超深层碳酸盐岩气田产能评价的扩展“一点法”

2022-08-01蔡珺君彭先李隆新刘微李文王蓓邓庄

断块油气田 2022年4期

蔡珺君，彭先，李隆新，刘微，李文，王蓓，邓庄

（1.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院，四川成都 610041；2.中国石油西南油气田公司川中油气矿，四川遂宁 629000）

0 引言

四川盆地碳酸盐岩气田勘探开发始于20世纪60年代，是中国碳酸盐岩气田开发的代表，2000年之后已相继发现普光、元坝和安岳3个超深层大型气田。据国家统计局数据，2021年中国天然气产量达到2 053×108m3［1］左右。预计到2025年末，中国天然气产量将达到2 270×108～2 500×108m3［2-3］，超深层碳酸盐岩气田将是天然气上产的重要领域。以中国石油西南油气田公司主营的四川盆地勘探开发业务为例，“十四五”期间共规划上产63×108m3，其中超深层碳酸盐岩气田上产53×108m3，占比达到84%。

在气田勘探开发过程中，产能评价具有核心地位，表现在定量化评估气井潜力、支撑井站配套工程和输气管线设计，因此，产能评价可靠性直接关系到气藏生产潜力与地面集输系统的匹配程度。产能评价有依据静态地质资料和依据动态测试资料2类方法［4-6］。“一点法”［7］是气田开发早期常用的动态产能评价方法，具有测试计算方便、作业成本和风险低、环境友好，以及经验数扩展性强等诸多优点。自1989年陈元千理论公式［8］发表以来，全国各气田纷纷实践应用，积累了大量的数据资源。

超深层碳酸盐岩气田普遍具有基质致密、裂缝发育和强非均质性的特点，随着勘探开发实践的深入，发现气井存在“一点法”产能评价结果与生产能力不匹配的矛盾。以安岳气田震旦系为例，部分井钻井、测井结果显示为优质储层，早期产能高，但气井在低配产下难以稳产。这类气井产能被乐观估计，定产规模偏大，地面配套处理能力大于地下供气能力，造成投资浪费。另外一部分井则表现为相反的特征，即储层较差，早期产能低，在高配产下却生产稳定。这类井产能评价保守，定产规模偏小，地面配套小于地下供气能力，易造成集输瓶颈，并增加投资回收周期。

为提升超深层碳酸盐岩气田“一点法”产能评价的可靠性，本文对“一点法”试井理论、应用和四川盆地安岳气田的试气测试数据进行了深入的调查，系统论述了“一点法”产能评价方法的核心概念、内涵、应用局限和“一点法”扩展研究的必要性，揭示了试气测试数据与储层类型和“一点法”应用之间的内在规律与联系，在此基础上建立了扩展“一点法”的计算公式，并讨论了新方法的适用条件与优势。安岳气田多口气井的实例对比分析证实了新方法的可靠性。

1 常规“一点法”的概念和内涵

1.1 概念

油藏工程师概念中的“气井产能”一般等同于气井绝对无阻流量［7］，所谓“一点法”，即是通过1个制度的气井测试资料评价气井产能。“一点法”产能评价方法起源于20世纪60年代。四川盆地石油会战期间，多流量稳定试井造成大量的天然气损失，当时石油部从保护资源的角度考虑，要求只测“一点”，但当时无法仅用测试的“一点”数据报告气井产能。随着测点数据的积累，做出了气井绝对无阻流量经验图版（见图1）。该图版形成了我国最早的“一点法”产能评价方法，但由于仅揭示了数据表面的统计规律，未能反映储层地质及渗流特征，因此该方法未得到广泛应用。后来随着气藏工程技术的发展，在二项式、指数式产能方程基础上，一些学者结合具体测试资料推导出“一点法”产能评价理论。经气田开发实践证实，基于二项式产能方程建立的“一点法”公式可信度较高，该方法以陈元千［8］和庄惠农［9］公式为典型代表。公式揭示了测点流量数据、地层压力、井底流压、产能方程系数和气井产能之间的联系，巧妙地用稳定经验数描述储层渗流能力，具有理论性、经验性以及应用方便的特点，极大地推动了“一点法”理论和矿场实践的进步。

