頁(yè)巖氣藏多段壓裂水平井產(chǎn)氣貢獻(xiàn)度的確定方法

王鳳偉

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頁(yè)巖氣藏多段壓裂水平井產(chǎn)氣貢獻(xiàn)度的確定方法

王鳳偉

（長(zhǎng)江大學(xué)， 湖北 武漢 430000）

頁(yè)巖氣因?yàn)閮?chǔ)量豐厚、開(kāi)采前景很大而在當(dāng)今的世界能源中舉足輕重。長(zhǎng)期以來(lái)，頁(yè)巖氣產(chǎn)能的理論研究是隨著頁(yè)巖氣的生產(chǎn)實(shí)踐而不斷發(fā)展、深入的。通過(guò)積極查找相關(guān)資料多方對(duì)比，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氣剖面測(cè)試法可以認(rèn)識(shí)水平井流態(tài)分布規(guī)律；求取分層產(chǎn)量，優(yōu)選穿層；優(yōu)化分段壓裂參數(shù)；優(yōu)化井身軌跡；指導(dǎo)生產(chǎn)。本文研究多因素對(duì)多段壓裂水平井每段的產(chǎn)量貢獻(xiàn)度影響，最后構(gòu)建出在考慮靜態(tài)因素與工程因素的經(jīng)驗(yàn)擬合曲線(xiàn)圖版，能夠使現(xiàn)場(chǎng)工程師直接做出預(yù)判。

頁(yè)巖氣藏；多段壓裂水平井；擬合曲線(xiàn)圖版

1 目的和意義

頁(yè)巖氣指的是主體位于暗色泥頁(yè)巖或者高碳泥頁(yè)巖中, 以吸附或游離狀態(tài)為主要賦存方式的天然氣聚集。研究發(fā)現(xiàn)，勘探開(kāi)發(fā)前景巨大，將成為重要的接替能源之一，對(duì)于緩解能源危機(jī)、改善能源結(jié)構(gòu)具有重要的意義。 為了合理高效經(jīng)濟(jì)地開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣藏，必須研究頁(yè)巖氣的產(chǎn)能。開(kāi)采頁(yè)巖氣必須采取一些增產(chǎn)措施及特別的完鉆方法，水平井和水力壓裂增產(chǎn)技術(shù)是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中的兩項(xiàng)最關(guān)鍵的技術(shù)，這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用不但可以極大地提高頁(yè)巖氣的開(kāi)采速率，還可以提高單井最終采收率[1]。

通過(guò)積極查找相關(guān)資料多方對(duì)比，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氣剖面測(cè)試法可以認(rèn)識(shí)水平井流態(tài)分布規(guī)律；求取分層產(chǎn)量，優(yōu)選穿層；優(yōu)化分段壓裂參數(shù)；優(yōu)化井身軌跡；指導(dǎo)生產(chǎn)。該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)頁(yè)巖氣水平井的軌道優(yōu)化、分段壓裂參數(shù)優(yōu)化及生產(chǎn)管理提供了技術(shù)依據(jù)，在此方法的基礎(chǔ)上，利用大量數(shù)據(jù)獲得的經(jīng)驗(yàn)方程，使現(xiàn)場(chǎng)工程師直接做出預(yù)判[2]。

2 頁(yè)巖氣藏多段壓裂水平井影響因素分析

2.1 數(shù)值模擬準(zhǔn)備

基于對(duì)該地區(qū)油藏描述及氣藏工程研究的基礎(chǔ)上，建立能較真實(shí)反映已選頁(yè)巖區(qū)塊的地質(zhì)模型，依據(jù)前述氣藏工程的分析，針對(duì)已選頁(yè)巖區(qū)塊的氣藏，進(jìn)行數(shù)值模擬研究工作，為氣藏的開(kāi)發(fā)可行性提供參考依據(jù)。

2.1.1 模型的建立

（1）數(shù)值模擬采用CMG軟件GEM（組分模擬器），由于頁(yè)巖節(jié)理和裂縫發(fā)育，所以采用雙孔雙滲模型對(duì)區(qū)塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和預(yù)測(cè)研究，并以此進(jìn)行相關(guān)的開(kāi)發(fā)技術(shù)和方案研究，為高效開(kāi)發(fā)本區(qū)塊提供科學(xué)依據(jù)。埋深3 000 m，孔隙度0.03，網(wǎng)格厚度為27 m(所有層），裂縫孔隙度為0.000 1，儲(chǔ)層有效厚度為8 m，原始地層壓力為27 MPa,含氣飽和度為0.59，數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格25×25×3，模型總儲(chǔ)量為3.54×105m3,裂縫導(dǎo)流能力為0.001 md·m，模型3D圖如下：

