低滲氣井壓力和產量遞減規律及其影響因素

喬向陽李靖馮東馮婷婷張磊陳宇

1.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院；2.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室

低滲氣井壓力和產量遞減規律及其影響因素

喬向陽1李靖2馮東2馮婷婷1張磊1陳宇2

1.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院；2.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室

影響低滲氣藏氣井生產動態及遞減規律的因素眾多，區別各類因素的影響規律對預測氣田生產動態、指導氣田合理高效開發具有重要意義。將低滲氣井壓力和產量遞減規律影響因素分為儲層靜態因素和生產動態因素兩大類，結合實際氣藏生產早期定產降壓、后期定壓降產的開發路線，分別研究了氣井定產降壓階段壓力遞減特征及定壓降產階段產能遞減特征，并基于數值模擬手段對其影響規律進行了綜合分析。結果表明：氣井生產早期壓力遞減規律主要受氣井控制儲量、配產、產水等因素影響；生產后期產量遞減規律主要受滲流能力、井間干擾、產水等因素影響。同時，儲層靜態因素是氣藏開發潛力的先決條件，而生產動態因素則往往可以通過合理的方法進行優化或調整以使氣井達到最好的生產狀態，在實際生產中需要做到“動靜結合”，根據氣田的開發目標對各生產動態因素進行詳細描述，指導調整生產制度或驗證氣藏認識的準確性。

低滲氣田；氣井；壓力；產量；遞減規律；儲層靜態參數；生產動態；定壓降產；定產降壓

國內低滲氣藏資源量豐富，分布范圍廣，主要分布在鄂爾多斯、四川和松遼等沉積盆地，是近年來天然氣儲量增長速度最快的氣藏類型［1］。低滲氣田地質條件復雜，儲層物性差，非均質性強，具有明顯的低孔、低滲、低產、低豐度等特點［2］，其滲流機理、滲流特征以及遞減規律與常規氣藏有很大差異。具體而言，啟動壓力梯度、應力敏感效應、氣藏地層壓力、控制儲量、工作制度以及裂縫導流能力等因素對氣井產能都有很大的影響［3-5］，導致其遞減規律相較于常規儲層更加復雜，影響因素更加多元化。同時，國內氣井生產基本上都采用“先定產降壓、后定壓降產”的工作制度［6］，前期定產降壓下壓力變化規律的研究，可用于分析氣藏生產動態，評價氣井穩產能力，制定合理的開發方案和預測增壓時機；后期定壓降產階段的研究，對于采出程度以及最終采收率的預測具有重要意義。深入研究氣井壓力與產能遞減規律及其影響因素，將為高效合理地開發低滲氣藏提供有力的技術支持［7］。

目前，針對低滲氣藏遞減規律及影響因素的研究手段主要有理論分析和數值模擬。目前常用的產量遞減規律理論分析方法有Arps［8］、Fetkovich［9］、Blasingame［10］以及Argwal-Garder［11］等方法。Arps針對常規油氣井，在經驗統計模型基礎上推導出一系列不同類型的產量遞減曲線；Fetkovich將地層的流動模型與物質平衡結合，論證了徑向流擴散方程與井的生產動態之間的關系，建立了現代產量遞減分析的圖版擬合方法。Arps和Fetkovich遞減模型都要求氣井定壓生產，而實際氣井往往難以保持壓力恒定。Blasingame通過將氣藏平均擬壓力下降速度和氣井擬穩態階段產能方程相結合，提出了產量與壓力變化條件下的遞減規律分析方法。Agarwal-Gardner在此基礎上針對壓裂改造的油氣井，提出了考慮帶有水平和垂直裂縫的產量遞減曲線，同時在新模型增加了對累積產量數據的分析。國內的陳元千［12-14］、俞啟泰［15］、李傳亮［16］、劉漢成［17］、李彥尊［18］在理論上也給出了復雜油氣田的遞減特征。然而，實際氣藏產量變化規律極為復雜，實際生產數據往往比較離散，用不同的變量分析其產量遞減規律有時差異很大。低滲透氣藏氣井早期產量高，遞減快，但隨著生產時間的推移，氣井產量遞減不斷減緩，即初始遞減率并不是恒定不變的，因此其適應性有待分析［19-21］。與此同時，該方法主要是基于實際生產數據統計，但國內許多低滲氣田的單井與氣藏產能遞減規律不容易得到，該方法也并不能很好地反映各因素對產量遞減的影響。

