超深高壓裂縫性砂巖氣藏產(chǎn)能預(yù)測(cè)研究綜述

秦 莎，廖凱飛

（長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430100）

超深高壓氣藏是典型的非常規(guī)氣藏。2008年，我國(guó)探明該類氣藏儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的10%，發(fā)展前景十分可觀。對(duì)該類做氣藏產(chǎn)能測(cè)試時(shí)，其開井期井底壓力容易上升，有時(shí)甚至出現(xiàn)井底流壓隨產(chǎn)量增加而升高的現(xiàn)象，致使建立的產(chǎn)能方程出現(xiàn)異常，無(wú)法得到無(wú)阻流量［1］。由于該類氣藏中砂巖氣藏埋藏深、地層溫度及壓力高，天然裂縫發(fā)育，且多采用衰竭式開采，生產(chǎn)壓差變化幅度大，因而在開發(fā)過(guò)程中，應(yīng)力敏感及高速非達(dá)西是這類氣藏的主要特征，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究工作。下面，筆者對(duì)超深高壓裂縫性砂巖氣藏產(chǎn)能預(yù)測(cè)研究情況進(jìn)行闡述。

1 儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性研究

1.1 儲(chǔ)層物性參數(shù)應(yīng)力敏感性研究

從20世紀(jì)50年代開始，很多國(guó)外學(xué)者對(duì)儲(chǔ)層的滲透率、孔隙度和孔隙壓縮系數(shù)隨有效應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。Hall［2］根據(jù)砂巖和石灰?guī)r的巖樣分析結(jié)果制作了孔隙壓縮系數(shù)隨孔隙度的變化關(guān)系，得到了著名的Hall圖版，在油藏工程中廣泛應(yīng)用。Fatt［3］用砂巖巖心進(jìn)行覆壓孔滲實(shí)驗(yàn)，定性分析了壓縮系數(shù)與滲透率隨有效覆壓的變化關(guān)系。Jose G［4］建立了三維全隱式有限差分?jǐn)?shù)學(xué)模型，由此描述致密氣藏滲透率隨有效應(yīng)力顯著變化的特性。Latchie等［5］用實(shí)驗(yàn)對(duì)泥質(zhì)砂巖和純砂巖巖樣先增壓后減壓，研究了2組巖樣的滲透率隨壓力的變化曲線，得到高滲透純砂巖儲(chǔ)層滲透率損失率為4%，而低滲透泥質(zhì)砂巖的滲透率不可逆損失高達(dá)60%，這表明巖心的變形既有彈性變形，又有彈塑性變形和塑性變形，對(duì)此前蘇聯(lián)石油工作者的相關(guān)研究也證實(shí)了上述結(jié)論的正確性［6］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)石油工作者對(duì)于儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性也進(jìn)行了大量研究。阮敏等［7］通過(guò)試驗(yàn)分析，認(rèn)為低滲透油藏中應(yīng)力敏感的存在會(huì)導(dǎo)致井筒附近滲透率降低45%，產(chǎn)量降低13%。張新紅等［8］通過(guò)圍壓試驗(yàn)，得到低滲透巖心滲透率、孔隙度和壓縮系數(shù)均隨有效應(yīng)力呈指數(shù)式變化，并建立了考慮應(yīng)力敏感的低滲儲(chǔ)層近井地帶一維兩相流數(shù)學(xué)模型。黃繼新等［9］基于巖石力學(xué)理論，經(jīng)理論推導(dǎo)，得到了異常高壓氣藏巖石變形規(guī)律及變形方程，并通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了理論推導(dǎo)的合理性。孫龍德等［10］將克拉2氣田應(yīng)力敏感性儲(chǔ)層劃分成4個(gè)滲透率區(qū)間，通過(guò)試驗(yàn)得到了各區(qū)間內(nèi)滲透率隨有效應(yīng)力變化的關(guān)系式。王峰等［11］對(duì)造成儲(chǔ)層應(yīng)力敏感的因素進(jìn)行了分析，指出水的存在及泥化現(xiàn)象是造成應(yīng)力敏感的主要原因。薛永超等［12］用對(duì)不同滲透率儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感模式進(jìn)行分析，認(rèn)為隨著有效覆壓增加，中高滲油藏的滲透率變化比較平緩，低滲透油藏的滲透率前期迅速下降，而后逐漸平緩。