图1 “一点法”确定气井绝对无阻流量经验曲线

陈元千“一点法”产能公式为

式中：qAOF为气井稳定绝对无阻流量，104m3/d；α为稳定渗流经验数，简称稳定经验数；qg为测试产量，104m3/d；pR为地层压力，MPa；pw为井底流压，MPa。

稳定经验数的表达式为

式中：A为稳定达西渗流项系数，MPa2·（104m3·d-1）-1；B为稳定非达西渗流项系数，MPa2·（104m3·d-1）-2；μ¯g为气体平均黏度，mPa·s；Z¯为平均偏差因子；T¯为平均温度，K；K为气藏渗透率，10-3μm2；h为储层厚度，m；rw为井眼半径，m；re为泄气半径，m；S为表皮因子；g为重力加速度，m/s2；D为非达西渗流系数，d/m3。

基于我国16个气田16口气井的68个测点数据求取的α平均值为0.254 1，取α=0.25，则式（1）可改写为常规“一点法”产能评价公式：

1.2 内涵

由式（1）可知，影响常规“一点法”公式的核心参数是α。式（2）说明了α为气井稳定渗流项系数的函数，而地层系数又是影响气井稳定渗流项系数的核心参数，因此α间接揭示了气藏地层系数的大小，即储层条件越好则α越小，储层条件越差则α越大（见图2），分析式（2）可知0＜α≤1。若储层条件越好，α越接近0，相反，储层条件越差，α越接近1；气井试气能产出改造区天然气，但投产后不能稳定供气时，α接近1；气井试气无产量，则α等于1。

图2 稳定经验数与地层系数的关系

从24个气田“一点法”公式稳定经验数可以看出α在0.14～0.94。令“一点法”公式系数可以获取各气田的“一点法”产能评价经验公式。最大的α、最小的a和b分别为延长气田的0.94，0.13，0.27；最小的α、最大的a和b分别为安岳气田龙王庙组气藏的0.145 5，11.75，161.46（见表1）。

表1 不同气田稳定经验数及“一点法”公式系数

1.3 应用局限

由“一点法”理论可知，“一点法”公式应用的条件是储层均质且气井达到稳定渗流状态。对于储层改造的气井而言，应用常规“一点法”公式评价气井早期产能的关键是气井泄气半径内储层稳定渗流特征与试气期间的改造区渗流特征类似，且储层的稳定经验数近似0.25。以下2个方面会引起产能评价的较大偏差：1）测试未达到稳定而错用α，通常表现为受储层平面非均质性影响。如果改造区渗透率远高于远井区，常规“一点法”评价气井产能将偏高；如果改造区渗透率低于远井区，则常规“一点法”评价气井产能将偏低。2）稳定经验数与0.25偏差较大。如果储层α小于0.25，则气井产能成倍放大；如果储层α大于0.25，将低估气井产能。

四川盆地超深层碳酸盐岩气田开发矿场实践证实了常规“一点法”的应用的局限。表2共列出了6类典型储层7口井的“一点法”地下产能计算结果与地面配套对应情况评价。结果表明，视均质、缝洞Ⅱ型、孔洞Ⅰ型、孔隙Ⅱ型4类储层的常规“一点法”产能评价结果可信度较低。寒武系视均质储层虽然产能计算偏大，但对定产影响较小。以龙王庙组气藏为例，利用常规“一点法”直接计算气井绝对无阻流量相对误差达到7.9%～389.7%，且88%的井相对误差在20%以上，但气井定产基本合理。而震旦系储层发育不同程度的孔、洞和缝，搭配关系复杂，非均质性强［31］，储层改造后，平面上渗流能力改善，呈现负表皮或改造区渗流能力高于原始储层，从而使得低渗储量得以有效动用，孔洞Ⅰ型、缝洞Ⅱ型、孔隙Ⅱ型储层为内外区渗流能力不一致的典型代表［32］。此外，气井在试气测试过程中，部分气井未能满足标准要求（井口压力波动范围小于0.1 MPa，产量波动范围小于10%［33］），根据基于该地质条件和测试资料的“一点法”产能评价结果进行的气井定产往往不合理，地面配套与气井产能不匹配。以GS18井为例，该井为孔洞Ⅰ型储层，二项式产能方程和常规“一点法”计算产能分别为85×104，62×104m3/d，倍比为1.37；GS001-H11井为缝洞Ⅱ型储层，二项式产能方程和常规“一点法”计算产能分别为85×104，196×104m3/d，倍比为0.43。

