頁巖氣體積壓裂水平井產(chǎn)能影響因素研究

陸 程，劉 雄，程敏華，李 兵

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100029;2.中油勘探開發(fā)研究院，北京 100083;3.中國地質(zhì)大學，北京 100083)

引 言

體積壓裂水平井是開發(fā)頁巖氣的重要技術(shù)之一。由于頁巖氣特殊的賦存機理，以及儲層天然裂縫發(fā)育、脆性系數(shù)高等特點，常規(guī)的單一對稱雙翼裂縫模型已不能滿足頁巖氣建產(chǎn)的需要，只有不斷提高有效的儲層改造體積，形成最大化的縫網(wǎng)展布，擴大優(yōu)勢滲流通道，才能實現(xiàn)提高單井日產(chǎn)和最終采收率的目的。雖然國內(nèi)外諸多學者參與到頁巖氣研究的課題中來，但有關(guān)頁巖氣滲流機理尚未定論，建立適用于體積壓裂水平井頁巖氣的產(chǎn)能評價方程還有一定難度。

筆者在陸程[1]研究的基礎上，建立了頁巖氣藏水平井體積壓裂模型，研究對比各優(yōu)選參數(shù)對產(chǎn)能的貢獻高低，以期為頁巖氣的高效開發(fā)提供依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 建模條件

根據(jù)已有資料[2－9]，水平井壓裂過程中與頁巖層中天然裂縫相交互錯，生成眾多誘導裂縫，進一步形成人工裂縫、天然微裂縫和誘導裂縫相互交錯的體積壓裂區(qū)。當賦存在基質(zhì)孔隙和微裂縫中的游離氣被采出后[1，5]，吸附氣將通過解吸作用進入天然微裂縫和誘導裂縫，再匯聚到人工裂縫，最終流入井筒生產(chǎn)出來(圖1)。

針對頁巖氣體積壓裂后3種裂縫網(wǎng)格互相交錯彼此連通的復雜性，以及3種裂縫網(wǎng)格各自與頁巖基質(zhì)孔隙模型的連通關(guān)系，選取經(jīng)典的Warren and Root模型。

利用該模型進行如下動態(tài)過程的模擬:①基質(zhì)系統(tǒng):內(nèi)部不考慮滲流，只發(fā)生擴散。表面采用純氣體Langmuir等溫吸附方程考慮吸附解吸作用;②裂縫系統(tǒng):在滿足有限導流和達西滲流條件下，模擬天然微裂縫、誘導裂縫網(wǎng)格和人工裂縫3套網(wǎng)格，建立有效的儲層體積改造區(qū)SRV，并考慮高速非達西校正;③前2套系統(tǒng)的耦合關(guān)系:參照Warren and Root模型中的sigma系數(shù)進行修正。

1.2 模型參數(shù)

在ECLIPSE中選擇Warren and Root模型，考慮規(guī)則體積壓裂，建立9段等間距人工壓裂水平井頁巖氣模型，再建立與人工裂縫相垂直和平行的等間距誘導裂縫(圖2)，模型參數(shù)如表1所示。

圖1 頁巖氣體積壓裂水平井氣體流動狀態(tài)

圖2 頁巖氣體積壓裂水平井3D、2D模型

表1 ECLIPSE頁巖氣體積壓裂水平井模型參數(shù)[1，8]

根據(jù)王曉冬和陸程[1，7]的研究，上述模型滿足有限導流條件。

2 影響因素分析

頁巖儲層通過壓裂改造后被集體“打碎”，最大限度地將具有極小導流能力的微裂縫、誘導裂縫和具有較大導流能力的人工裂縫聯(lián)系在一起，致使流體從基質(zhì)流經(jīng)人工裂縫最后到井筒的距離最短，極大提高儲層動用率，實現(xiàn)對儲層在長、寬、高3個方向的“立體改造”。

鑒于此，討論了典型參數(shù)對累計產(chǎn)氣量的影響，具體為:①壓裂改造系統(tǒng):人工裂縫導流能力、誘導裂縫導流能力、誘導裂縫密度、SRV大小、非達西因子;②儲層系統(tǒng):微裂縫滲透率、基質(zhì)—裂縫sigma系數(shù)，結(jié)果見表2。

