不同裂缝贯穿气藏水侵机理研究全解

不同裂缝贯穿气藏水侵机理研究
第1章绪论
1.1国内外研究现状
1.1.1气藏水侵机理研究现状
Frederick等人[14]使用CMS800自动岩心测量系统，在岩心存在束缚水和可流动水饱和度两种情况下，重点分析孔隙度、非达西流动系数与渗透率以及岩心含水饱和度等存在的关系，实验过程中采用24块岩芯，各个岩芯的渗透率不同，在0.00197md～1230md范围内，岩芯上增加的围压变化区间为1000psi到5000psi之间，由试验数据显示，岩心含水饱和度变化后直接影响非达西流动系数，计算后得到三种不同的非达西流动系数的经验表达式。

Reid等人[15]研究了气体在存在气水系统的多孔介质中的高速流动，根据试验结果可得，当前只能针对可动液体与不可动液体影响非达西流动系数与渗透率问题进行定性研究，对比可动液体与不可动液体，前者影响非达西流动系统与渗透率远远高于后者，若采用定理方式对影响情况加以研究，难度较高。

通常，研究油气藏渗流力学问题时[16]，应用核磁共振成像技术。

周克明等人[17]参考现场岩心样品的铸体薄片的孔隙结构，通过应用激光刻蚀技术，完成可视化均质孔隙、裂缝～孔隙气水两相物理模型。

这是目前较为先进，也是使用最广泛的实验研究方法。

完成试验内容包括封闭气形成机理与气水两相渗流机理等，同时针对两种不同模型的气水微观渗流机理进行研究，分析水沿裂缝的流向规律与变化，形成封闭气流程，得到气水两相微观分布关系，以及封闭气的采出模式等。

1.1.2水侵气藏数值模拟现状
罗涛等人[18]为模拟复杂的单井边界，采用了多边形网格剖分技术，为模拟裂缝水串现象，基于离散网格体系，空间定位大裂缝走向。

通过对裂缝水串气藏的开采机理进行研究，获得如下内容：底水以裂缝作为渗流通道，底水具有活跃性高的水侵气藏，钻井过程中需要将水层钻开，划分气区与水区，实现分区开采，可以有效降低两个区的压力，减少底水锥进现象，提高该类气藏的采收率。

严文德[19]针对低渗透气藏的复杂渗流特征，建立了低渗透气藏气-水两相渗流综合数学
模型，该模型综合考虑了滑脱效应以及启动压力梯度两个影响因素。

进行数值求解采用了MIPES算法，利用计算机软件编程一套数值模拟软件，应用于低渗透气藏中，采用计算机与数值方式求解数学模型；对低渗透气藏气井产量计算过程中，得到气井稳态在滑脱效应与启动压力下的产能公式；通过编写的模拟器，对低渗透气藏开发受到滑脱因子与启动压力梯度产生的影响，完成实例分析等。

张岩等专家[20]在碳酸盐岩裂缝型有水气藏的基础上，详细描述数值模拟一体化气藏评价技术与裂缝型气藏三维地质建模等。

基于三维地质建模技术，参考测井测试资料与地质文献，建立对应的断层模型、裂缝模型以及底层格架模型等，作为初始静态地质模型，应用于气藏数值模拟中。

补充与完善数值模型时，参考生产动态测试数据，并利用数值模拟技术实现。

再预测与评价多种不同的开发方式，包括增压开采技术、排水采气工艺以及采气速度等，最终制定的开发方案与实际相符。

由生产数据显示，配合管理开发阶段时，通过气藏一体化评价技术效果更好，作为基础，有利于调整气藏调整开发计划。

张居增等专家[21]经过实施大量室内实验与气田开发后，发现低渗透气藏岩自身缺陷，表现为连通性效果差、石孔隙喉道狭空隙小以及渗透性差等，同时由于气体、固体以及液体之间具有的吸附力不同，低渗透气藏时会出现压力梯度被开启等问题；开发气藏过程中，储集层岩石形状改变后严重影响渗透率。

