储气库干化盐析效应量化表征及干化扩展范围预测方法_秦正山.pdf

第30卷第3期收稿日期：2022-11-01；改回日期：2023-03-31。第一作者：秦正山，男，1994年生，在读博士研究生，现主要从事油气藏工程、油气渗流理论、低渗透油气藏开发等方面的研究工作。E-mail：。通信作者：何勇明，男，1973年生，教授，博士生导师，现主要从事油气微观渗流理论、油藏数值模拟等方面的研究与教学工作。E-mail：。储气库干化盐析效应量化表征及干化扩展范围预测方法秦正山1，何勇明1，鲁洪江1，刘逸盛1，谢晶2，孙双双1，李柏宏3（1.成都理工大学能源学院，四川 成都610000；2.中国石化西南油气分公司采气四厂，重庆402160；3.中国石油长庆油田分公司采油六厂，陕西 西安710000）基金项目：成都理工大学研究生拔尖创新人才培育项目“含水层储气库注采过程地层干化盐析损伤机理及数学模型研究”（CDUT2022BJCX005）摘要储气库注采过程中存在近井地带干化盐析的问题，不仅影响储气库的注采能力，甚至影响储气库稳定运行及运行年限。文中基于BL经典分流理论及气水渗流规律，建立了储气库干化盐析效应量化表征数学模型及盐堵损伤量化评估方法，解决了储气库干化问题关键参数的量化表征及干化扩展范围的预测难题。研究结果表明：理论推导的盐饱和度、盐析出量是评估储层盐堵的重要表征参数，与储层温压条件、流体性质及气水相对渗透率等有密切的关系；储气库注采循环过程会导致干化扩展范围逐渐由近井向远井发展，仅依靠注入端短时间注水来解除近井堵塞，可能无法有效恢复地层孔隙度、渗透率及天然气注采能力；基于文中建立的数学模型得到的研究结论与前人实验研究结论具有较好的一致性。文中研究成果不仅具有较好的现场应用价值，而且对干化盐析现象的理论研究以及干化盐析机理的认识具有指导意义。关键词储气库；干化盐析；地层损伤；分流理论；注采能力中图分类号：TE822文献标志码：AThe quantitative characterization of dry-out and salt precipitation effects and its extended-distance predicting method in gas storageQIN Zhengshan1,HE Yongming1,LU Hongjiang1,LIU Yisheng1,XIE Jing2,SUN Shuangshuang1,LI Baihong3(1.School of Energy,Chengdu University of Technology,Chengdu 610000,China;2.No.4 Gas Production Plant,Southwest Oil&Gas Company,SINOPEC,Chongqing 402160,China;3.No.6 Oil Production Plant,Changqing Oilfield Company,PetroChina,Xian 710000,China)Abstract:Dry-outandsaltprecipitationproblemsingasstoragenotonlyaffectgasinjectivityandproductivity,butalsoaffectthestabilityandlongevityofthestoragesystem.BasedonBuckley-Leveretefractionalflowtheoryandgas-waterpercolationlaw,amathematicalmodelofthequantitativecharacterizationofdry-outandsaltprecipitationeffectsandquantitativeassessmentmethodofsaltpluggingdamageingas storage are developed,which address the challenges of quantitative characterization of key parameters and extended-distanceprediction of dry-out.The research results show that the theoretically derived salt saturation and salt precipitation mass are importantparametersforassessingsaltpluggingdamage,whichhaveverycloserelationshipwithtemperature-pressurecondition,fluidpropertyandgas-waterrelativepermeability.Itisexpectedthattheinjectionandproductioncycleingasstoragewillresultinagradualextensionoftherangeofdry-outfromnearestwellsto