致密氣儲層清水壓裂液侵入帶動態分布及其對產能的影響規律*

王 飛 張士誠

(中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室 北京 102249)

王飛，張士誠.致密氣儲層清水壓裂液侵入帶動態分布及其對產能的影響規律［J］.中國海上油氣，2015，27(5)：93-97.

隨著北美非常規氣藏大規模壓裂改造的成功，清水壓裂技術得到了推廣應用［1-3］。與常規膠聯壓裂液相比，清水壓裂液具有費用少、壓裂后容易形成網絡裂縫、儲層傷害程度低等優勢，非常適用于致密氣儲層［4-5］。然而，與常規儲層水力壓裂不同的是，致密氣儲層水力壓裂施工后液體的返排率極低，現場實例統計返排率僅為30% ～50%［6-7］，這說明仍有大量的水滯留壓裂形成的裂縫中。Bennion等［8］研究表明，壓裂施工過程中液體通過具有滲透性的水力裂縫或者天然裂縫濾失到地層，在井筒附近及裂縫壁面周圍形成一個高含水飽和度區(稱為侵入帶)。由于致密氣儲層基質主要由平均孔徑小于1μm的微孔隙構成，水相汽化加入氣相后將使其原始含水飽和度(Sw，i)比殘余水飽和度(Sw，irr)要低很多［9-10］。這種次常態飽和度及微孔隙導致毛細管力的吸入能力大增，從而產生“水鎖”或“液相圈閉”現象，這是壓裂液滯留于地層不能完全返排出來的主要原因［11-12］。目前，關于壓裂液侵入帶的研究往往通過物理模擬，很少在數值模擬方面進行探索。同時，現場在進行致密氣壓裂井產能預測工作時也通常忽略掉滯留壓裂液的影響，這將導致壓裂產能評估和預測的不準確。因此，為了更好地了解致密氣儲層清水壓裂侵入帶動態分布及其對產能的影響規律，筆者建立了致密氣藏氣水兩相壓裂水平井數值模型，模擬了壓裂液泵注、返排、關井恢復及生產初期過程中填砂裂縫與裂縫壁面連接的侵入帶基質內部的氣液兩相流動，并分析了不同施工制度下的侵入帶含水動態變化及對壓裂井產能的影響規律，以期為制定壓裂施工設計和指導壓裂施工后產能評價工作提供依據。

1 數值模型建立

利用Eclipse軟件建立了1口多段水力壓裂的水平井數值模型，水平井位于矩形邊界氣藏的中央，水力裂縫由水平井筒的射孔簇產生。假定射孔簇為等間距，每條填砂裂縫具有相同的屬性，如半長Lf、縫寬wf、縫高hf和導流能力Fc。水力裂縫周圍區域用以模擬壓裂液侵入帶，侵入帶的模擬采用局部網格加密技術，設置裂縫周圍沿x、y、z軸方向上的網格尺寸分別為0.06、0.30和0.30m，模型參數詳見表1。儲層基質的毛細管力由Gdanski經驗公式［13］設置，裂縫的毛細管力近似為零；基質和裂縫中的氣水相對滲透率曲線根據典型的致密氣儲層相滲數據設置［14］。

表1 致密氣儲層壓裂水平井數值參數取值Table 1 Numerical parameters of tight gas reservoirs fractured horizontalwell

2 模擬結果分析

2.1 侵入帶壓裂液的分布規律

壓裂液在泵注、返排、關井及生產結束時的侵入帶含水飽和度模擬結果如圖1所示，可以看出：向水平井筒連續泵注1 h后形成的侵入帶中的含水飽和度均超過原始含水飽和度并達到高值(圖1a)：泵注后即刻開井返排壓裂液300 h(返排率達到38%，返排期間產氣量為16.6萬m3)，返排過程中侵入帶的含水飽和度下降，但侵入深度(rs)依然上升(圖1b)；關井期間(關井壓力恢復67 h)侵入深度保持不變，說明壓裂液侵入停止，同時侵入帶內部含水開始呈現均勻分布的趨勢(圖1c)；開井投產后侵入帶含水飽和度降低至殘余水飽和度(Sw，irr=0.213)而不再降低，但仍然高于原始含水飽和度(Sw，i=0.200)，如圖1d所示。

圖1 壓裂液在泵注、返排、關井及生產結束時的侵入帶模擬結果Fig.1 Invasion zone simulation results during fracturing fluid pum ping，flowback，shut-in and production

壓裂液在泵注、返排、關井及生產結束等過程的裂縫和侵入帶含水飽和度變化如圖2所示。在泵注過程中，侵入帶及填砂裂縫內部各個位置的含水飽和度均由0.200達到高值；裂縫根部由于與井筒直接相連，其含水飽和度最高達到1，且距離裂縫根部越近的侵入帶含水值越高。在返排過程中，裂縫根部及近裂縫根部的侵入帶由于排水而導致含水飽和度大幅下降，而距離裂縫較遠處的侵入帶含水則沒有下降(甚至有微小的上升)，這說明氣井在返排過程中侵入帶內部排水和繼續侵入同時進行著。在關井過程中，裂縫和距離裂縫較遠處的侵入帶含水均由返排結束時刻的低值有所上升，而裂縫附近位置的侵入帶含水值由返排結束時刻的較高值有所下降，因此裂縫和侵入帶內部含水在關井過程呈現出均勻分布的趨勢。在生產結束過程中，侵入帶及裂縫內部各個位置的含水飽和度均以不同速度下降，最終降低到0.213，實現了裂縫和侵入帶內部含水的均勻分布。

圖2 壓裂液在泵注、返排、關井及生產結束等過程的裂縫和侵入帶含水飽和度變化Fig.2 W ater saturation changes w ithin cracks and invasion zone during fracturing fluid pumping，flow back，shut-in and p roduction

