頁巖氣藏注CO2滲透率界限及開發(fā)參數(shù)優(yōu)化

衛(wèi)詩豪， 段永剛， 蔣天遙， 李政瀾， 伍梓健

(西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院， 成都 610500)

頁巖氣賦存形式主要有吸附態(tài)、游離態(tài)以及少量的溶解態(tài),其中吸附態(tài)通常占到總量的20%～85%[1]。中國目前正處于頁巖氣開發(fā)的重要階段[2-4]。通過水平井鉆完井技術(shù)與水力壓裂技術(shù)來開發(fā)中國“非甜點(diǎn)區(qū)”的頁巖氣藏，短期內(nèi)很難獲得經(jīng)濟(jì)效益[5-6]。為了進(jìn)一步提高頁巖氣藏采收率，克服水平鉆井與水力壓裂后產(chǎn)量驟減的問題。利用CO2置換有機(jī)質(zhì)中的CH4的方法是目前解吸開采的重要發(fā)展方向[7]。

向頁巖氣藏注入CO2提高采收率這一技術(shù)的可行性，無論從理論還是實際實驗角度都得到了大量學(xué)者的論證[8-11]，許多研究表明在頁巖氣藏中CO2具有比甲烷更好的吸附能力，為3～5倍，這使得在吸附在巖石上的CH4能夠被CO2有效的置換出來[12-13]，隋宏光等[14]研究發(fā)現(xiàn)干酪根對于CH4和CO2吸附行為有重要的意義，指出CO2會在較小的壓力下達(dá)到飽和，將CO2注入頁巖氣藏不僅可以提高采收率還能明顯縮短開采周期。在頁巖氣藏中不同CO2和CH4混合比例對頁巖氣藏滲透率有不同的影響[15]。Li[16]探究了CO2與N2混合注入時頁巖氣藏的采收效果發(fā)現(xiàn)，一定比例的N2能提高頁巖氣藏采收率，但較大比例的N2會導(dǎo)致采收率下降。連續(xù)性注CO2與吞吐式注入是兩種最為常見的頁巖氣藏注CO2方法，但實際情況表明兩種方式對不同的頁巖氣藏采收率的提升不盡相同[17]。陳強(qiáng)等[18]通過巖芯流動實驗，發(fā)現(xiàn)連續(xù)驅(qū)替比吞吐更容易置換納米孔隙內(nèi)游離的甲烷。在不同的地質(zhì)條件下，連續(xù)注入CO2和吞吐式注入CO2對于氣藏采收率的提升效果存在差異。Meng等[19]通過頁巖巖心設(shè)計了吞吐式注氣CO2和連續(xù)氣驅(qū)對比，吞吐式氣驅(qū)能夠更好地提高頁巖氣凝析凝析油采收率。

總的來說頁巖氣藏注CO2提高采收率技術(shù)在機(jī)理模型建立、實驗?zāi)M方法都得到了巨大發(fā)展，但目前中外對于連續(xù)驅(qū)替和吞吐式注入CO2方法在確定儲層條件下的效果差異尚未進(jìn)行研究?，F(xiàn)通過建立數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值模擬，找到不同注入方式所適用的滲透率范圍，同時對滲透率劃分的不同開發(fā)方式進(jìn)行開發(fā)參數(shù)優(yōu)化，以期為現(xiàn)場注CO2開采頁巖氣方法的選擇與開發(fā)方案的設(shè)計提供依據(jù)。

1 數(shù)值模型建立

頁巖氣藏普遍具有基質(zhì)孔隙度高、滲透率低而裂縫滲透率高的特點(diǎn)，選擇雙孔或者雙滲介質(zhì)模型進(jìn)行模擬研究更具有針對性和代表性。同時頁巖氣藏的賦存運(yùn)移機(jī)理復(fù)雜多樣，具有吸附/解吸、擴(kuò)散、滲流等多重運(yùn)移機(jī)制。

通過CMG數(shù)值模擬軟件的GEM模塊，運(yùn)用局部網(wǎng)格化的方法對水力壓裂進(jìn)行模擬，達(dá)到準(zhǔn)確描述頁巖基質(zhì)向裂縫的運(yùn)移行為。建立模型如圖1所示，模型的規(guī)格為1 600 m×1 000 m×90 m；網(wǎng)格數(shù)80×50×10；在模型中設(shè)置了兩口水平壓裂井，水平井長度800 m，水平井間距400 m。每一口水平井有9個壓裂段，裂縫寬度0.001 m，裂縫滲透率3 000 mD。數(shù)值模型基本參數(shù)如表1所示。