线性达西定律基础上，得到普通气藏数值模拟技术，在此不能精确的叙述介质出现变形后的状态与压力梯度。

在以前专家的研究成果上，创建气藏非线性渗流数学模型，将介质变形与压力梯度等因素考虑在内，应用正交极小化法与全隐式技术于模型中，通过大量实例与应用表示创建的数学模型可靠性更高。

研究低渗透变形介质气藏时，开发气藏情况受到两项因素影响，包括启动压力梯度与动态变化的存储层渗透率。

李勇等学者[22]制定双重介质组分模型数值模拟法，主要应用于裂缝型凝析气藏中，可以对裂缝型凝析气藏开发情况采用动态方式模拟，在此需要规划拟组分数，针对单个岩块创建对应模型，该模型包括双重介质与单重介质精细两种，对双重介质模型中的毛管力曲线重新调节，从而可以获得计算单重介质精细模型数据。

创建拟毛管力曲线，基于上述开始深入研究并模拟双重介质组分数值。

由研究数据可得，应用双重介质组分模型后，可以准确的对裂缝型无水凝析气藏在生产中的形态准确模拟；若裂缝中存在水凝析气藏，对比生产真实动态与模拟状态，两者相差大，应用拟毛管力曲线后模型后，得到的模拟数据准确性高。

应用该方式，模拟塔里木盆地塔中Ⅰ号气田中产生的裂缝凝析气藏在生产中的状态。

由数据显示，上述方式可以用于数据模拟裂缝型凝析气藏，可以更加真实的动态模拟开发气田过程，指标模拟产生的误差低于百分之五。

张烈辉与张新征等专家[23]基于四川盆地气藏实际地质状态，该地质表现的特性为不同裂缝之间存在较大差异、非均质性强以及出现低孔低渗等，造成气井产量下降，注水现象严重。

分析初期水侵状态与水体性质时，根据之前开发气藏是的采样数据，在物质平衡原理的基础上，创建对应的水侵动态预测模型，对水侵强度系数计算后，得到气藏被水侵后的动态指标，减少对水侵量直接计算，在求解时采用的方法为非线性最优化。

在计算气藏过程中，
采用该模型可以将水侵后的实际动态与对应的指标进行计算。

经过大量研究表示，应用上述方法得到的水侵动态与非均质气藏水体性质准确性较高，有助于调整早期控水方式，在初期开发水气控水中，表现出较佳的应用意义。

王星等专家[24]在Thomas模型的基础上，考虑低渗裂缝性气藏非线性渗流规律产生的影响，将压力梯度等因素考虑在基质裂缝窜流项中，创建低渗裂缝性气藏三维气水两相全隐式渗流数学模型。

主要研究对象为低渗裂缝性气藏中心的井，在文章模型的基础上，应用Eclipse软件对达西渗流时气井的状态进行分析，得到的计算数据相似性高；通过该模型对气井动态进行计算，其中具有基质启动压力梯度，由计算数据显示，建立的模型与实际相符。

第2章水驱气藏的定义及水侵机理
2.1水驱气藏分类及驱动方式
2.1.1水驱气藏的分类
天然气与石油领域的快速发展，带动国家经济发展，技术的革新，由此而产生油气藏分类[25]。

开发气藏过程中，其中气藏的一个类型是，水动力系统中包含水和天然气，可以较好的连通水体与天然气，水体包括边水与底水。

开采气藏过程中，地层压力降低后，气藏中会侵入一部分水体，会造成存储天然气的空间不断减小，天然气的驱动能量也得到一定补充，称上述气藏为水驱气藏。

通过水驱能量与气水关系划分水驱气藏类型，同时水驱指数也具有很大差异，可以分为两种类型的水驱气藏，分别为刚性与弹性。

弹性水驱气藏水驱指数为0.5以下，气体驱动作为主要驱动特性，水体作为有限水体，封闭性较强；通常刚性水驱气藏水驱指数高于0.5，采用水压作为驱动，作为一种无限水体。

