0 引言
致密砂岩气是非常规天然气的主要类型之一，也是目前国际上开发规模最大的非常规天然气，在天然气能源结构中的占比和作用日趋显著[1]。我国致密砂岩气藏资源丰富，以鄂尔多斯盆地苏里格气田、四川盆地川中须家河组气藏和松辽盆地南部登娄库组气藏为代表，已经实现了致密砂岩气的规模开采和利用[2]。致密砂岩气定义为覆压基质渗透率小于等于0.1×10-3μm2的砂岩类气层，单井一般无自然产能或自然产能低于工业气流下限,但在一定经济条件和技术措施下可以获得工业天然气产量[3,4]。目前国内发现的大型致密砂岩气藏多属于岩性气藏，天然气的聚集主要受岩性控制，多为先致密后成藏，近源成藏特征明显，普遍具有广覆式生烃、弥漫式充注成藏特征，无明确气水分布界面，气水关系复杂。致密砂岩气藏烃类充注成藏时，会沿着能量消耗最小的路径运移，驱替储层原生水而富集成藏[5,6,7,8,9]。对于喉道半径较大的孔隙结构，其中大部分水会被驱替出来，但气体的排驱能量很难将储层小孔隙中的水完全驱替出来，导致地层中还存在部分残余水。致密砂岩储层中的气水赋存状态主要受微构造和储层物性等多重因素影响，呈现出与常规气藏不同的气水分布模式。
对于岩性构造背景下的致密砂岩气藏，其储层一般不含有边、底水等自由水，但其初始含水饱和度普遍较高，储层射孔开发产水主要来源于储层中的孔隙水。如苏里格气田，大部分气井生产早期一般不产水，但是随着生产开发的进行，生产压差增大，部分气井会逐渐产水，地层中流体的流动由气体的单相渗流逐渐演变为气、水两相渗流：一方面水相流动占据气体渗流通道，增大气体渗流阻力，降低气体流量；另一方面气体流量降低会致使近井地带含水饱和度增加、井筒积液，废弃压力增大，严重时导致气井水淹[8,10,11]。气井见水将严重影响气井的产能和气井泄流半径，导致气井压力和产量迅速下降，缩短气井生产生命周期。因此,如何通过可动水识别、控制生产压差等措施，延缓出水时间，控制出水速率，意义重大[12,13]。为此，本文调研了国内外学者对储层可动水赋存状态和产出机理、致密气藏产水规律以及可动水对储层影响等方面的研究方法及成果，分析储层可动水产出控制因素，针对性地提出了减缓可动水产出以及降低气井产水的措施，对致密砂岩气藏产水问题下一步研究的开展具有指导意义。
1 致密砂岩气藏孔隙水赋存状态及产出机理
1.1 孔隙水的赋存状态
致密砂岩储层岩石孔隙结构十分复杂，储层非均质性较强，孔喉细小，孔隙内水相的赋存状态和可动性较难确认，气水渗流机理认识难度大。针对致密砂岩储层孔隙中水的赋存状态及流动性问题，国内外学者做了大量的研究，主要研究方法分为2类：一类研究是借助于可视化物理模拟技术，通过气驱水实验，在水中加入恰当的示踪剂，肉眼直接观看或者是借助于显微装置，定性和定量地观察模型内的流体流动变化，研究孔隙内水的赋存状态[14,15]，其主要装置流程如图1所示。可视化模型作为一种多功能仿真模型最开始是在油藏工程领域应用，后来逐渐被应用到气藏实验中。该类实验的难点在于模型的制作：一种模型制作方法是根据天然岩心铸体薄片图像或者微米CT扫描实验结果，提取岩心的实际孔喉网络，然后采用激光刻蚀技术或者化学刻蚀技术将孔喉网络结构刻画在玻璃板制成的模型上，制作微观玻璃孔隙模型；另一种是将真实岩心经过洗油、烘干、切片、磨片等工序处理后，保持原岩心孔隙结构和表面物理性质，粘夹在玻璃板之间，将周围封好并连接出入口装置，制作成真实岩心模型。
