提升气藏工程矿场应用水平的“1+4”模式

蔡珺君 ，张毅 ，董翱 ，张士超 ，王爱明 ，徐娇

（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.中国石油青海油田分公司采气二厂，甘肃 敦煌 736200；3.中国石油青海油田分公司勘探开发研究院，甘肃 敦煌 736200）

1 气藏工程的矿场需求

“十四五”是中国天然气工业的大发展期。 2021年，中国天然气产量达到 2 051×108m3［1］，预计到 2025年末将达到 2 270×108～2 500×108m3［2-4］。 “十三五”至“十四五”有碳酸盐岩、前陆构造、岩性地层和非常规等4个主要勘探开发领域［5］。面对日益复杂的勘探开发对象，气藏工程矿场实践面临挑战，急需破解这些难题的新理念、新技术、新实践，创新探索出一条提升气藏工程矿场应用水平的新路。

气藏工程包括气藏工程理论和气藏工程技术。气藏工程理论是以实验和数理逻辑为基础，围绕油层物理、渗流力学和统计学等学科建立的理论体系。气藏工程技术，是在矿场围绕 “储量有多少”、“流动通道能力”、“产量是否稳定”这3个核心问题，通过一定的理论方法，在掌握气藏产量、储量、压力等核心参数之间的规律后作出开发预测指标，支撑和促进气藏的合理、科学开发，其主要技术内涵是产能评价、储量评价和渗流规律等［6-9］。

矿场对气藏工程技术的需求是数据测试方便、资料录取作业成本和安全风险低，关键参数求解要在避免大量繁琐和复杂计算的前提下满足一定的精度要求，因此矿场气藏工程技术具有简单实用的属性。在20世纪60—90年代的四川、大庆、塔里木天然气会战过程中，高校和科研院所不少学者根植于矿场，推导出了一系列简单实用的理论和方法。这些方法在推导和建立过程中尽量抛弃了高深的理论，以简单实用为导向，具有密切联系实际、简明实用的特征［10-12］。

校企分离后，气藏工程的新理论和方法主要发展于高校，发展方向逐渐脱离矿场简单实用的精神，与矿场需求逐渐相背；而在矿场上，经典气藏工程技术得到了传承和延续。以气井产能评价为例，在中国知网数据库检索“气井产能”，发现不少高校学者主要通过引入滑脱效应、启动压力梯度和高速非达西效应，考虑两相或多相流等概念建立更复杂的渗流模型［13-23］，然而由实验观察到的滑脱效应等现象难以在矿场录取的数据中得到反馈和响应，因此这些理论未能发展出实用的技术。矿场方面，最多的应用是对陈元千“一点法”进行修正，例如龙岗、长庆和苏里格气田［24-26］，但其他矿场研究手段凤毛麟角［27-29］。由此可见，局限于方法和概念的思维限制了矿场技术的发展，因此必须探索一条提升气藏工程的生命力及适用性的路子。

《西方科学史》指出了技术的内涵，书中言道“所谓技术，是指人类为了生存与自然和谐共处的适应之法，它具有对经验的观察和学习的属性”［30］。从这个角度讲，气藏工程技术应当回归到“观察和学习”的导向中去。近5 a来，随着四川盆地复杂海相碳酸盐岩气田的高效开发，一批具有开拓精神的气藏工程实践者在“1+4”模式方面进行了有益的探索，过程虽然艰难，但确已见到明显的效果，证明了方向的正确性。采用“1+4”模式，通过不断的实践、发展、修正和完善，必然能够打破传统思维的束缚，进而提升气藏工程的矿场应用水平。

2 “1+4”模式的概念及内涵

所谓“1+4”模式，即明确1个概念，扩展4个研究维度，指的是以气藏工程研究对象的概念为核心，明确该概念的时效性，判断该概念能否满足目前特定气藏研究对象的描述需求，并紧密围绕开发技术对策，研究向上游拓展至气藏地质特征，理论描述紧扣矿场可靠的动态资料，空间上拓展至其他气藏的经验积累，并以此为基础做出气藏工程研究对象的判断、推演和论证的工作模式。