farthestwells.To unblockthe saltpluggingdamage bymeansofwaterinjectionatthe injectionsideduring a short period may not be able to effectively restore the porosity,permeability,gas injectivity and productivity.The conclusionsbasedon the modeldeveloped in this paper are consistent with those reached by previous experimentalstudies.The research results notonlyhave significantpracticalvalue forfieldapplication,butalsohave guiding significance for theoretical studies and themechanismunderstandingofthedry-outandsaltprecipitation.Key words:gas storage;dry-out and salt precipitation;formation damage;fractional flow theory;injectivity andproductivity天然气地下储气库是将从天然气田（藏）中采出的天然气重新注入地下具备封闭条件的储集空间，从而引用格式：秦正山，何勇明，鲁洪江，等.储气库干化盐析效应量化表征及干化扩展范围预测方法J.断块油气田，2023，30（3）：523-528.QIN Zhengshan，HE Yongming，LU Hongjiang，et al.The quantitative characterization of dry-out and salt precipitation effects and its extended-distance predicting method in gas storageJ.Fault-Block Oil&Gas Field，2023，30（3）：523-528.断块油气田FAULT-BLOCK OIL GAS FIELDdoi:10.6056/dkyqt2023030222023年5月断块油气田2023年5月天然气重新注入地下具备封闭条件的储集空间中而形成的一种人工气田（藏）1。目前我国已建成的储气库在天然气调峰安全及稳定保供中发挥了重要作用。由于地层通常含有一定量的含盐地层水，对于枯竭油气藏型和含水层型储气库，在储气库的注采过程中，注采气会使地层孔隙中赋存的含盐地层水蒸发或汽化2，进而导致地层干化和孔隙空间中盐沉淀的析出。如何量化表征储气库干化盐析损伤状况，预测储气库地层干化扩展范围，不仅是储气库近井地带干化盐析状况评价的前提，也是储气库合理工作制度以及后期近井地带解堵方案制定的基础。在国外，干化盐析问题最早是针对气井生产时产生的干化盐堵现象而提出的。Place等3-4较早报道了气藏近井区域干化盐析可能导致渗透率和注入能力降低。Van等5报道了在气井井筒下入机械电缆与摄像机，观测到井筒壁面存在大量盐固体这一现象。针对CO2地质封存引起的干化问题，有学者开展了相关实验研究。Peysson等6通过驱替和CT动态扫描实验，研究了注CO2驱盐水的动态演化过程。Jeddizahed等7-8实验研究了CO2注入含盐水层时渗透率及注采能力损失的影响因素。Civan9基于KC方程与分形理论，建立了考虑孔隙尺度沉淀生成的孔渗参数理论关系。Zeidouni等10-12建立了CO2地质封存过程中地层干化问题评估模型。在国内，关于储气库干化问题的相关研究极少。鲁洪江等2采用数值模拟研究了储气库注采循环过程中的储层干化问题，但模型忽略了盐析出对地层渗透率的影响。崔国栋等13建立了气藏近井地带考虑地层水蒸发、盐沉淀等因素的简易分析模型。总体来看，国内外关于储气库干化盐析现象的研究，近些年才引起关注，尤其关于理论方面的研究成果较少。有学者10-13建立了CO2地质封存过程中地层干化问题评估模型，但均未涉及储气库，且部分模型忽略干化盐析的主要控制因素（如温度、压力、相渗特征及流体性质等）以及盐析地层的变物性渗流特征，可能导致模型应用受到极大限制。因此，本文基于BL经典分流理论及气水渗流规律，建立的量化表征模型不仅对储气库运行具有一定的现场应用价值，而且对干化盐析现象的理论研究以及干化盐析机理的认识具有指导意义。1储气库注采过程中的干化盐析效应储气库注采过程中，地层水容易蒸发（或汽化），并被携带入天然气流中。