一种深层裂缝性致密砂岩气藏早期水体分析与预测方法与流程

本发明属于深层裂缝性致密砂岩气藏勘探开发技术领域，特别涉及一种深层裂缝性致密砂岩气藏早期水体分析与预测方法。

背景技术：

致密砂岩气在我国天然气工业中占有举足轻重的地位，深层裂缝性致密砂岩气藏是致密砂岩气勘探开发的热点领域，受致密砂岩储层储集空间介质条件的影响，形成断层-裂缝-基质孔隙的多尺度储集空间系统，受裂缝发育非均质性与孔隙结构复杂等因素影响，导致地层水赋存状态、分布特征与水化学性质复杂，存在单井普遍见水，部分井投产后生产见水快等地质问题。开发过程中，天然气井产水轻则使储层发生水锁效应，重则受裂缝沟通边底水造成水侵、水淹，严重影响气井的稳产、高产，甚至导致气井报废。因此，研发深层裂缝性致密砂岩气藏地层水早期系统分析与产水趋势预测技术，对气藏高效开发至关重要。

目前国内外尚无针对深层裂缝性致密砂岩气藏成熟的水体系统分析方法与预警技术。前人通常采用经验法，例如针对四川盆地须家河组裂缝性致密砂岩气藏，前人将气井产水分为凝析水和纯地层水，凝析水产出阶段产水量很低，氯根含量很低；在纯地层水产出阶段，气井产水量大，水样氯根含量高。气井生产过程中，一旦产水量较高，且有持续增加的趋势，表明要进入纯地层水产出阶段，气井面临水侵、水淹的风险，需要及时采取控产、控水措施。但这些经验方法尚未形成系统分析技术，不利于裂缝性致密砂岩气藏地层水产水情况的早期认识与预测。

针对碳酸盐油气藏，提出了一种缝洞型碳酸盐油气藏水体分析系统和方法。该方法将地层水分为断裂水、边底水、封存水和凝析水，通过地层水常规分析参数与漏失钻井液参数或者漏失井水样参数对比，判断水样是否受到污染；根据水样地球化学参数与区域地层水化学参数平均值对比关系，结合取样井地层水产出曲线特征，判断水样类型，进而提出开发技术调整对策。

深层裂缝性致密砂岩气藏埋深大、钻井成本高、风险大，早期预警地层水产出类型与趋势，对生产过程中有效避水，提高开发效益具有重要作用。

现有技术一：针对致密砂岩气藏地层水产出与演化特征，前人形成了一些经验性的规律认识，气井生产过程中地层水由凝析水向纯地层水演变，地层水氯根含量随生产时间推移逐渐变大。但针对裂缝性致密砂岩气藏，还没有形成定量化的系统分析技术方法体系。

现有技术二：一种缝洞型碳酸盐岩油气藏水体分析系统和方法。该方法首先将样本油气井的水样基本参数与漏失钻井液或者邻井水样参数对比，判断样本水样是否为原状地层水；然后根据样本水样是否为原状地层水的判断结果，将样本水样类型参数与区域水样参数平均值对比，判断样本水样类型；进而结合气井产水曲线形态，对取水样井进行生产措施调整。本发明通过判断识别生产井产出水体类型，针对不同水体特征，对生产井制定不同的开发技术措施。

现有技术二的技术缺点：

1)不是针对深层裂缝性致密砂岩气藏，二者储层类型、气水分布与产出机理存在本质区别，不能替代使用；

2)不够定量化，水样是否受到污染、地层水类型判别，没有提出定量化评价方法；

3)地层水类型判断中需要用到气井生产演化曲线，即生产已经到了该阶段，才能判断地层水类型和产出趋势，使“先发制人”的预测效果降低；同时该曲线的获取，需要较长时间的生产和连续测试含水率，而有些井不具备计量条件。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种深层裂缝性致密砂岩气藏早期水体分析与预测方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种深层裂缝性致密砂岩气藏早期水体分析与预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，对具备现场计量站的气井进行地层水取样，并判断水样是否受到污染确定所取水样是否为原状地层水；

步骤二，通过具备气田现场生产水气比、连续氯根含量测定的井数据，以及基于已形成的地层水类型划分经验图版，将研究区地层水划分为凝析水、过渡水、夹层水和纯地层水，并判断所取未受污染原状地层水样的水类型；

