水驱气藏污水回注能力评价与指标预测

刘启楠 鹿克锋 伍锐东

(中海石油(中国)有限公司上海分公司)

0 引 言

以水驱气藏为主的A气田，目前已进入生产后期，各井产水即将超过平台污水处理能力，若将污水排海处理，所引起的海洋环保问题将非常严峻，本文以A气田为靶区，研究污水回注过程中各项参数指标的确定和预测。

A气田目前已全面出水，预测未来平台排海污水约22.13×104m3，将超过国家环保批复的11.00×104m3最大排放量。因此，为保护海洋环境，开展了水驱气藏回注能力评价研究，包括：最大注入量、注入压力、合理注入速度等参数。

为提高气田开发的整体经济效益，选择1井、10井、3井和4井作为回注井。4口井位于独立井区，不会产生井间和层间干扰，且生产管柱完好，低产低效，无后续挖潜空间。

1 回注能力评价

污水回注前需要评价并预测回注能力和指标，本文通过物质平衡、数值模拟等技术原理，提出了回注能力评价技术，以此确定可注入总量、泵压、地压和瞬时注入量等参数。

1.1 可注入总量研究

可注入总量计算原理为物质平衡[1]，计算公式见式(1)。依靠流体的可压缩性进行注入，当地层压力上升至地层破裂压力时，回注停止，此时的回注量即为该层的最大可注入总量。

Iw×Bw=V×Ce×P

(1)

可变形为注入总量的式(2)：

Iw=V×Ce×(Pf-Pr)/Bw

(2)

式中：Iw为可注入总量，m3；V为地下孔隙体积，m3；Ce为综合压缩系数，MPa-1；Pf为地层破裂压力，MPa；Pr为当前地层压力，MPa；Bw为注入水的体积系数。

考虑到现有生产层位皆为水驱气藏，储层孔隙中存在气和水两种流体，气和水的压缩能力不同，需分别计算含气层和含水层的可注入空间[2]，因此式(2)可分别写为式(3)、式(4)、式(5)：

Iw1=V气×Ce气×(Pf-Pr1)/Bw

(3)

Iw2=V水×Ce水×(Pf-Pr2)/Bw

(4)

Iw=Iw1+Iw2

(5)

式中：Iw为合计可注入总量，m3；Iw1为气层可注入总量，m3；Iw2为水层可注入总量，m3；其中综合压缩系数Ce由式(6)求得：

Ce=Cg×Sg+Cw×Sw+Cf

(6)

式中：Cg为气压缩系数；Sg为含气饱和度；Cw为水压缩系数；Sw为含水饱和度；Cf为岩石压缩系数。

破裂压力Pf可由式(7)求得[3]：

Pf=0.023×H×0.75

(7)

式中：H为储层垂深，m；考虑到地层意外破裂的风险，计算结果建议乘以0.8的安全系数。

根据以上计算方法，可求得单井理论可注入总量，计算结果见表1和图1。1井、3井、4井通过挤压水来进行回注的空间为10×104～29×104m3，而包含10井在内的气层可注入量为28×104～144×104m3，可见现有生产层位的回注空间主要集中在可压缩性强，且压力衰竭的气层中。

表1 可注入总量计算参数

图1 单井理论可注入总量

1.2 泵压地压研究

为求取污水回注时的井口所需泵压，建立井筒管流模型，模拟污水从井口注入至地层，此过程中共存在5个作用力，分别是：地层压力、井底流压、液柱重力、摩擦阻力和井口油压[4]，其中地层压力、井底流压、摩擦阻力和井口油压为注入的阻力，而液柱重力为注入的助力，因此，注入泵压计算方法见式(8)。

P注=Pt+P摩-P液+P流+Pr

(8)

式中：P注为注入泵压，MPa；Pt为井口油压，MPa；P摩为摩擦阻力，MPa；P液为液柱重力，MPa，P流为井底流压，MPa；Pr为地层压力，MPa。

式(8)中井口油压、液柱重力和地层压力皆可由现场和测试数据求得，P流可由式(9)计算：

P流=I日/Jw

(9)

式中：I日为单井污水日注入量，m3；Jw为储层的吸水指数，m3/(MPa·d)。

而摩擦阻力P摩可由式(10)计算：

(10)

式中：L为油管长度，m；d为油管直径，m；v为瞬时速度，m/s；ρ为污水密度，kg/m3；系数λ可由式(11)求得。

(11)

式中Re为雷诺数，可由式(12)求得：

(12)

以此计算摩擦阻力随日注入量的变化曲线见图2。从图2可以看出，随瞬时流速(日注入量)的上升，摩擦阻力会快速上升，导致注入泵压的提高，从而增加投资费用，因此需设计合理的日注入量来降低泵压。

