地下储气库扩容达产阶段配产配注方法

李 春，钟 荣，3，王皆明，张士杰，孙军昌

(1.中国石油勘探开发研究院 河北 廊坊 065007；2.中国石油天然气集团公司油气地下储库工程重点实验室 河北 廊坊 065007; 3.中国石油大学(北京) 北京 102249；4.中国石油新疆油田公司 新疆 克拉玛依 834000)

0 引 言

目前我国已建成了25座用于城市季节调峰的地下储气库，这些地下储气库的陆续建成并投入运行，极大地缓解了我国冬季季节调峰的压力，为天然气管道的安全、平稳供气做出了重要贡献[1-4]。从气藏工程角度，结合储气库多年建设运行经验，可将储气库划分为建设投产、扩容达产和稳定运行3个阶段。其中扩容达产阶段主要特点是采取过渡循环注采方式强化注气，逐步将压力运行区间、库存量向设计值靠拢；同时实现气液界面扩展和振幅逐步趋向稳定。由于这一阶段压力、库存及地层流体流动多处于不稳定状态，必须立足于每个单周期针对性开展注采井动态研究，建立相应评价方法，重点是井注采气能力及动用库存量滚动评价，指导该阶段优化配产配注。

1 井注采气能力周期变化修正

1.1 储气库井地层稳定渗流方程改进

储气库在交替注采过程中，由于前期气藏开发油水侵入或应力敏感等因素影响，地层渗透率可能发生一定变化，足以导致井产能产生较大改变。因此，针对储气库井多周期流入动态变化，有必要对传统拟压力函数表达式进行修正，重新建立储气库井地层稳定渗流方程，从而准确预测气井多周期注采气能力变化。

唐立根等人考虑了水体侵入和储层应力敏感对储气库井产能的影响，并通过修正传统拟压力函数表达式的方式，提出了储气库井地层稳定渗流方程修正式[5]。修正的二项式产能方程为：

(1)

式中，φ(Pe)为修正后的广义边界拟压力，MPa2/Pa·s；φ(Pwf)为修正后的广义井底拟压力，MPa2/Pa·s；qsc为标准状况下产气量，m3/d；系数A、B表达式如式(2)和式(3)所示，与修正前完全相同。

(2)

(3)

式中，T为地层温度，K；K为气层有效渗透率，μm2；h为储层厚度，m；re为供给半径，m；rw为井筒半径，m；S为表皮系数；β为描述孔隙介质紊流影响的系数，称为速度系数，m-1；γg为天然气相对密度，空气为1.0。φ(P)为修正后的广义拟压力，具体定义为：

(4)

储气库井注采气能力评价时只需修改气藏开发试井产能方程式左端的拟压力项，便可得到不同压力下的产量。

1.2 利用平衡期稳定试井确定地层稳定渗流方程

气田开发产能试井方法也适用于储气库气井，但储气库交替注采过程中，地层渗流能力会发生变化，因此每个注采周期均需开展产能试井。为了不影响储气库气井正常注气或调峰采气运行，一般选择平衡期开展稳定试井以确定地层稳定渗流方程。

3种经典试井方法是目前现场常用的方法[6-7]，即：回压试井法、等时试井法和修正等时试井法。根据储气库储层特征和注采方式，选择合适的产能试井方法。回压试井法具有资料多、信息量大、分析可靠的特点，关键是稳定测试前地层压力是否准确，是否达到稳定或拟稳定流。现场实施时，流动压力达到稳定很困难，为了达到稳定，需要长时间开井，而长时间开井后，对于某些井层，又造成地层压力同时下降，这就限制了回压试井法的应用。1955年Cullender等提出了“等时产能试井法”，大大缩短了开井流动时间，但是每次开井后都必须关井恢复到地层压力稳定，因此并不能有效地减少测试时间。Katz等于1959年提出了修正等时试井法，这一方法克服了等时试井的缺点，实际测试时只要求所有工作制度下的开井生产时间和关井恢复时间一样，操作十分简单，既缩短了开井流动期时间，也缩短了关井恢复时间，特别对于低渗透或特低渗透气井比较适用。

1.3 井注采气能力节点压力分析方法[8-10]