2.1 特定概念

概念是逻辑的起点，概念的产生和发展是认识过程量变到质变的产物。由于认识是不断发展的，因此概念也是不断发展的，提出一个特定概念是某个阶段认识的终结。如果研究对象的描述概念是某个阶段提出的，却又不能满足当前实践阶段的认识，那么这个概念的表述是需要更新的［31］。

以“气井产能”概念为例［32］（见表 1，据文献［32］修改），传统认识一致认为气井的绝对无阻流量（qAOF）是反映气井潜在产能的重要指标。这一概念的得出基于数理逻辑，因此油藏工程师概念中的“气井产能”就等同于“qAOF”，产能评价就等同于产能方程建立或qAOF计算。事实上，气井开井后在不稳定渗流过程中泄气半径不断增加，参与流动的储量随之增加，直至达到渗流边界。因此，构成气井产能的要素应当包括储量、流动和稳定，其核心内涵应当包括“有没有、通不通、定不定”3个方面。

表1 气井产能概念的不同表述

基于此描述角度，气井产能的概念可以扩展为：qAOF是表征气井潜在产能的重要指标，它是时间的函数，用于描述气井开井持续到某时间节点泄气半径内储量的流动能力。同样数值的qAOF气井潜在生产能力可能存在差异。如果气井的储量大，但渗透率较低，表现出来的产能往往较小；如果气井的储量小，但渗透率较高，则表现出较大的产能，例如裂缝型气井。因此，在产能评价过程中，需要明确的内容除了qAOF之外，还有qAOF与时间的关系，以及构成qAOF的关键指标，如储量、储层流动能力及其与时间的关系，也是需要重视和掌握的。将气井产能新概念应用于四川盆地安岳气田，复杂地质条件下的气井产能评价问题得以简化和解决［32］。

以“气井产能主控因素”概念为例［33］，在明确“气井产能”概念的基础上，确定了对于不同的开发阶段，产能主控因素研究的对象和侧重点不同。气井产能主控因素可分为3个阶段：第1阶段为早期渗流阶段，核心要素是落实储量基础和改造区的渗流能力，研究的主要内容是优质储层的关键指标及地震响应、优质储层钻遇长度、裂缝发育程度以及储层改造程度；第2阶段为早期渗流-稳定渗流过渡阶段，研究的主要内容是通过动态资料录取，采用专项试井解释、现代产量递减分析技术研究气井远井区的渗流能力；第3阶段为稳定渗流-产量优化阶段，关键是在认识泄气半径内的渗流特征的基础上，明确不同开采强度下的剩余动态储量变化规律，其决定性因素是剩余动态储量。此概念在四川盆地安岳气田震旦系进行了矿场应用，通过揭示气井产能主控因素概念，提出了不同阶段产能主控因素的核心要素和主要研究条目，并以3类气藏典型渗流模式为基础，明确了早期、过渡期和稳定期的产能主控因素，在此基础上提出了井位平面部署、靶体位置、改造工艺、生产井制度优化4个方面的对策建议［33］。

从以上论述及实践可以看出，当一个研究对象的概念得以明确和扩展后，其研究对象更加清晰，研究范围更加广阔，研究结果更加直达问题核心，所得结论将更为直接地服务于矿场生产。

2.2 研究任务围绕开发技术对策

所谓研究任务围绕开发技术对策，就是要打破气藏工程研究过程中以具体研究对象为中心，将该研究对象数理逻辑上的主控因素和敏感性分析为主要手段的传统思维模式，转化为以气藏不同开发阶段核心任务和研究内容为中心、气藏工程具体研究对象为关键研究参数的思维模式。《中国石油天然气股份有限公司天然气开发管理纲要》列出了前期评价、产能建设等不同阶段的主要研究工作，邹才能等［34］系统总结了大气田不同开发阶段的核心任务与工作内容（见表2，据文献［34］修改），为气藏工程的研究指出了方向和参考。