图2 摩擦阻力随日注入量的变化曲线

根据A气田日产水量变化趋势，考虑最大日注入污水量为1 300 m3，计算使用单井回注的摩擦阻力数据见表2。从表2可以看出，高注入量情况下各井的摩擦阻力为32～50 MPa，已超过各储层的地层压力，不具备可行性，因此需要考虑多井合注分摊1 300 m3注入量，降低单井的摩擦阻力。根据各井摩擦阻力变化趋势可见，当单井注入量小于500 m3时，摩擦阻力皆小于10 MPa。

表2 摩擦阻力计算参数

根据以上计算方法求得井底流压和摩擦阻力后，可由式(8)求取4口井的注入泵压与日注入量的关系，极限条件为地层压力达到破裂压力(含安全系数0.8)，计算结果见图3～图6和表3。

从图3～图6和表3的结果可以看出，日注入量越大，注入泵压上升趋势越快，可注入总量和可注入时间越少。按照相同注入量下，注入泵压的大小进行排序为：10井<3井<4井≤1井。由图6可以看出，1井注入泵压起点高，开始注入后地层压力会快速接近地层破裂压力，导致整体注入量小，经济性较低。因此建议仅使用3井、4井、10井进行注入。

图3 3井的泵注压力预测

图4 4井的泵注压力预测

图5 10井的泵注压力预测

图6 1井的泵注压力预测

表3 最大注入泵压及可注入时长数据

1.3 瞬时注入量优化

为分摊平台共1 300 m3的日产污水总量，需考虑多井分摊合注，合理的单井注入量分配可以降低泵注需求，提高经济效益。因此，提出注入量优化曲线为基础的优化技术，以此来综合优化单井瞬时注入量，达到经济有效的回注。

经上文研究可知，随着井口注入量的增加，所需的泵压也会增加；同时，受限于不同地层的吸水能力，井筒附近在注入后会出现憋压现象，导致井底流压快速上升，各井的井口注入压力变化曲线如图7所示。因此还需控制注入后的井底流压低于地层的破裂压力。

图7 井口注入压力变化曲线

注入量优化图板：根据各井的注入能力与回注层的吸水能力，以物质平衡法(式(2))与管流模型(式(8))为基础，提出了单井的注入量优化图板，可计算各井在不同注入量下，地层压力、井底流压与累积可注入总量的关系，见图8～图11。

图8 1井注入量优化曲线

从图8可以看出，1井由于储层吸水能力差，不同注入量下，井底流压变化非常敏感，在日注入量超过200 m3时，井底流压就会达到地层的破裂压力，导致可注入总量小；同时在相同注入量下，1井所需的注入泵压也远大于其他3口井，因此不再将该井作为回注井考虑。

从图9可以看出，3井储层吸水能力好，在4口备选井中，不同注入量下的井底流压变化最不敏感，可注入总量差异也不大；同时在相同注入量下，3井所需注入泵压上升趋势缓慢，具备较好的回注条件。

图9 3井注入量优化曲线

从图10可以看出，4井储层吸水能力较好，不同注入量下，井底流压变化不敏感；但是回注层水体能量大，当前压力系数高达0.98，因此可注入总量在4口井中整体较小，回注条件一般。

图10 4井注入量优化曲线

从图11可以看出，10井储层吸水能力较好，不同注入量下，井底流压变化较不敏感；同时储层无强水体提供能量，当前压力系数仅0.38，回注空间较大；在低注入量下可依靠液体重力自行注入，而无需依靠电泵加压，具备较好的回注条件。

图11 10井注入量优化曲线

综合上述4口回注井及回注层的各项指标，进行了吸水能力、可注入总量及所需泵压的排序，以此提出各井的配注量建议：

吸水能力：3井≥10井≈4井>1井

可注总量：4井≥3井≈10井>1井

所需泵压：10井<3井<4井≤1井

其中1井吸水能力弱，可注总量小，所需泵压大，不建议作为回注井。

根据以上的建议配注量，计算各井达到地层破裂压力时的最大井口泵压、可注入时长和可注入总量，具体见表4。

表4 回注指标预测

2 应用与实践

根据污水回注可行性研究提出的设计方案，A气田于2018年11月开展了10井污水回注实验，采用无泵自流回注方式，日注污水100～250 m3，井口压力趋势也与设计一致。截止2019年2月，10井合计注入污水10 624 m3，其注入曲线见图12。

图12 10井注水曲线

3 结束语

针对海上水驱气藏开发中存在的排放问题，污水回注废弃储层可有效避免生产污水排海，减少了缴纳环保税额的同时，切实达到了降本增效的目的，解决了海洋生态破坏和环境污染问题，为维持海洋经济可持续发展做出了贡献。