储气库气井注采气能力评价与气田开发相同，考虑地层稳定渗流、井筒垂直管流、管柱冲蚀流量、临界携液流量、临界出砂压差等，采用气井节点压力分析方法确定气井合理注采气能力。不同之处在于，地层稳定渗流应采用上述改进拟压力函数形式的产能方程或多周期平衡期稳定试井确定的地层稳定渗流方程。

2 不稳定流动井控库存诊断分析与预测

在扩容达产阶段，若已完成1个及以上的注采周期时，可采用气井现代产量不稳定分析方法确定近井地带地层参数和井控库存等重点参数[11-12]，进而根据注采运行压力、时间等优化气井配产配注。

2.1 定性诊断流动状态

采用不稳定流动模型进行流动状态诊断，主要根据实际生产曲线与典型理论曲线的差别定性判断流动状态、生产指数变化(表皮增加或降低)、井间干扰、外来能量补充(边底水情况)等。

2.2 定量描述储层参数

采用典型曲线拟合方法，通过实际生产数据与典型图版拟合，反求储层参数，可得到单井控制储量、控制半径、储层渗透率、表皮系数、裂缝半长等参数；通过多周期拟合参数对比，可分析气井井控范围变化、储层渗流条件的改善等。

2.3 评价动用库存和井控半径

动用库存和井控半径是气井不稳定分析中的重要参数，主要用于评价库存的动用情况、气井井控范围及未控制有利区域等，用目前井控半径或预测井控半径作为下周期气井井控半径参数，开展气井配产配注研究工作。

对没有开展现代产量不稳定分析的储气库，单井动用库存和井控半径可借鉴已建储气库，如某库群气井井控半径与储层有效渗透率之间的关系图版，如图1所示。在具体应用时，可根据建库储层有效渗透率，从井控半径图版读取相应的井控半径，类比储气库建库条件及注采时间，确定不同气井的合理井控半径。

图1 某储气库井控半径与储层有效渗透率关系图版

2.4 单井配产配注量

以注气为例，假定在一个完整注气周期内，气井从目前地层压力注气达到方案设计上限压力。利用物质平衡原理，注气周期内井控半径范围内的累计注气量Qgin应为：

(5)

根据储气库方案设计的注气天数，则可得单井日配注量为：

(6)

式中，Qgin为配注周期累积注气量，m3；rc为配注周期气井井控半径，m；φ为储层有效孔隙度，无因次；Swr为残余水饱和度，无因次；BgPmax为注气达到上限压力时的天然气体积系数，无因次；BgP为目前地层压力对应的天然气体积系数，无因次；tin为周期累计注气天数，d。

利用式(5)和式(6)计算出单井日均注气量，作为最终合理日注气量的对比数据。采气类似于注气过程，但压力是从目前地层压力降到设计下限压力，公式中相关参数用对应的压力值代替即可。

3 储气库宏观注气速度控制

对于有边水的储气库，如果宏观注气速度过快，在注气压差的作用下，注入的天然气可窜入水域。尤其构造平缓、构造幅度低时，重力作用小，气窜现象更明显。同时在高速强注过程中，储层非均质性更加凸显，加上气水流度比的显著差异，气体黏性指进现象更加严重，大大降低了建库驱替效率。

为保持稳定的气水驱替前缘界面，考虑重力驱替作用(地层倾角)和气水流度比因素，建立稳定气水界面的临界流速公式，通过控制宏观注气速度，从而实现气驱水前缘稳定推进，提高驱替效率的目的。临界注气速度公式为[13-14]：

(7)

式中，qind为临界注气速度(迪茨法)，m3/d；A为流体过流截面积，m2；K为气层有效渗透率，μm2；Krg为气相相对渗透率，无因次；μ为气体粘度，Pa·s；ρw为地层水密度，g/cm3；ρg为天然气密度，g/cm3；Bg为天然气体积系数，无因次；α为地层倾角，(°)。

显然，迪茨公式主要考虑了重力驱替作用和气水流度比差异对气驱水渗流的影响，随地层倾角增加，临界速度增大，表明重力作用有助于形成稳定的气—水驱替前缘，因此高倾角构造有利于气体储存，而低倾角、平缓构造不利于气体储存，存在气体指进现象，大幅度降低气驱效率。