目前數值模擬則主要研究氣藏整個生產過程中氣井產能的變化，并不能體現各階段氣井的生產特點以及各階段的主要影響因素［3］。再者，工作制度的改變、增產措施或存在多井干擾時氣井遞減規律則更為復雜，研究更為缺乏［22］?？傊?，目前對于低滲氣田遞減規律及影響因素研究缺乏系統性，影響因素分析不夠完善，不同開采階段的影響主次關系不清楚，這些問題都亟需研究。

據此，筆者結合實際氣藏“先定產降壓，后定壓降產”的開發路線，將定產降壓階段的壓力遞減規律和定壓降產階段的產量遞減規律結合起來展開分析，基于數值模擬手段對生產過程中影響產量遞減的儲層靜態因素及生產動態因素進行系統的研究。儲層靜態因素反映了氣藏固有屬性對生產的影響，主要包括滲透率、非均質性、控制儲量、地層壓力等，對整個氣藏及特定氣井的產能大小起關鍵作用；生產動態因素主要反映人為制定的氣田開發方案、氣井生產制度或氣井生產中引起的儲層物性變化等對氣藏生產的影響，這些因素主要包括氣井位置、配產、產水、井間干擾等。認清各類因素如何影響氣井產氣規律將對預測氣田生產動態、指導氣田合理高效開發有著重要意義。

1 儲層靜態因素對遞減規律的影響

Effect of static reservoir factors on decline laws

1.1 儲層滲透率的影響

Effect of reservoir permeability

基于數值模擬手段，研究了氣藏滲透率分別為0.1 mD、0.3 mD、0.5 mD、0.7 mD和1 mD時氣井配產1萬m3/d時的生產動態特征，實線為產量曲線，虛線為壓力曲線，模擬結果見圖1。

圖1 理想低滲氣藏不同儲層滲透率下氣井壓力和產量曲線Fig.1 Pressure and production rate of gas well in ideal lowpermeability gas reservoir with different reservoir permeability

結果表明：在配產及控制儲量相同情況下，儲層滲透率主要決定氣井穩產年限，滲透率越高，其穩產年限越長，滲透率為1 mD的儲層，定產降壓階段生產時間接近14年，而對于儲層滲透率為0.1 mD的氣井，由于滲透率太低，無法維持1萬m3/d的產量，所以直接進入定壓降產階段，井底流壓為10 MPa。在定產降壓的擬穩態階段，不同滲透率條件下壓力隨時間幾乎呈線性降低，且不同條件下壓力隨時間變化的斜率相近，說明滲透率對壓力衰減速率影響不大，僅影響壓力數值；但是，在定壓降產階段，滲透率對氣井產能遞減規律有顯著影響。值得注意的是，高滲儲層產量遞減速率明顯高于低滲儲層，造成該現象的根本原因是由于氣井進入遞減期時剩余儲量和地層壓力不同。在其他條件相同情況下，儲層滲透率越高的氣井穩產期越長，穩產期末剩余儲量越小，此時地層壓力也就越低，當氣井進入遞減期后，現有的地層能量不足以向氣井提供這么高的產量，導致氣井產量遞減快。反之，儲層滲透率越低的氣井會越早進入遞減期，此時地層壓力和剩余儲量還比較大，供氣能力比較足，導致氣井產量遞減慢。因此，在實際生產中，產量遞減率快的氣井并不一定是差井，不能僅由氣井產量遞減率大小來判斷氣井生產好壞，還需要結合氣井的穩產特征。

