停产凝析气藏复活增效新途径——板中北气藏改建储气库实例

0 引 言

板中北气藏为大港油区板桥油气田中断块背斜构造,气藏类型为带窄油环、边水的凝析气藏,含油气层位为古近系板2油层组,储集层为中孔中渗砂岩,埋藏深度3 000 m,构造幅度100 m。自1975年投入衰竭式开发,至2002年底枯竭+水淹停采,地层压力由原始30.5 MPa降至13 MPa,天然气采出程度61%,凝析油+原油采出程度24.6%,凝析油含量由450 g/m³降至110 g/m³。2003年该气藏改建为地下储气库,到目前已经生产运行16个周期,累计注气84.62×10⁸ m³、累计采气67.32×10⁸ m³,在实现储气库周期注采、调峰补气的同时,凝析油与油环油累计采出16.69×10⁴ m³,油采收率提高4.65%,并仍在持续增加。证实了停产气藏可通过改建储气库方式实现复活增效,为渤海湾相似气藏的复活增效提供了新途径。

停产气藏改建储气库不是简单的转建^[1],而是需要进行建库可行性评价、建库方案设计、生产运行过程的调整优化等系统性工作^[2]。为此,系统介绍储气库库址定量评价技术、方案设计技术、运行优化技术,供各方参考借鉴。

1 储气库选址定量评价技术

板中北气藏是否适合改建储气库,如何实现其库址质量定量化评价,是改建储气库所面临的首要问题^[3]。

1.1 储气库选址定性评价技术——库址初选

储气库库址选择遵循地质适合^[4]、技术可行、安全环保、效益达标四项原则。对于我国大多数断块型砂岩而言^[5],储气库选址需要评价19项要素,而板中北气藏均符合其基本要求(表1)。

1.2 储气库选址定量评价技术——库址精选

储气库库址评价属于多因素“模糊性”评价问题,可以利用模糊数学将多个单项指标转化为一个能够反映总体情况的综合指标来进行评价^[6]。基于模糊数学理论建立的储气库库址综合评价法,包括三个计算模型:一是建立库址评价数学模型,计算库址的隶属度数值;二是将多个库址依据隶属度大小排序确定库址次序,实现库址排序选优;三是建立库址质量等级定量评价模型,即将库址所有要素设定为最优并计算出最优隶属度,然后将单个库址的隶属度除以最优隶属度用100%度量得到库址质量系数,完成归一化处理,并根据库址质量划分标准评定库址质量等级,从而实现库址质量等级评价。储气库库址评价因素的选择与评定,通常由地质、工程、经济方面的评判专家组确定。

数学模型的建立步骤如下:

(1)选定评价因素集合,选择库址的主要评价因素,如构造、储集层、深度等。

(2)给定各评价因素的权重系数,根据各因素重要性逐一给定权重(表2),数量标度间隔大小一致,各权重系数和为1,满足归一化,如构造=0.2、储集层=0.3、深度=0.1、盖层=0.2、……。

(3)选定因素评价等级集合,根据各因素质量优劣对单因素给出评价等级,如优、良、中、差。

(4)给定因素评价标度,对应单因素质量等级赋值,数量标度间隔大小一致,标度和为1,如优0.4、良0.3、中0.2、差0.1。

(5)建立模糊评判矩阵R:

R= b11 b12 b13b21 b22 b23b31 b32 b33︙ ︙ ︙bm1 bm2 bm3

(6)模糊变换模糊子集D:

D=aR=(a₁,a₂,a₃,…,a_m) b11 b12 b13b21 b22 b23b31 b32 b33︙ ︙ ︙bm1 bm2 bm3

(7)计算隶属度D_i:

库址1:D₁=a₁b₁₁+a₂b₂₁+a₃b₃₁+…+a_mb_m1

库址2:D₂=a₁b₁₂+a₂b₂₂+a₃b₃₂+…+a_mb_m2

库址3:D₃=a₁b₁₃+a₂b₂₃+a₃b₃₃+…+a_mb_m3

以上步骤,完成了单个库址的隶属度计算。

(8)库址最优隶属度D_max:按最优库址的因素权重系数a、评价标度b取值计算最优隶属度。

(9)库址归一化计算库址质量系数I:

