儲層參數(shù)對頁巖氣水平井產(chǎn)能的影響

姚健歡，侯冬冬，景建明，劉 娟，封欽亞

(1.中國石油大學(xué) (北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249;2.中國石油哈薩克斯坦公司，北京 100013;3.中國石油新疆油田分公司 (低效油田開發(fā)公司)，新疆克拉瑪依 834000;4.中國石油大學(xué) (北京)提高采收率研究院，北京 102249)

中國頁巖氣正處于勘探開發(fā)的基礎(chǔ)理論研究階段［1］，頁巖氣特殊的生儲蓋一體化條件及儲層低孔低滲、多孔介質(zhì)的物性特征［2，3］使得頁巖氣開發(fā)比常規(guī)氣藏更加復(fù)雜困難，搞清產(chǎn)能的影響因素對頁巖氣規(guī)?；a(chǎn)至關(guān)重要。

目前針對頁巖氣產(chǎn)能的數(shù)值模擬研究較多，但主要集中在分析裂縫等儲層改造參數(shù)對氣井產(chǎn)能的影響，主要有考慮應(yīng)力敏感、滑脫效應(yīng)、啟動壓力梯度等因素的數(shù)學(xué)模型［4～7］?，F(xiàn)階段頁巖氣數(shù)值模擬還不成熟，頁巖氣賦存狀態(tài)存在爭議，頁巖氣吸附解吸機(jī)理表征、多尺度耦合流動的特殊性是模擬的難點(diǎn)，人工、天然裂縫的模擬不符合現(xiàn)場實(shí)際，這些問題都是頁巖氣數(shù)模軟件亟待解決的問題。國內(nèi)利用數(shù)模軟件對頁巖氣水平井產(chǎn)能研究較少，主要集中于改造措施，如裂縫等相關(guān)參數(shù)影響的研究［8～12］。有學(xué)者利用數(shù)模軟件對多段壓裂頁巖氣水平井水力壓裂參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，但對油藏參數(shù)如應(yīng)力敏感、啟動壓力梯度等沒有進(jìn)行分析。

本文利用商業(yè)油藏數(shù)值模擬軟件Eclipse模擬頁巖氣水平井開發(fā)過程，利用煤層氣模塊分析頁巖氣藏參數(shù)Langmuir體積、Langmuir壓力、擴(kuò)散系數(shù)對產(chǎn)能的影響;利用Eclipse中“門限壓力”關(guān)鍵字模擬啟動壓力梯度對頁巖氣水平井產(chǎn)能影響;利用“上覆壓力”和“巖石壓縮”選項(xiàng)等效巖石應(yīng)力敏感性，從而綜合分析各儲層參數(shù)影響幅度，對頁巖氣產(chǎn)能評估和預(yù)測具有重要意義。

1 模型建立

鑒于頁巖氣與煤層氣吸附的相似性，以及天然微裂縫、誘導(dǎo)裂縫、水力裂縫等形成的錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用商業(yè)軟件Eclipse中煤層氣選項(xiàng)，采用雙重介質(zhì)Warren and Root模型模擬多段壓裂水平井開采頁巖氣過程。

頁巖儲層深度為4000m，厚度為60m，孔隙度為0.012，基質(zhì)滲透率為0.001mD，天然微裂縫滲透率為0.01mD，原始地層壓力為50MPa;采用200×100×4的三維模型，地質(zhì)模型長為2000m，寬為1000m(圖1)，水平段長為1000m，人工壓裂共7段，主裂縫半長為100m，其中誘導(dǎo)裂縫均勻分布于主裂縫中間，天然微裂縫平行于水平井井筒分布，SRV(體積壓裂)區(qū)域?yàn)?200m×400m;Langmuir壓力為2.8MPa，Langmuir體積為17.6m3/m3，儲層巖石啟動壓力梯度為0.004 MPa/m，應(yīng)力敏感系數(shù)為0.003MPa－1。

圖1 頁巖氣體積壓裂二維模型圖Fig.1 Dimensional model diagram of shale gas volume fracturing

2 儲層參數(shù)對產(chǎn)能影響

頁巖氣主要賦存狀態(tài)為游離態(tài)、吸附態(tài)。反映吸附特征的重要參數(shù)為 Langmuir體積 VL及Langmuir壓力pL;不同Langmuir體積和Langmuir壓力對頁巖氣水平井產(chǎn)能影響曲線如圖2所示。

由圖2可見，在生產(chǎn)初期不同參數(shù)的產(chǎn)能相差不大，在開發(fā)后期不同參數(shù)的產(chǎn)能差別逐漸增大;在Langmuir壓力不變的情況下，頁巖氣水平井累計(jì)產(chǎn)量隨Langmuir體積增加而增大，主要是因?yàn)橛坞x氣相同情況下，Langmuir體積大者吸附氣量大，在相同壓降下解吸出的頁巖氣多。在Langmuir體積相同情況下，頁巖氣水平井累計(jì)產(chǎn)量隨著Langmuir壓力增大而增大。若頁巖儲層中總含氣量不變，則頁巖氣產(chǎn)量隨著Langmuir體積和Langmuir壓力的增加而降低。

圖2 不同Langmuir參數(shù)對累計(jì)產(chǎn)量影響曲線圖Fig.2 Influence of different Langmuir parameters on the cumulative gas production