持续注入天然气，会导致地层水不断蒸发，汇入天然气流中的水蒸气含量增大，当含盐地层水达到最大盐析质量浓度界限时，盐沉淀逐渐析出，进而占据孔隙空间，堵塞渗流通道，最终导致储层孔隙度、渗透率及天然气注采能力发生变化。图1显示了注气早期（地层水盐未饱和）与注气晚期（地层水盐饱和）2种极端状况下地层孔隙中各相态构成。a注气早期（地层水盐未饱和）b注气晚期（地层水盐饱和）图1地层孔隙中各相态构成Fig.1Composition of each phase in formation pores2储气库干化盐析效应数学描述2.1模型描述与假设条件以含水层建库条件为例。储气库注气过程是一个典型的气驱水过程，气相和水相之间并不存在整齐的分界面，而是存在一个锯齿状的不规则气驱前缘14（见图2。图中A区为干化盐析污染区，B区为气水两相区，C区为盐水区）。图2考虑干化盐析效应的气驱水非活塞驱替示意Fig.2Schematic diagram of non-piston displacement for brine flooded bygas considering dry-out and salt precipitation effects孔隙空间中盐析出质量可用msalt表示。为了表征孔隙空间中盐沉淀占据的比例，可定义盐固体沉淀物所占孔隙空间的比例，称为盐饱和度6，8，10，12，15-16，用Ssalt表示。对于一维直线均质地层，气驱水过程存在一气驱前缘位置（xg，f），并将盐完全沉淀（或充分析出）的位置定义为干化前缘（xd，f）。基于Welge17等效面积法求解思路，可将等效前缘替代实际驱替前缘。对于循环注采的储气库，若不考虑溶质运移，在储气库长期注采运行过程，近注采井端的地层水早已蒸发殆尽，因此可认为孔隙空间中最大盐析出量为一定值（取决于单位孔隙体积地层水中盐质量浓度的大小）。确定盐饱和524第30卷第3期度问题可简化为计算干化前缘后的平均盐饱和度。根据研究背景，本文提出干化盐析效应数学模型的假设条件：1）忽略岩石和流体的压缩性质；2）忽略孔隙中溶质运移；3）不考虑毛细管压力、重力；4）地层温度恒定；5）各相流体渗流符合达西定律；6）局部相平衡；7）分流率仅是饱和度的函数；8）忽略化学反应；9）假设与采气阶段造成干化盐析范围的进一步扩展相比，采气阶段边（底）水对近井地带干化盐析范围的影响较小，且可以忽略不计。2.2模型推导基于孔隙空间中盐析出量定义，msalt为msalt=Vp，salts=Ssaltxd，fAs（1）储气库注采过程中，地层水满足质量守恒定律，即假设从水相中除去蒸发或汽化的水等于转移到天然气流中的水，则表达式12，15为qwwwg，w=qggww，g（2）干化区蒸发的水相质量mw，d为mw，d=wxd，fA 1-Sg，df()1-ws-wg，w()（3）地层水蒸发或汽化进入天然气流中，两相区平衡态下气相中水蒸气质量mw，g可表示为mw，g=ASg，d-ggww，gxg，f-xd，f()（4）气水密度比R=g/w，水盐密度比RS=w/s，由质量守恒定律可知mw，d=mw，g，则：xd，fxg，f-xd，f1-Sg，dfSg，d-g=Rww，g1-ws-wg，w（5）基于质量守恒定律，式（5）将饱和度、气驱前缘及干化前缘所在位置、地层流体性质联系起来。其左边项仅与饱和度、位置有关；而右边项仅与特定地层条件下的温压条件、流体性质及盐溶解性有关。令=Rww，g1-ws-wg，w（6）为了进一步将饱和度剖面与气驱前缘及干化前缘所在位置联系起来，利用加权平均法可得：Sg，f=Sg，dfxd，f+Sg，d-gxg，f-xd，f()()xg，f-1（7）联立式（5）式（7），得：xd，fSg，df-()1xd，fSg，df-xg，fSg，f()-1=（8）根据分流率基本定义14，气相分流率f Sg()为f Sg()=qgqg+qw=vgvg+vw=11+RKrwKrg（9）单位横截面积孔隙中气相体积Vg，d为Vg，d=xd，f0Sgdx=Sg，dfxd，f+Sg，tiSg，dfxdSg（10）根据BL方程14，等饱和度线推进距离为x=x0+vtf Sg()t-t0()（11）联立式（10）和式（11），积分得：Vg，d=Sg，dfxd，f+x01-Sg，df()+vtt-t0()1-fg，df()（12）利用Sg，df表示Vg，d，则：Vg，d=Sg，dfxd，f（13）储气库注气时，由近井端的初始位置向远端扩展，t0=0时，x0=0。