另一类方法是借助可动流体核磁共振测试技术，同时结合气驱水实验、压汞实验等结果，研究岩石孔隙中水的赋存状态及其流动性。该类方法的实验原理和步骤为[17]:首先，对含水岩石进行核磁共振测试，根据T 2谱曲线分析得到不同孔隙内水的分布特征。对于同一个完全饱和水的岩心，测试结果中T 2弛豫时间较长反映孔隙越大，T 2弛豫时间越短反映孔隙越小。然后对饱和水的岩心进行逐级增压气驱实验或者离心实验，不同压差或不同离心力驱替后测量岩心的含水饱和度，再对岩心核磁共振测试，获取一系列T 2谱曲线，分析结果即可得出不同含水饱和度情况下岩心孔隙内水的分布状态以及和气驱压差的关系，如图2所示。最后，对岩样进行高压压汞实验，得出岩心孔隙结构特征。综合分析各类实验结果，就可定量分析驱替压力与含水饱和度的关系，以及不同含水饱和度条件下孔隙内流体的赋存状态与分布特征等。但是该类方法仅是实验结果曲线间接反映水在储层内的赋存特征，缺少对其直观的动态表征。目前主要的研究学者和研究方法如表1所示。
表1 可动水赋存状态主要研究学者及方法Table 1 Major research scholars and research methods about the occurrence of movable water |
可视化物理模型技术具有可视化能力强的优点，能够直观清晰地观察到模型中的气水动态流动特征和气水赋存状态，但是不管是微观可视化玻璃刻蚀模型还是真实岩心模型，受限于制作材料的性质，都不耐高温高压，无法模拟实际地层的高温高压环境。而已有的研究表明，在高温高压条件下，储集层孔隙结构、流体性质、气水流动状态与常规条件不同，高温高压下气水黏度比、界面张力以及气驱水波及系数会更高[18]，所以运用该类模型进行气驱水模拟孔隙水形成机理实验真实性较差。可动流体核磁共振测试技术结合气驱水、高压压汞等实验方法能够较真实地模拟充注成藏过程中残余水形成机理及赋存特征，但是该实验方法仅能够通过分析实验结果曲线间接预测水在储层内的赋存特征，缺少对其直观的动态表征。笔者认为下一步研究方向应研制耐高温耐高压的可视化物理模型，从二维模型向三维模型进行转变，同时结合可动流体核磁共振测试技术、压汞实验等，综合研究致密气藏中孔隙水形成机理与赋存特征。
综合各学者的研究成果可得知：受控于孔喉大小、形状以及岩石表面物理性质等因素，残余水中的可动水主要分布在大孔隙和裂缝中，在生产初期就可以产出。束缚水主要由毛细管滞水和薄膜滞水2部分组成。在表面张力作用下，束缚水在裂缝、大孔隙壁面中以“薄水膜”形式存在；在表面张力和毛管压力作用下，束缚水在小孔隙中以“厚水膜”模式赋存；在气藏压力封闭下，束缚水在孔隙盲端以及角隅处以水珠形式存在；毛管压力作用下，在连通喉道处以及狭长喉道处以“水柱”模式赋存，而这一部分束缚水会随着生产压差的增大转化为可动水随气体产出。
1.2 孔隙水产出机理
在气藏投入开发之前，储层孔隙内的气水均处于平衡状态。对于一些不含自由水的致密砂岩气藏，地层水主要以残余水的模式存在，气藏束缚水饱和度一般较高，但是不少气井仍旧可以大量产水。另外，某些气井在加大生产压差，增大产量之后，最初不产水的井却出现了后期产水的现象。因此国内外学者做了大量工作研究储层中可动水的产出机理。
在数学模型计算方面，杨满平等[19]通过对孔隙简化模型的参数计算和结合岩心应力敏感性实验结果，分析岩心孔隙内束缚水的产出机理。研究发现，气藏生产过程中储层孔隙压力逐渐减低，有效应力增大，导致孔隙喉道体积缩小，致使部分孔喉内的束缚水转化为可动水并且随气体流动产出。
董红坤等[34]通过建立方块模型结合气藏工程方法，研究气藏压力变化过程中孔隙体积、含水饱和度、束缚水饱和度以及可动水饱和度等相关动态参数。模型结果表明，气藏压力下降的同时伴随着岩心含水饱和度和束缚水饱和度的增大，但是含水饱和度的增大速度要大于束缚水饱和度，所以导致一部分束缚水向可动水转化，可动水饱和度逐渐增大。刘广峰等[35]应用分型理论建立了致密气藏束缚水饱和度的计算模型，解释到温度升高、驱动压差增大会导致束缚水饱和度减小。郭平等[36,37]、黄伟岗等[38]通过压汞实验、核磁共振测试并结合测井方法研究气藏含水饱和度，研究发现，在流体流动过程中储层含水饱和度是一个变量,含水饱和度具有速度敏感性，随着储层内部气流速度增大会逐渐降低甚至会低于束缚水饱和度。