由表2可知，對累計產(chǎn)氣量影響最大的參數(shù)是人工裂縫導流能力，其次為微裂縫滲透率和改造體積，兩者所占比例幾乎相當。誘導裂縫導流能力及其密度對產(chǎn)量的貢獻微乎其微，這與以往認為在體積壓裂中，形成的次生裂縫越多、導流能力越強、氣井產(chǎn)量就越高的認識有所不同。下面對各影響因素進行逐一分析。

表2 敏感參數(shù)對累計產(chǎn)氣量影響貢獻數(shù)據(jù)

2.1 人工裂縫導流能力

人工壓裂的結(jié)果是在近井地層中留下一條高傳導能力的滲流通道，便于流體從遠井地帶流到井底或注入劑由井底向地層疏散。由圖3可知，人工裂縫導流能力由0.305×10－3μm2·m增至15.25×10－3μm2·m，累計產(chǎn)氣量隨著導流能力的提高增幅顯著，壓降漏斗波及范圍變大。尤其是有效SRV區(qū)域內(nèi)。在開采初期，累計產(chǎn)氣量的增幅速率明顯高于低導流能力時，貢獻率接近30%。從某種程度上說，裂縫導流能力要比裂縫半長對增產(chǎn)效果的影響更加重要[7]。而裂縫導流能力實際上是通過裂縫滲透率和已支撐裂縫寬度來決定的，其實質(zhì)為單位壓力梯度下裂縫允許儲層輸送流體的流量[7]。顯而易見，對于頁巖氣體積壓裂而言，人工裂縫在儲層和井筒之間起到不可替代的運移通道作用，只有裂縫允許流體進入的流量越大，生產(chǎn)井的產(chǎn)量才會越高。在整個系統(tǒng)中(圖1、2)，無論其他參數(shù)對系統(tǒng)有什么影響，如果人工裂縫允許流體進入流量的能力減弱，則會影響單井產(chǎn)量及最終采收率。

當壓裂液泵注結(jié)束后，往往壓裂液壓力下降到不足以維持裂縫張開水平，導致裂縫閉合，勢必影響其導流能力。因此，體積壓裂完井階段要選用適當類型的支撐劑，以便生產(chǎn)過程中裂縫內(nèi)的壓力損失降低到最低水平，達到維持裂縫最佳導流能力的效果。

圖3 人工裂縫導流能力對累計產(chǎn)氣量影響

2.2 誘導裂縫

鑒于體積壓裂產(chǎn)生的誘導微裂縫與人工裂縫和天然微裂縫之間構(gòu)成復雜的縫網(wǎng)系統(tǒng)。為此，圍繞該體系中誘導裂縫導流能力及其密度2個因素對單井累計產(chǎn)氣量的影響展開研究。

由圖4可知，誘導裂縫導流能力由0.153×10－3μm2·m 增至 1.530 ×10－3μm2·m，但累計產(chǎn)氣量的增幅非常微弱，尤其是投產(chǎn)初期幾乎沒有任何變化。這是由于誘導裂縫導流能力的高低只能代表單位壓力梯度下誘導裂縫允許進入縫內(nèi)流體的流量大小，無論是從天然微裂縫或基質(zhì)孔隙進入其中的游離氣，還是從基質(zhì)表面擴散后進入其中的解吸氣，兩者均不與井筒之間發(fā)生直接的滲流關(guān)系。在誘導裂縫內(nèi)經(jīng)過壓力損失后，進入人工裂縫的剩余流體也只是起到為人工裂縫補充儲層流體的作用，而最終影響產(chǎn)量的關(guān)鍵還需考慮人工裂縫的導流能力。