步骤三，对原状地层水样进行水常规离子和微量元素地球化学分析，结合已知类型地层水化学数据，构建多参数交会图，优选区分度高的参数构建地层水类型地球化学判别图版；

步骤四，对试气期、试采期或生产中无计量设备的气井进行水样采集，根据步骤一和步骤三中多参数交会图版，逐步进行水样污染程度判断和地层水类型地球化学判别，确定所取原状地层水类型。

步骤五，选取具备日产水量、日产气量、现场氯根连续分析典型气井；以单井生产水气比为纵坐标、生产时间为横坐标制图，根据水气比随时间演化特征和地层水类型判别图版，划分地层水类型分布阶段；以井产水类型、产量随时间演化规律曲线为依据，可判断取水样井所处产水阶段，进而预测地层水产出趋势。

进一步的，步骤一中，地层水的污染主要有两种来源，一为钻井漏失液污染，二为酸性压裂液污染，针对不同的污染源，采用不同的污染程度判别方法，分别通过钾钠离子摩尔含量比值，即rNa⁺/rK⁺值，和异常NO3^-离子浓度判别。

进一步的，步骤一中，对所取水样进行Cl^-、SO4^2-、CO3^2-、NO3^-、Na⁺、K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺的相对含量分析，通过已知污染水样与非污染水样化学组分特征图版，判别所取水样是否为原状地层水。

进一步的，步骤五中，在生产的早期阶段，水气比为平稳的低值且氯根含量低，为凝析水产出阶段；随时间推移，生产水气比上升、对应地层水氯根含量增高，为过渡水产出阶段；之后，生产水气比随时间变化趋于稳定，为纯地层水或夹层水产出阶段。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明由于采用了地层水污染程度地球化学判别方法，具有更好的定量分析效果，使得原状地层水判断中人为因素影响降低，判断的准确性增强；

本发明对于地层水类型的判别，在实际地层水产出特征与演化分析基础上，采用水常规分析、微量元素分析等相结合的方法，建立了地层水类型判别的地球化学图版，避免了生产水气比数据缺失的不利因素，具有不需要生产数据与地层水化学数据长期连续测试的特点，节约了工作量、降低了经济成本，可以针对不同生产条件的气井及时有效判断产出地层水类型；

本发明总结了研究区代表井生产过程中，不同类型地层水产出特征与演化趋势，通过地层水类型地球化学图版判别结果，可以预测生产井地层水产出趋势，具有气井产水动态早期预测的特点；所用资料均来自气田生产实际数据，方法的实用性更强，地层水类型判断与产出趋势更准确。

附图说明

图1为本发明的深层裂缝性致密砂岩气藏水体系统分析方法的实施流程示意图；

图2为本发明的地层水污染程度判别图版；

图3为研究靶区生产水气比—氯根含量地层水类型划分图版；

图4(a)为锶元素—氯离子含量地层水类型判别图版的对数坐标图；

图4(b)为锶元素—氯离子含量地层水类型判别图版的算数坐标图；

图5(a)为硼元素—氯离子含量地层水类型判别图版的对数坐标图；

图5(b)为硼元素—氯离子含量地层水类型判别图版的算数坐标图；

图6为本发明的典型井地层水产出规律预测图；

图7为本发明KD709井试采初期水样污染程度判别图；

图8为本发明KD709井试采期间生产水气比变化曲线图；

图9为本发明KD3-12井生产中水样污染程度判别图；

图10(a)为KD3-12井水样类型氯离子—锶元素含量地层水类型判别图；

图10(b)为KD3-12井水样类型氯离子—硼元素含量地层水类型判别图；

图11为本发明KD3-12井生产水气比随时间变化图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

本发明的实施流程示意图见图1，首先采集水样并收集生产测试数据，建立地层水系统分析数据库，判断样本是否受污染。考查所述水样井钻井记录，明确钻井过程中井漏发生频率与钻井液氯根含量(含KCl试剂导致)。考查取水样层段是否经过了储层压裂改造，若经历了压裂改造，且挤进压裂液明显低于返排液量，水样受污染的概率将大大增加；即使返排液量大于挤进压裂液量，由于储层的非均质性强，也不能完全保证水样未受污染。因此，所取水样一定要经过地球化学分析检验，最终确定水样是否受污染。如，对KD709井所取水样分析显示，气井试采初期水样具有较低的钠钾离子比值(rNa⁺/rK⁺)，表明受到含有KCl试剂的钻井液污染，导致水样钠-钾离子组成关系不同于原状地层水(表1)。对未受污染地层水进一步开展锶元素、硼元素实验分析，通过地层水类型地球化学判别图版，确定所述水样类型。

