潜山裂缝气藏连续封隔体复合控水实验评价——以HZ凝析气田为例

李中 ，邱浩 ，文敏 ，范白涛 ，黄辉 ，潘豪 ，李占东 ，郑羽

（1.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；2.黑龙江省天然气水合物高效开发重点实验室，黑龙江 大庆 163318；3.东北石油大学三亚海洋油气研究院，海南 三亚 572024；4.中国石油大庆油田有限责任公司第七采油厂，黑龙江 大庆 163517）

0 引言

我国南海深层气田钻完井的突破给南海海域天然气的有效开发利用带来了极大的机遇［1-2］，深层气田很大程度上伴随着高能量边底水的发育，由于气田见水后产能迅速下降，尤其是裂缝发育的气藏见水风险更高，需要对见水风险高的气井（井型主要为水平井）针对性地设计控水方案，防止早期见水，以便为南海海域天然气长久高效开发奠定坚实的基础［3-4］。该控水方案设计的基础是优选适应性强的控水工艺。目前，国内外控水工艺从控水效果上主要分为水平段近端堵水和远端控水2类。水平段近端堵水工艺主要包括ICD筛管控水[5-6]和AICD筛管控水工艺［7-9］；水平段远端堵水工艺主要包括变密度筛管控水、中心管技术和DWS双层完井排液压锥技术［10-11］。其中，ICD/AICD在油田应用广泛，但是其控水原理是基于油水密度和黏度的差异，而气水的密度和黏度与油水差异相反，造成该工艺无法在气藏实行。变密度筛管、中心管技术的控水原理是平衡裂缝性气藏生产过程中气水界面［12-13］，具有更高的难度，需要掌握更加真实的水平段的储层非均质性和裂缝分布特征。

本文以HZ气田为例，为解决气田水平井见水快、产水高的问题，提出了一套基于连续封隔体的复合控水工艺。其原理是，在井壁与筛管间环空充满细小的覆膜高分子颗粒，增加流体在环空内轴向流动阻力，起到防止环空水窜的作用，且不影响气的径向流动，类似于每根筛管间存在一个裸眼管外封隔器。由于水平井生产过程中底水易在采气单元锥进，造成水平段见水，尤其是气藏，水平井见水后，产能迅速下降甚至整个水平段出现暴性水淹。通过封隔器的连续封隔作用，将水平段分为多个采气单元段，一旦某段出水，无需进行找水作业，遇水膨胀橡胶管能够迅速关闭该段且不影响其他采气单元段的继续生产，直到所有采气段陆续产水然后关井。分段控水工艺能够对出水生产段进行有效控制，并将无水采气周期最大化。本文通过室内实验模拟，阐明非均质裂缝气田水侵规律；根据控水工艺在延长无水采气期、提高采收率方面的应用效果，评价工艺适应性。研究成果旨在建立潜山气藏复合控水开发的模式，为海域同类气藏开发提供借鉴的思路。

1 实验方法

1.1 实验设计

1.1.1 实验参数设计

考虑到海上裂缝气田高温高压的特点，实验装置采用全钢制三维反应釜（见图1），釜体置于大型恒温箱内，最高工作温度为150℃，最大工作压力达75 MPa；斧体底部为测点连接处，为保证均衡水体能量，侧面为多孔注入的“面注”方式，可有效降低注水补压对水体锥进的影响，实现底面均衡补水。根据HZ气田高倍水体特征的需要，ISCO泵实现恒压或恒流注入。模型边水倾角为5°～10°，底水层厚度为15.0 cm，用于模拟底水气藏实验。模型有效空间为50.0 cm×50.0 cm×50.0 cm，模型中上部放置水平井，内部设有压力和饱和度测点，均匀分布在距离底水不同的高度。

图1 高温高压三维反应釜及釜内测点铺设

模型采用与地层相同的孔隙介质、流体密度与黏度，若要满足气相、水相重力和驱动力之比这2个相似准则，则采气速度比例为长度比例的平方。由气藏、水平井、储层渗透率与模型设置的比例，近似计算出物理模型等效采气速度约为50 L/d（见表1）。

表1 裂缝气藏实验模型与矿场参数对比

1.1.2 潜山裂缝地层设计

实验利用充填石英砂模拟地层，地层各参数见表2。为了构造裂缝气藏，需要对潜山裂缝形态进行分析。通常情况下，裂缝类型需要结合HZ气田岩心、岩石薄片和裂缝测井资料［14］，设计潜山裂缝地层参数。HZ气田目的层储层平均渗透率为4×10-3μm2，潜山发育网状缝、中高角度缝、低角度缝和诱导缝，裂缝长度不等，裂缝宽度为0.1～0.4 cm，平均渗透率为1 000×10-3μm2。本次实验模型的储层和裂缝渗透率设计为实际岩心渗透率的25倍，即模型储层平均渗透率为100×10-3μm2，裂缝渗透率为 25 μm2。模型中地层和裂缝的渗透性是基于填砂模型的不断夯实、取心，并进行测试才完成的。模型中裂缝完整性的建立是通过分层搭接铺设完成的。将人工裂缝体内部共划分3层，由下至上在每个层段内对釜内砂体进行切割，以10～30目陶粒作为裂缝支撑剂，构造了平行裂缝和网状裂缝（见图2）。设计裂缝长度为10.0 cm、宽度为0.1 cm，裂缝与地层夹角为80°，保证人工切割过程中同一裂缝在不同层段的连通性，从而完成釜体人工裂缝模型制作。

