复杂气藏型储气库先导试验方案设计方法

2020-01-06胥洪成朱卫平李国韬郑得文王皆明宋丽娜

天然气工业 2020年6期

胥洪成朱卫平李彬李国韬郑得文王皆明宋丽娜赵凯裴根

1.中国石油勘探开发研究院 2.中国石油天然气集团有限公司油气地下储库工程重点实验室3.中国石油吐哈油田公司勘探开发研究院 4.中国石油勘探与生产分公司 5.中国石油集团工程技术研究院有限公司

0 引言

中国石油天然气集团有限公司（以下简称中石油）地下储气库（以下简称储气库）建设起步较晚，从20世纪末第一座商业化储气库大张坨投运开始，距今不过20年；与国外储气库百年发展历史相比，总体上仍处于初级阶段[1-3]。中石油目前拥有现役储气库群10座，设计库容量合计为392h108m3，工作气量合计为173h108m3；截至2019—2020年注采周期，预计库存量为367h108m3，达容率为93.6%，调峰能力为103h108m3，达产率为59.5%。综上不难发现，其库容量已接近设计指标，但工作气量却不到方案设计指标的60%。通过分析认为尽管国内储气库自身条件复杂是无法回避的原因之一，但短期高速注采、有效储集空间、低压储层保护等对库容参数、注采井网、储层伤害的认识不清，也是影响储气库达产的重要因素[4-7]。国外储气库以海相沉积为主，埋藏浅、构造简单、储层物性为高孔隙度和高渗透率，而我国气藏受多期构造运动与陆相沉积环境影响，整体上构造破碎、埋藏深、储层物性为低孔隙度及低渗透率、非均质性强[8]。尽管国外储气库的建库条件明显好于国内，但他们仍然非常重视先导试验，对制约建库方案的关键参数进行现场检测，以确保资料和指标的可靠性。

目前，中石油已开始重视储气库先导试验，包括先导试验方案设计、现场实施以及效果评价。尤其对地质条件复杂、制约储气库关键指标设计的瓶颈问题认识不清的复杂气藏改建的储气库，在预可研方案通过审查立项后，均要开展先导试验，为建库地质气藏工程和钻采工程可研方案精细科学论证提供重要的依据。为此，笔者以近年来中石油新建库和评价库为对象，建立了复杂气藏型储气库先导试验方案设计方法，以期对建库地质方案和井工程设计提供有效的支撑。

1 基本概念

参照气藏开发先导试验定义，涵盖试验依据、试验目的、实施节点、试验内容等方面基本内涵，首次提出了储气库先导试验的基本概念。即指在正式编制可研方案前，优选地质条件具有代表性的试验区，按储气库基本思想进行先期实施，主要开展短期高强度矿场注采试验、生产测试、钻完井工艺验证，重点解决密封性、有效空间、注采能力、复杂老井封堵及低压储层钻完井工艺等关键技术瓶颈难题，用以指导储气库科学设计和高效建设。

从目前经验来看，在建库预可研方案设计时，针对地质气藏工程和井工程两大方面设计存在的建库风险，梳理与地质和工程相关的核心技术瓶颈问题，在尽量利用已有设施基础上，部署一定数量井（组），开展短期现场注采和井工程试验，补充或新增录取生产、测试及施工资料，开展试验效果专题评价，为优化指标、提升经济效益、降低风险提供重要依据。

2 试验目的

储气库先导试验目的主要是解决建库方案设计面临的地质和工艺瓶颈难题。由于气藏基本地质条件、气井产能、压力衰竭程度、建库时地层流体分布、圈闭动态密封性、钻完井难易程度等不尽相同。因此，试验目的要有针对性和差异性，突出解决制约建库的关键难题。主要包括圈闭密封性验证、有效建库空间定量评价、短期高速注采气能力核实、老井封堵工艺适应性评价、低压储层建井工艺适应性验证等5个方面。

2.1 圈闭密封性验证

一般情形下，构造完整的气藏建库，如果上限运行压力不突破原始地层压力，圈闭密封性基本可靠。但国内气藏地质条件复杂，主要以断块切割复杂化气藏或气顶油藏为主，盖层、断层等密封性可能存在一定风险，有必要开展干扰试井、示踪剂测试等进一步验证。另外，为了评价储气库多周期往复注采安全性、提高上限压力运行可行性，需加强地应力研究，包括盖层、储层的地应力测试，建立储气库地质体三维地应力模型，模拟预测不同运行工况下地应力场[9]及其变化，研究圈闭密封有效的临界条件，为评价建库可行性和设计上限运行压力提供依据[10]。

