0 引言
为此，本文以典型气藏地质模型为基础，研发大型平面物理模拟模型，建立裂缝—孔隙型气藏大型物理模拟实验方法及其装置，研究了水体倍数、配产高低对气藏水侵规律及采收率的影响，探索了排水时机、排水规模、排水方式等对提高气藏采收率的作用，提出提高采收率的针对性对策建议。
1 实验方法
1.1 地质模型
以典型裂缝—孔隙型气藏地质模型为基础，以气藏储层物性特征为依据设计物理模拟实验模型。岩心物性统计表明储层孔隙度介于0.08%~17.83%之间，平均孔隙度为3.90%，孔隙度在2.5%~6.0%之间的占比为45.05%；储层渗透率介于（0.01~638）×10-3 µm2之间，平均渗透率为4.50×10-3 µm2，渗透率介于（0.1~10）×10-3 µm2之间的占比为51.02%。
1.2 实验模型
大尺寸天然岩心难以获取，国内外进行大尺寸岩心实验时除少量采用天然岩心外，绝大多数使用人造岩心。常用人造岩心制作方法有石英充填、磷酸铝石英烧结和石英砂环氧树脂胶结3种，从人造岩心孔隙结构与天然岩心相似性、岩心制作难易程度和岩心自身重复性等方面来看，石英砂环氧树脂胶结压制法具有更大优越性。本文采用石英砂与环氧树脂按比例混合胶结制成特定渗透率基质岩心，再在岩心上浇铸一层环氧树脂，提高模型的耐压性能。以该气藏地质模型［图1（a）］为基础，设计裂缝—孔隙型平面非均质岩心［22-23］，几何尺寸：长×宽×高=32 cm×32 cm×6 cm。岩心由上下两部分组成，左上部分渗透率K g=3.0×10-3 µm2，右下部分渗透率K g=0.3×10-3 µm2，上下部分中间包含一条贯穿裂缝，其渗透率K g=30.0×10-3 µm2；P7为气井，距离裂缝垂直距离9 cm；岩心平面上布置了20个测压点，用以监测岩心不同位置压力，通过压力变化来反映储量动用状况；岩心平面上布置了64组电极，用以监测岩心不同位置电阻率，通过电阻率变化来监测水侵前沿推进速度和储层含气饱和度变化［图1（b）］；根据上述模型设计，采用石英砂环氧树脂胶结压制法制成的裂缝—孔隙型非均质平面模型实物见图1（c）。
1.3 实验流程和步骤
实验流程如图2所示，包括高温高压仓（耐压10 MPa）、高压氮气瓶、驱替泵、中间容器、围压泵、电阻率传感器、压力传感器、气水分离装置及气体质量流量计等。压力传感器、电阻传感器、气体质量流量计通过数据采集器接入计算机，可实时记录模型的相关物理参数。
实验步骤如下：
（1）岩心饱和气：将实验用岩心烘干后称干重，饱和氮气至9 MPa。
（2）水侵模拟：测压点P5、P16连接恒压（无限大体积）或有限体积水体，水体初始压力和气藏初始压力一致，以不同产气速率进行衰竭式开发，通过电极电阻率变化监测水体沿裂缝和基质推进状况。
（3）井筒泡排：排水时机包括气井完全水淹、刚见水和稳产期末3个时机排水，通过向模拟井筒的气液分离器中加入起泡剂（PO-FASD）实现气井井筒泡排模拟。
（4）切断水源：通过关闭中间容器和高压气瓶实现切断水源，借以模拟水源处排水。
（5）岩心解水锁：通过气井P7向岩心内部注入阴离子型表面活性剂溶液（溶剂为PO-FASD，有效含量为40%，溶液浓度为0.5%），降低气水界面张力，恢复部分气水流动能力。
实验采集和计算参数包括瞬时产气量、累计产气量、瞬时产水量、累计产水量、压力和电阻等，评价指标包括水侵前缘推进速度、水侵波及系数和采收率等。其中，利用Image J软件提取水侵区域面积比例评价水侵波及系数，通过模型采出气量与初始饱和气量比值评价采收率。
1.4 实验方案
为揭示水体倍数、气井配产、排水时机、排水方式及排水规模等因素对气藏采收率影响，设计物理模拟实验方案见表1。
表1 物理模拟实验方案Table 1 Physical simulation experiment scheme |
| 序号 | 研究目标 | 实验方案 |
|---|---|---|
| 1 | 水侵规律 | 水体倍数：5倍水体、10倍水体、20倍水体、 60倍水体、恒压水体 |
| 2 | 气井配产：50、100、150、200、500 mL/min | |
| 3 | 排水采气优化提高采收率 | 排水时机：气井完全水淹时、稳产结束时、见水时 |
