的死气。这一观点基本上可以客观表征损失气的赋存状态，但还未通过室内高强度注采实验的验证，并未建立指导碳酸盐岩多重介质储层改建地下储气库流体多尺度强注强采运移的数学模型，还需要进一步开展碳酸盐岩储气库的模拟实验、影响因素、多轮次强注强采运行机理、非达西流数学模型等方面的研究。因此，基于渗流力学和油层物理学理论，深入研究“油包气”或“水包气”的形成过程及气驱前缘运动规律，建立符合多尺度碳酸盐岩储层建库和注采运行预测模型，是另一个需要解决的关键问题。

4 结论

(1)目前碳酸盐岩改建地下储气库多轮次强注强采油、气、水互驱过程中流体变化，洞穴-裂缝-孔隙在储层中的分布和走向的变化及气、水在洞穴、大裂缝中窜流的非线性流态的变化规律等方面存在诸多有待解决的问题。

(2)在复杂的多重介质储层条件及油、气、水三相共流条件下，揭示碳酸盐岩储气库多轮次油气水互驱对碳酸盐岩储层多尺度多重介质的动力学影响因素及储气库流体宏观分布、微观渗流及运移规律尤为重要。

(3)国内外文献调研及研究进展分析表明：在影响储气库因素分析的基础上，建立油、气、水在洞穴、大裂缝中窜流的非线性流动三维三相数学模型，可以指导建库不同注气速度下的“油包气”或“水包气”形成过程的机理研究。

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