基于气藏中存储气体与水分的分布情况，划分水驱气藏为两种类型，底水气藏与边水气藏。

水驱气藏可以按照渗流通道与储集空间进行划分，得到三种类型的有水气藏，分别为缝洞发育型多裂缝系统、裂缝～孔隙型有水气藏以及裂缝～孔洞型有水气藏。

水驱气藏由压力系统与从形成原因两方面进行划分时，可以得到三种不同类型的水驱气藏，分别为异常低压、正常压力以及异常高压等。

研究异常低压水驱气藏时，重点关注的问题为介质变形，上述问题还没有一个效果较好的解决方式，因此异常低压水驱气藏只有一部分文献中存在。

目前主要对异常高压与正常压力两种水驱气藏进行研究。

2.1.2水驱气藏的驱动方式
受到气藏能量驱动实现开采天然气，开发气藏过程中，气藏可以连接水体，出现被水侵蚀现象，抽象化水侵活跃性低与水体小的封闭气藏为水驱气藏。

气藏驱动能量类型较多，主要组成部分为岩石的弹性能、水体的能量、天然气弹性能以及束缚水弹性能等。

通过水驱气藏驱动模式，直观的对水侵程度与能量进行表示，作为基础实现编写开发方案、计算水驱气藏存储量以及预测气藏动态等。

现在判断水驱气藏驱动方式时按照物质平衡方式实现。

气压驱动作为定容封闭气藏中应用的驱动，水驱气藏分为两种类型，一种为刚性水驱，另一种为弹性水驱 [25]。

开发水驱气藏时，弹性水驱在增加开采量后对应的地层压力降低，导致水体入侵，包
括低水入侵与边水入侵，从而让气压驱动与地层压力降低，前者下降速度快。

由能量大小划分弹性水驱气藏类型，分别为强弹性水驱气、弱弹性水驱气以及中等弹性水驱气。

刚性水驱表示开采气藏过程中，在补偿能量时通过底水能量与气藏边侵入能量完成，这时气藏压力与初始驱动基本相同。

在弹性水驱中，刚性水驱作为一个特殊案例，实际气田中很难见到该驱动方式。

2.2水气藏的水侵机理
开采水驱气藏后，会降低气藏地层压力。

压力波向水驱以连续方式传递，造成地表水层侵入气藏方向。

水侵程度不断增加后，采集气藏速度随之降低，一口井开采量也随之下降，严重的还会出现水淹气井现象，增加开发水驱气藏。

因此要深入分析水侵机理，对气藏地表活动产生影响的因素进行分析，有利于进一步研究水驱气藏水侵动态，在应用中具有重大意义。

2.2.1宏观水侵机理
分析与研究实际开发水驱气藏例子，水驱气藏中边底水通过裂缝渗透。

孔隙渗透率与裂缝渗透率之间存在一定差异，基质中水体很难前进，对比裂缝与基质两种物质水体的侵入速度，前者速度远远大于前者，下图2-1表示。

目前开采天然气量降低，同时气藏压力也降低，顺着裂缝，水体会在短时间内向气井中渗透。

深入研究基质渗透率后，数据显示，基质渗透率与气藏水侵量成反比，若基质渗透率小，则会造成大量水侵入气藏，气井在短时间内见水。

经过大量气层物理实验与统计岩样水测渗透率可得，保存水驱气藏水体的空间有三种，分别为孔隙度超过百分之五的存储层、储层裂缝以及裂缝连通溶洞。

由于在实际中并非均匀分布水驱气藏水体储渗空间，造成不同区域内水体之间存在较大差别，对应的水侵动力也存在差别。

因此可以断定，由于不均匀分布水体储渗空间，造成开发水驱气藏与气井实际生产流程类型较多，也是造成水侵动态特征类型复杂的主要因素。

水驱气藏中可以选择不同水侵类型，由纵向分析，最先污染的地层水位高渗产层。