表2 安岳气田典型井产能评价与定产规模评价

2 扩展“一点法”的建立

预测气井早期产能时，需建立绝对无阻流量随开井时间变化规律，并建立典型井初期产能递减曲线以揭示初期产能变化规律［35］。相应地，在上述产能评价结果可信度较低的4类储层典型渗流模式基础上，建立基于经验数描述的扩展“一点法”公式，公式导出了经验数认识规律，并通过描绘经验数换算图版，扩展了不同类型储层不同试气时间的“一点法”产能评价公式。

2.1 典型储层渗流模式

安岳气田龙王庙组、灯影组为四川盆地重点勘探开发的碳酸盐岩气藏，埋深均超过4 500 m，为超深层气藏。2012—2020年的专项试井解释资料揭示“一点法”产能评价结果可信度较低的4类储层特征（见表3、图3）主要为：1）视均质型，平均地层系数为1 639.03×10-3μm2·m，主要分布在磨溪区块寒武系龙王庙组气藏；2）缝洞Ⅱ型，远井区地层系数小于近井区，主要分布在高石梯区块震旦系灯影组四段；3）孔洞Ⅰ型，表现为平面强非均质渗流，远井区地层系数大于近井区，主要分布在磨溪区块震旦系灯影组四段；4）孔隙Ⅱ型，裂缝响应特征显著，无因次压力与压力导数曲线几乎重合，远井区地层系数小于0.50×10-3μm2·m，主要分布在磨溪区块台缘灯影组二段、台内灯影组四段。上述储层认识结果为经验数描述奠定了地质基础。

图3 4类储层典型试井曲线

表3 四川盆地超深层碳酸盐岩气藏4类储层典型渗流模式

2.2 基于经验数描述的“一点法”公式

稳定经验数由产能试井解释获取，为0～1中的某一固定数值，表1统计的均为中国各气田的稳定经验数。事实上，从气井试气放喷开始至达到渗流稳定的过程中，对产能方程系数［9］及气井产能的认识均是动态变化的，因此从经验数的模型推算，经验数是随着渗流状态（时间）发生认识变化并且反映碳酸盐岩储层的宏观渗流特征。

引入时间量t，式（1）可以改写为

式中：psc为标准状况下的气体压力，取值0.101 3 MPa；Tsc为标准状态下的气体温度，取值293.16 K；φ为孔隙度；Ct为地层综合压缩系数，MPa-1；K¯为开井后某个时间节点泄气半径内的平均渗透率，10-3μm2。

2.3 经验数认识规律及扩展“一点法”

考察气井试气时间内（超深层碳酸盐岩气田一般小于4 h）的α（t）与α的差异性，即可明确产能评价的偏差问题。根据表3中4类储层地层系数上限、下限和平均值，由式（6）—（10）分别计算A（t），B（t），α（t），并作出典型储层经验数认识图（见图4）。由图可知：视均质储层在4 h内的经验数均小于0.20，经验数随时间而增加，且上限值小于0.25，常规“一点法”产能偏大；缝洞Ⅱ型储层在2 h内的平均经验数小于0.20，而α大于0.34，常规“一点法”产能偏大；孔洞Ⅰ型储层在4 h内的平均经验数在0.40～0.70，高于α，常规“一点法”产能偏小；孔隙Ⅱ型储层在4 h内的平均经验数基本大于0.96，气井几乎无稳定产能。

图4 四川盆地超深层碳酸盐岩气藏4类储层经验数认识规律

取试气测试期间产量和油压的平均值，则不同试气测试时间tt下的不稳定产能计算表达式为

式中：ts为渗流稳定时间，取值30 h；为平均流量，104m3/d；为平均地层流压，MPa。

定义β为经验数转换系数（下文简称转换系数），β=α（ts）/α（tt）。由图4可求解得到4类典型储层类型的转换系数图版（见图5）。

由图5可以看出：视均质、缝洞Ⅱ型储层转换系数随试气测试时间的增加下降至1，缝洞Ⅱ型的下降幅度较大；孔洞Ⅰ型储层转换系数随测试时间的增加而增加；孔隙Ⅱ型储层转换系数在1左右，变化量较小。基于图4、图5，可确定不同类型储层在不同测试时间的“一点法”公式，即扩展“一点法”公式。由表4可以看出，不同类型储层在不同测试时间对应的不稳定经验数不同，扩展“一点法”公式系数a′和b′均存在差异，多数情况下随着测试时间的增加而减小。