表2 大气田不同开发阶段的核心任务与工作内容统计

以气井产能评价和产能主控因素研究为例。传统气井早期产能评价以计算“一点法”产能和建立产能方程为主要研究内容，并对组成气井产能模型描述中的各渗流力学参数进行主控因素分析 （敏感性分析）（见图 1、图 2，据文献［35］修改，图中弱、中、强应力敏感指数 SIp分别为 0.1，0.2，0.3，实例井的 SIp为0.022）。此方式是院校科班研究方式，若地质特征与经典方法匹配较差，那么该研究方式容易得到“产能计算不准”的结论，研究结果容易形成一系列毫无地质意义的数据，给气田开发决策部门提供的信息非常有限。从开发技术对策角度看，气井产能评价主要以定量化的数据评估气井潜力，支撑井站地面配套工程和输气管线设计，因此产能评价的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。也就是说，可靠的产能评价要发生在气井定产之前，即在试油结束就需要大致掌握气井产能，才能对决策提供参考。

图1 考虑应力敏感的气井产能方程对比

图2 考虑应力敏感的气井无阻流量对比

以四川盆地安岳气田为例，说明针对气藏开发早期产能评价的研究思路。龙王庙组气藏利用常规“一点法”直接计算气井无阻流量，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。而震旦系气藏储层发育不同程度的孔、洞、缝，搭配关系复杂，非均质性强，储层改造后，平面上渗流能力改善，呈现出负表皮或改造区渗流能力高于原始储层的情况，从而使得低渗储量得以有效动用，部分储层内外区渗流能力不一致，如孔洞Ⅰ型、缝洞Ⅱ型、孔隙Ⅱ型［36］。此外，气井在试油测试过程中，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%［37］），基于该地质条件和测试资料的“一点法”产能评价下定产往往显得不合理。

针对上述问题，明确了“一点法”产能评价的概念、内涵及应用局限，依据安岳气田视均质、缝洞Ⅱ型、孔洞Ⅰ型3类典型储层的渗流系统界限，导出了不同储层、不同试油测试时间t下的扩展“一点法”计算公式（式（1）），计算的不稳定渗流项系数如表3所示。

表3 四川盆地安岳气田典型储层扩展“一点法”不稳定渗流项系数

与常规“一点法”相比，扩展“一点法”提升了视均质、孔洞Ⅰ型这2类储层的产能评价的可靠性，为现场场站和管线建设提供了有力的依据。

早期产能主控因素研究是为井位论证提供依据，因此，以气井初期qAOF为基准，气井早期产能主控因素着力研究优质储层与储层改造后裂缝搭配对气井早期产能的贡献程度。研究过程中采用电性特征描述优质储层界限，酸化施工曲线、试井解释描述储层改造后的裂缝沟通效果。优质储层钻遇厚度和储层改造程度是气井初期获得较高无阻流量的决定因素，前者是客观地质因素，后者为基于客观地质因素上的人为因素。通过灯影组四段气藏的实践，气井初期产能与优质储层钻遇厚度线性关系较好，拟合线X轴截距说明有效井优质储层钻遇厚度下限值为15 m（见图3）。图4揭示近井区渗透率与初期qAOF具有一定的正相关性，说明改造后形成的近井区裂缝网络系统对初期产能起积极作用，拟合线Y轴截距说明有效井气井试油后初期产能的下限值为53.26×104m3/d。

图3 初期绝对无阻流量与优质储层钻遇厚度的关系（据文献［33］修改）

图4 初期绝对无阻流量与近井区渗透率的关系（据文献［33］修改）

2.3 地质结合开发

气田每个开发阶段的任务是充分利用本阶段所取得的资料信息，对气藏地质特征作出现阶段的认识和评价，目的是为后一阶段采取什么样的开发措施提供地质依据。工作的优劣或成败，用后一阶段所实施的开发措施结果的优劣或成败来检验［38］。地质与开发相结合是提升地质认识的有效方法。由于地质与开发的描述体系和语言不同，地质对应静态资料，以描述气藏结构为主要工作，而开发对应动态资料，以描述气藏已认识结构下渗流规律为核心任务；因此，静动态资料的融会贯通水平决定了地质与开发的结合程度，同时也决定了某阶段有限的资料条件下对于气藏的认识程度。认识程度越高，对气田开发技术对策的制定越有利。

