摘要：低渗透气藏近井区地层水蒸发对气体渗流会产生一定的影响。为此，研究了水相蒸发现象产生的机理和变化规律，分析了利用水相蒸发解除气井水锁效应的可行性。结果表明：气井生产压差和气井产量是影响近井区水相蒸发的两个主要因素，产量越高，生产压差越大，水相蒸发的影响半径越大；水相蒸发主要发生在距井筒5m的范围内；在低渗透气藏气井生产初期可以适当降低井底压力，放大生产压差，提高水相蒸发速率以快速解除水锁效应，降低气体渗流阻力。

关键词：低渗透油气藏；地层水；蒸发；含水饱和度；渗流

    在高温、高压的地层条件下气藏气态烃中会饱和有一定量的地层水，随着压力的降低或者温度的升高地层水会迅速蒸发，引起气态烃中饱和蒸汽量的增加^[1～3]。在无边底水气藏这种水相蒸发会引起地层含水饱和度降低，提高气相相对渗透率，改善近井储层的渗流能力。在钻井、完井过程中外来水相流体侵入到储层孔道后，会在近井区的孔道中形成水相堵塞，即水锁效应^[4]。低渗透气藏储层由于孔隙小、吼道细，水锁效应对低渗透气藏储层的损害更严重，对于地层水盐分含量较低的储层，合理利用近井区水相的蒸发作用，可以降低近井区含水饱和度，解除水锁效应。因此，有必要研究水相蒸发现象产生的机理和变化规律及其对气体渗流的影响。

    天然气含水量可以通过1958年Mcketta-Wehe提出的天然气含水量估算图版获得。在估算图版中，压力和温度是影响天然气含水量的主要因素，随着温度的降低气体中含水量逐渐减小，随着压力的降低气体含水量逐渐增加。图1显示，在不同温度下天然气中饱和蒸汽含量随着压力的降低而增加。尤其是在压力低于5MPa时，天然气中蒸汽含量急剧增加。目前主要通过图板法估算天然气中蒸汽的含量^[5]，然后根据天然气中饱和蒸汽含量与压力和温度的关系进行回归处理。在不同温度下，天然气饱和蒸汽含量与压力满足乘幂关系，即

   w=Ap^-B   (1)

    A、B为与温度有关的系数，可通过回归求得。

 

在气井卸压生产的过程中地层温度基本恒定，影响天然气中蒸汽含量变化的主要是压力，当不考虑温度的影响时，对式(1)求导得：

 

此时A、B在对应地层温度下为定值。定义y=dw/dp为储层中水相蒸发因子，则式(2)改写为：

 

    式(3)表明水相蒸发因子与压力成反比，负号表示水相蒸发因子随着压力的降低而增加。

    由于气井开始生产后，地层压力下降，水相开始蒸发，气体中的含水量逐渐增加，在无边底水的储层中会造成地层含水饱和度的减小，因此有必要研究近井区含水饱和度的变化规律。

    ① 地层温度恒定；②地层水中含盐量低，不考虑盐分沉积的影响；③气体流动符合达西定律，气井定产生产。

    选取地层r处的体积元△V为研究对象，图2为体积元划分示意图。

 

    在图2的体积元内地层孔隙体积为：.

    △V=2πrhφdr    (4)

    由于水相蒸发造成储层中地层水的体积减小量为：

    △V_w1=△VdS_w=2πrhφdrdS_w    (5)

    在dt时间内由于水相蒸发造成气体中蒸汽的增加量为：

孔隙中地层水减小的体积量，应该等于气体中增加的蒸汽量，所以式(5)与式(6)相等，即

 

式(7)的右边项可以改写成：

 

在模型所示的稳定流过程中，基于达西定律的气井径向压力降为：

 

将式(9)带入式(8)得：

 

将水相蒸发因子带入式(10)后，可以改写成：

 

对式(11)分离变量并进行积分得：

体积系数为：

 

将p_sc=0.101MPa，T_sc=293K和式(13)代入式(12)，并改为以SI制矿场实用单位表示时式(12)为：

 

   由于气相对渗透率是含水饱和度的函数，因此需要将实验获得的气相相对渗透率与含水饱和度的关系代入上式进行积分，即可得到水相蒸发作用引起的储层含水饱和度变化计算公式。

    选取长庆气田陕x井进行试算分析，该井气层温度为112℃，原始地层压力为32.83MPa，黏度为0.021mPa·s，气体偏差因子为0.93，储层有效厚度为6m，原始含水饱和度为0.40，束缚水饱和度为0.24，渗透率为15×10^-3μm²，孔隙度为0.08。