1.2 儲層非均質性的影響

Effect of reservoir heterogeneity

實際氣藏由于成藏過程及地質運動，儲層往往存在較強的非均質性，嚴重影響氣井生產動態。在本研究中，主要考慮儲層滲透率分布不均勻而造成的非均質性，將儲層滲透率平面分布簡化為5種類型，如圖2所示。

圖2 儲層滲透率平面分布Fig.2 Areal distribution of reservoir permeability

不同非均質情況的氣井生產特征如圖3所示。研究結果表明：近井地帶的儲層物性很大程度上決定了氣井生產情況的好壞。近井地帶滲透率越高（如b，c），氣井產量越高，穩產期越長，進入遞減期后產量遞減速度越快，而與氣井外圍儲層滲透率分布相關性較小；近井地帶滲透率越低（如a，d，e）則氣井產量越低，穩產期較短，遞減速度越慢。因此，實際儲層的低滲條帶將嚴重影響氣井質量傳遞及壓力傳播，即使氣井外圍滲透率高、儲量大，儲層天然氣也無法快速通過低滲區域而進入井筒。在實際布井過程中，有必要在儲層物性好的位置布井，同時，精確詳細的氣藏地質描述是實現氣田合理高效開發的必要手段。

圖3 不同非均質分布情況下氣井壓力和產量曲線Fig.3 Gas well pressure and production rate for different heterogeneity distribution situations

1.3 氣井控制儲量的影響

Effect of gas well controlled reserves

氣井的控制儲量決定著其開發潛力，也會對氣井的生產特征及遞減規律產生影響。不同控制儲量下井的壓力和產量動態曲線如圖4所示（通過控制厚度h來調控氣井控制儲量）。對于氣井定產降壓階段壓力遞減規律而言：氣井儲量越大，則井底流壓越高，穩產期越長，壓力遞減速度越慢；儲量越小，則氣井井底流壓越低，穩產期越短，壓力遞減速度越快。但是，氣井控制儲量的大小對其在定壓降產階段的產量遞減規律影響不大：不同控制儲量下的氣井在進入定壓降產階段后的產量都以相近的遞減率減小，不同控制儲量條件下的產量遞減曲線基本相互平行。

圖4 氣井不同控制儲量下壓力和產量（半對數）動態曲線Fig.4 Dynamic curve of pressure and production rate (semi-log)for different gas well controlled reserves

1.4 原始地層壓力的影響

Effect of original reservoir pressure

對于封閉彈性定容氣藏，孔隙中的氣體主要靠自身的膨脹能采出，因此地層壓力的高低很大程度上決定著儲層的供氣能力，對氣井的產氣特征和遞減規律也會產生一定影響。不同地層壓力下氣井的壓力和產量動態曲線如圖5所示。

圖5 不同地層壓力下氣井井底流壓和產量動態曲線Fig.5 Dynamic curve of bottom hole flowing pressure and production rate of gas well under different reservoir pressure

在定產降壓階段，氣井井底流壓隨時間呈線性變化，且不同地層壓力下的氣井井底流壓下降速度相近，地層壓力僅僅影響井底流壓的數值大小，對其變化規律影響不大。這是因為在儲量和配產相同的情況下，井底流壓的下降速度主要和原始地層壓力與綜合壓縮系數的比值有關［23］，而一般來說地層壓力高的儲層綜合壓縮系數大，地層壓力低的儲層綜合壓縮系數小，從而導致這一比值的大小在不同地層壓力下相差不大，因此出現不同地層壓力下的氣井井底流壓下降速度相近的現象。同時，在氣井定壓降產階段，地層壓力對產量遞減規律有一定的影響：原始地層壓力越高，則氣井穩產期越長，進入產量遞減期后的遞減速度越快；原始地層壓力越低，則氣井穩產期越短，進入產量遞減期后的遞減速度越慢，遞減形式為指數遞減。

