《Geoenergy Science and Engineering》：Preventing and Controlling Water Influx in Gas Wells: Key Technologies and Challenges
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本文提出气藏水控制技术统一分类框架，基于边水驱动和底水驱动两种入侵机制，将技术划分为液载治理、气区入侵预防、井筒封堵控制及全生命周期协同管理四大类，系统分析其功能特点与实施挑战，强调智能化和全周期管理的重要性，为气藏高效开发提供理论支撑与实践指导。
高素娟|李颖|李海涛|吴克柳|聂松|崔晓江|邰新天
浙江海洋大学石油化工与环境工程学院，中国舟山316022
摘要
天然气水库的水产出机制多种多样，表现形式也各不相同，这给高效气体回收带来了复杂的挑战。尽管已经开发了许多水控制技术（包括井筒液体卸载、关闭干预以及水库规模的水侵入预防），但现有研究主要集中在孤立的技术上，或者提供并列的概述，缺乏系统的分类和综合评估。本文提出了一种统一的水控制技术分类框架，该框架基于两种主要的水侵入类型：边缘水驱动和底部水驱动。通过将水库规模的侵入模式与井筒附近的生产行为相结合，定义了四个不同的类别：（1）井筒液体积聚；（2）气层中的水侵入预防；（3）井筒关闭与控制；（4）全生命周期协调的水管理。该框架阐明了每个类别的功能角色和操作特点，并对其技术局限性和实施挑战进行了批判性分析。通过这种多维和系统的方法，本文增强了对天然气水库水控制的理解，并填补了以往文献中的空白。它强调了多尺度、多机制系统的复杂性，指出没有一种单一技术能够应对动态的水产出情况。向智能、精细和数据驱动的战略转变是必要的。未来的发展应优先考虑实时监测、智能完井和全生命周期水管理，以取代基于经验的实践。本文既提供了理论见解，也提供了实际指导，对未来的研究和现场应用具有价值。
引言
作为一种高质量且高效的清洁能源，天然气在减少温室气体排放、促进绿色低碳发展和实现向可持续能源的转型中发挥着关键作用（Kan等人，2019年）。根据国际能源署《2023年世界能源展望》中的政策情景（STEPS），预计到2025年全球天然气需求将达到4800亿立方米，并在2030年达到约5100亿立方米的峰值（国际能源署，2023年）。在中国，天然气需求预计将保持长期增长，从2025年的441亿立方米增加到2030年的500-550亿立方米，增长幅度为13.38%-24.72%（贾等人，2025年）。然而，国内生产增长落后于消费，加剧了供需不平衡。2010年至2022年间，中国的天然气进口依赖度从14.2%上升至40.5%（邹等人，2024年），这突显了加快国内气田开发、增强能源安全以及支持调峰和储能能力的紧迫性（赵等人，2023年）。
天然气水库中的水产出是一个持续存在的挑战，全球超过50%的水库具有含水特征（Ogolo等人，2014年），尤其是在具有裂缝、断层或高渗透率条带的异质性地层中。此外，在气体-水比例急剧变化的情况下，来自边缘或底部的水锥进会显著增加水流入的风险（高等人，2025年），导致渗透性降低、流体前沿不稳定，并大幅降低扫流效率（Taha和Amani，2019年；廖，2024年；邓等人，2025年）。这可能导致不可逆的水库损害，包括：① 生产力和回收率降低；② 放弃压力升高和井寿命缩短；③ 生产复杂性和成本增加（Tugan，2020年；Riza等人，2016年；Landjobo Pagou等人，2020年）。
广泛的现场经验和研究表明，在无水或低水阶段，天然气产量更高且更稳定（Li，2003年；Wei等人，2024a）。因此，延迟水突破或有效去除产出水对于提高气体回收率至关重要。与油水库相比，天然气水库通常具有更宽的渗透率范围、更高的气体迁移性和更大的扩散性。这些特性使它们在最小的压力差下更容易发生层间流体流动——在天然或人工屏障（如封隔器或地层挡板）存在的情况下，这种现象更为明显。此外，井筒中气体流动的压力降受多个动态参数的影响，包括水库渗透率、气体速度、流动状态（层流或湍流）和绝对系统压力（Al-khelaiwi和Davies，2010年）。这些参数在天然气水库的整个生产寿命期间通常表现出时间依赖性。在缺乏强水流入路径的气体-水两相系统中，由于气体粘度较低且迁移性较高，气体倾向于优先进入井筒并主导生产动态（Tugan，2020年）。然而，这种气体相的优势可能会受到结构水锥进、天然裂缝网络或高渗透率条带的破坏，从而导致水突破、水产量增加，甚至液体积聚。最后，从完井工程的角度来看，天然气井通常在耗尽驱动模式下进行开发，设计强调操作简便性。通常省略复杂的液压屏障系统，选择低损伤的完井液系统，并简化完井工作流程以最大化效率。