表2 连续封隔体复合控水模型参数设计

图2 潜山裂缝室内实验模拟示意

1.1.3 连续封隔体工艺

连续封隔体工艺是一种应用于水平井、适合于裸眼完井的控水工艺。连续封隔体实验设计基于覆膜砾石阻水原理，在水平井外包裹一层隔水透气覆膜砾石，铺设参数为长40.0 cm、宽10.0 cm、厚4.0 cm，以此模拟裸眼井筒和筛管之间环空（见图3），当地层水突破前缘侵入时，覆膜砾石的隔水透气作用起到了限水采气作用。与连续封隔体配合使用的筛管孔眼密度为1.0孔/cm，孔眼直径为0.1 cm，筛管直径为0.5 cm。

图3 连续封隔体覆膜砾石铺设过程

1.2 实验步骤

实验有5个步骤：1）测点铺设。釜体内铺设压力测点共计32个，其中，纵向分4层，每层铺设8个测点；含水饱和度测点共计90个，与压力测点错位铺设，纵向上分5层，每层16个测点。2）过裂缝水平井布置。水平井井筒采用耐压的PVC管代替，布置在压力测点第4层中心部位。为了模拟裂缝气藏条件，参照裂缝与水平段空间匹配特征，将提前预设好的水平井嵌入裂缝模型内，按照实验设计的底水高度，水平段和人工裂缝模型置于分层填砂模型内，继续填砂直至填满，夯实并加盖密封。3）气藏饱和水。为了达到底水均衡注入的效果，采用多点面注代替单点点注方式，即利用ISCO泵同时通过2，3，4号3个水阀门持续注水（见图1），通过含水饱和度测点在计算机终端实时监测水体饱和情况，直至底水层100%饱和度。4）原始地层压力预设。打开1号阀门注气，利用空气压缩机持续注气，通过压力测点实时监测地层压力变化情况，直至达到实验初始压力。5）气水均衡。静止釜体24 h，观察压力和饱和度变化，当水体界面小幅下降时，则打开恒流注水阀门，直至水体界面重新恢复到预设位置，釜体压力和气水界面稳定在预设位置。

实验以HZ26-6-2井参数为基础，总体实验设计包含2个方案：第1个方案假定为不采取控水措施开采实验，第2个方案为采用连续封隔体控水措施实验模拟。与不采用控水实验方案进行对比，研究气藏底水水侵规律，分析连续封隔体控水效果，计算了实际生产井的井筒延程压降。模型中避水高度为35.0 cm，底水能量保证控制在30 MPa。

2 结果与讨论

2.1 开采特征

连续封隔体可以有效地改变生产压差的差异，相比未采取控水工艺，生产压差调节幅度大，不仅可以阻止底水从水平井跟端锥入，而且亦可调节裂缝带或高渗层快速锥进。同时，通过调整底水前缘界面形态，达到均衡控水效果。

连续封隔体控水技术主要通过充填于控水井筒与井壁环空中的封隔体颗粒来平衡水平井段沿程压力损失和流入量的方式实现控水功能。通过连续封隔体颗粒起到封隔器作用，把水平井段分隔成若干个彼此独立的流动单元，从而达到轴向限流的目的。封隔体颗粒充填于水平段后，产生各向同性的流动阻力，据达西定律得：

式中：Q 为流量，m3/d；K 为地层渗透率，10-3μm2； L 为岩石长度，m；A为岩石截面积，m2；Δp为井两端压差，MPa。

依据Lee-Gonzalez-Eakin方程式可知：

式中：μg为在给定温度和压力下天然气的黏度，mPa·s；ρg为天然气密度，g/cm3；Mg为天然气相对分子质量；T为温度，K；C，X，Y 为过程变量。

当地层水沿高渗带径向进入井筒时，流体由地层至筛管距离短、接触面积大，天然气黏度低，径向流阻力小。但由于水平段流动单元长，井周砾石颗粒横截面积小，流体轴向阻力大，隔水透气覆膜砾石轴向限制窜流，从而达到控水作用。