| 4 | 排水方式：气井井筒排水、水源处排水、储层解水锁 | |
| 5 | 排水规模：0%、11%、27%、48%、62%、80% |
2 实验结果与认识
2.1 水侵规律及对采收率的影响
2.1.1 不同水体倍数物理模拟实验
表2 不同水体倍数物理模拟实验结果Table 2 Result of physical simulation experiments under different aquifer sizes |
| 水体倍数 | 水沿裂缝推进速度 /（cm/min） | 水沿基质高渗区推进速度 /（cm/min） | 水沿基质低渗区推进速度 /（cm/min） | 水侵波及系数/% | 采收率/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 5倍水体 | 0.158 | 0.047 | 0.015 | 7.03 | 86.24 |
| 10倍水体 | 0.229 | 0.063 | 0.028 | 31.74 | 83.94 |
| 20倍水体 | 0.366 | 0.088 | 0.040 | 43.95 | 81.97 |
| 60倍水体 | 1.614 | 0.113 | 0.051 | 78.02 | 57.26 |
| 恒压水体 | 2.740 | 0.150 | 0.065 | 46.30 | 33.20 |
图3 不同水体倍数条件下水侵推进过程特征Fig.3 Characteristics of water invasion under different aquifer sizes |
分析表明：对于特定的气藏地质条件，水体倍数对气藏水侵规律及采收率的影响显著，从水侵推进过程特征来看，水体沿裂缝推进速度远大于基质，尤其是当水体倍数大于等于20倍时，水侵非均匀推进加剧，水侵波及系数大，气藏易形成局部水封气区域；水体恒压时，其水侵波及系数相对于60倍水体时有所下降，其原因是水体能量太强，水体与裂缝、气井之间形成优势水相推进通道，水体沿裂缝快速推进到气井产出，沿基质波及程度会降低；从采收率来看，随水体倍数增加，采收率普遍呈下降趋势，尤其是当水体倍数大于等于20时，采收率下降幅度加剧。开发过程中应结合气藏地质条件与水体分布特征，合理部署井网，确定单井合理避水高度，防控水侵非均匀快速推进，防止气井过早水淹，从而降低水侵伤害程度。
2.1.2 不同配产物理模拟实验
表3 不同配产条件下物理模拟实验结果Table 3 Results of physical simulation experiments under different gas production rates |
| 气井配产 | 水沿裂缝推进速度 /（cm/min） | 水沿基质高渗区推进 速度/（cm/min） | 水沿基质低渗区推进 速度/（cm/min） | 水侵波及系数/% | 采收率/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 50 mL/min | 1.883 | 0.119 | 0.038 | 58.59 | 39.23 |
| 100 mL/min | 2.269 | 0.141 | 0.057 | 49.80 | 38.09 |
| 150 mL/min | 2.664 | 0.152 | 0.063 | 46.48 | 36.43 |
| 200 mL/min | 2.741 | 0.150 | 0.065 | 46.31 | 33.20 |
| 500 mL/min | 4.525 | 0.933 | 0.069 | 33.33 | 24.44 |
图5 不同配产条件下水侵推进过程特征Fig.5 Characteristics of water invasion under different gas production rates |