    根据气田实验室测得的相对渗透率与含水饱和度关系为：

    ㏑K_rg=-0.53S_w+1.35    (15)

带入式(11)进行积分得到：

 

    式(16)表明影响近井区含水饱和度变化的因素有径向距离、生产时间和气井产量。

    图3为不同时间含水饱和度随径向距离的变化关系曲线(产量为5×10⁴m³/d)。显示越靠近井筒水相蒸发越明显，在近井区(距井筒的径向距离小于5m)，储层含水饱和度甚至可以降低到零，同时随着生产时间的延长，发生水相蒸发区域逐渐向从井筒向地层扩展，但当r超过10m之后水相蒸发引起含水饱和度降低的作用迅速降低。

    图4为不同产量下含水饱和度随径向距离变化(生产时间为75d)的曲线。显示距井筒越近水相蒸发越明显，随着产量的增加水相蒸发的影响半径逐渐从井筒向地层延伸，产量越高影响半径越大。

 

   当含水饱和度降低到束缚水饱和度时，气相渗透率达到最大。定义此时含水饱和度对应的径向距离为临界半径，则随着生产时间的延长和压力的降低，临界半径由井筒附近逐渐向地层伸出推移，对应的临界半径推移计算公式为：

计算的临界半径随时间推移曲线如图5。表明生产时间越长临界半径越大，水相蒸发的影响范围越深，但是当生产时间超过一定值后(120d)，临界半径趋于定值，水相蒸发作用逐渐变缓。

 

    由于水锁效应主要发生在近井韵井壁1.2m的范围内^[6]，小于临界半径，因此通过水相蒸发降低近井区含水饱和度来解除水锁是可行的。

    1) 无边底水气藏的储层，近井区压力的降低会引起地层中的水相蒸发，导致近井区含水饱和度减小。

    2) 生产时间和气井产量是影响近井区水相蒸发的两个主要因素，水相蒸发对储层的影响范围在距井筒5m的范围内，产量越高，生产时间越长，水相蒸发的作用半径越大。

    3) 在低渗透气藏气井生产初期可以通过适当降低井底压力，放大生产压差，提高水相蒸发速率，快速消除水锁效应，降低气体渗流阻力。

    w为天然气中饱和蒸汽含量，m³/m³；p为压力，MPa；y为储层中地层水相蒸发因子，m³/(m³·MPa)；r_w为井筒半径，m；r_e为供给半径，m；r为平面径向距离，m；△V为体积元孔隙体积，m³；△V_wi为地层水的减小量，m³；△V_w2为气体中的蒸汽增加量，m³；d_w为单位时间内气体中蒸汽含量变化量，m³/m³；S_w为含水饱和度；t为生产时间，d；q_g为地面标准条件下的产量，10⁴m³/d；h为储层有效厚度，m；φ为有效孔隙度；B_g体积系数，m³/m³；μ_g为地层气体黏度，mPa·s；K为绝对渗透率，10^-3μm²；K_rg为气相相对渗透率；S_wi为初始含水饱和度；p_sc为地面标准压力，MPa；Z为气体偏差系数；T为地层温度，K；p_R为地层压力，MPa；T_sc为地面标准温度，K；p_wf为井底压力，MPa；p_c为供给边界压力，MPa；S_wc为束缚水饱和度；r_c为水相蒸发影响的临界半径，m。

[1] 樊建明，郭平，邓垒，等.气中水含量对气藏流体相态与渗流的影响[J].西南石油大学学报：自然科学版，2008，30(1)：100-102.

[2] MORIN E，MONTEL F. Accurate predictions for the production of vaporized water[C]∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Dallas：SPE，1995.

[3] ZULUAGA E，LAKE L W. Semianalytical model for water vaporization in gas producers [C]∥SPE Western Regional Meeting. California：SPE，2005.

[4] 赖南君，叶仲斌，刘向君，等.低渗透致密砂岩气藏水锁损害室内研究[J].天然气工业，2005，25(4)：125-127.

[5] 诸林，王兵.天然气含水量的估算[J].天然气工业，1995，15(6)：57-60.

[6] 李淑白，樊世忠，李茂成.水锁损害定量预测研究[J].钻井液与完井液，2002，19(5)：8-12.

 

(本文作者：尚希涛 何顺利 李秀生 刘辉 胡景宏 中国石油大学石油工程教育部重点实验室)