2 生產動態因素對遞減規律的影響

Effect of dynamic production factors on decline laws

2.1 井位的影響

Effect of well location

設定井眼與透鏡體砂體的相對位置關系分別為井眼位于氣藏中部、井眼位于氣藏中心以及井眼位于氣藏邊緣（圖6）。不同布井方式條件下氣井生產動態如圖7所示。

圖6 井位設定示意圖Fig.6 Effect of dynamic production factors on decline laws

圖7 不同井位氣井井底流壓和產量動態曲線Fig.7 Dynamic curve of bottom hole flowing pressure and production rate of gas well in different locations

由圖7可看出，在定產降壓階段，隨著井眼位置朝氣藏中心靠攏，氣井進入擬穩態的時間越短，井底流壓越高，且壓力遞減速度越慢；反之亦然。這一方面因為透鏡體砂體中間厚兩邊薄，當井眼位于氣藏中心時，在早期就能動用更多的儲量；另一方面如果氣井位于透鏡體邊緣，則遠方的氣體滲流到井筒需要更大的壓差。因此，井位對氣井生產動態有很顯著的影響，在部署井位前，最好是通過地震、測井等方法摸清砂體的規模大小、形狀以及分布規律，盡可能將井網部署在砂體的中心位置。

2.2 配產的影響

Effect of production proration

對于定容封閉性氣藏，采氣強度對氣井遞減規律有一定的影響。隨著采氣強度變化，地層能量消耗速度會發生變化，從而影響氣井遞減規律。理想氣藏不同配產下氣井生產動態特征如圖8所示。

圖8 不同配產下氣井井底流壓和產量動態曲線Fig.8 Dynamic curve of bottom hole flowing pressure and production rate of gas well with different proration

結果表明：配產對氣井定產降壓階段壓力遞減規律影響比較大。氣井配產越高，則井底流壓越低，且遞減速度越快；此外，在氣井進入定壓降產階段時，配產對產量遞減規律影響不大，不同配產下的氣井產量以相同的遞減率減小。在確定實際氣井配產時，一方面要考慮氣田生產目標（如建產規模、穩產期、采收率等），另一方面要注意配產過低可能導致井底液體排不出，或配產過高可能導致地層水過快侵入、井壁垮塌等問題。

2.3 產水的影響

Effect of water production

氣水兩相滲流阻力比單相氣滲流阻力大得多，在其他條件相近的情況下，氣井是否產水或產水量多少是影響氣井產量的關鍵因素。一般情況下，氣藏含水飽和度越高或相滲曲線上水相相對滲透率越高、氣水兩相共滲區越大，則氣井的產能越差［21］。理想低滲氣藏不同產水量下氣井的生產動態如圖9所示。結果表明：在定產降壓階段，隨著產水量（含水飽和度）增加，氣井井底流壓降低且壓力遞減速度加快；定壓降產階段，產水量越高則氣井穩產期越短、產量遞減速度越慢。這實質上反映的是氣相滲透率對氣井遞減規律的影響，儲層含水飽和度越高，則氣相滲透率越低，對氣井遞減規律的影響與1.1節中研究結果類似。

圖9 不同產水量下氣井井底流壓和產量（半對數）動態曲線Fig.9 Dynamic curve of bottom hole flowing pressure and production rate (semi-log) of gas well with different water production rates

考慮到產水對氣井產能將產生嚴重影響，在實際生產中，必須認清儲層水的來源及分布情況，盡量避免在有邊底水、透鏡體水體或含水飽和度很高的位置打井。對于主要產出層內水的氣井，可以考慮開采前期適當加大生產壓差，盡早地將儲層孔隙水排出，然后再進行配產，這樣能提高氣井的累產；對于有邊底水的氣井，配產不能太高，以避免邊底水過早入侵對氣井產能產生嚴重破壞；對于產層與煤層相鄰的氣藏，要注意氣井壓裂時避開煤層，以免煤層中的水被產出；對于已經發生積液的氣井，要進行有效的排水采氣工作。特別需要注意的是，打水平井之前，一定要摸清儲層水的分布情況，盡量避免水平井壓裂時將水層壓開。