胡勇等[31,39,40]、付大其等[41]、姬随波[42]、杨正明等[43]、钟韬等[44]通过逐级增压气驱水实验认识到气驱压力增大到一定程度之后，连通孔隙内和部分小孔隙中的束缚水会转化为可动水流出，使岩心含水饱和度降低，并且水相在运移过程中会在连通孔喉内部发生二次分布，再次形成残余水。许文平等[45]通过逐级增加围压进行恒压气驱含水岩心实验认识到，增大围压，在岩心孔隙体积减小的同时还会使得部分束缚水变为可动水。高树生等[46]、叶礼友等[47]借助于微观可视化模型开发物理实验认识到致密储层中分布在细微孔喉内部的水相和细微孔喉控制的孔隙内的气相呈图3所示的相互封存的状态。由于天然气的等温压缩系数要远远大于地层水，所以开发过程中地层压力下降时气体通过释压膨胀，挤压水相流动。
致密气藏可动水产出控制因素包括采气速度、气驱压力、储层渗透率、储层含水饱和度、有效应力等，研究者从单一因素出发分析其对可动水流动性的影响规律，但缺乏对各个控制因素的综合考虑及对各个影响因素的量化研究，下一步研究应综合考虑各个影响因素，系统模拟致密气藏开采过程的孔隙水产出规律以及量化分析各影响因素对孔隙水产出的影响程度。
致密气藏孔隙水的产出主要通过2种形式：
（1）孔隙内可动水的产出。气藏开发过程中，储层压力慢慢下降，生产压差增大，气体流速增大，压力降传导到孔隙内的气体时，气体体积迅速膨胀，对孔隙表面水相进行挤压。气体膨胀能和气体流动驱替力共同对微细孔喉处的水相产生作用力，这种作用力只要大于某一微细孔喉处的毛细管力的阻碍时，分布在裂缝、大孔隙中以及连通孔隙内的可动水就会流动产出。储层可动水是气井产水的主要来源。
（2）束缚水向可动水转化进入流通通道并随气体产出。主要原因有：储层在生产过程中有效应力增大，岩石变形，孔隙喉道体积减小，释放出部分束缚水；储层束缚水存在速度敏感性，是关于相对渗流速度的物理量,生产压差变大，气流速度增大，当气相流体的流速超过某一定值，使得对于孔喉管壁水膜的拖曳力大于水膜流动的沿程阻滞力时，束缚水变得可动;地层压力的降低促使束缚水水膜膨胀加厚，在流动压差下从压力高处向压力低处流动，束缚水转化为可动水。
2 储层含水对致密砂岩气藏开发的影响
致密砂岩气藏储层渗透率低、孔喉半径小，原始含水饱和度较高。在气藏开采过程中，储层原始含水会占据气体的有效渗流通道，使得气体渗流产生启动压力梯度增大、贾敏效应、水锁效应等现象，储层水的流动还会产生气、水两相渗流，降低气体的有效渗透率，严重降低气藏的采收率。
2.1 渗流机理及规律
李允等[51]、任晓娟等[52]、依呷等[53]、胡勇等[54]及郑小敏等[55]分析致密气藏渗流规律时认识到岩石孔隙内的赋存水会占据部分渗流通道，增加气体渗流阻力，增大启动压力梯度，使气相渗流能力大幅度下降，储层动用程度降低，只有气驱压力大于启动压力时气体才能够有效的动用。胡勇等[56]、游利军等[57]研究发现天然气在渗透率小于0.1×10-3μm2的干岩心或者渗透率小于1×10-3μm2的含水砂岩中流动时存在启动压力梯度，储层含水对气体渗流影响较大，含水饱和度较高时，储量动用程度低，储层供气能力差。高树生等[58]对川中须家河组致密砂岩储层不同含水饱和度下气体渗流规律进行了实验研究，研究表明含水是气体渗流产生启动压力梯度的主要原因，并且启动压力梯度是岩心渗透率和含水饱和度的参数。
2.2 水膜厚度
水膜水的概念为在水—固相接触面上一层紧贴固相表面上的且与体相水(游离水)性质不同的水膜[59]。在致密储层中，气体低流速的情况下，孔隙喉道半径与水膜厚度处于同一数量级尺度下，开采过程中会影响气体渗流特征[49]。张学庆等[59]以致密低渗透储层为研究对象，讨论了水膜的形成以及存在的物理化学机理，认为水膜的存在削弱了储层有效孔喉半径，降低了流体的渗流能力。邓勇等[49]、姚广聚等[60]认为，开采过程中的水膜水膨胀导致水膜封闭孔喉是气藏产能下降的原因之一，如图5所示。刘德新等[50]、李海波等[61]发现渗透率越低储层原始束缚水膜越厚，由于吸附水层厚度和储层孔隙半径处于同一数量级，束缚水膜占据了有效渗流喉道半径和可流动孔隙空间，导致储层流体非线性特征愈发显著。