地质与开发的结合，要求研究项目组既能够分辨地质、开发的描述语言和体系，又能系统掌握各具体学科的描述工具，而真正能做到融合的非常少。公开报道的科研成果大多还是基于静动态资料的直接罗列与对应，例如对塔里木盆地碳酸盐岩储层类型的识别［39］、气井连通性分析［40］、裂缝对气井产能影响［41］、缝洞系统结构与水侵途径和模式［42］等。事实上，如果气井的井点与井间存在较强的非均质性，那么传统的静动态资料的直接罗列思维将不再适用。

为了更正确地应用各类静动态资料，以四川盆地灯四段强非均质性碳酸盐岩气藏的储层识别和对策研究为例，对各个储层识别方法的优缺点进行了调研（见表 4，据文献［36，43］修改）。采用“静态资料分大类、动态资料分小类、动静态结合”的原则，旨在充分应用各种识别方法的优势，使得储层特征描述能同时反映井点和宏观渗流特征。

表4 各储层识别方法对比

以静态资料为基础，从开发角度对四川盆地震旦系灯影组气藏的储层进行精细识别，并明确各类储层的动态特征响应，制定不同类型储层气井在不同生产阶段的技术对策。技术对策包括：1）缝洞Ⅰ型、孔洞Ⅰ型实施高产量、高油压策略，其中孔洞Ⅰ型配产比优化至1/4～1/3；2）缝洞Ⅱ型、孔洞Ⅱ型、孔隙Ⅰ型应实施低产量、低油压策略，其中缝洞Ⅱ型配产比优化至1/12～1/10。通过总结气井生产早期动态特征和地质再认识，指导现场应用，不断动态调整和优化气藏生产组织，稳产井比例由80.5%增加至95.0%［43］。由此可见，通过地质与开发的相结合，气井的优化配产被同时赋予了地质、开发和实践的意义。

2.4 理论结合矿场

理论结合矿场，就是以矿场的直接需求为核心，围绕气藏工程研究对象，在满足一定精度的前提下尽量简化理论模型，在构建理论模型的基础上，选出矿场能够直接测试获得的数据作为主要描述对象，模型中的其余参数采用资料统计法或者实验进行确定。

以陈元千“一点法”公式［44］为例，该公式描述了地层压力、流动压力、测试产量和绝对无阻流量的关系，而地层压力、流动压力、测试产量在矿场能直接测试得到，不能直接测试得到的定义为稳定经验数，由统计法得到。该方法是理论结合矿场的经典之作，极大地推动了“一点法”理论和矿场实践的进步，全国各气田纷纷实践应用，经久不衰，积累了大量的数据资源。

陈元千“一点法”产能公式为

式中：α为稳定渗流经验数。

稳定渗流经验数的表达式为

式中：A 为气井稳定达西渗流项系数，MPa2·（104m3）-1·d；B 为气井稳定非达西渗流项系数，MPa2·（104m3）-2·d2。

基于我国16个气田16口气井的68个测点数据，求得α的平均值为0.254 1，这里α取0.25。

以异常高压气藏水侵研究［45］为例。通过对异常高压气井产能方程、产水后修正产能方程，以及异常高压气藏物质平衡方程进行联合求解，建立考虑水侵的异常高压气藏流动物质平衡计算方法，并建立了生产资料、试井资料与水侵量之间的关系式（式（5）—式（9））。该方法在安岳气田龙王庙组气藏进行了应用，结果表明该方法适用于不同的水侵模式（见图5，图中ΔY1为水侵早期与未水侵期特征曲线延长线的差值，ΔY2为产水期与未水侵期特征曲线延长线的差值，4条产水期曲线代表不同水侵模式）和水侵量计算，并且能识别气井的早期水侵现象（见图6）。异常高压气藏未水侵阶段的流动物质平衡方程表达式为

