頁巖氣水平井動態評價方法

劉曉華 鄒春梅 姜艷東 翟振宇

（1.中國地質大學，北京 100083；2.中國石油勘探開發研究院廊坊分院，河北廊坊 065007）

頁巖氣水平井動態評價方法

劉曉華1，2鄒春梅2姜艷東2翟振宇2

（1.中國地質大學，北京 100083；2.中國石油勘探開發研究院廊坊分院，河北廊坊 065007）

頁巖氣在儲層特征、滲流機理、完井工藝和動態特征等方面有別于常規氣藏。我國頁巖氣開發處于探索階段，總結國外頁巖氣井動態規律和評價方法，對國內頁巖氣井動態評價和工藝措施的制定具有借鑒和參考作用。根據國外頁巖氣水平井生產實踐和研究成果，總結了頁巖氣水平井流動機理和生產特征，并重點剖析了目前頁巖氣水平井動態評價方法，包括流動特征的識別、有效裂縫參數的計算和改造范圍內動態儲量確定。從氣井流動特征來看，不穩定線性流是頁巖氣水平井常表現出的流動特征，利用這一階段的動態數據就能評價水平井壓裂后形成的有效裂縫參數；有些井在線性流之后會出現邊界流，表示整個改造范圍內總體處于衰竭狀態，利用這一特征可以評價改造范圍內的動態儲量。

頁巖氣；水平井；動態評價；可采儲量；產量遞減；壓裂效果評價

頁巖氣的儲層特征、流動機理、鉆完井技術和生產動態特征都有別于常規氣藏。我國頁巖氣的研究和勘探開發處于探索階段［1］，總結國外頁巖氣井動態評價方法，對國內頁巖氣井產量預測和工藝效果評價具有重要的參考作用。

1 頁巖氣水平井增產機理

頁巖氣是以游離和吸附狀態存在于泥頁巖地層中的天然氣，與常規氣藏相比，頁巖氣儲層具有以下幾個特征：一是自生自儲，頁巖本身既是氣源巖又是儲集層［2］；二是儲層物性比較差，頁巖氣的有效孔隙度一般只有1%～5%，滲透率隨裂縫發育程度不同而有很大變化，一般基質滲透率介于10-4～10-6mD之間［3-4］；三是天然氣在頁巖中主要以自由氣和吸附氣兩種形式存在，吸附氣含量在20%～85%之間，一般 50% 左右［5］。

頁巖氣由于儲層物性差，多數頁巖氣井不具備自然產能。水平井鉆井技術和壓裂技術的進步，對頁巖氣的成功開發起到決定性的作用。水平井多級壓裂是目前頁巖氣開發應用最廣泛的方式，在美國頁巖氣生產井中，有85%的井是采用水平井和多級壓裂技術結合的方式開采［6］。依靠水平井多級壓裂，產生大量的裂縫網絡，大大增加了氣藏與井筒的溝通面積，有效提高了氣井的泄流能力，使頁巖氣井產量大幅度提高［7］。

微地震技術的應用對監測壓裂裂縫形態及走向、評價壓裂措施效果、改進水平井分段壓裂技術起到了關鍵作用。通過微地震技術進行監測發現，在頁巖儲層中，壓裂形成的裂縫并非傳統的局部單一裂縫，由于壓裂溝通了天然裂縫和巖石層理，在形成一條或者多條主裂縫的同時，在主裂縫的側向形成次生裂縫，并在此基礎上形成多級次生裂縫，主裂縫與多級次生裂縫相互交錯形成復雜的裂縫網絡系統。

由于頁巖氣基質滲透率極低，有效的泄流范圍只在裂縫延伸的范圍內，這個通過壓裂改造形成的有限的裂縫溝通范圍就是2006年M J Mayerhofer等人提出的改造油藏體積概念（Stimulated Reservoir Volume， SRV）［8］。現場實踐和研究結果表明（見圖1），儲層改造體積越大，增產效果越明顯［9］。在相同的主裂縫間距情況下，次級裂縫的間距越小（越密，越復雜）就越能有效降低頁巖基質內部壓力，采收率就越高［10］。

圖1 Barnett頁巖氣某區塊單井累產預測［7］

2 頁巖氣儲層流動機理

頁巖儲層是由天然裂縫或人工誘導裂縫和基質構成的典型雙重介質系統， 裂縫是主要的流通通道，基質是主要儲集空間。頁巖氣井的流動過程為：（1）初始階段，裂縫系統中的天然氣流向井筒；（2）在壓降的作用下，被裂縫溝通的基質孔隙中的天然氣流向裂縫，并通過裂縫流向井筒；（3）地層壓力下降到一定階段，吸附在基質表面的天然氣開始解析、擴散，通過裂縫流向井筒。