2.3 近井地带含水变化
胡勇等[40]通过多岩心串联模拟致密非均质气藏衰竭开采过程中沿程含水饱和度变化，对于渗透率较低（<0.5×10-3μm2）的致密储层，岩心孔喉的毛细管力对水相的捕集作用大，气藏开发时储层内部水相的运移会被局部孔喉捕集滞留，造成渗流方向沿程储层含水饱和度升高，影响气相渗流能力。马宏煜等[62]对近井地带含水饱和度的变化研究发现：对于致密砂岩储层，不同的采气速度对应特定的临界含水饱和度；当气藏含水饱和度低于该临界值时，地层水能够全部随气体流动产出；如果高于临界值，气体的携液能力小于供液能力，造成靠近井筒区域地层含水增大，严重时导致气井井底积液。盛军等[48]认为在气藏气井开采过程中，从泄流边界到井筒方向，含水饱和度呈逐渐增大的趋势，造成近井地带积液，还有水锁效应的发生。
水锁效应指的是油气开发过程中，外来液体侵入开发地层时，造成储层靠近井筒区域油气相渗透率降低的现象[63]，图6展示的是发生水锁时的储层截面。水相滞留对气藏渗透率的损害是影响低渗透气藏储层有效开采的关键影响因素之一[64,65]，研究表明[66,67]，滞留水相的来源除了开采过程中注入的压裂液、钻井液等外来水和气体开采在井底附近产生的凝析水之外，还包括气体从储层远端驱替携带的原始地层水。盛军等[48]、庞振宇等[68]忽略外来流体对储层的影响，研究致密砂岩气井在开采过程中由储层自身地层水聚集造成的水锁效应，发现致密砂岩气藏的水锁效应与含水饱和度和生产压差呈正相关。随着生产压差的增大，水锁效应愈加显著，对储层的损害程度越高。含水饱和度增大，水锁效应对储层的损害程度先上升后逐渐趋于平缓。
2.4 压敏效应
2.5 气水两相渗流
Shanley等[74]的气水两相渗流“渗透率屏障”理论认为，致密气藏储层物性差，气水两相共渗区间狭窄甚至基本不存在，在一定含水饱和度范围内，水气都不会流动。叶礼友[75]、李奇[76]通过非稳态法气水相渗实验认识到，致密砂岩储层束缚水饱和度较高，气水共渗区较窄，气水两相共同流动时，气相相对渗透率始终比较低，当岩心含水饱和度增大至70%以上时，气相相对渗透率基本接近于0，如图7所示，这也解释了为什么气井见水之后产能迅速下降的原因。高树生等[77]、莫邵元等[78]认识到驱替压差增大会使气水相对渗透率曲线左移，如图8所示，即压力梯度的增大会降低气相的渗流能力，提高水相的渗流能力。方建龙等[18]、刘宇展等[79]、郭肖等[80]通过实验进一步认识到，围压的增大会导致气水相对渗透率值下降，两相共渗区减小。在地层高温环境下，孔隙中气水共同流动时，储层压力越低，气相相对渗透率越低。
笔者总结各类学者的研究结论，认为储层含有的孔隙水对致密砂岩气藏开发影响主要表现在以下4个方面：
（1）孔隙水会使致密气藏开采过程中启动压力梯度增大，气体滑脱效应减弱，产生贾敏效应，造成开采过程中气藏能量的额外消耗。
（2）致密气藏开采过程中储层孔隙压力降低，上覆有效应力增大，产生压敏效应。储层含水会增大其应力敏感性，加剧储层渗透率的减小。同时水相会占据气体渗流通道，增加气体渗流阻力。
（3）孔隙水的流动会导致储层流体的渗流由单相渗流变为气水两相渗流，气相相对渗透率大大降低，气体流量减小。
（4）伴随着气流速度减小，气体携液能力降低，近井地带含水饱和度增加，造成对气相的圈闭和水锁效应，气井井筒积液，严重时水淹。
3 致密砂岩气藏控水开发对策