地层水由大裂缝向压力较低的井底流入，由于大裂缝自身阻力相对较低，最早被水侵的为高渗产层。

同时在该方向上还存在气层与水层交互，气水界面连续性低，不具有一致性。

图2-1
2.2.2微观水侵机理
（1）绕流形成封闭气
砂岩为裂缝—孔隙紧密型，存储空间为基块，水体由裂缝中渗流。

裂缝中侵入水体后，裂缝自身特性为水湿性与高导流能力，压力差小时，水向大裂缝中流入，在短时间内出现水窜，会造成封闭大量微细裂缝与空隙内的气体，主裂缝气相渗透率与补给能力下降，从而导
致产气量降低，对应的气体采集速度下降[26](下图2-2表示)。

图2-2
（2）卡断形成封闭气
裂缝中入侵水体后，流动方向为按照空隙与裂缝，裂缝较大时，渗流通道被水全部侵占。

若裂缝表面光滑度较差，同时孔隙喉道出现变形，依据贾敏效应生成的附加阻力[27]，造成流动气体出现卡断，一些气体还在裂缝中存储；小裂缝的水流方向是根据表面流动产生的连续相，裂缝中央气体产生珠泡与段塞，表现为连续相；水在微裂缝的裂缝表面分布，卡断气体后，形式发生改变，成为一种珠泡式，会封闭微裂缝与多孔隙中的气体，下图2-3表示。

由试验显示：驱替压差上升后，受到水动力作用，可以采集卡断后产生的封闭气体。

同时，模型出口位置压力下降，与井底流动压力下降类似，卡断会造成一定量封闭气能，出
现聚并与膨胀现象，充分发挥膨胀能量，实现气体采集。

图2-3
（3）死孔隙形成封闭气
在孔隙盲端与未连通的空隙中，会产生大量封闭气体，会在盲端与不连通孔隙中产生封闭气体，驱替压差值增加后，还是无法采集该气体。

由于驱替压差上升后，地层压力明显提升，会压缩盲端与死孔隙中的气体，可以缩至盲端与空隙中，不会向流动通道中，最终依赖水驱能量释放。

下图2-4表示盲端封闭气形成
图。

图2-4
（4）水锁形成封闭气
与高渗对比较大的裂缝，被水侵入后，水体直接包围已被大裂缝切割的基质空隙与低孔低渗砂体，受到毛细管效应 [28-29]，周围的基质空隙入侵裂缝水向，并在孔隙喉道表层产生水膜，储层自身的亲水性导致水膜扩展至整个孔喉表面，处于连续状态，这时喉道与孔隙中水膜厚度增加，气相渗流通道逐渐缩小，孔喉中部产生一定气体流动，改变多孔介质流动方式，由之前的单相流调整为多相流，增加流动阻力。

孔喉位置的水膜受到扩展，厚度增加后，气体渗流通道被关闭，实现封隔空隙内的气体，产生“水锁”现象，严重影响气井产量，停产现象也较多。

水浸碳酸盐岩裂缝型储层后，采用何种水侵方式，都会出现“水锁”现象，非均质储层生成选择性水侵过程中，基质孔隙内的气体受到毛细管力后，只能开采一半气体，剩余气体由于受到毛细管阻力，封闭在空隙中，也是影响水区域动态存储量降低的主要因素。

2.2.3水驱气藏的水侵模式
基于水驱气藏水侵机理，气藏水侵活跃度受到多种因素影响，主要包括水体能量、裂缝程度、孔隙程度、水侵活跃度以及储渗空间非均质特性等。

影响均质孔隙型水驱气藏的主要因素为，储层裂缝发育程度低与水侵活跃度低等。

裂缝型水驱气藏具有一定非均质性，开发气藏时受到裂缝水侵与水窜的影响。

裂缝型非均质水侵水气藏时，由两种方式实现，首先是裂缝发育较差的含气区受到气体入侵，出现水侵特点；其次是水体受到压力差后，沿着高深裂缝短时间内向气井窜入，突出水窜特点。