頁巖氣中吸附氣具有很大的開采潛力，但其產量貢獻與等溫吸附曲線的形態和氣藏的壓力有關。在許多中—深的頁巖氣儲層中,由于在高壓階段解析作用較弱，而且頁巖基質物性差，在未被裂縫溝通的基質部分，很難達到氣體解析所需要的有效壓降，因此在早期吸附氣產量貢獻不大［7］。圖2為Barnett頁巖儲層某區塊含氣量曲線，吸附氣含量占42%。根據圖1中的預測結果來看，30年末吸附氣采出量占總采氣量的8%～10%，最初5年吸附氣對產量幾乎沒有什么貢獻。

圖2 Barnett頁巖氣某區塊含氣量曲線［7］

3 頁巖氣水平井壓裂效果動態評價

3.1 多級壓裂水平井數學模型

常規氣井動態描述方法對頁巖氣井主要存在以下幾方面的局限性：（1）在流動狀態描述方面，傳統的方法多以描述邊界流為主，而頁巖氣儲層滲透率低，不穩定流持續時間長，多數井很難發現邊界流，或是在邊界流之后又出現不穩定流；（2）在壓裂裂縫的描述方面，常規的方法以分析局部單一裂縫為主（描述裂縫的半長、導流能力），不適用于分析頁巖氣井多級壓裂后產生的復雜裂縫系統和改造體積（SRV）；（3）常規氣藏動態描述方法只描述自由氣在孔喉、裂縫中的流動，在頁巖氣儲層中，除了自由氣的流動，還存在吸附氣的解析與擴散。

目前針對頁巖氣水平井動態描述方法主要突出對長期的不穩定流的分析和對裂縫參數、改造體積的計算分析。有些文獻也對吸附氣的解析和擴散進行了分析，但由于吸附氣在生產初期階段的產量貢獻小，而且在生產動態中很難單獨區分，因此通常不單獨考慮。

針對頁巖氣水平井多級壓裂情況，多數文獻在建立解析方程時都對數學模型作出了如下假設［11-12］：（1）模型包括水平井、被改造儲層（SRV）和外圍未被改造儲層3部分（圖3）；（2）被改造儲層范圍內存在裂縫和基質兩種介質，滲流模型采用線性板狀雙重介質模型；（3）壓裂形成的裂縫為一組相互平行的等間距裂縫，垂直于井筒，導流能力有限，具有一定的平面延伸范圍；（4）改造范圍內的基質與外部的無限大基質為均質，具有相同的滲透率（10-6～10-4mD）；（5）不考慮吸附氣。

圖3 頁巖氣水平井多級壓裂理論模型示意圖

3.2 流動特征識別

頁巖氣井錄取到的生產動態資料主要是產量和井口壓力（包括井口油壓、套壓）。對錄取到的產量和壓力進行相應的變換，在對數坐標中繪制規整化產量qn、規整化產量導數qn'與ta關系，就可以用來識別頁巖氣水平井的流動狀態，計算壓裂參數。

式中，q為氣井日產量，103m3/d；ta為擬時間函數，d；m（pi），m（pwf）分別為原始地層壓力和井底流壓的擬壓力形式，kPa2/（mPa·s）。

在雙對數圖中，線性流（斜率為-0.5的直線）是頁巖氣水平井最常見的流動特征（見圖4），這一流動特征表示氣體從基質→裂縫→井筒，有些井在整個生產期內只呈現這一種流動特征。有時在初期也會出現短暫的雙線性流或徑向流，主要是由于裂縫中的流動引起的，由于裂縫的儲氣能力有限，因此這一流動一般持續時間很短，難以識別。在線性流動之后出現邊界流（斜率為 -1的直線），也是頁巖氣壓裂水平井常表現出的流動特征，這是由相鄰裂縫控制流動范圍之間相互干擾而引起，此時整個改造范圍內總體上處于衰竭狀態，由此可以計算SRV范圍內的儲量。對外圍未被改造部分，當外圍基質滲透率較高（k≥10-4mD）時，在邊界流之后會出現線性流或徑向流，表示外圍基質部分開始流動；如果外圍基質滲透率很低（k≤10-6mD），在特征曲線上表現不出外圍流動特征。

圖4 頁巖氣壓裂水平井流動特征識別圖版

3.3 壓裂裂縫間距、裂縫溝通的總表面積

可得

式中，Acm為被裂縫溝通的基質的總表面積，m2；km為基質滲透率，mD；t為生產時間，d；T為儲層溫度，K；φ為基質孔隙度；μg為氣體黏度，mPa·s；Ct為總體壓縮系數，kPa-1。

