1. 引言
储气库在解决城市季节性调峰问题时，首先要考虑双层的层间差异、分层产能对气井注采动态的影响。X储气库由于沉积原因形成的纵向上相互距离较近、层状叠置形成的储层[1]。由于两层的压力差异和地层性质的不同，那么在开采过程中气井的压力动态和分层产量必然也受这些因素的影响。两个层位在地质特征上存在一些区别，主要体现在上层薄下层厚，薄的层位气体在储层中的流动路径较短，储层内的岩性比较单一[2]。由于不同储层之间可能存在地质特性上的差异，包括岩性、渗透性等，这些差异会影响气体的储集和流动。不同层之间表现出一定程度的非均质性，由于受到沉积和成岩等地质条件的差异影响，小层之间往往表现出明显的非均质性，因此各层对整体产量的贡献存在差异[3]。气井的稳产能力与分层储量规模配置关系密切。此外，不同层位的压力差异也会对注采过程造成影响，压力较高的层位会向压力低的层位倒灌气体，进而影响储气库的运行效率[4]。储气库气井动态研究的方法主要是通过试井理论分析和物理模拟两种方法。试井理论分析通过对气井的压力和流量数据进行分析，能够揭示气井的流动特性和储气库的行为[5]。这种方法通常使用数学模型来预测气井在不同操作条件下的性能。物理模拟则通过实验室或现场的物理模型，直接观察和测量气体在储气库中的流动情况。物理模拟可以提供更直观的信息，帮助研究人员理解复杂的流动模式和相互作用[6]。
目前，试井理论分析和物理模拟是研究储气库注采动态的两种重要方法。虽然试井理论分析方法可以准确描述储气库的注采动态，但在多种因素相互影响下，数学模型的建立、求解和计算变得异常复杂。物理模拟通过对储气库进行注采模拟，能够直接反映其注采动态，但受到人力财力的限制，导致实验条件不完善。
数值模拟方法成为一种有效解决上述问题的选择。本论文采用数值模拟方法，研究在多重因素影响下X储气库的注采动态特征，探讨各因素的影响规律，为双层储气库的高效运行提供参考。这种方法能够较好地克服试井理论分析和物理模拟方法的局限性，为分析双层储气库注采动态提供了参考。
2. 储气库数值模拟模型的建立
利用tNavigator软件，以X储气库为地质背景，建立双层储气库的单井模型(如图1所示)。该模型没有天然水体能量作为补给，也不需要考虑应力敏感的影响。在模型的高部位布置1口穿过两层的直井，井筒的半径为0.1 m。模型平面尺寸为1750 m × 750 m，平面网格尺寸为50 m × 50 m，模型纵向厚度为270 m，模型网格数为14,175个。其模型的上6层网格组成储气库嘉二2层，中间第7层死网格为隔层，下20层网格组成储气库嘉二1~嘉一层。该模型的纵向渗透率设置为平面渗透率的0.1倍。上层的嘉二2气藏有效厚度9.5 m，静毛比为0.158，有效孔隙度为4.6%。下层嘉二1~嘉一气藏有效厚度15.3 m，静毛比为0.077，有效孔隙度为5.4%。
Figure 1. Single-well model of double-layer gas storage
图1. 双层储气库单井模型
通过生产历史拟合的方式对储气库单井模型进行调整，从单井注气量与压力的拟合情况来看(如图2所示)，拟合效果较好，经历史拟合调整后的模型有较高的可信度，也为后面注采能力的预测和各方案的对比奠定了坚实的基础。
Figure 2. Production history matching
图2. 生产历史拟合
首先利用储气库机理模型对储气库的单井注采能力进行预测，然后针对可能影响双层气藏注采动态的相关因素，从上下层渗透率倍比、初始压力、气井配产量展开研究(如表1所示)。
Table 1. Relevant parameters of different simulation schemes
表1. 不同模拟方案的相关参数
研究
因素 |
对比方案 |
渗透率(mD) |
压力(MPa) |
配产(104 m3/d) |
研究
因素 |
对比
方案 |
渗透率(mD) |
压力(MPa) |
配产(104 m3/d) |
下层 |
上层 |
下层 |
上层 |
下层 |
上层 |
下层 |
上层 |
渗透率倍比 |
1 |
246 |
61 |
14.3 |
50 |
初始压力比 |
11 |
123 |
61 |
14.3 |
14.3 |
100 |
2 |
123 |
12 |
13.8 |
3 |
61 |
13 |
11.4 |
4 |
12 |
14 |
9.5 |
5 |
6 |
15 |
8.2 |
配产量 |
6 |
122 |
61 |
14.3 |
60 |
16 |
7.2 |
7 |
75 |
17 |
6.4 |
8 |
90 |
18 |
5.7 |
9 |
105 |
19 |
5.2 |
10 |
120 |
20 |
4.8 |
3. 注采动态的影响因素分析
3.1. 单井注采能力评价
双层储气库的合注合采是指在储气库运行过程中，通过合理的注气和采气策略，实现各个层位之间的协同注采。这种注采方式可以有效地利用各层的产能，最大限度地提高储气库的工作效率。在双层储气库合注合采的过程中，需要考虑各个层位的渗透率、压力分布等因素，以制定合适的注采方案。合理的合注合采策略，可以有效平衡各个层位之间的产能差异，提高储气库整体运行效率，实现多层储气库的季节调峰和能源储备的目的。