最后，根据地层水类型判别结果，通过不同地层水产出演化规律曲线，预测取水样井所处地层水产出阶段，并预测地层水的产出演变趋势，提出生产井避水措施与开发方案调整建议。

实例1 KD709井

一种深层裂缝性致密砂岩气藏早期水体分析与预测方法，包括以下步骤：

步骤1，根据具有规范的生产水气比、现场氯根资料的井数据(该资料的获取需要生产井场具有计量站，不是所有井都建有计量站和采集该数据，这也是本发明针对的实际问题之一)，根据研究区在多口气井生产数据基础上，已经形成的地层水类型划分方法，划分所取原状地层水类型；例如根据地层水的赋存状态，将研究区地层水划分为凝析水、过渡水、夹层水和纯地层水。其中，凝析水为天然气中溶解的气态水，以低产量、低氯根含量为主要特征；气井处于出水的早期阶段，此时产水量比较稳定，该阶段产凝析水对生产影响不大。纯地层水主要为气层之外的边底水，出水量大，对生产的危害也最大，可能对储层形成水侵、水淹等严重破坏。在致密砂岩储层中，由于强大毛细管阻力，天然气充注强度不够时，部分物性更差的储层表现为气水共存、共同产出，形成夹层水；夹层部分成岩作用强度与边底水区域存在差异，通常要弱于后者；该阶段地层产水产量相对比较大。过渡水为正常气藏生产过程中，凝析水产出的晚期有少量夹层水或边底水混入，产水类型逐渐向夹层水或边底水演变的中间类型；该阶段地层产水量逐渐增加，有沟通边底水的趋势，应及早采取避水、防水措施，合理调整生产制度，降低生产风险。

步骤2，对具备现场计量站的气井进行出水井取样，并判断水样是否受到污染；由于钻井过程中会有钻井液漏失、压裂液侵入，使原状地层水受到污染，不能反映原始性质。因此，地层水体系统分析过程中首先要识别污染地层水，获取原状地层水样本。提出建立水样受污染与否的水常规化学定量判断方法，鉴于地层水的污染主要有两种来源，一为钻井漏失液污染，二为酸性压裂液污染，针对不同的污染源，采用不同的污染程度判别方法。对所取水样进行水常规分析(Cl^-、SO4^2-、CO3^2-、NO3^-、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺相对含量)，通过已知污染水样与非污染水样化学组分特征图版，判别所取水样是否为原状(或者受污染程度很微弱的地层水)。一般受酸性压裂液污染，水样具较高含量的NO3^-，钻井漏失液污染，由于有外来KCl试剂，导致rNa⁺/rK⁺比值降低，如研究区以rNa⁺/rK⁺比为15和25为受污染地层水与原状地层水的边界值(图2)。

步骤3，根据气田现场具备资料井已经形成的生产水气比—氯根含量关系确定地层水类型经验图版(图3)，判别所取水样类型；对原状地层水样进一步开展微量元素分析，结合水常规分析数据，建立地层水类型判别的综合地球化学图版。即根据已知类型地层水化学数据，构建多参数交会图，优选区分度高的参数，建立地层水类型地球化学判别图版，如在本研究靶区，采用锶元素、硼元素与氯离子含量构建的地层水类型判别图版，应用效果良好(图4，图5)。

步骤4，选取研究区典型生产井，要求具备日产气量和产水量长期计量资料，且目前已进入大规模产水阶段或者生产后期，根据生产水气比随时间演化趋势及其水气比值，构建地层水类型随生产时间演化规律曲线(图6)。

步骤5，对试油期、试采期或生产中无计量设备的气井进行水样采集，根据上述各类图版，逐步进行水样污染判断、地层水类型地球化学判别，确定原状地层水类型；再通过典型气井产水类型与产量演化规律曲线，判断取水样井所处产水阶段，进而预测地层水产出趋势，为开发措施的调整实施提供科学依据。