I=(实际库址隶属度D_i/D_max)×100

(10)库址质量等级评价:库址质量系数I≥90为优等,I=8089为良好,I=7079为中等,I≤69为差等。

将板中北气库定量计算后得出其库址质量系数92.5≥90,为优等库址,适于建库。

2 储气库库容量与压力联动设计技术

天然气是高压缩气体,压力高低决定了储气体积的多少,储气库库容量与地层压力具有联动设计关系。为此,应用气藏物质平衡原理,建立储气库“物质平衡方程式”并建立设计模板,能够实现储气库库容量参数的设计。

基于气藏类型和开采阶段所录取的产量、压力数据,依据气藏物质平衡原理建立储气库物质平衡方程式:

G_k=G_p( PiZi)/( PiZi- PZ)

式中:G_k为库容量,10⁸ m³;G_p为气藏储量,10⁸ m³;P_i为原始地层压力,MPa;P为地层压力,MPa;Z_i为原始地层压力对应的气体偏差因子;Z为地层压力对应的气体偏差因子。

综合选定各节点压力参数,计算出对应的库容量参数,通过设计模板揭示运行压力与库容量参数间的逻辑关系(图1)。

(1)储气库运行上限压力确定:常规方法是不超过气藏原始压力^[7];定量方法是不超过气库最小封闭压力的90%。考虑兼顾地面压缩机等级适合。

(2)储气库运行下限压力确定:尽量减少垫气量,但需兼顾井口最低外输压力、采气井最低产量、匹配的采气井数,保证少井高产、节约钻井费用。

(3)库容量参数:运行上限压力对应库容量、运行下限压力对应垫气量、上限压力与下限压力运行区间对应工作气量。以板中北储气库运行压力区间15.030.5 MPa为例,库容量为24.5×10⁸ m³,垫气量为13.5×10⁸ m³,工作气量为11×10⁸ m³。

3 工作气量-日调峰量-采气井数三元耦合

储气库方案设计供气规律应与市场用气规律吻合,日调峰产量应与需求量相近。在已确定工作气量的前提下,如何按市场需求分配日调峰产量、如何根据日调峰产量配置采气井数,二者具有互动关系。通过分析华北地区冬季用气规律,建立储气库运行仿真模型、日调峰产量计算模型、采气井数计算公式,成功解决了储气库工作气量-日调峰量-采气井数三元耦合设计问题。

3.1 建立地下储气库运行仿真模型

针对华北地区市场用气规律(图2)进行统计分析^[8],建立标准的地下储气库调峰采气运行仿真模型(图3)。气库采气量调峰曲线近似“钟形”分布,气库采气量在每年1月份春节期间达到高峰值^[9],在采气期开始和结束期间达到低谷值,其余时间为中等调峰值,高峰期与低谷期日产气量的峰谷比为25倍。

3.2 建立地下储气库调峰量计算模型

应用微积分数学方法解析储气库运行仿真模型,建立储气库调峰量计算模型。

(1)气库工作气量:图3中阴影面积,等同于气库方案确定的工作气量^[10]。

(2)气库采气期t:方案确定的调峰采气时间天数(单位d),按华北地区供气规律取t=120 d,细分为13个周期,第1与第13周期各为5 d,其余每周期Δt=10 d。周期特征为:各周期以中间点为基点,向两侧呈均匀对称分布;Δt₁、Δt₁₃周期为气库最低调峰采气周期;中间Δt₇周期为气库最高调峰采气周期;其余周期为中间过渡调峰采气周期。

(3)气库调峰产量:采气期内平均产气量(单位10⁴ m³/d)。调峰产量分布特征为:同一周期Δt的日产气量为一均值;各周期间调峰产量具有较为固定的比例关系(表3),在13个计算周期内,以最末周期Δt₁₃日产气量为基础产量;气库最高调峰气量在以春节日为中间点的前后各5 d内取平均日产量;气库最高调峰气量(Q₇)与低峰期基础产量(Q₁₃)比值为峰谷比,即Q₇/Q₁₃。

