渭河盆地水溶气试采评价研究:以陕西渭南某区为例

李萌瑶,蔡鑫磊,张 阳,张国强

(1.陕西燃气集团富平能源科技有限公司,陕西 西安 710000;2.陕西省燃气储运及综合利用工程研究中心,陕西 西安 710000;3.陕西燃气集团有限公司,陕西 西安 710000)

水溶气为原始储层条件下,溶解于水中的天然气[1]。目前,水溶气藏主要为生物成因气,包括微生物降解气、石油裂解气、油气藏分离气、煤层游离气[2],其富集程度主要通过溶解度来评价[3]。一般来说,地下水溶解气量约在1～10 m3/m3[4]。据相关显示,国外较高的水溶性气藏甲烷气在水中的溶解量可达9 m3/m3(印度托罗-班库含油盆地)[5],我国东部沉积盆地这一数值约为1～6 m3/m3[6-7]。丰富的气源、异常高地层压力、储集层和保存条件是形成该类气藏的主要成藏条件。渭河盆地新生代各地层均发育湖相沉积,其中以固市凹陷张家坡组湖相泥岩最为发育[8]。近年来,部分地热开发企业在渭河盆地渭南市LW区地热资源开发过程中,在不同区域、不同深度发现有CH4、C2H6等7种烃类和He、H2、N2、CO2等非烃天然气显示,其中一种新的非常规天然气类型——水溶气[9],甲烷含量高达98.51%,经初步测试水溶气日产量可达数千立方米,水溶气的发现为渭河盆地油气勘探带来了新契机[10]。

1 储层物性概况

张家坡组河湖相砂岩储层较为发育,是主要的储集空间[11],其湖相沉积旋回特征显著,纵向上为一套按一定生成顺序有规律的交替出现、具有明显的浅—深—浅及粗—细—粗的完整沉积旋回[12],显示了湖泊形成—扩展—萎缩的沉积演化过程。

1.1 渭河盆地张家坡组

岩心和录井资料显示,砂岩成分以长石为主,石英次之。砂岩胶结物为灰质和泥质,含量10%～20%,胶结类型以孔隙式为主,溶蚀式和基底式次之。储集层物性较好,有效孔隙度10%～47%,多数在20%以上,渗透率一般为10×10-3μm2,最大9 739.3×10-3μm2。平均孔隙度受到砂体厚度控制,在南部陡坡带存在户县—长安、临潼、渭南三个异常孔隙度较高区域,北部缓坡区存在三原—泾阳孔隙度较高区域,孔隙度大于25%(见图1)。在扶风、南部陡坡山前以及渭南平均渗透率高,大于1 000 mD,固市凹陷沉积区以及西安凹陷局部渗透率极低,小于10 mD(见图2)。

1.2 渭南市LW区张家坡组

LW 区块位于固市凹陷,张家坡组岩性砂层厚度0.7～26.6 m,砂体总厚度82.4～370.1 m,砂岩百分比为5.21%～49.02%;胶结物含量10%～64%,平均35%,主要为灰质和泥质,胶结类型多为基底式。根据岩性特征、沉积韵律、旋回、砂地比、孔隙度、沉积相和含气性的综合分析,张家坡组地层由上而下可进一步划分成上张家坡组、中张家坡组及下张家坡组。

上张家坡组厚381～428 m,顶面海拔在-850～-700 m;砂岩孔隙度16.0%～56.3%,平均31.37%,砂岩孔隙度分布频率显示大于30%居多,占57%,多属特高孔隙度储层;砂岩渗透率4.62～15 268.26 mD,平均477.25 mD,渗透率主要分布在10～100 mD,占54%,多属于中高渗透率储层。中张家坡组厚382～452 m,顶面海拔在-1 250～-1 100 m;砂岩孔隙度11.1%～58.1%,平均31.9%,砂岩孔隙度分布频率显示大于30%居多,占62%,多属中高孔隙度储层;砂岩渗透率0.8～5 665.3 mD,平均400.6 mD,主要分布在10～100 mD,占36.5%,多属于中高渗透率储。下张家坡组地层厚度在400 m 左右,顶面海拔-1 650～-1 550 m;砂岩孔隙度11.1%～50.5%,平均28.9%,砂岩孔隙度分布频率显示大于15%～25%居多,占43%,多属于中高孔隙度储层;砂岩渗透率0.8～6 078.9 mD,平均628.2 mD,主要分布在10～100 mD,占30.9%,多属中高渗透率储层。同时,LW区上、中、下张家坡组孔隙度和渗透率之间均存在明显的正相关(见图3～图5),且数据相关性很高,说明其孔隙结构比较单一,即LW区张家坡组储层为孔隙型储层,上张家坡组物性好于中下段。