通过数值模拟方式预测出储气库在单层或者双层两种不同的注采方式下注采能力随不同初始压力的变化。储气库在上限压力14 MPa情况下双层合采的最大产能为427 × 104 m3/d，在下限压力6 MPa情况下双层合注的最大产能为323 × 104 m3/d (如图3所示)。通过对比储气库双层和单层的注采能力，发现合采合注更有利于提高储气库的运行效率。
Figure 3. Comparison chart of gas injection and production capacity prediction
图3. 注采气能力预测对比图
3.2. 上下层渗透率倍比的影响
双层储气库中不同层位的渗透率对产量有着显著的影响。主要体现在高渗透层产量高，通常情况下，具有较高渗透率的层位能够提供更大的渗流通道，气体能够更容易地流过这些层位，因此高渗透层往往具有更高的产量。低渗透层产量受限，低渗透层由于渗透率较低，气体流动受到限制，产量较高渗透层明显降低。因此，在双层储气库的运行中，充分考虑不同层位的渗透率对产量的影响是至关重要的，有助于优化储气库运行方案，提高储气库的运行效率。
通过模拟第1~5组对比方案来分析双层的渗透率倍比从0.25~10下产量与产量贡献率的变化规律(如图4所示)。随着上层渗透率比下层渗透率的渗透率倍比从0.25~10变化，上层渗透率减小，产量以及产量贡献率也相应地减小，上层的产量贡献从0.4逐渐趋于0。
Figure 4. Variation of two-layer production and production contribution rate with permeability contrast ratio
图4. 两层产量与产量贡献率随渗透率倍比的变化
3.3. 气井配产量的影响
通过模拟第6~10组对比方案来分析气井配产量为40~120 × 104 m3/d下双层产量与产量贡献率随时间的变化规律(如图5所示)。模拟发现所有的对比方案都是先进行一段时间的稳产，然后再逐渐开始产量递减。随着配产量的逐渐增大，产量递减发生的时间越早。产量进入递减期后储气库上层产量贡献率逐渐升高，储气库下层的产量贡献率逐渐降低。因此，为达到储气库的稳定注采的要求下气井配产不适合过大。通过对比各方案的计算结果发现采用注50 × 104 m3/d采75 × 104 m3/d的方式，既能满足储气库快速注采的要求，又能延缓递减期到来的时间。
Figure 5. Variation of two-layer production and production contribution with allocation volume
图5. 两层产量与产量贡献随配产量的变化
3.4. 上下层压力比的影响
通过模拟第11~20组对比方案来分析上层与下层在不同初始压力下产量与产量贡献率的变化规律(如图6所示)。随着下层初始压力比上层初始压力的压力比从1~3变化，当上层压力过低时，下层初始压力大于上层压力，将会导致井筒气体倒灌入上层。
当上下层压力比大于1.04时，上层开始出现倒灌现象，倒灌时间持续10天左右。当上下层压力比为1，不发生倒灌时，上层与下层最初的产量贡献比约为3/7。随着上层与下层压力比逐渐增大，上下产层开发初期的产量贡献差异也逐渐增加，层间干扰加强，倒灌时间增加。
Figure 6. Variation of two-layer production and production contribution with pressure ratio
图6. 两层产量与产量贡献随压力比的变化
4. 结论
1) 在储气库注采动态研究方面，数值模拟方法相比于试井理论分析和物理模拟两种方法既简单有效，又节省人力财力。
2) X储气库双层合注合采的最大产能分别为323 × 104 m3/d和427 × 104 m3/d。通过对比储气库双层和单层的注采能力，发现合采合注更有利于提高储气库的运行效率。
3) X储气库随着上层渗透率的减小，产量以及产量贡献率也相应地减小，上层的产量贡献率从0.4逐渐趋于0；为达到储气库稳定注采的要求，气井配产不适合过大，随着递减期的进入，上层产量的贡献率逐渐上升，下层产量的贡献率逐渐下降，综合考虑采用注50 × 104 m3/d、采75 × 104 m3/d的注产量；当上下层压力比大于1.04时，上层开始出现倒灌现象。当压力比为1，不发生倒灌时，上层与下层最初的产量贡献比约为3/7。随着压力比的增大，上下产层开发初期的产量贡献差异逐渐增加，层间干扰增强，倒灌时间增加。
4) 在多方面的因素影响下，X储气库的注采动态变得异常复杂，需要进一步分析气井注采动态的主控因素进行解决，充分利用各层产能提升气井注采能力。
基金项目
重庆科技大学研究生科技创新项目“黄草峡储气库运行中硫化氢运移规律研究”(YKJCX2320104)。
NOTES
*通讯作者。