該模型滿足Langmuir等溫吸附定律，CH4最大吸附量1.5 m3/t；CH4的Langmuir壓力常數(shù)為4.8 MPa；CO2最大吸附量14.2 m3/t；CO2的Langmuir壓力常數(shù)為6 MPa，如圖2所示。

圖1 基本模型示意圖Fig.1 Basic model diagram

表1 數(shù)值模型地層參數(shù)

圖2 CH4與CO2 Langmuir吸附曲線Fig.2 Langmuir graph of CH4 and CO2

2 采收率影響因素分析

2.1 正交試驗設(shè)計

由于影響頁巖氣藏采收率因素較多，需要找到影響采收率的主控因素進(jìn)行界限研究。

針對孔隙度、滲透率、產(chǎn)層厚度、CH4最大吸附量、CH4的Langmuir壓力常數(shù)、CO2最大吸附量、CO2的Langmuir壓力常數(shù)這些影響參數(shù)，運(yùn)用正交表設(shè)計了多因素試驗方案。

同時運(yùn)用極差分析法，對比分析確定試驗參數(shù)的對采收率的影響程度。

設(shè)Kij(i=1,2,…，a；j=1,2,…，b)表示第j個參數(shù)的第i個水平值H次試驗指標(biāo)之和，則指標(biāo)的平均值為

(1)

第j個因子的極差為

(2)

R的大小表征因素的影響重要程度。利用正交設(shè)計表對裂縫滲透率、孔隙度、儲層厚度、甲烷最大吸附量[VL(CH4)]、甲烷Langmuir壓力常數(shù)[PL(CH4)]、二氧化碳最大吸附量[VL(CO2)]、二氧化碳Langmuir壓力常數(shù)[PL(CO2)]進(jìn)行設(shè)計，建立了18種方案，如表2所示，計算了各影響參數(shù)的水平值，如表3所示，并作極差百分比分析圖，如圖3所示。

表2 正交試驗表

表3 各因素極差

圖3 各因素極差(R)百分比Fig.3 Percent of ranges (R) of each factor

2.2 正交試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果表明影響采收的第一大因素為儲層厚度，這是由于儲層厚度的增加直接會導(dǎo)致整個油氣藏儲量的增長，對于已經(jīng)探明的地區(qū)這一因素可以不予考慮。因此選擇第二大影響因素滲透率作為劃分注氣方式的主控因素。針對儲層滲透率進(jìn)行了兩種注CO2開發(fā)方式的滲透率界限的研究。

3 滲透率界限研究

由第2節(jié)可知，滲透率對頁巖氣藏的累計采氣量有較大作用?，F(xiàn)將設(shè)計不同的滲透率條件，進(jìn)行CO2直接驅(qū)替方法與吞吐方法的累產(chǎn)氣量的對比，找到不同方式所適用的滲透率范圍。

在此設(shè)定滲透率k為0.000 1、0.000 5、0.001、0.005、0.01 mD 5種情況下的直接驅(qū)替與吞吐的10種模擬方案。比較在相同滲透率條件下，兩種不同注氣方式18年的累積產(chǎn)氣量。模擬結(jié)果如圖4所示，不同滲透率下的累計產(chǎn)量結(jié)果如表4與圖5所示。

圖4 累積采氣量模擬結(jié)果Fig.4 Simulated result of cumulative gas production in

表4 不同滲透率下連續(xù)驅(qū)替與吞吐方式的累積產(chǎn)氣量模擬結(jié)果

圖5 不同滲透率累計產(chǎn)氣量模擬結(jié)果Fig.5 Simulated result of cumulative gas production in different permeability condition

模擬結(jié)果表明：在生產(chǎn)年限為18年的前提下，隨著儲層滲透率的增加，兩種驅(qū)替方式下的累計產(chǎn)量都有了明顯地增高，在滲透率為0.000 1 mD和0.000 5 mD時，連續(xù)注入的累計產(chǎn)量依舊略高于吞吐式注氣的，當(dāng)滲透率達(dá)到0.001 mD時吞吐式注氣的累計產(chǎn)量開始出現(xiàn)反超，并隨著儲層滲透的增大吞吐式注氣的累計產(chǎn)量超越連續(xù)注氣的也越多。

4 開發(fā)技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

在以裂縫滲透率為0.001 mD的界限劃分區(qū)域開發(fā)方式后，針對選擇連續(xù)注氣開發(fā)方式的地區(qū)進(jìn)行了布縫模式與注氣井井位的參數(shù)優(yōu)化；針對選擇吞吐式注氣開發(fā)方式的地區(qū)進(jìn)行了悶井時間的優(yōu)化。