2.4 井間干擾的影響

Effect of multi-well interference

當儲層連通性比較好時，鄰井的生產制度發生變化，或者氣井周邊有新井投產（如井間加密），都會對氣井的產氣規律產生影響。設定L1為生產井，生產制度不發生變化；L2為干擾井，生產制度在生產2年后發生變化；2口井同時投產。L1與L2井工作制度見表1。

表1 氣井生產制度方案設計Table 1 Program design of gas well production system

鄰井生產制度發生變化時，井間干擾對氣井L1生產規律的影響如圖10所示。結果表明，在L1井穩產2年后的定產降壓階段，隨著L2井配產降低，L1井井底流壓遞減速度變小。這是因為L1、L2井在投產2年內已經進入擬穩態生產，當L2井配產降低后，壓力波界面會向L2井移動，導致L1井控制儲量增加，所以L1井井底流壓遞減速度變小。在定壓降產階段，隨著L2井配產降低，L1井穩產期增加，且產量遞減速度變慢。這是因為L2井配產降低后，整個氣藏的地層壓力下降速度會減小，加上L1井控制儲量增加，導致其產量遞減速度變小。有新井投產時情況與之類似，新井配產越高，則老井產量遞減速度越快；井距越小，則老井產量遞減速度越快。由于井間干擾會對氣井的遞減規律產生較大影響，井距、配產等不適當都可能會造成原始氣井產量發生波動，所以在制定氣井生產制度或設計井間加密方案時一定要進行詳細的優化。

圖10 不同鄰井生產制度下氣井井底流壓和產量動態曲線Fig.10 Dynamic curve of bottom hole flowing pressure and production rate of gas well by varying the production system of its neighboring well

3 遞減規律影響因素綜合評價

Comprehensive evaluation on factors influencing decline laws

基于“先定產降壓、后定壓降產”的開發方式，儲層靜態因素和生產動態因素對低滲氣藏氣井壓力和產量遞減規律影響的特點、機理及對生產的建議匯總如表2、表3所示。

表2 儲層靜態因素對低滲氣藏氣井壓力和產量遞減規律的影響Table 2 Effect of static reservoir factors on the pressure and production decline laws of gas wells in low-permeability gas reservoirs

表3 生產動態因素對低滲氣藏氣井壓力和產量遞減規律的影響Table 3 Effect of dynamic production factors on the pressure and production decline laws of gas wells in low-permeability gas reservoirs

氣藏的地質研究是整個氣藏開發中至關重要的一環，在制定氣田開發方案之前，需要對氣田做好精細、準確的地質描述，以便找出物性好、儲量大、連通性好的“甜點”。并且隨著生產的進行，對氣田地質特征的再認識會逐步加深，對儲層的描述會逐步精確，加上動態生產數據與靜態地質資料的結合，可以有效指導生產。

生產動態因素對氣井遞減規律影響的根本機理體現在儲層靜態因素如滲透率、儲量、地層壓力上。這實質上是通過人為的方式改變氣藏的儲層靜態因素或控制儲層靜態因素的分配以及變化規律。這也說明氣藏的固有屬性是決定氣藏開發潛力的關鍵因素，而人為可以控制的生產動態因素是決定氣藏開發效果的關鍵因素。在實際生產中要做到“動靜結合”，根據氣田的開發目標對各生產動態因素進行詳細的優化，通過對氣井動態生產數據進行詳盡的分析來指導調整生產制度或驗證氣藏認識的準確性。

為了方便更好地利用壓力、產量遞減規律影響因素來指導生產，在上文研究的基礎上總結各生產階段的主要影響因素及各因素對壓力、產量遞減規律的影響程度如表4。

表4 各因素對壓力、產量遞減規律的影響程度統計Table 4 Statistics on influential degree of each factor on pressure and production decline laws