这些根本差异解释了天然气水库与油水库在水控制策略和技术方法上的区别。因此，天然气井的水管理需要更高的敏感性和更快的操作响应。早期改进水库渗透性的努力至关重要，因为它们可以提高扫流效率并延迟水突破。全球范围内已经开发了多种用于天然气井的水控制技术。为了缓解液体积聚，常用的方法包括泡沫辅助提升、气体提升、柱塞提升和电动潜水泵。机械隔离技术（如封隔器和桥塞）常用于井筒水关闭。为了控制水库水侵入，广泛实施了化学封堵，一些研究还探索了注气以在水库内建立水屏障。此外，在生产系统层面，应用了差压控制、生产率调整和井型优化来提高气体回收率。尽管技术多样，但大多数研究仅关注特定类别中的少数方法，缺乏系统的分类框架。针对产水天然气井特点的系统性分类框架和全面评估仍然缺乏。这种系统层面的理解差距限制了水控制策略的发展，并限制了多技术协同解决方案的整合。尽管有广泛的技术可供选择，但大多数现有研究仍然集中在特定技术类别中的少数方法上。这些研究往往零散且缺乏考虑不同水控制机制和应用场景的系统分类框架。这一差距继续阻碍了针对天然气水库复杂特性的集成、适应性水管理策略的发展。
因此，本研究进行了以下工作：首先，系统地回顾了天然气水库中的两种主要水侵入类型（边缘水驱动和底部水驱动）。分析了典型的水侵入现象（如水锥进和尖峰现象）的机制，然后总结了水侵入机制和天然气井筒液体加载的特点。其次，根据各种水控制技术的功能特点和机制，提出了一种用于管理产水天然气水库的四类分类方案。这些包括：① 天然气井井筒液体积聚技术；② 气层中的水侵入预防技术；③ 井筒水关闭与控制技术；④ 全生命周期集成水控制技术。系统总结了每个类别的关键特点。第三，批判性地分析了每个类别在实地应用中的关键挑战和局限性。最后，综合了这四种水控制策略，并提出了相关讨论，旨在为产水天然气水库的高效水管理和生产提升提供指导。
章节摘录
天然气水库中的水侵入机制
根据其与气层的空间关系，天然气水库中的含水层通常被分为底部水系统或边缘水系统。典型的底部水驱动天然气水库的特点是有一个垂直位于下方并与气层直接接触的含水层（图1(a)）。在生产过程中，当井附近的压力低于由气体-水密度对比引起的重力势时，可能会发生向上水流，形成锥形侵入
天然气井井筒液体积聚技术
井筒液体积聚技术侧重于“去除”，其特征是快速消除井筒液体积聚。研究表明，美国大约90%的天然气井存在液体积聚现象（Park等人，2009年）。在致密气田开发中，约70%的天然气井的运行速率低于临界流速，在井的生产寿命中，大约80%的时间需要实施液体积聚操作（Olayemi等人，2014年）。这些操作通常由
挑战
天然气水库中水控制技术的持续进步不仅展示了其技术优势，也暴露了限制回收效率进一步提高的固有概念和操作局限性：
(1)井筒液体积聚技术仍然是最广泛采用和最重要的水控制方法。然而，其在水平和高度偏斜井中的应用与操作复杂性和成本增加相关。
结论与展望
- (1)
天然气水库中的水产出已成为提高气体回收率和实现高效开发的关键障碍。本研究首先分析了水流入机制和井筒水产出行为，以更好地理解水库气体生产模式和含水特征。根据水控制的功能角色和机制，确定了四类核心的水控制技术：① 天然气井井筒液体积聚技术；①
作者贡献声明
邰新天：正式分析。崔晓江：正式分析。聂松：调查、数据整理。吴克柳：可视化。李海涛：可视化。李颖：资金获取。高素娟：撰写——初稿、调查
未引用参考文献
AL-JUMAH等人，2022年；AL-KHELAIWI和DAVIES，2010年；AL-ZUBAIL等人，2003年；GONZáLEZ DíEZ等人，2014年；IN'T PANHUIS等人，2014年；JAMES等人，2019年；JAMES，2010年。
利益冲突声明
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致谢
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：42272176）的支持。作者感谢西南石油大学油气水库地质与开发国家重点实验室的技术支持。