上式中的基礎參數km、φ、μg、Ct可由巖心分析數據和氣體PVT性質確定，由此得到被裂縫溝通的基質的總表面積Acm，還可以進一步評價有效壓裂裂縫的間距L

式中，L為裂縫間距，m；ye為改造儲層寬度（一半），m；xe為水平井段長度， m；h為儲層厚度，m。

圖5 規整化壓力～t 0.5關系曲線

3.4 水平井的表皮因子

在頁巖氣壓裂井中，即使沒有儲層傷害引起的表皮效應，也會存在由于裂縫導流能力有限而引起的基質向裂縫的線性流中視表皮效應的存在。頁巖氣井比其他氣井更容易表現出一個視表皮系數很大的線性流。Bello和Wattenbarger曾對視表皮因子進行詳細的論述，把其出現主要歸結于水平井的匯流作用，同時也包括由于裂縫導流能力有限而引起的壓降。這個視表皮因子對生產動態有很大影響，因此是產量預測中的關鍵參數。規整化壓力～t0.5關系曲線在Y軸上的截距b（圖5）代表一個固定的壓力損失，從中可以計算視表皮因子S'

3.5 被改造部分（SRV）的儲量

圖6 氣井流動物質平衡圖版

4 結論及認識

（1）通過水平井多級壓裂形成復雜的裂縫網絡系統，增加井筒與儲層的溝通面積，是頁巖氣水平井提高單井產量的關鍵。

（2）頁巖氣儲層中吸附氣的產量貢獻與等溫吸附曲線的形態和氣藏的壓力有關，在壓力較高的氣藏，由于在高壓階段解析作用較弱，而且頁巖基質物性差，在未被裂縫溝通的基質部分，很難達到氣體解析所需要的有效壓降，會影響到吸附氣的產量貢獻。

（3）線性流是頁巖氣壓裂水平井經常表現出的流動特征之一，通過對線性流進行分析，可以確定壓裂裂縫有效間距、裂縫溝通的總表面積等壓裂參數。

（4）邊界流也是頁巖氣壓裂水平井常表現出的流動特征。由于頁巖儲層分布范圍廣，在基質滲透率極低的情況下流動不可能達到實際儲層邊界，此時的邊界流特征由相鄰誘導裂縫控制流動范圍之間相互干擾而產生的，表示整個改造范圍內總體上處于衰竭狀態，由此可以計算SRV范圍內的儲量。

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（修改稿收到日期 2013-04-02）

Horizontal well dynamic evaluation method in shale gas reservoirs

LIU Xiaohua1,2, ZOU Chunmei2, JIANG Yandong2, ZHAI Zhenyu2

（1.China University of Geosciences,Beijng100083,China;2. Langfang Branch,Petroleum Exploration and Development Research Institute,CNPC,Langfang065007,China）

Shale gas reservoirs are different from conventional gas reservoirs in reservoir characteristics, percolation mechanism,completion technique, and dynamic performance. Since the development of shale gas in China is still at the stage of exploration, dynamic regulation and evaluation method of overseas shale gas well were summarized to provide some models and the reference for establishing domestic shale gas well dynamic evaluation and process measures. Based on the fi eld case study and literature review on overseas’ shale gas wells, the fl owing mechanics and production performance of horizontal wells were summarized. The current dynamic performance evaluation methods for shale gas horizontal wells were described in detail, which includes fl ow region identif i cation, effective fracture parameters calculation and gas reserves determination in SRV. From the point view of gas well fl ow characteristics, unstable linear fl ow is the mainly fl ow characteristics for horizontal wells in shale gas, and the effective fracture parameters formed after horizontal well fracturing can be evaluated according to the dynamic data in this stage. On the other hand, some wells appear boundary fl ow after linear fl ow, which means the whole stimulation range generally in a state of exhaustion, and the dynamic reserves within the stimulation region can be evaluated using this feature.

shale gas; horizontal well; dynamic evaluation; recoverable reserves; production decline; fracturing effect evaluation

劉曉華，鄒春梅，姜艷東，等.頁巖氣水平井動態評價方法 ［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（3）：55-58.

TE37

A

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0055 – 04

劉曉華，1971年生。1995年畢業于石油大學（華東）開發系油藏工程專業，現從事氣田開發及氣藏工程研究，高級工程師。E-mail：lxh69@petrochina.com.cn。

〔編輯

朱 偉〕