2.2 有效建库空间定量评价

对于气藏开发动静态及测试资料不完备的情形，给建库有效空间评价带来较大难度。为此，应梳理气藏资料现状，有针对性开展气藏关井测压、探边测试确定流体或岩性边界、生产剖面测试落实分层产量贡献、气液界面测试和流体取样化验等分析转库始点地层流体分布、补充交变应力下岩心实验和流体PVT相态测试等资料，全面分析影响建库空间主控因素[11-19]，建立有效空间预测数学模型，评价不同条件下气藏建库的有效含气孔隙空间。

2.3 短期高速注采气能力核实

气藏开发一般有气井产能测试资料，可分析预测储气库采气能力，注气能力测试或者对于部分气顶油藏建库时缺乏气井产能测试资料，在先导试验阶段非常有必要进行注气和采气能力测试，包括开展一定时间的注气、采气生产以及注采过程中进行产能测试，压力恢复（降落）试井，以及临界出砂压差试验等，评价高速注采渗流条件下气井井控的半径、储量及物性等参数，重新建立储气库不同井型的注气和采气产能方程，确定不同条件下气井的合理注采气量、注采井网密度，为储气库井数、井型及井网部署优化提供重要的依据[20-25]。

2.4 老井封堵工艺适应性评价

经检测评价，井筒质量满足工况要求的老井可作为监测井或采气井使用，降低建设投资。但对于工程报废、资料缺失、裸眼完井、侧钻井等复杂老井，应开展井下落物打捞、老井眼寻探、老井眼处理、分层封堵及封堵钻井液优选等相关技术研究，形成老井处理工程技术方案，支撑复杂老井的成功封堵，并对处理难度大的井优先实施作业[26]。

2.5 低压储层建井工艺适应性验证

注采井是储气库实现“注得进、采得出”的唯一通道，井身质量和储层保护是保障注采井安全和吞吐能力的关键因素。目前国内气藏改建储气库前地层压力都比较低，压力系数一般在0.1～0.4之间，如何保证低压储层钻井工程质量、实现有效保护储层面临极大挑战。因此，低压气藏改建储气库优选钻完井工艺至关重要。钻完井工艺优选，主要包括井身结构、钻井液、固井工艺、储层保护、完井方式以及入井材料优选等。通过先导试验井优化钻完井工艺，确定最优井工程方案，全面提升储气库井工程质量、最大限度降低储层污染，保护储气空间和渗流通道，可大大提高有效库容和调峰能力。如果地层压力过低，地层漏失量大，在气源、注气系统、老井等满足条件下可优先注气，当地层压力恢复到一定水平后再开始钻储气库注采井，不仅可以提高钻完井质量、减少储层污染，减少钻井复杂，还可大幅度降低钻井成本，实现优快钻井。

3 先导试验方案

从气藏地质特征和开发动态出发，紧密围绕科学性、安全性、经济性3大核心目标，在分析建库风险，明确主要试验目的基础上，优选试验井、部署现场试验、配套专题研究，构成完整的储气库先导试验方案框架体系。

3.1 试验井优选

试验井包括注采井和监测井两大类，老井利用和新钻井结合，科学合理优选部署井位，确保试验成果代表储气库整体平均水平，支撑可研方案关键指标优化设计。

3.1.1 注采井

试验注采井可利用老井或新钻井。通过井况普查，筛选利用井筒技术状况满足要求的井，不仅可加快实施进度，还可减少投资。另外，储气库井具有需满足短期强注强采，井眼尺寸较大的特点。因此先导试验中还应部署新井，以验证大尺寸井眼吞吐能力、评价不同井型增产比、优化钻完井工艺。

试验井井位既要考虑不同构造位置、不同储层物性、不同流体分区（纯气区、气液过渡带等）等多因素影响，还要兼顾直井、水平井或定向井等不同井型组合对先导试验区建库空间的控制程度，综合确定试验注（采）老井和新井井位。