壓裂液在泵注、返排、關井及生產結束等過程的侵入深度變化如圖3所示，可以看出：除了關井期間壓裂液侵入深度不變，其余3個過程中的侵入深度均呈上升趨勢，其中泵注過程中的侵入深度升高了0.24m、歷時1 h、侵入速度 0.24 m/h；生產結束過程中的侵入深度由0.36m升高到0.72m、歷時452 d、侵入速度3.32×10-5m/h。

壓裂水平井的產水和產氣動態曲線如圖4所示，可以看出：該井產水量下降很快，返排初始峰值為0.795 m3/d，生產時的峰值為0.366 m3/d，生產120 d后已經降到7.95×10-3m3/d，生產452d后的累積產水量為3.66 m3，連同壓裂液返排出的水共實現74.6%的返排率；生產時的初始產氣峰值為1.98萬m3/d，隨后產氣量快速遞減，452 d后累積產氣量達到56.85萬m3；如果不考慮壓裂液侵入帶的影響，生產階段產水量幾乎為零，而產氣量的初始峰值則達到3.496萬m3/d(約為侵入帶影響下產氣量峰值的1.7倍)，累積產氣量更高。因此，在進行壓裂井產能預測時應充分考慮壓裂液侵入帶的影響。

圖3 壓裂液在泵注、返排、關井及生產結束等過程的侵入深度變化Fig.3 Invaded depth changes during fracturing fluid pumping，flowback，shut-in and production

2.2 侵入帶含水飽和度對壓裂水平井產能的影響

壓裂水平井不關井投產、關井33 d投產、關井63 d投產等條件下侵入帶含水飽和度不均勻分布、較均勻分布和均勻分布時的產水量和產氣量曲線如圖5所示。由圖5可以得出，關井時間越長、侵入帶含水飽和度分布越均勻，投產后初始產水量越少、初始產氣量越多。因此，為獲得較高的天然氣初產值，應盡量延長關井時間。

2.3 侵入深度對壓裂水平井產能的影響

壓裂液侵入深度分別為0.28、0.36和0.48 m時壓裂水平井產水和產氣曲線如圖6所示。由圖6可以得出，壓裂液侵入深度越深，投產后初始產水量和產氣量越低，但生產160 d后不同侵入深度的壓裂水平井的產水量幾乎一樣，生產300 d后的產氣量也一樣。由此可見，壓裂液侵入深度對初產影響明顯，對后期生產影響不明顯。

圖4 壓裂水平井產水量和產氣量曲線Fig.4 W ater and gas production curves of horizontalwell reformed by hydraulic fracturing

圖5 壓裂水平井侵入帶含水飽和度分布不同時的產水量和產氣量曲線Fig.5 W ater and gas production curvesw ith different water saturation distribution in the invasion zone of horizontalwell reformed by hydraulic fracturing

圖6 壓裂液不同侵入深度時水平井的產水量和產氣量曲線Fig.6 W ater and gas production curves w ith different invaded depths of horizontalwell reformed by hydraulic fracturing

3 結論

1)通過建立數值模型模擬致密氣儲層壓裂水平井在壓裂液泵注、返排、關井恢復與生產結束過程中侵入帶壓裂液在儲層基質和填砂裂縫中的分布規律發現：在泵注過程中，侵入深度上升，侵入帶及填砂裂縫內部各個位置的含水飽和度均有升高，其中裂縫根部含水飽和度最高達到1，距離裂縫根部越近的侵入帶含水飽和度越高；在返排過程中，侵入帶內部排水和繼續侵入同時進行，裂縫根部及近裂縫根部的侵入帶含水飽和度大幅下降，而距離裂縫較遠處的侵入帶含水則沒有下降(甚至有微小的上升)；在關井過程中，侵入深度沒有變化，裂縫和侵入帶內部含水呈現出均勻分布的趨勢；在最后的生產結束過程中，侵入帶及裂縫內部各個位置的含水飽和度均以不同速度下降，最終降低到值為0.213的殘余水飽和度，實現了裂縫和侵入帶內部含水的均勻分布。

2)通過對比模擬有無壓裂液侵入帶影響下的產水和產氣動態曲線，發現若不含壓裂液侵入帶的影響，壓裂井在生產階段的產水量幾乎為零，遠低于正常含侵入帶影響下的產水量，而產氣量的初始峰值則會達到含侵入帶影響下產氣量峰值的1.7倍，累積產氣量遠高于真實值。由此可見，在進行壓裂井產能預測工作時應充分考慮壓裂液侵入帶因素所帶來的影響。

3)通過對比模擬不同侵入帶含水飽和度分布和不同侵入深度影響下的產水和產氣動態曲線，發現壓裂井關井時間越長，侵入帶含水飽和度分布越均勻，投產后初始產水量越少、初始產氣量越多。其中，模擬關井時間最長為63 d的井壓后初產氣量最高，可達3.962萬m3/d；壓裂井返排時間越長，侵入深度越深，投產后初始產水和產氣量越低。其中，模擬返排時間最長為400 h的井壓后初產氣量最低，僅為0.849萬m3/d。

4)壓裂液侵入帶含水飽和度和侵入深度兩個因素均對壓裂井初產影響明顯，對后期生產影響則不明顯。因此，在投產前應制定合理的返排制度和關井制度，以優化施工時間，提高返排效率，獲得較高的天然氣產量。關鍵技術措施及其實施效果［J］.中國海上油氣，2014，26(1)：78-81.Yue Jianghe，Xiao Qiaogang.Key horizontal drilling technology and operation effect for Texas Eagle Ford shale oil and gas in US［J］.China Offshore Oil and Gas，2014，26(1)：78-81.

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