本次模擬區(qū)域采用笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)建立H維地質(zhì)模型，平面網(wǎng)格劃分為25×25，網(wǎng)格步長(zhǎng)為80×80。縱向網(wǎng)格劃分為3層。網(wǎng)格總數(shù)為25×25×3=1 875。

圖1 數(shù)值模擬中三維網(wǎng)格分布

2.1.2 巖石及流體的物性參數(shù)

（1）氣水相滲曲線(xiàn)

相滲數(shù)據(jù)來(lái)之CMG期刊第二十九典型頁(yè)巖氣藏模擬數(shù)據(jù)，只是按照區(qū)塊的實(shí)際含水飽和度改變了束縛水飽和度，曲線(xiàn)如圖2。

圖2 相對(duì)滲透率數(shù)據(jù)

（2）巖石壓縮系數(shù)

相滲數(shù)據(jù)來(lái)自CMG期刊第二十九頁(yè)巖氣模擬數(shù)據(jù)。

表1 CMG期刊相滲數(shù)據(jù)

（3）吸附量數(shù)據(jù)

頁(yè)巖氣很大一部分以吸附態(tài)賦存與孔隙中，所以吸附參數(shù)的設(shè)置對(duì)頁(yè)巖氣數(shù)模的至關(guān)重要。由于等溫吸附曲線(xiàn)測(cè)得的是吸附能力，表示對(duì)應(yīng)溫度和壓力下的最大吸附量，并不能代表儲(chǔ)層的吸附量，故用實(shí)測(cè)吸附豐度換算得到對(duì)應(yīng)壓力下的吸附數(shù)據(jù)。

表2 對(duì)應(yīng)壓力下的吸附數(shù)據(jù)

2.2 多段壓裂水平井影響因素分析

2.2.1 考慮和不考慮微裂縫影響時(shí)產(chǎn)能對(duì)比

在建立起模型的基礎(chǔ)上，利用產(chǎn)能計(jì)算方法在不考慮微裂縫影響時(shí)和考慮微裂縫影響時(shí)的產(chǎn)能水平井產(chǎn)能進(jìn)行分析。結(jié)果如圖3。

從圖中可以看出，在不考慮天然裂縫情況下，產(chǎn)量是保持穩(wěn)定不變，產(chǎn)量幾乎為0；而對(duì)于考慮天然裂縫影響下，產(chǎn)量早期遞減很快，到后期遞減速度放慢。這說(shuō)明在頁(yè)巖氣藏中，由于基巖的滲透率太低，已經(jīng)到納達(dá)西級(jí)，當(dāng)儲(chǔ)集層天然裂縫不發(fā)育或發(fā)育很少時(shí)，即使經(jīng)過(guò)了水平井壓裂改造，產(chǎn)能仍然很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到商業(yè)開(kāi)采要求，所以只有天然微裂縫發(fā)育較好的地層即所謂“甜點(diǎn)”才具有商業(yè)開(kāi)采價(jià)值。

圖3 考慮和不考慮天然微裂縫影響日產(chǎn)量對(duì)比曲線(xiàn)

2.2.2 考慮和不考慮解吸吸附時(shí)產(chǎn)量比較

從圖中可以看出從圖4可以看出，生產(chǎn)初期由于主要是天然裂縫和人工裂縫內(nèi)游離氣的流動(dòng)，考慮吸附解吸與不考慮吸附解吸產(chǎn)能相同，發(fā)生竄流后考慮吸附解吸時(shí)產(chǎn)量更大，由于解吸氣補(bǔ)充了一定的地層能量，地層壓力下降比較慢，產(chǎn)量隨時(shí)間遞減也更緩慢，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間更長(zhǎng)，因此頁(yè)巖氣藏產(chǎn)能評(píng)價(jià)過(guò)程中必須考慮吸附解吸的影響。

圖4 考慮吸附氣解吸附作用的累計(jì)產(chǎn)量圖

2.2.3 水平段長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)能的影響分析

水平井長(zhǎng)度是水平井的關(guān)鍵參數(shù)。在當(dāng)前水平井的鉆井投資相對(duì)比較固定的的情況下，對(duì)于面積大、連通性好的砂體，水平段長(zhǎng)度的增加使得泄氣體積增大，產(chǎn)量也隨之而增加，從這個(gè)方面講，水平井長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好。但是研究表明，水平段長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)量的影響并不是線(xiàn)性的，而是增幅逐漸變小，水平段長(zhǎng)度增大到某種程度時(shí)，產(chǎn)量幾乎不增加，采收率幾乎沒(méi)有再隨水平段長(zhǎng)度的變化而變化。

共設(shè)計(jì)水平段長(zhǎng)度分別為800 m、1 000 m、1200 m、1 400 m的4組模擬方案，以研究不同水平段長(zhǎng)度對(duì)氣井開(kāi)采效果的影響。