我国许多致密砂岩气藏具有低压、低产、小水量的特征，大面积气水混存，部分气井产水情况严重，气井产出水主要为储层孔隙中的可动水。针对此类产水气藏，在基于致密储层已有的产水机理及渗流机理认识上，笔者建议可从下面几个方面控制和减缓地层中可动水产出的影响：
（1）分析储层孔隙特征及气水赋存状态，优选开发区域及层系。关于致密气藏储层孔隙水赋存状态研究表明，孔隙水的分布受毛细管力、储层物性及孔隙结构等因素的综合影响，可动水存在大孔隙和裂缝中。可根据储层孔隙特征结合可动水饱和度NMR测试[47]，判断储层产水风险，选取低产水风险区射孔开发。
（2）合理配产，控压生产。致密砂岩气藏产能受储层物性、产水特征、开发方式、水相分布等多重因素的影响。实验室结果表明，通过合理配产、控压生产能够有效控制可动水的产出时间及产出速率，减缓气相渗透率降低速度，延长气井生命周期，达到气井的平稳和高效开采。需要注意的是，通过理论方法计算气井合理配产：一方面要考虑地层的压敏效应，尤其是含水饱和度较高的地层;另一方面也要兼顾考虑气体渗流时的携液能力，避免井底积液。
（3）采用分段压裂水平井开发。在恰当的条件下尽量采用水平井分段压裂开发，能够有效增加井控面积和泄流面积，减小生产压差，降低流体渗流阻力，提高气井产能，防止和控制储层产水，最终可以实现延长无水或低水采气期，提高采收率[81]。
（4）强化排水采气技术。气藏进入衰竭期后，生产压差会越来越大，绝大多数气井处于低压低产阶段，气井携液能力变差，依靠气井自身能量排除井底积液困难较大。苏里格气田现已形成的“泡沫排水、速度管柱、柱塞气举、气举复产”为主体的排水采气技术系列，普遍适用于各类产水气井，目前取得良好的增产效果。截至2016年底，排水采气技术系列已为苏里格气田累积增产7×108m3。川中须家河组气藏的排水采气实践也证明，泡沫排水和优选管柱工艺对增产具有显著的效果。
（5）降低或解除近井地带水锁效应。研究表明，近井地带局部孔喉捕集水能力强或者是气流速度降低引起的携液能力差，都会导致水相在近井地带的聚集，产生水锁效应，圈闭部分气体。近井地带发生水锁时应采取有效措施解除水锁[82]：增大生产压差，提高气体流速进而提升携液能力，驱替聚集水体，减少近井地带地层水的聚集；注入表面活性剂，减小气水之间的表面张力；利用加热的方法减小近井地带含水饱和度；注入活性剂，改变岩石润湿性，降低水相的吸附能力等。
4 结论
（1）致密储层中的孔隙水受控于孔喉大小、形状以及岩石表面物理性质等因素以可动水和束缚水2种状态赋存于地层中，可动水主要分布在大孔隙和裂缝中，束缚水则以“水膜”、“水珠”、“水团”、“水柱”等形式分布在储层孔隙内部。目前关于孔隙水赋存状态研究方法存在局限性，应着手研制耐高温高压的可视化物理模型模拟实际储层的开采过程，并结合可动流体核磁共振测试技术、压汞实验等方法综合研究，提高实验准确性。
（2）致密砂岩气藏开采过程中生产压差增大会促使可动水逐渐产出，而束缚水会在一定条件下向可动水转化，随着气体渗流产出。目前的实验研究已明确各影响因素对储层孔隙水产出的影响机理，但缺乏对各种因素综合考虑以及量化分析，下一步研究应综合各类因素的叠加影响，设计更接近致密气藏实际开采状况的实验室方法，研究孔隙水产出机理及产出规律。
（3）储层含水影响致密气藏开发的方式主要为使气体渗流启动压力增大、储层压敏效应增强、气水两相流增大气体渗流阻力等。在近井地带还会导致储层含水饱和度增高，产生水锁效应、圈闭气相，气井井筒积液等。
（4）在基于地层可动水产出机理及对储层开发影响的基础上提出控水开发对策：分析储层孔隙特征及气水赋存状态，优选开发区域及层系；合理配产，控压生产；采用分段压裂水平井开发，减少生产压差，降低气体渗流阻力，防止和控制出水；强化排水采气技术；采用增压、加热、注入表面活性剂等方式降低或解除近井地带水锁效应。
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