頁巖氣中吸附氣和游離氣含量在很大程度上決定頁巖氣藏廢棄后天然氣的總采出量。而供氣速度由擴(kuò)散系數(shù)決定，也就是解吸附氣體從基質(zhì)到裂縫中運(yùn)動的能力;采氣速度由擴(kuò)散系數(shù)和解吸附能力共同決定;不同擴(kuò)散系數(shù)下頁巖氣水平井日產(chǎn)氣量曲線如圖3所示。

圖3 不同擴(kuò)散系數(shù)D對日產(chǎn)氣量影響曲線圖Fig.3 Influence of different diffusion coefficient on the daily gas production

由圖3可見，不同級別擴(kuò)散系數(shù) (0.01～100m2/d)對頁巖氣水平井初期產(chǎn)能影響較大，且擴(kuò)散系數(shù)越大，頁巖氣水平井初期產(chǎn)能越大，但隨著擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)一步增大，頁巖氣水平井初期產(chǎn)能差別逐漸變小，這主要是因?yàn)榻馕龅臍怏w能及時從基質(zhì)運(yùn)移到裂縫中，即解吸能力不能彌補(bǔ)擴(kuò)散走的氣體。擴(kuò)散系數(shù)對開發(fā)末期產(chǎn)能影響較小，且頁巖氣最終產(chǎn)能基本一致。

綜上所述，擴(kuò)散系數(shù)大的儲層對頁巖氣水平井產(chǎn)能影響不大，采氣速度主要由解吸能力界定;對于擴(kuò)散系數(shù)較小的儲層，其對水平井產(chǎn)能影響較大，采氣速度主要由擴(kuò)散系數(shù)決定。

頁巖儲層致密，流體滲流極其困難，滲流過程中存在邊界層阻力及黏滯阻力，這些均可歸結(jié)為啟動壓力梯度。而目前商業(yè)軟件無法直接定義啟動壓力梯度，因此首先定義平衡分區(qū)，利用“門限壓力”關(guān)鍵字定義相鄰網(wǎng)格間的臨界流動壓力;啟動壓力梯度分別取0MPa/m、0.001MPa/m、0.01MPa/m、0.1MPa/m，得到不同啟動壓力梯度對頁巖氣產(chǎn)能影響曲線如圖4所示。

圖4 不同啟動壓力梯度λ對累計(jì)產(chǎn)氣量影響曲線圖Fig.4 Influence of different start－up pressure gradient on the cumulative gas production

由圖4可知，頁巖氣水平井累計(jì)產(chǎn)氣量隨著啟動壓力梯度的增大而降低，但影響幅度較小;對于啟動壓力梯度為0.001MPa/m、0.01MPa/m、0.1MPa/m的條件，與不考慮啟動壓力梯度相比，累計(jì)產(chǎn)氣量分別減少0.044%、0.394%、3.22%，可知對于啟動壓力梯度小的儲層頁巖氣水平井產(chǎn)能損失基本可以忽略。

頁巖儲層天然裂縫發(fā)育，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，在壓差的作用下基質(zhì)和裂縫均會發(fā)生壓縮變形，即應(yīng)力敏感效應(yīng)。數(shù)模軟件現(xiàn)利用“巖石壓縮”選項(xiàng)在孔隙結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過改變傳導(dǎo)性可反映應(yīng)力敏感現(xiàn)象，在其他參數(shù)不變的情況下，傳導(dǎo)系數(shù)與滲透率成正比，因此可定性的反映應(yīng)力敏感系數(shù)。分別取應(yīng)力敏感系數(shù)為 0MPa－1、0.002MPa－1、0.004MPa－1、0.006MPa－1做定性分析，得到不同應(yīng)力敏感系數(shù)對應(yīng)的頁巖氣水平井產(chǎn)能曲線 (圖5)。

圖5 不同應(yīng)力敏感系數(shù)α對日產(chǎn)氣量影響曲線圖Fig.5 Influence of stress sensitivity coefficient on the daily gas production

由圖5可知，頁巖氣水平井產(chǎn)能隨著應(yīng)力敏感系數(shù)的增大而降低，在開發(fā)初期與不考慮應(yīng)力敏感系數(shù)的產(chǎn)能相差較大，在開發(fā)末期差別幅度減弱。實(shí)際區(qū)塊模擬過程中需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定巖心滲透率隨有效覆壓的變化，從而確定傳導(dǎo)率倍乘因子的大小。

3 結(jié) 論

頁巖儲層孔喉非均質(zhì)性強(qiáng)，氣體滲流機(jī)制復(fù)雜多尺度，在開發(fā)條件一定的情況下，幾種儲層參數(shù)對頁巖氣產(chǎn)能影響程度各不相同:①在總氣量不定的情況下，產(chǎn)能隨著Langmuir體積和Langmuir壓力的增大而增加;②儲層擴(kuò)散系數(shù)大時，其對頁巖氣水平井產(chǎn)能影響不大，而儲層擴(kuò)散系數(shù)小對水平井產(chǎn)能影響較大，產(chǎn)能主要由擴(kuò)散系數(shù)決定;③等效方法模擬應(yīng)力敏感有一定借鑒意義，利用此方法能模擬頁巖氣水平井產(chǎn)能隨啟動壓力梯度和應(yīng)力敏感系數(shù)的變化趨勢，并得到產(chǎn)能隨二者增大而降低的結(jié)論;④啟動壓力梯度影響程度很小，應(yīng)力敏感效應(yīng)影響程度較強(qiáng)。

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