圖5 水平段長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)量的影響

從圖中可以看出，隨著水平段長(zhǎng)度的增大，水平井產(chǎn)量逐漸增大，但增長(zhǎng)幅度趨于平緩。當(dāng)水平井段長(zhǎng)度超過(guò)1 400 m，增產(chǎn)趨勢(shì)逐漸平緩，說(shuō)明水平井段的最佳范圍在1 400 m左右。水平段長(zhǎng)度由800 m增加到1 800 m，累積產(chǎn)氣量由1.43×108m3增加到2.12×108m3，水平段長(zhǎng)度為800 m的水平井的穩(wěn)產(chǎn)期為1年，穩(wěn)產(chǎn)期隨水平段長(zhǎng)度增加而延長(zhǎng)，但延長(zhǎng)的趨勢(shì)逐漸減弱。當(dāng)水平井段長(zhǎng)度大于1 400 m以后，水平井的穩(wěn)產(chǎn)年限增幅減小。說(shuō)明水平段長(zhǎng)度如果設(shè)計(jì)的很短，會(huì)達(dá)不到產(chǎn)能建設(shè)及穩(wěn)產(chǎn)期的要求，但如果水平井段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的太長(zhǎng)，在經(jīng)濟(jì)上又不合理。因此應(yīng)該在保證產(chǎn)能、穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間以及經(jīng)濟(jì)費(fèi)用的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)水平段長(zhǎng)度。

2.2.4 裂縫長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)能的影響

裂縫半長(zhǎng)是一個(gè)會(huì)嚴(yán)重影響壓裂水平井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的因素，各條裂縫的半長(zhǎng)因地應(yīng)力的分布等不同或許不一樣。對(duì)于低滲氣藏來(lái)說(shuō)，產(chǎn)量隨縫長(zhǎng)增加而增加，但增幅逐漸變緩，使相鄰砂體連通的能力變?nèi)酰?dāng)垂直方向上縫高大于儲(chǔ)層厚度、平面上縫的鋪展大于砂體寬度時(shí)，裂縫將沒(méi)有作用。隨著裂縫半長(zhǎng)的增加，壓裂施工的難度及成本都會(huì)隨之增加，半長(zhǎng)的確定應(yīng)綜合考慮各種因素，達(dá)到最好的效益對(duì)，某一特定的地層應(yīng)有一個(gè)合理值。結(jié)合特定的儲(chǔ)層條件，可以用數(shù)值模擬方法優(yōu)化裂縫長(zhǎng)度。

模擬方案設(shè)計(jì)為裂縫半長(zhǎng)分別為50 m、100 m、120 m、150 m一共4組，來(lái)探討裂縫長(zhǎng)度對(duì)氣井開(kāi)采效果的影響。

圖6 裂縫半長(zhǎng)對(duì)產(chǎn)量的影響

模擬結(jié)果顯示，形成的裂縫長(zhǎng)度越大相應(yīng)的泄氣面積越大，且滲流阻力小，水平井段縫長(zhǎng)的增加會(huì)增加產(chǎn)能，但并不代表可以無(wú)限增加縫長(zhǎng)便會(huì)改善開(kāi)采效果，而且因?yàn)閴毫迅脑炷芰τ邢蓿鄯e產(chǎn)量增加幅度有限。由數(shù)值模擬研究結(jié)果可知，裂縫長(zhǎng)度增加至100 m之后，預(yù)期通過(guò)增加裂縫規(guī)模來(lái)實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的幅度減小。因此選取水平段裂縫最佳半長(zhǎng)為100 m。

2.2.5 裂縫條數(shù)對(duì)產(chǎn)能的影響

合理的裂縫間距不僅要顧及有較高的儲(chǔ)量動(dòng)用程度，還要確保氣井有較高的產(chǎn)能。如果裂縫間距太大，會(huì)導(dǎo)致縫間部分儲(chǔ)量無(wú)法開(kāi)采出來(lái)；而如果間距太小，縫間會(huì)出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象。在壓裂投產(chǎn)初期，隨著裂縫條數(shù)的增多，氣井的日產(chǎn)量越大，然而隨生產(chǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)，裂縫條數(shù)不同的氣井產(chǎn)量間的差別愈來(lái)愈小。

模擬方案設(shè)計(jì)為裂縫條數(shù)為2、3、4、5共4組模擬方案，比較各方案累產(chǎn)氣量隨裂縫條數(shù)的增加而發(fā)生的變化，從而選出合理的裂縫條數(shù)。

圖7 不同裂縫條數(shù)效果圖

2.2.6 裂縫導(dǎo)流能力對(duì)產(chǎn)能的影響

裂縫導(dǎo)流能力極大地影響著壓裂水平井的產(chǎn)能，當(dāng)其他參數(shù)確定時(shí)，裂縫導(dǎo)流能力有一個(gè)合理值。有研究顯示，隨著裂縫導(dǎo)流能力的增強(qiáng)，水平井產(chǎn)量會(huì)提高，但是提高的幅度逐漸變小。

