摘  要  水驱砂岩气藏型地下储气库的渗流机理具有特殊性及复杂性，并客观上决定了地下储气库多周期运行的注采效果。为此，针对其储层特征，开展了多轮次气、水互驱物理模拟实验，研究了储气库储层气、水二相渗流特征，分析了储气库储层孔隙空间可利用率的变化规律，并揭示了该类储气库建设及运行的主要影响因素。研究表明：①该类储气库经长期注采运行，水相渗流能力相应增强，导致边水运移越发活跃，储层孔隙空间出现大量残余气、束缚水，气相渗流阻力相应增加，气库扩容及注采效果受到影响；②储气库运行中边水往复运移造成储层空间形成大量死气区，导致储层孔隙空间利用效果变差，库容可利用率降低，储层孔隙空间可利用率介于40％～70％；③该类储气库建设及运行过程中应重视储层含水量的变化，并采取相应措施以降低水侵对储气库运行效果的影响。

关键词  水驱砂岩气藏  地下储气库  渗流机理  注采循环  储层孔隙空间可利用率  气、水互驱物理模拟

水驱砂岩气藏内部及周边存在一定规模的边、底水，因此，在水驱砂岩气藏型地下储气库的设计中，充分认识气库建设及运行中的气、水二相渗流机理是很重要的^[1]。气库运行中边水侵入储层可造成储层伤害，导致注气损失、库容动用效果变差等，致使气库运行指标难以预测^[2-6]。由于水驱砂岩气藏型储层岩石的亲水性，多周期运行过后孔隙喉道壁面易形成水膜，造成气相渗流阻力，影响气库扩容及注采能力^[7-17]。

根据水驱砂岩气藏型地下储气库储层及运行特征，设计了气、水互驱模拟实验系统，开展多轮次气、水互驱实验，针对水驱砂岩气藏型储气库运行过程中气、水二相渗流机理及库容可动空间变化特征，分析了气库储层孔隙空间可利用程度变化规律，并揭示了该类储气库建设及运行的主要影响因素。

1气、水互驱物理模拟实验

根据水驱砂岩气藏型储气库建设及运行特征，设计了室内气、水互驱物理模拟实验系统(图1)。

1．1实验样品

实验样品选取某水驱砂岩气藏型储气库储层岩心，代表地下储气库高、中、低各类渗透率级别的储层，样品基础参数见表l。

1．2气、水互驱实验流程

高、中、低渗透率的小岩心样品分别连续完成3组气、水互驱实验。实验环境为标准状态，实验过程中记录时间、流量、压力，并绘制气、水相对渗透率与含水饱和度的关系曲线。具体实验流程如下：

1)用模拟地层水饱和岩心样品。

2)气驱水，记录各时间点气、水流量及压力等实验数据，绘制气、水相对渗透率曲线，气驱结束计算束缚水饱和度及束缚水下气相相对渗透率。

3)水驱气，记录各流量及压力等实验数据，水驱结束后记录残余气饱和度及残余气下水相相对渗透率。

4)如此往复3次，实验结束后称取岩心质量以验证实验精度。

2实验结果及分析

针对各类储层岩心的3轮气、水互驱结果(表2)，分析水驱砂岩气藏型储层气、水二相的渗流特征及两相流动区间的变化规律。

2．1气、水二相渗流特征

图2为3轮气、水互驱相对渗透率曲线的对比效果图。

随着气、水互驱轮次的增加，气、水两相区间收窄，气相渗流等渗点下移。表明气库经长期运行，储层受边水运移影响孔隙空间可利用程度逐步降低，气相渗流阻力逐步增加，影响气库扩容及注采效果。

对比各轮气、水互驱结束的束缚水、残余气饱和度。随着气、水互驱轮次的增加，储层束缚水饱和度及残余气饱和度相应增加。其中，由于低渗透率层孔喉发育差，气驱水效果较差，孔隙水动用效果不佳，导致束缚水饱和度较高；而高渗透率层孔喉发育均质性较差，水驱气过程中容易产生绕流封闭气，储层空间出现大量死气区致使残余气饱和度较高。

2．2储层孔隙空间可利用率

为描述水驱砂岩气藏型储气库储层孔隙空间的动用效果，提出孔隙空间可利用率的概念，用来表示气库运行中储层孔隙空间的可动用程度，下面给出具体算法：

式中S_wc为束缚水饱和度；S_gc为残余气饱和度。

利用各轮气、水互驱的束缚水、残余气饱和度，计算各类储层岩心孔隙空间可利用率，结果见图3。经3轮气、水互驱，各类储层孔隙空间可利用率的差距较为明显，高、中、低渗率层孔隙空间可利用率分别为46.5％、56.0％、74.0％，并且随着气、水互驱轮次的增加，储层孔隙空间可利用率表现为下降趋势。其中低渗透率层孔隙空间可利用率下降幅度较大，表明由于孔喉发育较差，低渗透率储层孔隙空间动用能力受水驱效果影响更加明显。