联立式（12）和式（13），得：Sg，dfxd，f=Sg，dfxd，f+Sg，fxg，f1-fg，df()（14）由式（11）可得：xd，ffg，f=xg，ffg，df（15）由Welge17提出的作图求解法，可得Sg，f，即：fg，f=f Sg，f()Sg，f-1=Sg，f()-1（16）联立式（15）、式（16），可得：xd，f=xg，ffg，dfSg，f（17）联立式（8）、式（14）、式（17），可得：fg，df11-Sg，f()+fg，df-1=1-（18）令L Sg，f()=fg，df11-Sg，df()+fg，df-1（19）式（14）两边除以xd，f，联立式（1）、式（17）得：Sg，f=Sg，df+1-fg，df()fg，df-1（20）msalt=Axd，f1-Sg，f()wws（21）联立式（1）、式（21），可得：Ssalt=msaltAxd，fs=1-Sg，f()wsRS（22）由式（11）可得：xd，f=x0+vtfg，dft-t0()（23）由式（23）可推导储气库单一注入或采出过程中线性流条件下干化前缘推进到某一有限（或特定）距离L所需要的时间tL为tL=t0+Lvtfg，df=t0+LAqtfg，df（24）储气库注采过程干化前缘推进位置估计值为xd，f=Nixd，fi=x0+Ni-1ifg，dfivtiti=x0+1ANi-1ifg，dfiqtiti（25）秦正山，等.储气库干化盐析效应量化表征及干化扩展范围预测方法525断块油气田2023年5月nwngKrw（Sgr）Krg（Swc）3.15 1.1210.123 12.23 1.0210.178 41.47 1.2510.547 8502.03 1.0410.441 81001.68 1.0910.114 32002.24 1.0610.175 0M/（gL-1）Swc0.488 00.409 70.363 60.371 30.410 10.480 1Sgr00000012分组q/（mLmin-1）510203干化盐析程度影响因素与模型验证为了进一步分析干化盐析程度的主要影响因素及验证干化盐析效应量化表征方法的有效性，本文引用Jeddizahed等7的实验数据，依据本文推导的数学模型，进行如下计算分析。Jeddizahed采用砂岩露头岩样（孔隙度23%，气测渗透率212 10-3m2）开展了注气驱盐水实验，研究了注入体积流量q与盐质量浓度M对砂岩样品相对渗透率的影响（实验温度为65 C，压力为8.62 MPa）。注入气密度为210 kg/m3，黏度为0.020 mPas；盐水密度为1 0141 126 kg/m3，黏度为0.480.71 mPas。各相溶解质量分数参考本文应用实例取值，也可以通过类比法或经验公式计算。Jeddizahed室内实验得到不同q，M下的相渗曲线7。利用改进Corey模型18对Jeddizahed相渗曲线非线性拟合，相渗曲线端点值及改进的Corey模型拟合系数nw，ng见表1，并计算不同q，M下的Ssalt（见图3）。表1相渗曲线特征点参数及拟合系数Table 1Parameters of characteristic points and fitting coefficients inrelative permeability curve图3不同注入体积流量与盐质量浓度条件下的盐饱和度Fig.3Salt saturation at different injection volume flow rates and salt massconcentrations盐饱和度是反映地层干化盐析程度的直接表征参数，而盐析出后的孔隙度、渗透率与初始孔隙度、初始渗透率的比值是反映干化盐析程度的间接表征参数。盐饱和度变化必然导致地层孔隙度和渗透率发生变化。理论上，盐饱和度、盐析出量与孔渗参数之间具有一定的函数关系9。盐饱和度、盐析出量越大，孔渗参数值越小或其损失幅度越大。由盐饱和度计算结果可以看出（见图3），注入体积流量升高，盐饱和度降低；注入体积流量越高，地层干化越快，盐析速度加快。但盐析速度快，并不意味着盐堵越严重。孔隙中盐析出的同时，束缚水（或原生水）的蒸发也可能为天然气流动与储存提供更多的空间，从而增加气相有效渗透率。单位孔隙体积地层水的盐质量浓度高，会导致盐饱和度与渗透率损失幅度的增加。本文数学模型计算结果与Jeddizahed等7，15实验研究得到注气后气相有效渗透率提高的结论具有一致性。Jeddizahed等7测试了干化盐析污染前后岩心的初始及最终气测渗透率K1，K2和渗透率损失率Ks（见图4），气测渗透率损失率与本文建立的量化表征模型的盐饱和度计算结果在变化趋势上具有较好的一致性，进一步证明了本文建立的模型及干化盐堵损伤评估方法具有直接量化表征地层干化盐析程度的特点。图4不同注入体积流量与盐质量浓度条件下的气测渗透率Fig.4Gas-measured permeability at different injection volume flow ratesand salt mass concentrations4实例计算以国内某储气库为例，该储气库是利用完全水淹的废弃气藏改建而成，目前工作井干化盐析问题在运行过程中凸显，亟需可靠的干化盐析量化评估方法，以评估注、采气能力及适时采取近井解堵措施。根据地层基础物性分析及流体性质测试资料，该储气库平均孔隙度为16.97%，平均渗透率为13910-3m2，天然气黏度为0.02 mPas，地层水黏度为0.43mPas，地层水密度为1.180 g/cm3，天然气密度为0.640g/cm3，盐密度1.027 g/cm3，气相中水蒸气质量分数为aK-qbK-MaSsalt-qbSsalt-M526第30卷第3期2.2410-3，水相中溶解的盐固体质量分数为0.306，水相中溶解的天然气质量分数为1.5710-2，与地层流体性质及温压条件的相关系数为1.7910-3。