气藏经过10～20年甚至更长时间的开发，储层岩石微观结构和流体分布已发生变化，同时气藏开发阶段一般不关注盖层，相关岩心资料缺乏。因此，新钻注采井需进行盖层段和储层段取心设计，尽量取全，满足建库岩心微观结构、力学特性、渗流能力等测试要求。

3.1.2 监测井

先导试验井少、周期短，获取的资料有限。因此，有必要部署一定数量的监测井，取全取准各类资料。以气藏开发压力传播速度和井控半径为基础，预估气藏建库条件下强注强采压力波及和井控范围，以试验井（组）为中心，尽量利用气藏开发老井部署监测井，重点监测压力温度、气驱前缘、流体界面等。

3.2 现场试验

储气库现场先导试验主要包括注采试验、封堵试验、低压钻完井试验以及具体实施要求和建议等四部分，涵盖地质和井工程两大方面，通过实际生产验证核实，夯实可研方案关键指标优化设计的地质和工艺基础。

3.2.1 试验井注采试验

注采试验包括注采气量、注采周期、产能测试（产能试井、压恢/降试井、生产剖面）、连通性测试（干扰试井）、边界探测（探边测试、驱替前缘）、气液界面变化测试（气水、气油、油水界面）等内容。

注采气量设计主要以单井产能、井控物质平衡约束单井注采气量，以试验区地层压力恢复水平控制注采总量，结合施工工期综合排定单井和试验井组注采气量。

为了获取注气和采气产能方程，借鉴气藏开发试井方法，在注气和采气周期按不同工作制度配产配注，并进行压力降落（恢复）试井。对于断块气藏、强非均质性、复杂流体、多层层状气藏建库，可适当安排干扰试井、探边测试及生产剖面测试，进一步核实连通性、地层（流体）边界、主力产气贡献层等，为科学评价注采气能力、有效建库层（区）、合理注采井网密度等提供重要依据。

3.2.2 复杂老井封堵试验

针对建库涉及到的所有老井进行井况普查和分类评价，根据老井资料掌握程度和处理工艺难度，明确常规井和复杂井。先导试验中要重点对复杂井进行封堵处理。复杂井主要包括工程报废井、资料缺失井、侧钻井、裸眼井等。在对现有资料综合分析的基础上，有针对性地开展老井封堵方案设计，制定详细的工艺措施，优选适宜的工具和材料，优先实施，力保成功封堵，为储气库的顺利建设奠定基础。

3.2.3 低压储层钻完井试验

由于气藏改建储气库时地层压力较低，一般压力系数介于0.1～0.4，甚至更低。低压储层钻完井面临地层漏失、固井难度大、储层污染等难题。因此针对气藏地质特点，在先导试验阶段探索与之相适应的井身结构、固井工艺、完井方式，以及储层保护措施，为后续井工程的优化设计积累宝贵经验。

由于储气库在交变应力工况下运行，井筒完整性和气库密封性要求严格。因此，非常有必要开展盖层和储层段地应力测试，求取地应力大小、方向，为储气库完整性评价和运行压力设计提供依据。

3.2.4 实施要求和建议

先导试验方案设计是基础，科学精细实施是保障。因此，围绕注采制度、产能试井、矿场测试、资料录取、井工程标准等提出具体实施要求。作为储气库先导试验工程，非常有必要加强地质—工程一体化协作，从组织领导、技术支撑、现场实施三个层面强化管理，针对实际钻遇情况和注采动态，及时优化调整并完善试验实施方案，保证试验成功。

先导试验是首次进行注采和钻完井工程，对气藏转库具有重要指导意义，其实施效果直接影响建库工程决策和技术工艺指标的科学性与可操作性。因此，建议设置配套专题，分析实施效果，指导后续建库设计。专题主要包括四方面，一是室内物理模拟，研究微观孔隙结构特征、力学特性、气水互驱相渗、注采效率、临界出砂压差等，揭示注采机理；二是地质深化认识，开展精细储层描述、地层流体分布，核实有效建库空间；三是注采效果评价，包括短期高速流井控的半径、储量及物性等参数以及气井注采气能力等；四是井工程试验分析，重点是疑难复杂老井封堵工艺、新井钻完井工艺及其适应性等内容。通过剖析注采机理、创建气库模型、夯实设计基础、提高工程可行性，为储气库科学设计、高效建设提供第一手资料和依据。