从平行裂缝连续封隔体控水实验模型可以看出（见图4a，4b），未采取控水模型实验早期底水锥进快，随着采气量增加，靠近井底处水波程度越高，即水平井跟端水锥进速度越快，水平井趾端水锥进速度较慢，总体上表现为跟部底水优先脊进的特征。同时，垂直于水平段的人工裂缝具有高渗透率的特点，后期水锥脊进突进点发生转移，由单调式脊进转变成双肩式脊进。相比于采用连续封隔体控水实验，相同采气量条件下底水锥进不明显，但仍受裂缝高流导性能的影响，裂缝发育段水锥进剖面较高。同理，无论是否采用连续封隔体控水工艺，网状裂缝发育区形成的高渗带是底水波及程度最高区域（见图4c，4d），较平行裂缝连续封隔体控水见水时间早，底水前缘界面呈锥状，采用连续封隔体控水后能够调整底水前缘界面形态，达到了均衡控水的效果，具有一定的控水潜力。

图4 不同措施下水平井开发的水脊形态效果

连续封隔体控水工艺能最大程度地满足边底水均匀缓慢上升，防止边底水锥进效应，气藏控水效果较好。裂缝形态不同的气藏开采时，其见水时间和采气量略有差别，如平行裂缝模型控水措施实施前后生产动态对比（见图5a），无措施开采总采气时间为18.0 d，总采气量22 L；采用连续封隔体技术后，总采气时间为20.0 d，时间延长占比为11.1%，总采气量提高至25 L，相比而言总采收率提高了13.6百分点；网状裂缝模型控水措施前总采气时间为14.5 d（见图5b），总采气量21 L，采用连续封隔体控水措施后，生产16.0 d后见水，累计采气量24 L，总采气时间延长了10.3%，采收率提高了14.3百分点。

图5 不同裂缝形态下控水措施前后见水曲线

基于上述实验结果，有必要就以下3个问题进行解释。1）关于差异气体产量的问题。未采取措施控水差异的气体由于水体封隔，致使水体的气锁以残余气方式滞留在釜体内。2）连续封隔体控水机制。连续封隔体控水只作用在井周区域，在一定程度上起到了限水采气的作用，控制底水轴向窜流，因此，采用连续封隔体控水与未控水措施后期水侵特征差别较大。3）不同裂缝形态组合见水时间不同。一方面，由于裂缝相交形成网状，裂缝分布相对集中，增强了地层导流能力；另一方面，水平裂缝与地层夹角走向大体一致，相比网状裂缝，见水时间晚。

2.2 裂缝气藏控水影响因素

2.2.1 裂缝导流能力评价

基于上述实验设计可知，缝内为高渗，基质为低渗，天然气具有可压缩性，开采时具有比油井更高的渗流速度，且由于潜山裂缝对气体的导流能力强，气井开采见水风险高［15-16］。不同阶段非均质气藏开采水侵受裂缝发育影响较明显。开采初期，气藏能量充足且均衡，气藏气水界面均匀上升；但随着采气量增加和开采时间推移，高渗透地层或裂缝地层对水平井采气量贡献大，气水界面空间形态由原来均匀水线逐渐脊进成单斜水线，形成多个高低不等水脊。气的黏度低，地层渗透率越高，底水水线脊进速度越快，水线沿高导流能力裂缝快速向上推进，且裂缝长度越长，水体波及速度越快，水侵特征越明显。

为了揭示不同裂缝参数对控水效果的影响，针对底水裂缝气藏开展水平井不同开采时限的底水锥进模拟研究（见图 6）。分别设计了 10～20，30～40，50～60，70～80 m的裂缝缝长，研究不同长度的裂缝对水侵的影响规律。通过模拟可以看出，随着裂缝缝长增大，晚期水体脊进速度越快，水锥很容易推进至井底，井筒水淹风险越高。且当裂缝长度小于40 m时，累计产水量增长较为缓慢，裂缝长度大于40 m时，随裂缝长度增加，累计产水量急剧上升，控水难度增大。

图6 不同裂缝缝长气藏开采水侵模拟

2.2.2 钻采策略评价

合理的钻采策略是气藏长效开发的重要因素。海上油田钻完井工艺难度大，主要有以下4个环节：1）在钻井过程中，钻井轨迹控制不当，造成井周围岩物性发生改变，不规则井轨迹的避水高度不均衡，易导致控水难度大；2）在完井过程中，完井污染造成的储层强非均质性，可能导致连续封隔体间发生窜流；3）不合理的开采制度，如过高要求产量和过快采气速度，易形成井筒暴水淹；4）酸化压裂措施造成气层裂缝延展，从而发生后期水窜。

3 结论

1）相比未采取控水措施，连续封隔体控水流体轴向阻力大，隔水透气覆膜砾石轴向限制窜流，从而达到控水作用，可调节裂缝带或高渗层快速锥进速度。

2）不同裂缝形态气藏开采见水时间和采气量略有差别，网状裂缝发育区是底水波及程度最高区域。

3）裂缝强导流能力是气藏见水风险重要的控制因素，因此合理的钻采策略是气藏控水的根本。气藏开发更应重视前期控水工艺的实施，后期见水以堵水工艺为主。