开发水驱气藏过程中，与气田水侵压力产量改变特性相结合，传统水侵模式参考[30]，划分水侵模式与类型共四种，分别为纵窜横侵型、纵窜型、水锥型以及横侵型。

（1）水锥型，下图2-4表示。

以网状形式在存储层分布大量细微裂缝，测井时表示具有双重介质特性。

底水在微观状体下，按照裂缝向上窜，由宏观分析，推进时呈水锥形状，与均质地层水锥相似。

上述类型的井上升速度慢，水量较小。

主要在气藏低渗区域出现，不会影响开采气藏与生产气井。

图2-4 水锥型水侵模式
（2）纵窜型，下图2-5表示。

该类型主要在周围或者高角度大裂缝区中，还会出现大裂缝与井筒之间直接沟通，按照高角度裂缝，底水向井中流入。

该类型的气井产生大量水体，同时速度较快，与管流特性相似，不会影响气井，短时间会淹没气井。

图2-5 纵窜型水侵模式
（3)横侵型，由下图2-6表示。

与气井靠近的位置低角度裂缝不断增大，连接井筒高角度裂缝，横向下水向井中入侵。

该入侵模式会导致在水层以下出现气层交互分布。

该类型的水井底水活动之间存在一定差异，绝大多数活跃性低，在高渗透带与中渗透带分布。

图2-6 横侵型水侵模式
（4）纵窜横侵型，下图2-7表示。

实际应用时，裂缝型水驱气藏中出现单一水侵模式现象较少，通常采用的模式为“纵窜横侵”复合式。

高渗孔洞层中分布出水井底部周围，可以连接高渗孔洞层与高角度大裂缝，在大裂缝下低水会出现上窜现象，沿着高渗孔洞层，受到横侵后气井中流出水。

上述水侵严重影响开采气藏与生产气井，从而扩大纵窜水危害至更大范围，高渗地带主产气区出现的较多。

图2-7 纵窜横侵型水侵模式
通过上述四种水侵模式，从多方面的将气藏水侵特性表现出来，开发气田过程中，纵窜横侵型产生的危害最严重。

非均质边水与非均质底水两种气藏不会出现气水界面纵横向推进现象。

底水气藏受到水侵的类型属于纵窜横侵复合型，水侵过程不连续。

边水气藏水侵类型为横侵纵窜复合型，水侵时也不连续。

经过多次水气藏水侵模式试验得出，开发水驱气藏过程中，边底水渗透渠道通常为断裂或者高渗透大裂缝发育区域。

多裂缝系统气藏与边底水气藏属于裂缝型非均质，基本特性方面与水气藏水侵过程类似。

综上所述，气藏受到水侵后出现水驱气藏水体沿着裂缝产生水窜。

基于多种类型的水驱气藏，对应使用的开发特性与方式存在差异。

开发水驱气藏初期搜集大量与动态有关的资料，完成分析气藏、识别前期水侵现象以及研究水侵动态特性等。

由此应用的开发方式与气藏特征之间相满足，对气藏生产情况实现动态化调节，确保生产水驱气藏的稳定性，采集水驱气藏效率也得到很大提升。

2.3水侵影响因素以及对气藏生产影响分析
2.3.1影响水侵的因素分析
地质因素与开发因素作为影响水气藏的水侵特性的主要方面，由于存储气藏层产生大小不同、分布不均的裂缝，受到水驱能量与基质渗透率差异的影响，导致水气藏水侵受到一定影响。