图5 流动物质平衡法水侵动态诊断理论图版（据文献［45］修改）

图6 MX8井水侵诊断（据文献［45］修改）

式中：pi为地层原始静压，MPa；Bg为气体体积系数；Bgi为气体原始体积系数；Gp为累计产气量，108m3；G为动态储量，108m3；Cc为气藏综合压缩系数，MPa-1；a″为压力形式产能方程的达西渗流项系数，MPa·（104m3）-1·d；b″为压力形式产能方程的非达西渗流项系数，MPa·（104m3）-2·d2；Y 为归整化压力，MPa·（104m3）-1·d；X 为归整化产气量，MPa·（104m3）-1·d。

在未水侵阶段，Y与X呈直线关系。水侵早期将式（7）中的X增加一个水侵项，可改写为

式中：We为水侵量，104m3；Bw为地层水体积系数。

水侵中后期，气井同时产出天然气和地层水，井底渗流规律发生变化引起产能方程系数改变，式（8）将增加一个产水项，即：

式中：Wp为累计产水量，104m3；a为水侵中后期压力形式产能方程的达西渗流项系数，MPa·（104m3）-1·d；b 为水侵中后期压力形式产能方程的非达西渗流项系数，MPa·（104m3）-2·d2。

以高压气藏产能方程研究［28］为例，针对低渗气藏现场测试中较难达到拟稳态，并且每个生产制度的流动阶段均不相同的矿场问题，通过对气井产水后修正产能方程、高压气藏产能方程、物质平衡方程的联合求解，建立了气井“动态法”产能方程，通过拟合pi-pwf和qsc的关系求取产能方程拟合曲线，并对产水后产能方程系数进行修正，进而实现气井产纯气和产水阶段的产能方程定量评价。该方法在四川盆地安岳气田应用取得初步成效（见图7）。

图7 MX8井“动态法”产能方程拟合（据文献［28］修改）

2.5 科学性结合经验性

气藏工程依赖经验的地方很多，这是缺失成熟理论所致［11］。认识开始于经验，而经验属于认识的感性阶段，但这仅是片面和表面的东西，需要将丰富的经验资料去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里地进行改造，形成概念和理论的系统，才能上升到理性认识［46］，此过程称之为科学性。科学性结合经验性，就是将某一阶段某一区块的矿场实践资料收集起来，将这些资料中反映气藏开发规律和本质的内容抽离出来，建立相应的概念和理论描述体系，为下一阶段的矿场实践提供参谋的过程。

在实际研究过程中，部分学者已经做了一定程度的探索，例如中国大气田井均动态储量与初始无阻流量定量关系的建立［47］。该研究具有简单直观的特点，实用性强。四川盆地灯四段气藏开发过程中借鉴了该思想和方法，通过建立单井动态储量与初期绝对无阻流量关系，明确不同类型储层的配产系数。

44口井单井动态储量与初期绝对无阻流量呈一定的正相关（见图8），过y=x辅助线（A线）作平行线，散点分布在B—E包络线内，各平行线（B—E线）与A线的垂直距离为配产系数的间接反映，垂直距离随配产系数的增加而增加。从图8可知，不同类型储层的配产系数不同。孔洞Ⅰ型储层（B—C线）和缝洞Ⅱ型储层（D—E线）配产系数分别在2～8和10～21。此外，孔洞Ⅱ型、缝洞Ⅰ型、孔隙Ⅰ型储层的配产系数分别在4～5，4～8，4～5。

图8 单井动态储量与初期绝对无阻流量的关系

在气藏工程研究中，大多是先建立一定的理论方法，而后用少量矿场资料验证理论方法的可靠性。由于验证时采用的矿场资料较少，这些理论方法普遍存在适用范围小、计算复杂、关键参数取值困难等问题；或者是基于气田开发实践建立一定的经验认识总结，但这些经验总结尚未形成系统的概念和理论体系。例如，裂缝型气藏压降线一般呈现初始段、直线段和上翘段3个阶段［48］，四川盆地碳酸盐岩有水气藏水体特征描述和提出提高采收率的途径和方法等［49-52］。