3.3 储气库日调峰产量计算

依据地下储气库调峰量计算模型,储气库工作气量为图形总面积^[11],原理式为:

G_w= ∑n=1n(Q_nΔt_n) (1)

马小明-成亚斌^[12]建立了日调峰产量计算公式:

Q_n=m_nQ (2)

将公式(2)带入公式(1)得:

G_w= ∑n=1n(Q_nΔt_n)= ∑n=1n(m_nΔQt_n)=(m₁+m₂+…+ m₁₃)ΔQt_n (3)

将公式(3)变形为公式(4),即得到低谷期日采气量的计算公式:

Q=10⁴G_w/(2m₁Δt₁+2m₂Δt₂ +2m₃Δt₃ +2m₄Δt₄ + 2m₅Δt₅ +2m₆Δt₆ +m₇Δt₇) =10⁴G_w/[(m₁+2m₂+2m₃+2m₄+2m₅+2m₆+m₇)Δt] (4)

公式(4)中G_w由气库方案给定,m值查表3可得,Δt=10 d,将其带入公式(4)即可求得基准气量,带入公式(2)即可求得任一计算周期的日采气量Q_n。

对于气库不同峰谷比时的m_n=Q_n/Q值,由公式(4)计算不同峰谷比时低峰期基准气量(Q)、高峰期调峰气量(Q_max)公式如下:

峰谷比为2.0时:Q=60G_w;Q_max=120G_w

峰谷比为2.5时:Q=56G_w;Q_max=140G_w

峰谷比为3.0时:Q=50G_w;Q_max=150G_w

峰谷比为3.5时:Q=46G_w;Q_max=161G_w

峰谷比为4.0时:Q=42G_w;Q_max=168G_w

3.4 储气库采气井数计算

采气井数与储气库调峰采气规律以及产量直接相关,需要分别计算高峰期气井数和低谷期气井数,取最多井数作为合理井数N^[13]。

根据物质平衡原理,气库日采气量应等于气库N_n口采气井数的单井日采气量总和,即:

Q_n=N_nq_n (5)

将该式变形后,分别得到采气井数计算公式:

N_n=Q_n/q_n (6)

在低谷采气期采气井数计算公式:

N_d=Q/q_d (7)

在高峰采气期采气井数计算公式:

N_g=Q_max/q_g (8)

上式中Q_max=m_maxQ,高峰期和低谷期单井日产气量可另行计算得到。

合理采气井数应同时满足高峰采气周期日产气量和低峰采气周期日产气量所需的采气井数,选取条件为:N≥N_g,N≥N_d(即选取N_g与N_d的最大值作为合理井数)。

3.5 实例应用

板中北储气库设计库容量24.5×10⁸ m³,有效工作气量11×10⁸ m³,运行压力1530.5 MPa,单井产能35×10⁴60×10⁴ m³/d。按峰谷比2.5倍计算,高峰期产气1 540×10⁴ m³/d,单井产气量按55×10⁴ m³/d计算,需要采气井28口;低谷期产气量600×10⁴ m³/d,采气井单井产量35×10⁴ m³/d,则低谷期采气井数为17口。依据合理采气井数选取最大值原则,气库合理采气井数为28口。

目前板中北储气库实际采气井数为21口,尚差采气井7口。这也是该气库达标缓慢的因素之一。

4 储气库运行优化调整技术

板中北储气库经过十余年的生产运行,流体分布与生产状态发生了较大改变,早期设计的运行规律与目前市场需求规律存在一定偏差。主要表现为库内油气水分布复杂、有效库容偏低、含水气井产能低,需要进行气库扩容规律分析、气库优化调整技术攻关,并完成气库优化调整部署,最终实现高效生产,达到提高工作气量与调峰产量的目的。

4.1 储气库库存量动态诊断与预警技术

(1)库存量曲线绘制方法和标准模板:利用气库生产中录取的压力、产量数据,以气库初始库容为基点,以每周期库存量为累加,绘制储气库库存量变化曲线图^[12](图4)。依据注采平衡原理,绘制多注少采、少注多采、注采相等三种标准曲线模板(图5)。