开发过程中，由于开采速度不同，以及井网部署与气井单井配之间具有差异，作为影响气藏水侵的主要因素。

下面详细描述水气藏水浸的主要因素：
(1)水侵受到基质渗透率的影响
开发气藏时，影响水侵的主要问题是边水入侵与不同的基质渗透率。

若气藏基质渗透率小，则根据主裂缝地层水向气藏主体位置侵入，缩短了气井见水时间，表现出显著的水封问题，影响开发效果。

(2)水侵受到存储渗透空间的影响
非均质有水气藏内，以不均匀的方式分布水体储渗空间，不同区块中的水体能量也存在差异，影响该区块内的水侵动力，造成在高渗透能力的储层最先出现水侵现象。

有水气藏水侵受到分布储渗空间的直接影响，对其有决定性。

(3)水侵受到裂缝长度与渗透率的影响
影响水侵的地质因素包括裂缝长度与裂缝渗透率，通常，若该地质基质渗透率较小，则水平方向的渗透率也相对较低，无水开采气藏时周期较短，气藏受到大量水侵后，会缩短气井见水时间。

由于高渗层只需较小的生产压力，井底周围压力降低后，水体很难向气层进一步推进。

除此以外，对比垂向渗透率与水平渗透率值，与无水开采气藏周期之间成反比，该值越高，开采周期与时间越短，气井也可以在短时间内见水，气藏对应的受到较大水量侵入。

开采程度相同时，气井产出大量水，相应的水气比较高。

水气比受到裂缝密度影响，通常不会影响气藏水侵量。

同一条件下，裂缝密度与水气比成正比。

裂缝长度增加后，沿着裂缝地层水直接侵入气井，在短时间内见水，水气比也快速上升，开采气藏效率下降。

(4)水侵受到井底隔层影响
井底隔层在水侵水气藏时不会产生太大影响，主要是影响气藏最终的出水时间。

隔层与井底之间相距较远，地块面积小，对应的出水时间早。

(5)水侵受到开采速度的影响
影响水侵的开发因素为开采气藏速度，开采气藏速度高，对应的需要较大生产压力差，井底就会产生一个低压带，井底周围在水体的快速推进下，短时间内气井会见水。

开采气藏
速度主要影响无水采收率与有水气藏的无水开采气藏时间。

提高开采速度后，缩短气井出水周期，无水采收效率下降。

(6)水侵受到生产压力差的影响
生产压力差值超过标准值后，会造成短时间内边水舌进与底水锥进。

生产压力之间差值增加后，地层水会短时间内向井底推进，气井也可更快见水，甚至早期气井受到突发性水淹现象。

2.3.2水侵对气藏生产的影响
详细分析气藏水侵的不同类型后，更加清晰的了解到开发气藏过程中受到地层水侵的影响与危害，下面由几方面详细展开与介绍：
(1)高渗透带与地表裂缝，地层水沿着以上直接向气藏中侵入，造成封闭部分气藏区，产生封闭气体无法被开采。

除此以外，水侵储层后，地层天然气发生变化，由之前的气体单相流向气水两相流改变，严重阻碍流动性，开采气藏效率也受到很大影响。

(2)气藏中产生水体后，受到渗吸影响，水层侵入气藏时沿着基质与裂缝，气相渗透率与主裂缝补给能力大幅下降，造成产气量降低，对应的开采气藏速度也下降，降低至气藏递减期。

(3)气井中产生水后，自喷生产管柱与自喷生产管柱中生成气水两相流动，会损失大量气藏能量，从而降低气藏生产能力，无法连续性生产，甚至严重的会造成水淹而停止生产，大大缩短自喷采气周期；除此以外，出现气水两相流后，气藏废弃压力上升，但是对应的采气效率下降。

(4)水井水淹后停止生产，及时排除水体可恢复正常生产，采气费用投入较大；一般情况下，地层水中具有Cl-、H2S一级CO2等物质，会对设备造成腐蚀，主要设备为集输管线、生产管柱以及井口装置等，对气井正常与安全生产造成很大影响，开采难度也提高，还需要投入更多资金处理地面无水，企业经济效益大幅降低。