1.2 應(yīng)力敏感性儲(chǔ)層滲流規(guī)律研究

隨著地層壓敏性的研究的深入，壓敏地層的流體滲流方面的研究也成為研究熱點(diǎn)。Raghavan等［13］提出了巖石和流體物性均隨壓力變化的變形介質(zhì)氣藏二階非線性數(shù)學(xué)模型，并分別得到了滲流解析解和數(shù)值解。Pedr osa［14］通過(guò)引入滲透率隨壓力變化的變異關(guān)系，用小擾動(dòng)方法計(jì)算了應(yīng)力敏感性儲(chǔ)層非線性滲流一階近似解。

2 儲(chǔ)層高速非達(dá)西效應(yīng)研究

自20世紀(jì)初期，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)達(dá)西定律在描述氣體滲流時(shí)存在局限性。為此，F(xiàn)orchheimer［15］首先提出了二項(xiàng)式滲流定律，對(duì)氣體滲流過(guò)程中慣性力的影響加以修正。Ramey［16］借助于修正解引入了視表皮和包含慣性－紊流效應(yīng)的流動(dòng)系數(shù)的概念。不久，Al－Hussainy等［17］又引入了真實(shí)氣體的擬壓力函數(shù)，消除了流動(dòng)方程的非線性，避免了數(shù)學(xué)上的復(fù)雜性。

2.1 高速非達(dá)西系數(shù)研究

對(duì)高速非達(dá)西效應(yīng)的研究，最重要的內(nèi)容是確定紊流系數(shù)。針對(duì)這一問(wèn)題，F(xiàn)redrick［18］提出了2種方法來(lái)確定高速非達(dá)西系數(shù)，而王新海等［19］通過(guò)巖樣的覆壓孔滲試驗(yàn)分析，得到更適用于克依構(gòu)造帶的紊流系數(shù)求解式。

2.2 高速非達(dá)西滲流模型研究

對(duì)裂縫性氣藏高速非達(dá)西流的研究首先由Millhei m等［20］發(fā)起，選用徑向流模型分析了均質(zhì)氣藏中的高速非達(dá)西效應(yīng)。Wattenbar ger等［21］用有限差分法分析了無(wú)限導(dǎo)流縫中的高速非達(dá)西問(wèn)題，認(rèn)為短小裂縫中的高速非達(dá)西效應(yīng)更加明顯。Guppy等［22］通過(guò)考慮裂縫中的高速非達(dá)西效應(yīng)，引入了有限導(dǎo)流縫和無(wú)限導(dǎo)流縫中井底定壓和井底定產(chǎn)的半對(duì)數(shù)圖版。Roberts等［23］分析了裂縫發(fā)育的致密氣藏中水平井的產(chǎn)能，得出認(rèn)為裂縫與井筒的連接會(huì)引起節(jié)流效應(yīng)，導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力下降。Jin等［24］提出用考慮氣液比的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)兩相流高速非達(dá)西條件下支撐劑充填層的有效滲透率。Vincent等［25］研究了兩相流下裂縫中高速非達(dá)西效應(yīng)的影響。Alvarez等［26］分析了高速非達(dá)西效應(yīng)在試井中的影響，指出不考慮其影響會(huì)導(dǎo)致氣井產(chǎn)能估計(jì)過(guò)高。Torsten等［27］同時(shí)考慮了致密砂巖氣藏中裂縫和基質(zhì)的高速非達(dá)西效應(yīng)，并給出了新的試井理論圖版。

3 氣井產(chǎn)能分析研究

在氣田開發(fā)過(guò)程中，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣井的產(chǎn)能、分析氣井的開發(fā)動(dòng)態(tài)并了解氣層和井筒的特性，是科學(xué)開發(fā)油氣田的基礎(chǔ)。氣井產(chǎn)能分析通常分為2個(gè)階段，即氣井產(chǎn)能測(cè)試階段和氣井產(chǎn)能分析階段［28］。