圖8 裂縫條數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響

設(shè)計(jì)裂縫導(dǎo)流能力分別為10、20、30、40 mD·m共4個(gè)模擬方案，比較各方案累積產(chǎn)氣量隨裂縫導(dǎo)流能力的增加而發(fā)生的變化，選出合理的裂縫導(dǎo)流能力。

圖9 不同裂縫導(dǎo)流能力對(duì)開(kāi)采指標(biāo)的影響

圖10 不同裂縫導(dǎo)流能力對(duì)產(chǎn)量的影響

從圖中可以看出，累產(chǎn)氣量隨裂縫導(dǎo)流能力的增加而增大，但由于壓裂改造效果有限，累產(chǎn)氣量增幅不會(huì)一直居高。

2.2.7 多因素對(duì)產(chǎn)能影響分析

基于上述單因素分析，其中包括水平段長(zhǎng)度、裂縫長(zhǎng)度、裂縫條數(shù)、裂縫導(dǎo)流能力以及天然裂縫滲透率（設(shè)計(jì)四組分別是：0.5、1.0、1.5、2.0 mD）為主因素，采用正交設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，方案詳細(xì)列表及模擬結(jié)果分析如下表所示。

根據(jù)以上的五種因素，列出了正交表有16種方案，再利用CMG軟件模擬出了每種方案的結(jié)果（選取的是第15年的年產(chǎn)氣量與15年的累計(jì)產(chǎn)氣量的比值作為標(biāo)準(zhǔn)），以下圖是我模擬出結(jié)果圖像以及結(jié)果。

圖11 分別是5條和4條人工裂縫

表3 正交設(shè)計(jì)分析

表4 方差分析表

進(jìn)行對(duì)上述表格的分析，F(xiàn)比值越大并且越接近F臨界值，就說(shuō)明該因素起到主導(dǎo)的作用，所以在五種因素中裂縫條數(shù)是主要因素，排序如下：裂縫導(dǎo)流能力、裂縫條數(shù)、裂縫長(zhǎng)度、天然裂縫滲透率、水平段長(zhǎng)度。

圖12 分別是3條和2條人工裂縫

圖13 裂縫條數(shù)為5以及水平段長(zhǎng)度為1400米的日產(chǎn)氣圖

3 結(jié)論

頁(yè)巖氣井產(chǎn)能影響因素可從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)因素兩大類(lèi)來(lái)分析。動(dòng)態(tài)因素包括水平段長(zhǎng)度、裂縫條數(shù)、裂縫長(zhǎng)度、裂縫導(dǎo)流能力、以及天然裂縫滲透率。靜態(tài)因素包括絕對(duì)滲透率、孔隙度、有效厚度以及甲烷含氣量。動(dòng)態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)直接影響著頁(yè)巖氣藏壓裂水平井的產(chǎn)能，優(yōu)選出動(dòng)態(tài)因素的最佳方案，然后在CMG軟件中，用已建立的數(shù)模中改變靜態(tài)參數(shù)，找出靜態(tài)參數(shù)與產(chǎn)氣量的關(guān)系并且利用SPSS 軟件建立線(xiàn)性回歸方程，所建立出的經(jīng)驗(yàn)方程使現(xiàn)場(chǎng)工程師做能夠出預(yù)測(cè)，且具有一定的實(shí)際意義。

［1］王建國(guó), 徐能惠, 杜學(xué)斌. 頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 重型機(jī)械, 2014, 06: 31-35.

［2］鄒順良, 楊家祥, 胡中桂, 張寅, 倪方杰. FSI產(chǎn)出剖面測(cè)井技術(shù)在涪陵頁(yè)巖氣田的應(yīng)用 [J]. 測(cè)井技術(shù), 2016 (02): 209-213.

Determination method of Gas Production Contribution of Multistage Fractured Horizontal Well in Shale Gas Reservoir

（Yangtze University, Hubei Wuhan 430000, China）

Shale gas occupies a significant part in the world of energy because of its rich reserves and great exploitation and development potential. Besides, along with long-term development, the theoretical research on the productivity of shale gas is deepened continuously．It is found that the gas flow profile test method can know the distribution law of horizontal well flow, find the stratified yield, optimize the fracturing parameters, optimize the well trajectory, and guide the production. In this paper, the influence of some factors on the yield contribution of each stage of fractured horizontal well was studied. Finally empirical fitting curvechart was constructed through considering static factors and engineering factors.

shale gas reservoir; multiple fractured horizontal wells; fitting curve chart

TE 357

A

1004-0935（2017）10-0989-05

2017-08-29

王鳳偉（1989-），女，山東菏澤人，長(zhǎng)江大學(xué)石油工程在讀研究生，研究方向: 石油與天然氣開(kāi)發(fā)。