3 “1+4”模式的必备条件

近5 a的实践证明，实施“1+4”模式至少应具备以下条件：一是心态准备，即具有提升气藏工程矿场应用水平的理念和决心；二是技术准备，即深刻掌握地质开发各种描述理论及应用工具。

3.1 心态准备

实施“1+4”模式是一项非常有意义但又充满挑战的事业，需要具有打破局限、包容、谦虚以及历史观4个方面的心态：1）打破局限就是要在气藏工程科研过程中，不把自己局限在所学的学科体系里面。气藏工程实践的过程就是发展概念和模型的过程，而不是用前人的方法去反复证明这个概念和模型是正确的，要以“实践出真知”的勇气，切实用矿场实践来印证和发展气藏工程中模型和概念的可靠性。2）包容就是气藏工程研究要主动融入地质认识。在研究过程中，某些地质认识可能存在局限和偏差，要主动与地质人员沟通，形成可靠的认识指导气藏工程的各项研究。3）谦虚就是要多听取生产单位的真实、可操作的需求和想法，因为他们是落实气藏工程研究成果的第一线，要放下自己专家和学历的身份，充分体会并融入一线核心需求。4）历史观就是要充分了解和掌握气藏工程以及不同类型已开发气田的过去。一切历史都是当代史，调查历史也属于问题调研的一部分，具有历史观对于提升气藏工程的矿场应用具有深刻的指导意义。

3.2 技术准备

实施“1+4”模式需要研究者深刻领会《中国石油天然气股份有限公司天然气开发管理纲要》中的不同阶段的主要研究对象，在此基础上，积累扎实的地质与气藏工程专业基础理论和实践经验，要明白在气藏工程研究过程中的技术与工具的假设条件与适用条件，对于特定气藏工程问题，能够优选出合适的工具进行描述，在实践中摸索出最具实用性的技术系列组合，并在气田开发历史数据中去挖掘规律，抛弃依赖“高大上”软件或模型推演的惯性方式。

具备以上2个关键要素的“1+4”模式项目，一定会通过不断的探索、扎实的工作，解决不同的复杂气藏工程问题，最终体现在提升各类气藏开发效果上。

4 “1+4”模式的实施建议

在实践气藏工程“1+4”模式的5 a里，笔者观察到，科研项目开题、中检和验收的环节可能制约着“1+4”模式的发展。由于这是一个比较新的理念和新实践领域，许多科研技术人员并不一定具有丰富的、针对“1+4”模式的实践经验，或许还停留在对某一理论、某一概念、某一模型和某一汇报模式执念中，因此，在项目实施过程中，仍然保持着传统的学术“八股”模式［53］。“八股”模式中很多呈现的是工作量的罗列，而并非科学研究的核心问题。在这种背景下，科研技术人员应当注意“1+4”模式是一个新生事物，需要付出大量的精力、勇气，通过理念、技术等多方面的努力才能取得较好的创新性实践效果。因此，该模式需要得到更多的肯定、支持和积极的尝试及探索。

5 结束语

面对中国复杂的勘探开发对象、气藏工程矿场应用需要持续性取得突破的形势，“1+4”模式是必不可少的理念及方法。在“1+4”模式理念下，以气藏工程研究对象的概念为核心，明确该概念的时效性，判断该概念能否满足目前特定气藏研究对象的描述需求，并紧密围绕开发技术对策、向上游拓展至气藏地质特征、理论描述紧扣可靠的矿场动态资料、科学性与经验性相结合这4个维度进行扩展，大胆尝试，创新模式，突破学科和组织界限，“1+4”模式必将释放巨大的潜力并提升气藏工程的生命力及适用性，为复杂气藏的科学开发保驾护航。