3.1 氣井產(chǎn)能測(cè)試方法

常規(guī)產(chǎn)能試井方法包括回壓測(cè)試、等時(shí)測(cè)試、修正等時(shí)測(cè)試和一點(diǎn)法測(cè)試等方法。Wyckoff等［29］提出了回壓試井分析方法，該方法要求氣井以不同產(chǎn)量生產(chǎn)，但每個(gè)工作制度下都要持續(xù)到壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但對(duì)于測(cè)試時(shí)間不夠長(zhǎng)的井，該方法的實(shí)用性受到限制。Dyes等［30］提出了等時(shí)試井方法，要求氣井在等時(shí)間間隔下以不同產(chǎn)量生產(chǎn)，同時(shí)要求關(guān)井做壓力恢復(fù)時(shí)井底壓力需達(dá)到測(cè)試前地層壓力，這對(duì)于低滲透氣藏來(lái)說(shuō)需要花費(fèi)大量時(shí)間，因而具有一定局限性。Dunsh等［31］提出了修正等時(shí)試井方法，該方法不要求長(zhǎng)時(shí)間關(guān)井使井底壓力恢復(fù)到原始值，只要關(guān)井時(shí)間和生產(chǎn)時(shí)間相同即可，這為低滲致密氣藏的產(chǎn)能試井提供了經(jīng)濟(jì)有效的方法。此外，陳元千［32］提出了一點(diǎn)法試井，該方法進(jìn)一步縮短了測(cè)試時(shí)間，適用于已獲得產(chǎn)能方程、但隨著生產(chǎn)進(jìn)行需要對(duì)產(chǎn)能進(jìn)行修正的氣井以及缺少集輸流程和裝置的探井。

3.2 氣井產(chǎn)能分析方法

產(chǎn)能分析即對(duì)產(chǎn)能測(cè)試資料的解釋與處理，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣井產(chǎn)能分析的研究主要涉及以下模型：①產(chǎn)能方程修正模型。針對(duì)在穩(wěn)態(tài)或擬穩(wěn)態(tài)下得到的傳統(tǒng)二項(xiàng)式方程，通過(guò)分析影響產(chǎn)能系數(shù)A、B的因素，以便更合理地確定氣井產(chǎn)能。王江等［33］通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為平均滲流阻力系數(shù)主要與射孔厚度有關(guān)，而與總厚度、有效厚度相關(guān)性很小，因此進(jìn)行產(chǎn)能分析時(shí)應(yīng)代入射孔厚度以提高計(jì)算精度。唐洪俊等［34］為了提高一點(diǎn)法產(chǎn)能方程的適用范圍，提出了一點(diǎn)法變系數(shù)無(wú)阻流量經(jīng)驗(yàn)公式，提高了產(chǎn)能預(yù)測(cè)的可信度。李曉平［35］提出用氣井壓力恢復(fù)資料求產(chǎn)能方程的方法，該方法測(cè)試時(shí)間短，所需費(fèi)用也低。②不穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能分析模型。研究認(rèn)為，由于地層滲流與井筒流動(dòng)的相互耦合促成了油氣井的正常生產(chǎn)，通過(guò)建立不穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)各生產(chǎn)時(shí)間段氣井的產(chǎn)能，可從根本上提高生產(chǎn)系統(tǒng)分析的精度。如葛家理［36］提出未考慮井底污染壓力恢復(fù)曲線法，用壓力恢復(fù)曲線建立了二項(xiàng)式產(chǎn)能方程。陳堅(jiān)等［37］提出了油氣藏與井筒耦合的不穩(wěn)定滲流模型，為裂縫－孔隙性油氣藏單井產(chǎn)能的計(jì)算提供依據(jù)。王怒濤等［38］針對(duì)測(cè)試壓力與穩(wěn)定時(shí)壓力有一定誤差的問(wèn)題，引入測(cè)試點(diǎn)的誤差值，建立了帶約束條件的優(yōu)化模型。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)學(xué)者研究超深高壓裂縫性砂巖氣藏的儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性、高速非達(dá)西效應(yīng)和氣井產(chǎn)能的情況進(jìn)行了闡述?？傮w來(lái)說(shuō)，應(yīng)力敏感和高速非達(dá)西的存在均使超深高壓裂縫性砂巖氣藏產(chǎn)能降低，因而對(duì)該類氣藏進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測(cè)時(shí)，必須考慮兩者的影響。此外，由于應(yīng)力敏感性的影響，隨著生產(chǎn)壓差增大，氣井的采氣指數(shù)先增大后減小，因此生產(chǎn)過(guò)程中必須嚴(yán)格控制生產(chǎn)壓差，以減輕應(yīng)力敏感和高速非達(dá)西的影響。今后，應(yīng)進(jìn)一步從定量的角度去進(jìn)行研究，給出明確的定量性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從而提高生產(chǎn)系統(tǒng)的分析精度，最終達(dá)到提高超深高壓裂縫性砂巖氣藏產(chǎn)量的目的。

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