分析表明：对于特定的气藏地质条件，配产高低对气藏水侵规律及采收率的影响显著，从水侵推进过程特征来看，气井配产小于200 mL/min时，随配产增加，水侵前缘沿基质推进速度增加的幅度不大，当配产大于200 mL/min时，高渗基质供气能力不足而压降传播快，水侵前缘沿基质高渗区推进速度加快，非均匀推进加剧；水侵波及系数随配产增加呈下降趋势，说明配产增加加剧水侵沿裂缝向气井突进，水驱气驱替效率降低，水封气区域更大；从采收率来看，整体上随配产增加呈下降趋势，尤其是实验配产大于200 mL/min时，采收率下降幅度加剧。因此，开发过程中应结合气藏地质条件、气水分布特征、储层基质供气能力，优化气藏采气速度，降
低水侵非均匀推进速度，从而降低水侵伤害程度。
2.2 排采优化提高气藏采收率
在上述水侵物理模拟实验基础上，进一步探索了排水时机、排水方式、排水规模等因素对气藏采收率的影响特征与机理，认识到合理的排采方案对提高气藏采收率具有积极作用。
2.2.1 排水时机
采用上述物理模拟实验方法和流程，在恒压水体和气井配产200 mL/min条件下，模拟研究了排水时机（气井完全水淹后排水、刚见水时排水、稳产期末排水）对提高气藏采收率的影响，实验结果见图7。分析得出：气井刚见水时开始排水效果最好，最终采收率为66.62%，完全水淹时开始排水效果最差，最终采收率为27.31%，在水侵气藏衰竭开采采收率基础上仅提高了6.22%。分析认为，排水时间太晚，水侵入气藏内部或在井筒形成积液时会造成基质渗吸水，在裂缝或井底附近形成水封带，降低基质向裂缝、气井供气能力，影响产能和采收率，因此对于有水气藏，早预防和早治理最为重要，排水措施宜早不宜迟。
2.2.2 排水规模
采用上述物理模拟实验方法和流程，在“恒压”水体和气井配产200 mL/min条件下，模拟研究了排水规模（排水量/水侵量）对提高气藏采收率的影响，气井分别在完全水淹后、气井稳产期后、气井刚见水时实施泡排，以及采取完全水淹后切断水源（模拟排水井主动排水阻断水体侵入）、储层注表面活性剂解水锁等措施时，排水规模分别为11%、27%、48%、62%、80%，实验结果见图8。分析得出：总体上气藏采收率随着排水规模增加而增加，排水规模27%左右时提高采收率即可见到明显效果，采收率可达59.91%，在水侵气藏衰竭开采采收率基础上提高了38.82%。上述实验结果表明：对于实际气藏开发，排水规模因井而异，边部排水井排水规模越大越好，可以防止水体侵入气藏内部；气藏内部井应确定合理排水规模，规模太大易加剧水侵，规模太小易导致井筒积液水淹，形成水封气。
2.2.3 排水方式
采用上述物理模拟实验方法和流程，气井在“恒压”水体和气井配产200 mL/min条件下生产，气井水淹停产后，向井筒注入起泡剂恢复产气，气井再次不产气后，切断水源恢复产气，气井不再产气时向岩心注入表面活性剂解水锁恢复气水流动能力，模拟研究了排水方式（气井井筒泡排、切断水源、储层解水锁）对提高气藏采收率的影响，实验结果见图9。分析得出：通过气井井筒泡排+切断水源+储层解水锁联合治理措施对提高水侵气藏采收率效果显著，最终采收率可达78.45%，在水侵气藏衰竭开采采收率基础上提高57.36%。原因是一方面通过切断水源卸载水体能量，延缓水侵向气藏内部推进；另一方面是通过储层解水锁可降低水相伤害恢复储层供气能力。因此，在实际气藏开发过程中，准确识别水侵优势通道，采取主动排水保护气藏有利于提高采收率。
3 结论
（1）气藏水侵规律及对采收率影响物理模拟实验结果表明：作用于单井的水体倍数和气井配产高低对水侵前缘推进速度、水侵波及特征以及气藏采收率影响均十分显著，开发过程中一方面应结合气藏地质条件与水体分布规律，合理部署井网，确定单井合理避水高度防控水侵非均匀快速推进；另一方面应结合气藏地质条件、气水分布特征、储层基质供气能力，优化气藏采气速度降低水侵非均匀推进速度。
（2）排采优化提高气藏采收率物理模拟实验结果表明：排水时机上应早预防和早治理最为重要，排水措施宜早不宜迟；排水规模上因井而异，边部排水井排水规模越大越好，可以防止水体侵入气藏内部，气藏内部井应根据水侵程度确定合理排水规模，规模太大易加剧水侵，规模太小易导致水淹形成水锁水封气；排水方式上采用气井井筒泡排+切断水源+储层解水锁联合治理措施对提高水侵气藏采收率效果显著。
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