表1为某储气库井不同有效渗透率和气水前缘距离下的临界流量，在给定的地层压力和有效厚度条件下，该井临界流量为(11.1～50.1)×104m3/d；注气初期气水前缘距离较近，临界流量较小，因此初期注气速度不应高于11×104m3/d，末期注气速度不应高于50×104m3/d。

表1 某储气库井临界流量计算结果表

4 扩容达产期合理配产配注方法

针对扩容达产阶段配产配注，应综合利用上述气井注采气能力修正、井控库存评价及宏观注气速度3种方法。多因素预测气井的注采气量，而合理的配产配注应综合考虑各种因素，以最小气量作为合理的配注配产气量。

4.1 注气周期合理配注方法

注气周期内，单井需要考虑注气能力修正、井控诊断分析与预测及注气速度控制3方面，即：

qin=min(qinx,qinr,qind)

(8)

单井注气周期累计注气量Qin为：

Qin=qin×tin

(9)

储气库注气周期日均注气量qink、累计注气量Qink分别为：

(10)

(11)

式中，qin为日注气量，m3/d；qinx为节点压力分析的修正注气能力，m3/d；qinr为井控诊断预测注气能力，m3/d；qind为临界注气速度(迪茨法)，m3/d；Qin为周期累计注气量，m3。

4.2 采气期合理配产方法

采气周期内，单井需要考虑注采气能力修正、井控诊断分析与预测两个方面，即：

qg=min(qgx,ggr)

(12)

单井采气周期累计采气量Qg为：

Qg=qg×tp

(13)

储气库采气周期日均采气量qk、累计采气量Qk分别为：

(14)

(15)

式中，qg为日采气量，m3/d；qgx为节点压力分析的修正采气能力，m3/d；qgr为井控诊断预测采气能力，m3/d。

利用式(8)至式(15)可以完成储气库和单井配产配注气，上述方法考虑了各种影响注采运行的因素，注采气量预测较为准确。

5 实例分析

国内某砂岩气藏型储气库于2013年投入运行，投产初期有15口井注气，采用上述方法开展单井优化配产，其中对于井注气能力修正，试注井可求取地层稳定注气方程，无试注资料井主要借鉴相邻井注气方程或试气资料得到的产能试井，再根据节点系统方法评价井注气能力；井控预测注气能力主要借鉴国内某储气库井控半径与储层有效渗透率关系图版(图1)，进而预测气井井控半径和注气能力；宏观注气速度采用公式(7)进行预测。单井优化配注结果见表2。

表2 某储气库第一注气周期优化配注表 (104 ·m3·d-1)

从配注结果来看，由于改建气库的储层物性较好，地层吸气能力较强，单井地层注气能力(62～154)×104m3/d；受单井储层物性、井控半径、注初注末压力等差异大的影响，单井宏观注气速度差异较大；而受投注初期注气时率和高速注气井控半径有限的影响，井控预测注气能力一般小于地层吸气能力和宏观注气速度，单井井控预测注气能力(35～111)×104m3/d；因此，储气库扩容达产阶段单井配产主要受井控半径影响，但注气初期单井注气速度仍要略低于配注数值，以免注入气快速指进。

从投产初期实际运行效果来看，注气气驱前缘推进均匀，没有明显的气体指进现象，从高部位向低部位依次具有压力梯度，形成了逐次驱替的良性循环，波及效果比较理想。运行实践表明单井配注量是合理的，气驱扩容效果跟预期基本一致，为形成最大的有效库容奠定了坚实的基础。

6 结论

1)扩容达产阶段配产配注应以井周期修正注采气能力为基础，以不稳定流动井控库存、宏观注气速度等为约束条件，亦即考虑井控范围物质平衡和稳定气水界面，从而达到最优的气驱扩容效果和最大有效库容。

2)本文建立的方法具有普遍适用性，可用于计算储气库扩容达产阶段周期注采气能力，为确定储气库注采方案关键指标提供快速、有效的方法；同时，也可用于对比评价已运行储气库的注采指标合理性。