该方法总体可以分为地层水污染程度判别模块、地层水类型判别模块和地层水产出趋势预警模块。

KD709井位于塔里木盆地库车坳陷克拉苏构造带克深区块南翼，是该区重要的勘探评价井，其气水分布情况直接关系到南翼新区的勘探开发前景评价。该井于2015年7月5日开始试采作业，由于砂岩储层致密，对试采井段进行了压裂酸化。分别于2015年7月13日至2015年10月15日共取水样10件。复查钻井录井报告显示，钻井过程中在目的层段发生多次井漏事件，钻井液中含KCl试剂，换算为氯根含量约为23000mg/L。因此，对所取水样应该考虑钻井液和压裂液的双重影响。水常规化学分析显示，所取水样硝酸根离子(NO3^-)含量很低，受压裂液影响较小；但受钻井液中K⁺离子混入影响，地层水样rNa⁺/rK⁺比值低于区域原状地层水标准值(25)(表1，图7)。因此，该时期所取水样均受到了一定程度的污染。随着取水样时间的推移，水样rNa⁺/rK⁺比值逐渐增大，表明污染地层水逐渐排出，产水性质向原状地层水演变。

表1 库车坳陷KD709井试采初期水样分析数据

虽然产水性质在向纯地层水状态演变，结合试采阶段产水量(水气比)具有逐渐下降的特征，产气量增加趋势明显，日产气由25万方稳步增至35万方(图8)，据此可以推断此后一段时期内产水量应该不会太大，至少产层尚未受裂缝沟通边底水的影响。因此建议生产单位，该井可继续进行生产。事实证明，该井未见大规模地层水产出，产气量持续稳定，实现了经济高效开发。2016年1月1日该井关井，作为了后备储量开发井。

实例2 KD3-12井

KD3-12井是库车坳陷克拉苏构造带西段大北构造带的一口评价井，完井深度7490m。钻井过程中在白垩系巴什基奇克组褐色细砂岩地层中发生井漏1次，钻井液含KCl试剂，氯离子含量在58500～80800mg/L之间。2012年10月1日～2012年10月2日对7209m～7244m井段进行测试，折合日产气195700m³、日产水1.94m³(密度1.00g/cm³、氯根1620mg/L，为凝析水)，测试结论为气层。2012年10月2日对该井段进行完井酸化压裂，注入地层总酸液337.03m³，先后采用9mm、10mm油嘴放喷求产，整个过程累计排液203.63m³。随后进入生产阶段，早期产水量较低，主要为凝析水。稳定生产约25个月后，2014年5月12日生产水气比较前一阶段有所上升，但幅度不大。2014年12月17日开展水样采集，水常规化学分析显示，样本基本未受污染，为可靠的原状地层水(图9)。进一步分析锶元素、硼元素含量，并通过地层水类型判别图版分析所述水样具有纯地层水特征(图10)。及时向生产单位建议，应该尽快采取有效避水措施，预计近期将会进入大量纯地层水产出阶段。随即，生产单位降低了日产气量，采取温和求产方式，以有效降低地层水产量，提高天然气渗流能力与泄流面积。

生产实际显示，该井以较低的产水量(低水气比)保持了近11个月，于2015年11月13日，产水量开始大幅增加，说明在断层裂缝沟通下，已发生了较大规模的水侵(图11)。由于天然气产能的大幅下降和大量地层水处理的经济负担，对该井进行了关井停产处理。KD3-12井地层水产出的早期判断与预警工作，最大限度地扩大了该井的天然气产能，实现了经济效益的最大化。

效果说明：通过以上应用实例，展示了该方法和判别图版的良好应用效果。由于各类图版的建立均是以实际生产资料为基础，可以反映研究区的地质实际情况。地层水污染程度与地层水类型判别图版(图2、图3和图4)，受分析样品点数量的限制，图版中的界限值不是绝对的，但其所反映的变化趋势范围是可靠的；随着数据点的增多，图版会更加完善。图4展示了研究区典型井产水类型及其演化规律，可以代表研究区大部分生产井的产水动态演化特征，对于地质特征类似的气井，据该产水演化曲线，可以预测地层水产出类型与动态变化规律。诚然，本发明重在思路与方法，图中各类图版不能照搬应用于其他盆地或气田，需要依据本发明的思路与方法，对各类图版做出符合研究区实际的调整，形成有针对性的地层水产出类型判断与预测方法体系。