2 水溶气求产工艺及方案

2.1 求产工艺

水溶气井以水为主,水的含气量相对稳定,获得地层水产能参数即可计算水溶气井产能,相关参数包括地热流体压力、产量、温度、采灌量比及储层物性等参数。水溶气井井口压力较小或为负压,其求产装置较为简单,包括抽汲设备(螺杆泵)、井口采油树、气水分离器、输气和排水管汇、气表(涡街流量计)、水表、排污池和火炬等(见图6)。在选择气表时应选择计量下限较小的涡街流量计,一般小于10 m3/h;排污池尺寸则要求较大,应保证整个求产过程的排水需求。

2.2 求产方案

地热资源地质勘查规范[13]对单井试验做如下规定:一般情况做三次压降的稳定流或非稳定流实验,最大一次降压的延续时间不少于48 h,单井产量小于10 m3/(d·m),流体压力持续下降的应适当延长实验时间。实验期间宜采用井下压力计测量压力变化,条件不具备时直接测量动液面深度,依次推算井口压力,注意测量孔内流体温度。水溶气井可借鉴地热井测试规范,借助螺杆泵求取最佳抽水量和稳定气水比,确定水溶气产能。水溶气求产核心是取得水溶气稳定气水比条件下的大产量,应选取后阶段的参数作为求产依据。求产前期,由于钻井或前期作业导致原始地层压力降低,水溶气在井筒内或邻近井筒的地层内自然分离,其特征为井口水温较低,产气量、产水量以及气水比处于不稳定状态,随着求产阶段的逐步深入,井口水温、产气量、产水量和气水比等参数趋于稳定。LW区某井张家坡上段通过以上工艺及方案,抽水试验稳定后求产结果为:单井产水量约240 m3/d,产气量约800 m3/d,气水比1∶3.3,温度约50 ℃(见图7)。

3 水溶气试采存在的问题

渭河盆地水溶气主要富集层段为埋深较浅的张家坡组,该储层为新生界新近系地层,沉积时间短,仅为300万年,与我国东部渤海湾盆地部分含油气层位沉积时间相仿。因此,在试采过程中存在以下三方面主要问题:

1)渭河盆地水溶气主要产层段位于张家坡组上段,上覆压力较小,地层极为疏松,胶结作用微弱,压实作用对孔隙的挤压作用较弱。此外,该段岩性较细,地层砂筛析结果表明,粒度中值为0.063 mm,岩性以细粉砂岩为主,黏土含量高,无大的格架砂阻挡微小颗粒,极易出砂,造成砂埋产层段事故。

2)试采的多口水溶气井均有出砂现象,且含砂量极高,高达20%,抽水泵瞬间砂卡、磨蚀设备,检泵频率极高,经常造成极高的维护成本。部分出砂岩大的水溶气井已经出现地层坍塌现象,导致套管变形、单井报废,常造成水溶气井几乎无法正常测试运行和巨大的经济损失。

3)在前期水溶气单层测试工作过程中,地层水含砂量极高,严重影响水溶气正常试气、求产工作,致使单井无法获得真实产能状况,难以为商业化开发提供可靠、稳定的第一手数据,甚至曾一度对该地区资源储量产生质疑。

渭河盆地张家坡组出砂问题,严重制约水溶气产业的发展,因此水溶气井防砂是解决水溶气能否商业化生产的重要技术,事关水溶气产业未来工业化发展。

4 水溶气防砂技术

为解决张家坡地层出砂问题,了解水溶气井实际产能状况,为地热水溶气工业化开发提供技术参数,科学合理地选择防砂技术至关重要。目前,防砂方法主要有机械防砂、化学防砂、焦化防砂和复合防砂四大类[14-15],其防砂方式优劣对比如表1所示。

表1 防砂方式优劣

渭河盆地水溶气防砂方法的选择要点:①考虑渭河盆地水溶气井产层多、层间跨度大、非均值性严重,大跨度近800 m,地层砂细、出砂严重的特点;②水溶气品位较低,对经济性要求较高,成本控制是关键;③水溶气井产液量是油井的近十倍,防砂既能防止地层细小砂进入井筒,又要保证单井产能。综合经济成本、作业风险、地层适应性以及后期处理等因素,渭河盆地张家坡组水溶气生产不适合应用化学防砂技术,砾石充填、压力防砂易形成砂桥,导致充填不密实,施工成本增高,因此,选择机械管柱防砂为宜。