3水驱砂岩气藏型储气库运行影响因素

水驱砂岩气藏型储气库运行过程中，随着采气循环，库内压力迅速下降，为缓冲库内压力变化，边水侵入储层孔隙空间，由于高渗透率储层孔喉发育非均质性较强，边水选择优势通道流动，而临近较细孔喉空间无法有效动用，形成大量封闭气死空间，导致残余气饱和度较高，储层孔隙空间可利用率较低，影响库容可动用率。

地下储气库运行过程属于高速注采过程，在细孔喉的减切作用下，孔隙空间出现气、水互锁现象。水驱砂岩气藏型储气库经长期运行，储层孔隙空间气、水二相分布趋于复杂，出现大量残余气及束缚水，气库扩容及注采能力受到影响。因此，针对水驱砂岩气藏储气库的建设及运行，要特别重视储层含水状况，将边水运移控制在一定范围之内，以降低气库运行中的水侵伤害。

4  结论

1)自主设计研发了水驱砂岩气藏型地下储气库运行物理模拟实验系统，并通过气、水互驱实验进一步揭示了气库运行气、水二相渗流规律。

2)水驱砂岩气藏型地下储气库经长期注采运行，水相渗流能力相应增强，导致边水运移越发活跃，储层孔隙空间出现大量残余气、束缚水，气相渗流阻力相应增加，气库扩容及注采效果受到影响。

3)由于气库运行中边水往复运移造成了储层伤害，导致库容可动用率降低，储层孔隙空间可利用率介于40％～70％。储气库实际运行中应重视储层含水的变化，采取措施以降低水侵对气库运行效果的影响。

参考文献

[1] 王皆明，郭平，姜凤光．含水层储气库气驱多相渗流机理物理模拟研究[J]．天然气地球科学，2006，17(4)：597-600.

[2] WOOD D J，LAKE L W，JOHNS R T，et al．A screening model for C0₂ flooding and storage in gulf coast reservoirs based on dimensionless groups[J]．SPE Reservoir Evaluation & Engineering，2008，11(3)：513-520．

[3] COSTA A．Permeability-porosity relationship：a reexamination of the Kozeny-Carman equation based on a fractal pore-space geometry assumption[J]．Geophysical Research Letters，2006，33：L02318，5PP．

[4] WITHERSPOON P A，NEUMAN S P．Evaluating a slightly permeable caprock in aquifer gas storage：1. Caprock of infinite thickness[J]．Journal of Petroleum Technology，1967，19(7)：949-955．

[5] ARNS C H，BAUGET F，LIMAYE A，et al．Pore-scale characterization of carbonates using X-Ray microtomography[J]．SPE Journal，2005，10(4)：475-484．

[6] 王皆明，姜风光．地下储气库注采动态预测模型[J]．天然气工业，2009，29(2)：108-110．

[7] XU Peng，YU Boming．Developing a new form of permeability and Kozeny-Carman constant for homogeneous porous media by means of fractal geometry[J]．Advances in

  Water Resources，2008，31(1)：74-81．

[8] RIOS R B，BASTOS-NETO M，AMORA JR M R，et al． Experimental analysis of the efficiency on charge／discharge cycles in natural gas storage by adsorption[J]．Fuel，2011，90(1)：113-119．

[9] 李明诚，李伟，蔡峰，等．油气成藏保存条件的综合研究[J]．石油学报，1997，18(2)：41-48．

[10] BEN Teng ，PEI Cuiying，ZHANG Daliang，et al．Gas storage in porous aromatic frameworks[J]．Energy and Environmental Science，2011，4(10)：3991-3999．

[11] 陈祖安，伍向阳，孙德明，等．砂岩渗透率随静压力变化的关系研究[J]．岩石力学与工程学报，1995，14(2)：155-159．

[12] SHIN C H，LEE J H．A numerical study on the compositional variation and the validity of conversion of a gas condensate reservoir into underground storage[J]．Energy Sources，Part A：Recovery，Utilization，and Environmental Effects，2011，33(20)：1921-1932．

[13] 罗群，孙宏智．断裂活动与油气藏保存关系研究[J]．石油实验地质，2000，22(3)：225-231．

[14] 张守良，沈琛，邓金根．岩石变形及破坏中渗透率变化规律的试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2000，19(增刊)：885-888．

[15] YU B M．Analysis of flow in fractal porous media[J]．Applied Mechanics Review，2008，61(4)：50-80．

[16] 贺玉龙，杨立中．围压升降过程中岩体渗透率变化特性的试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2004，23(3)：415-419．

[17] WANG Z，HOLDITCH S A．A comprehensive parametric simulation study of the mechanisms of a gas storage aquifer[J]．Society of Petroleum Engineers，2005(6)：1-8．

本文作者：石磊   廖广志  熊伟   高树生   耿彤

作者单位：中国石油勘探开发研究院廊坊分院  中国石油勘探与生产分公司  中国科学院渗流流体力学研究所  中国石油华北油田公司采油工艺研究院