结合典型相渗曲线实验测试成果，利用改进的Corey模型18对气水相对渗透率数据进行非线性拟合，获得nw，ng（见图5）。结合式（9）与改进的Corey模型，可以计算不同气相饱和度下的气相分流率和分流率导数。图5气水相对渗透率曲线Fig.5Gas-water relative permeability curve由式（6）可知，取值与储层初始条件（如温度、压力、流体性质、盐解溶性等）有关。取值不同时，式（18）的解Sg，df随之发生变化。计算Sg，df可采用迭代法。从几何角度，可将Sg，df的计算问题简化为函数L（Sg）与直线/（1-）交点的求取问题，且有利于分析解的特征。通过不同的值作图，可以观察分析解的特征（见图6）。图6L（Sg）与/（1-）的交点位置Fig.6Location of intersection of L（Sg）and/（1-）由图6可以看出：越小，L（Sg）与/（1-）的交点处Sg，df越大；当足够小时，Sg，df变化不大，并趋于一稳定值，此时Sg，dfSg，df。作Sg，df与的关系曲线，并对双对数曲线非线性拟合，双对数曲线也反映出上述特点（见图7）。图7Sg，df，lg Sg，df与，lg 的关系Fig.7Relationship between Sg，df，lg Sg，dfand，lg 鉴于此，可利用建立的某一给定储层条件下Sg，df与的非线性拟合函数对Sg，df近似计算，便于应用。本实例计算得到Sg，df约为72.0%，Ssalt约为9.8%。储层整体孔隙度变化不大，xd，f估计值见表2。表2不同时间干化前缘推进距离估计值Table 2Estimated extended-distance of the dry-out front at different times该储气库稳定期平均为2.2月，如果不对注入端解堵，干化前缘每年推进约5.8 m。随着时间推移，干化范围逐渐由近井向远井发展，储层盐堵问题变得越发严重。仅靠注入端短时间注水溶解来解除近井堵塞，显然无法有效恢复地层孔隙度、渗透率及天然气的注采能力，解堵周期的延长会对储气库正常运行造成影响。5结论1）储气库注采过程中近井地带地层干化和盐堵问题会导致储层孔隙度、渗透率及天然气的注采能力发生变化，最终影响储气库的稳定运行与运行年限，有必要对该问题高度重视。2）本文建立了基于BL经典分流理论、气水渗流规律的储气库干化盐析效应量化表征数学模型及盐堵损伤量化评估方法，解决了储气库干化盐析问题关键参数的量化与干化盐析扩展范围预测难题。3）溶质运移、毛细管力及储层应力敏感特性等因素对干化问题的影响是客观存在的，未来有必要深入考虑包含上述因素的复杂渗流及物理过程，并结合室内实验，进一步完善本文建立的理论模型。工作时间/a稳定期/月xd，f/m1205.830716.951128.6秦正山，等.储气库干化盐析效应量化表征及干化扩展范围预测方法527断块油气田2023年5月6符号注释Vp，salt为孔隙空间中的盐沉淀体积，m3；为地层孔隙度，%；A为地层横截面积，m2；s，w，g分别为盐沉淀、地层水、天然气密度，kg/m3；wg，w为水相中溶解的天然气质量分数；ww，g为气相中的水蒸气质量分数；ws为水相中溶解的盐质量分数；qg，qw，qt分别为注采气、地层水、总体积流量，m3/s；R为气液黏度比；vg，vw，vt分别为气相、水相、总渗流速度，m/s；x，x0分别为等饱和度线推进距离、初始位置，m；t，t0分别为目前时刻、初始时刻，s；Sg为储气库储层含气饱和度；Sg，f，Sg，df分别为气驱前缘及干化前缘位置处的含气饱和度；Sg，ti为初始时刻含气饱和度；Sg，f，Sg，df分别为气驱前缘及干化前缘位置后的平均含气饱和度，%；Sg，d-g为气液两相区的平均含气饱和度，%；fg，f，fg，df分别为Sg，f，Sg，df对应的分流率；fg，f，fg，df分别为Sg，f，Sg，df对应的分流率导数；N为储气库注入与采出的总次数；xd，fi为储气库第i个注气（采气）阶段下的干化前缘推进距离，m；i为第i个注气（采气）阶段的地层孔隙度，%；ti为第i个注气（采气）阶段的注气（采气）时间，s；vti为第i个注气（采气）阶段的总渗流速度，m/s；qti为第i个注气（采气）阶段的总体积流量，m3/s；fg，dfi为第i个注气（采气）阶段Sg，dfi对应的分流率导数；Krw为水相相对渗透率；Krg为气相相对渗透率；Krw（Sgr）为残余气饱和度对应的水相相对渗透率；Krg（Swc）为束缚水饱和度对应的气相相对渗透率；Sw为水相饱和度；Swc为束缚水饱和度；Sgr为残余气饱和度。参考文献1丁国生，王皆明，郑得文.含水层地下储气库M.北京：石油工业出版社，2014：30-50.DING 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