從研究結果可看出，若生產早期壓力變化不正常，則可考慮是否受儲量、井距、配產或產水影響；若生產后期產量變化不正常，則可考慮是否受滲透率、井距、產水或井間干擾影響。

4 結論

Conclusions

（1）儲層靜態因素反映氣藏固有屬性對氣井遞減規律的影響，生產動態因素反映人為制定生產條件對氣井遞減規律的影響，生產動態因素對氣井遞減規律的影響實質上是通過人為的方式改變氣藏的儲層靜態因素或控制儲層靜態因素的分配以及變化的規律。

（2）氣井生產早期壓力遞減規律主要受氣井控制儲量、井位、配產、產水等因素影響；生產后期產量遞減規律主要受滲流能力、井位、產水、井間干擾等因素影響。深入研究氣井遞減規律影響因素有利于判別氣井遞減規律異常的原因。

（3）產水對氣井壓力遞減及產量遞減均有嚴重影響。針對氣井不同產水情況需要采取不同措施，如果水氣比較低則可能為層內水，可以考慮適當增大生產壓差以盡快盡多地排出地層水；如果氣井水氣比較高則可能由于壓裂或射孔時打開了含水層或者層間水，需要嚴格控制配產，減緩水竄。

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（修改稿收到日期 2017-03-18）

〔編輯 朱 偉〕

Pressure and production decline laws of low-permeability gas wells and their influential factors

QIAO Xiangyang1,LI Jing2,FENG Dong2,FENG Tingting1,ZHANG Lei1,CHEN Yu2
1.Research Institute,Shaanxi Yanchang Petroleum(Group)Co.Ltd.,Xi’an710075,Shaanxi,China;
2.Key Laboratory of Petroleum Engineering Education Ministry,China University of Petroleum(Beijing),Beijing102249,China

Production performance and decline laws of gas wells in low-permeability gas reservoirs are affected by multiple factors,so distinguishing the influential laws of each factor is significant to predict the production performance of gas wells and guide the efficient development of gas fields.The factors influencing pressure and production decline laws of low-permeability wells are divided into two types (i.e.,static reservoir factors and dynamic production factors) based on the development concept of constant-production pressure dropping in the early stage of gas reservoir production and constant-pressure production decreasing in the late stage.Then,the influential laws were comprehensively analyzed by means of numerical simulation.It is indicated that pressure decline law of gas wells in the early stage of production is mainly affected by gas well controlled reserves,production proration and water production and that in the late stage is mainly dominated by seepage capacity,multi-well interference and water production.Static reservoir factors are prerequisite to the development potential of gas reservoirs,and dynamic production factors can be optimized or adjusted by means of rational methods so that gas wells will be in the best production state.In the actual production,static and dynamic factors shall be combined.It is necessary to describe the dynamic production factors in detail according to the gas field development target so as to provide the guidance for production system adjustment and verify the accuracy of gas reservoir understanding.

low-permeability gas field; gas well; pressure; production; decline law; static reservoir parameter; production performance; constant-pressure production decreasing; constant-production pressure dropping

喬向陽，李靖，馮東，馮婷婷，張磊，陳宇.低滲氣井壓力和產量遞減規律及其影響因素［J］.石油鉆采工藝，2017，39（3）：259-266.

TE319

：A

1000–7393（2017 ）03–0259–08DOI:10.13639/j.odpt.2017.03.001

: QIAO Xiangyang,LI Jing,FENG Dong,FENG Tingting,ZHANG Lei,CHEN Yu.Pressure and production decline laws of low-permeability gas wells and their influential factors ［J］.Oil Drilling & Production Technology,2017,39(3): 259-266.

國家自然科學基金重大項目“頁巖油氣高效開發基礎理論”（編號：51490654）。

喬向陽（1969-），1996年畢業于西南石油學院油氣田開發工程專業，獲工學碩士學位，現主要從事天然氣地質、油氣田開發研究，高級工程師。通訊地址：（710075）陜西省西安市高新區科技二路75號延長石油201室。E-mail：547615282@qq.com