圖4 誘導裂縫導流能力對累計產(chǎn)氣量影響

在2條人工裂縫中間不斷添加誘導裂縫條數(shù)，達到模擬增加有效儲層與人工裂縫之間滲流通道數(shù)量對累計產(chǎn)氣量有何種影響的目的。由圖5可知，不但投產(chǎn)初期裂縫條數(shù)對累計產(chǎn)氣量沒有影響，而且隨著條數(shù)的增加累計產(chǎn)氣量幾乎沒有變化。這是由于投產(chǎn)初期的產(chǎn)氣量是由聚集在天然微裂縫和基質(zhì)孔隙中的游離氣匯聚到人工裂縫后流入井筒被開采出來的，這也從一方面驗證了頁巖氣開采過程中氣體分階段流動過程的正確性[1]。在開采的中后期，隨著誘導裂縫密度增加，縫間距減小，勢必出現(xiàn)壓降漏斗疊加，發(fā)生縫間相互干擾的情況，結(jié)果使流入誘導裂縫內(nèi)的流量減弱，因此，在誘導裂縫密度達到一定范圍后，進一步考慮其對產(chǎn)能的影響是沒有必要的，而且在實際壓裂后這部分參數(shù)信息也極難獲取和定量分析。

2.3 改造體積大小

由于水平井長度固定，改造體積整體的長度即為固定的915.0 m，而后通過模擬寬度和高度的變化，達到研究改造體積體積變化對累計產(chǎn)氣量和近井地帶壓力分布特征的影響。由圖6可知，隨著改造體積體積的增大，累計產(chǎn)氣量增幅明顯，近井地帶的壓降范圍明顯擴大。

頁巖氣開發(fā)中，人工裂縫在具有最大的導流能力的同時，還應具有絕對大的橫截面積，這樣才能保證地層很容易的將流體運移到裂縫內(nèi)。裂縫橫截面積是通過產(chǎn)氣帶內(nèi)的裂縫高度和有效裂縫半長來確定的，有效儲層的厚度都是有限的，這就意味著裂縫高度范圍將受到一定限制，需要設計盡可能大的裂縫半長用以彌補裂縫的橫截面積。由圖2、6可知，增加改造體積有效寬度等效于延伸了裂縫半長，而增加改造體積高度實際上與增加裂縫高度是等同的，因此，擴大儲層體積改造的本質(zhì)從一定程度上講也就是延長裂縫半長，擴大裂縫的橫截面積。

圖5 誘導裂縫密度對累計產(chǎn)氣量影響

圖6 儲層改造體積對累計產(chǎn)氣量影響

另外，像頁巖氣這種極低滲透儲層對于有效裂縫長度的壓力損失非常敏感，由于裂縫寬度有限，尤其是在裂縫端部其導流能力相對較弱。而增加裂縫半長，不但可以提高裂縫的橫截面積，還可以通過長度的增加彌補導流能力的損失[7]，即低滲透儲層扁(裂縫寬度)、長(裂縫半長)型裂縫開發(fā)效果好。

2.4 微裂縫滲透率及其他

除以上因素，天然微裂縫滲透率、基質(zhì)—微裂縫sigma系數(shù)和非達西等3個因素，同樣也對單井產(chǎn)量大小起到不可忽視的影響作用。尤其是天然微裂縫滲透率對了累計產(chǎn)氣量的貢獻率接近四分之一，這一結(jié)果與M.D.Zuber和陸程研究指出的地層滲透率是優(yōu)化單井增產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵性指標相一致。而由儲層自身品位所決定的因素，即微裂縫滲透率和基質(zhì)—微裂縫sigma系數(shù)之和在累計產(chǎn)氣量貢獻中所占比例已經(jīng)接近40%(表2)。由此可見，壓裂工藝和完井措施的好壞直接影響人工裂縫導流能力和改造體積大小，其對單井產(chǎn)能的影響固然重要，然而在頁巖氣藏規(guī)模建產(chǎn)前，應對詳查階段的儲層巖心進行常規(guī)測試分析，優(yōu)選品位良好的目標層進行施工設計同樣不可或缺。

3 結(jié)論

(1)建立新型水平井開采頁巖氣體積壓裂模型，對比研究裂縫和儲層2套系統(tǒng)中不同參數(shù)對單井產(chǎn)能的影響。

(2)裂縫系統(tǒng)中人工裂縫導流能力和改造體積大小是影響單井產(chǎn)量最主要的因素，而誘導裂縫導流能力和誘導裂縫密度對累計產(chǎn)氣量的直接影響微弱;儲層系統(tǒng)中天然微裂縫滲透率和sigma系數(shù)對單井產(chǎn)量的影響尤為重要，當裂縫中的流動完全滿足達西滲流時，累計產(chǎn)氣量是最高的。

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