图5 转换系数与试气测试时间的关系

3 方法验证与讨论

运用扩展“一点法”公式，对安岳气田典型井及多个层系的不同类型气井进行实例计算，以验证方法的可靠性，并对扩展“一点法”的适用性和局限性进行了讨论。

3.1 实例应用

将表4中的不稳定经验数代入式（11），对表2中的典型井产能进行评价，结果见表5。由表5可以看出，采用扩展“一点法”可以提升部分类型储层气井产能评价的可信度：视均质储层的MX009-X1井试气测试2 h，选择表4中的参数编号4-1计算产能为1 610×104m3/d，接近二项式产能方程评价的1 226×104m3/d；孔洞Ⅰ型储层的GS18，MX022-X1井采用扩展“一点法”评价更为贴近生产实际，可信度较高。但缝洞Ⅱ型储层的GS001-H11井采用扩展“一点法”评价的结果并未真实反映气井生产实际；孔隙Ⅱ型储层的MX125井试气期间的测试产量来源于改造区，但未改造区储层地层系数难以支撑稳定渗流，稳定经验数接近1，因此气井产能接近0。

表4 四川盆地超深层碳酸盐岩储层扩展“一点法”产能计算公式参数

表5 安岳气田典型井“一点法”产能计算结果对比

对四川盆地安岳气田多个层系的不同类型气井进行应用，具体步骤包括：1）采用静态资料分大类、动态资料分小类、动静态结合的原则，根据岩心观察、薄片、测井、钻井、试气及酸化等静态资料初步识别储层，对重点井（一般为探井或关键评价井）开展专项试井，落实储层类型［29-30］；2）根据重点井试井解释参数和气井试气测试时间，由图4确定转换系数或在表4中选择相应的扩展“一点法”计算公式参数，评价气井产能；3）对于建产井，气井试气后按照静态资料分大类，由表4初步选择扩展“一点法”计算公式，评价气井产能上、下限值，待气井达到生产稳定状态后开展专项试井，落实储层类型并确定扩展“一点法”计算公式，对气井产能进行再评价。

矿场应用结果表明：本文建立的扩展“一点法”适用于试气测试与生产过程中的油压、产量数据一致性良好的储层，即气井试气和生产过程的油压、产量变化特征相似，因此对于中高渗的视均质、孔洞Ⅰ、孔隙Ⅱ型储层均有较好的应用效果（见图6）。与常规“一点法”相比，扩展“一点法”计算的气井产能更加符合气井实际生产规律；若试气测试与生产过程的油压、产量数据不具有一致性，如缝洞Ⅱ型储层，试气过程中油压、产量稳定，但气井投产后油压和产量均呈现出快速降低至低产量、低油压的特征，采用扩展“一点法”评价的结果就不能反映气井的真实产能。

图6 安岳气田产能计算结果对比

3.2 讨论

扩展“一点法”依托的是基于大量动静态资料确定的气井储层类型和不同渗流区域的地层系数等参数，因此在静态资料分大类的基础上，通过动态资料对储层类型再做精细划分［31-32］是应用扩展“一点法”的先决条件。超深层碳酸盐岩气藏非均质性强，若气井钻遇缝洞型储层，则可能获得较高的试气测试产量，但稳定产能会低于试气认识，例如缝洞Ⅱ型储层；若气井能钻遇孔洞型储层，则试气测试产量低于缝洞型储层，但稳定产能可能会高于试气认识［36］，如孔洞Ⅰ型。然而气井试气时间不过数小时，要在如此短的时间内了解整个泄气区的渗流能力，并获得气井远井区储层的认识，是短期内气藏描述和气藏工程难以突破的瓶颈。本文建立的扩展“一点法”仅仅是基于常规“一点法”理论、试气资料以及储层类型认识的折中方案。