(2)库存量曲线解析方法:标识关键点物理意义、单周期压力与库容变化特征、多周期库容由空库-满库的连续演化过程。

(3)气库运行诊断方法:将实际库存量曲线与标准曲线模板进行对比,发现误差提前预警。

4.2 储气库水体扩容定量评价技术

腾空储气库水体增加库容是含水储气库扩容的重要途径,包括注气驱动水体扩容与采水增加库容两种方式^[14],为评价两种方式扩容效果,建立了以物质平衡原理^[15]为基础的计算方法。

扩容总体积(库存量):V=G_pi-G_pc

式中:V为气库扩容体积,10⁸ m³;G_pi为气库总注气量,10⁸ m³;G_pc为气库总采出量,10⁸ m³。

采出水扩容体积:V₁=10^-4W_pB_wB_g

式中:V₁为总采出水所占据气库体积,10⁸ m³;W_p为总采出水量体积,10⁴ m³;B_w为地层水体积系数;B_g为气体体积系数。

驱离水扩容体积:V₂=V-V₁

截止到2012年,板中北储气库库容量由7.56×10⁸ m³增加到21×10⁸ m³,水体增加库容13.44×10⁸ m³,其中采水增加库容0.71×10⁸ m³占总扩容量的5.3%,驱水增加库容12.73×10⁸ m³占总扩容量的94.7%,表明提压驱水是增加库容的主要因素,后续调整应以提高气库压力加强驱水为主。辅助措施是增加生产井排水,在排水扩容的同时提高注采气能力(表4)。

板中北储气库经过封闭性定量评价研究,确定封闭压力38.1 MPa,按上限压力取值90%计算可达34.3 MPa,比目前设计的上限压力30.5 MPa提高3.8 MPa,可增加库容量10%。

4.3 储气库优化调整技术

储气库生产面临的主要问题是气库内有水体分布,减少了有效库容、降低了单井产量,为此建立了注采关系调整技术、注采井网完善技术,形成了储气库优化调整技术。

(1)储气库井注采关系调整技术:通过改变原方案规定的气井统注统采方式^[16],实行生产时差异化注采,即在含水区高构造部位实行顶部先注气、边部后注气,顶部后采气、边部先采气的生产方式,始终保持顶部压力高于边部压力,顶部气体向边部驱水状态,加速扩大含气区增加有效库容,减少气井含水提高产气量。

(2)储气库注采井网优化调整技术:通过加密含水区井网密度,补钻注采井提高库容控制程度。实施强注强采,依靠注气驱水和采气排水,加速扩容增产。依据含水井产量约为纯气井产量50%的比例关系,水淹区井数增加一倍、井距缩小一半。

板中北储气库东断块为低含水区,应用注采关系调整技术对顶部11口井实行由高向低强注弱采,经过5个周期的调整运行,其腰部K 9、K 11井产水量先升后降,气库内水体退至中部以下,库容增加、采气井增产。

板中北西断块为高含水断块,应用注采井网优化调整技术,腰部含水区部署采气井6口,另在低部位水淹区补钻开采井4口,调整后扩容明显加快。由库存量曲线可以看出(图6),曲线斜率增大,扩容速度加快,工作气量增加,储气库运行效果变好。截止到2017年采气期末气库增加16.38×10⁸ m³库容,达到25.68×10⁸ m³,超过方案设计值。

5 结 论

(1)本文通过板中北储气库方案设计、生产运行及优化调整,形成了三项关键技术。在储气库选址方面,引用模糊数学综合评价法并创新库址隶属度归一化处理技术,实现了库址优劣排序与质量等级的定量评价;在方案指标设计方面,运用微积分描述方法,建立了在工作气量控制下的日产气量与采气井数设计技术,解决了指标优化匹配问题;在运行优化方面,通过调整气井注采关系、完善水淹区井网,实现了扩库增产。

(2)板中北停产气藏改建储气库以来,累计产油16.69×10⁴ m³,提高油采收率4.65%。该气藏改建储气库的设计技术与成功经验,为渤海湾相似停产气藏的复活增效,提高油采收率提供了新途径。

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参考文献

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