经多方调查研究,采油技术中应用广泛的精密滤砂管防砂工艺为最佳选择。精密滤砂管防砂工艺是一种机械防砂工艺,主要是依据现场砂样粒度分析资料,科学选择合理的精密滤砂网,制作适应水溶气井生产的高强度、耐腐蚀、径流量大的防砂管(见图8)。通过井下作业将防砂管下入井筒,使用防砂管和封隔器封隔产层段与非产层段,滤砂网将地层水携带的地层砂过滤,仅有地层水进入井筒直至井口,从而达到滤砂采水效果。

5 精密滤砂管防砂试产案例

以LW区某井防砂求产作业为例,开展水溶气井精密滤砂管防砂求产先导试验。

第一阶段:环控与套管共同生产,平均抽水速度4 m3/h,持续30 h,累计产气984 m3、产水120 m3,平均产气32.8 m3/h,气水比8.2,动液面-89 m。第二阶段:持续70 h,累计产水量517.33 m3、产气量5 672.83 m3,平均产水量为7.5 m3/h,平均产气量81.04 m3/h,日产水180 m3,日产气1 945 m3,气水比10.8,动液面-135 m。第三阶段:增大泵速至250/40 Hz,14 h平均产水13.6 m3/h,平均产气123.64 m3/h,日产水326.4 m3,日产气2 967.45 m3,气水比9.1;继续增大泵速至300/50 Hz,共试采5 h,最大产水量16.622 m3/h,最大产气量175.14 m3/h,平均气水比为8.69,此阶段气液产出不稳定。降低泵速调至200/30 Hz,12 h产水136.46 m3,平均10.5 m3/h,产气1 137.9 m3,平均94.83 m3/h,气水比9.03,动液面-266 m。第四阶段:继续降低变频器输出频率,试采73 h,累计产水575.5 m3,产气5 429.14 m3,平均产水7.9 m3/h,产气74.4 m3/h,气水比9.4。

按照抽水量4、7.5、10.5 m3/h以及降深89、135、266 m三个落程数据,绘制抽采量Q与降深S的曲线类型为抛物线型(见图9),曲线方程为Q=-0.000 1S2+0.0756S,R2=0.999 5。由此可知:该井的最大涌水量为14.23 m3。生产过程中若抽采速度大于14.23 m3/h将造成动液面持续降低,无法有效地进行可持续、稳定的生产活动。同时,从气水比曲线(见图10)可以看出,在抽采速度大于7.5 m3/h,由于气水分离不够彻底,气水比趋于下降态势。

因此,通过四个阶段测试尤其是第二、四阶段的试验,基本上可以确定最佳抽水量及额定泵速(频率),100 r·min-1/50 Hz为该井最佳转速范围,求得气产量为81 m3/h,日产气1 945 m3,气水比10.8。

6 结论

渭河盆地固市凹陷张家坡组生物气生、储、盖组合优良,纵向上具有多套烃源岩与储层砂岩组合,且储层砂岩物性极好,均属高孔高渗砂岩储层。LW区水溶气井防砂求产进一步证明了渭河盆地固市凹陷良好的天然气资源前景。

1)首次创新性地将常规油气井防砂工艺技术引入渭河盆地水溶气井,精密滤砂管防砂工艺技术有效解决了地层疏松、出砂严重,地层出水量大、携砂能力强以及气层多、层间跨度大、防砂难度大等问题,明显控制出砂量小于0.03%,实现了水溶气井连续求产。

2)首次完成水溶气井长时间求产工作,单井产量由之前的最高620 m3/d,提高至平均2 000 m3/d,气水比由3.4提高至10.8,获得了第一手数据;同时,据多项数据综合测算,基本可实现商业化生产,经济效益可观。

3)机械管柱防砂是在完井状态下适合渭河盆地水溶气井的防砂方法,但其缺点也较为突出,精密滤砂管寿命一般为10年,后期施工成本较高,且施工难度大,处理较为复杂。因此,水溶气井防砂方法的选择、创新是水溶气开发的关键,需要不断在实践中探索、完善,达到费用低、操作简单、效果稳定、有效期长的目的。

4)水溶气井求产层位多、层间跨度大,最大跨度约800 m,属于典型的多层混采。因此,由于层间干扰的存在,目前的产能很可能存在着巨大损失。若进行精细化研究,分层试采,尽可能消除层间干扰带来的影响,渭河盆地固市凹陷张家坡水溶气产能可获得进一步突破,LW区某井单层试采结果显示最高气水比已达到1比100左右。