4.1 連續(xù)注入方式布縫模式的優(yōu)化

裂縫是氣藏流體主要的滲流通道，裂縫的分布影響著井筒與儲層之間的連通。本模擬設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)布縫與交叉布縫兩種模型，模擬了兩口井在相同注氣量同樣生產(chǎn)年限的情況下，不同布縫模式下的累計產(chǎn)氣量，布縫模式示意圖如圖6所示，模擬結(jié)果如圖7所示。

圖6 兩種布縫形態(tài)示意圖Fig.6 Two fracture arrangements

圖7 不同布縫模式下的累積產(chǎn)氣量模擬結(jié)果Fig.7 Simulated result of cumulative gas production in different fracture arrangements

從模擬結(jié)果曲線可以看出交叉布縫模式相對標(biāo)準(zhǔn)布縫更高，這是得益于交叉模式下CO2具有更好地擴(kuò)散性質(zhì)，使得在相同時間內(nèi)，擴(kuò)散面積更大，能夠更好地發(fā)生競爭吸附，將CH4置換出來，達(dá)到提高累計產(chǎn)氣量的目的。

4.2 連續(xù)注入方式注氣井井位優(yōu)化

注氣井的位置不同會直接影響頁巖氣藏壓力場和驅(qū)替方向的不同，CO2不同的擴(kuò)散方向影響著CH4的驅(qū)替效果，合理的安置注氣井與生產(chǎn)井的位置，以能獲得更好的累計產(chǎn)氣量為目標(biāo)，對井位排列進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

注氣井井位優(yōu)化考慮同時有兩口注氣井與兩口生產(chǎn)井的情況，通常排列方式分為注氣井在兩側(cè)、注氣井在中間、注氣井與生產(chǎn)井交叉，如圖8所示。對3種不同的注氣方式以相同的注氣量注入同樣的時間，對比各個排列方式下的累計產(chǎn)氣量，生產(chǎn)井的累積產(chǎn)氣量模擬結(jié)果如圖9所示。

圖8 不同排列方式示意圖Fig.8 Different arrangement of well

當(dāng)注入井在兩側(cè)生產(chǎn)井排列中間時，累積產(chǎn)氣量最大。從兩側(cè)注氣的方式能夠更好地向中部集中，使得中間井周圍氣藏能獲得更好地驅(qū)替效果。

4.3 吞吐注入方式燜井時間優(yōu)化

吞吐注入方式相對連續(xù)注氣的主要區(qū)別在于吞吐注入方式會有一段關(guān)井燜井時間。燜井主要是為了給予CO2在頁巖氣藏與CH4發(fā)生置換的時間，使得CO2能夠往氣藏更深處移動，并置換出CH4。但燜井時間的過長會直接影響到氣井的生產(chǎn)，以在相同的開發(fā)年限內(nèi)獲得最大的累計產(chǎn)氣量為目的，對燜井時間進(jìn)行合理優(yōu)化。

模擬以相同注氣量生產(chǎn)相同時間為基準(zhǔn)，在生產(chǎn)的第四年開始燜井，分別模擬了燜井時間為1個月、3個月、6個月、9個月4種情況下的吞吐式注入的情況，結(jié)果如圖10所示。

圖9 不同井位排列累積產(chǎn)氣量模擬結(jié)果Fig.9 Simulated result of cumulative gas production in different well arrangement

圖10 不同燜井時間累計產(chǎn)氣量模擬結(jié)果Fig.10 Simulated result of cumulative gas production in different soak time

隨著生產(chǎn)年限的增加，4種不同長度的燜井時間的累計產(chǎn)氣量基本一致，燜井時間長短影響著開井后的產(chǎn)氣速度，燜井時間越長開井后的續(xù)產(chǎn)氣速度也越快。這燜井使得氣藏內(nèi)的CO2和CH4充分接觸，在開井后CH4能夠快速產(chǎn)出，但由于CO2擴(kuò)散范圍有限導(dǎo)致累計產(chǎn)氣量沒有得到明顯提升，假設(shè)只考慮累計產(chǎn)氣量，燜井時間為1個月更好。

5 結(jié)論

(1)通過儲層厚度、儲層滲透率、CH4最大吸附量、CH4的Langmuir壓力常數(shù)、CO2最大吸附量、CO2的Langmuir壓力常數(shù)對頁巖氣藏采收率效果影響的正交試驗。確定滲透率為影響頁巖氣藏開發(fā)效果的重大因素。在采用注CO2提高頁巖氣藏采收率的方法時，需要根據(jù)實際儲層滲透率情況進(jìn)行連續(xù)驅(qū)替與吞吐式注入方法的優(yōu)選。不同的滲透率下兩種注入方式結(jié)果存在差異。建立數(shù)值模型，運(yùn)用數(shù)值模擬方法，設(shè)置了兩種不同注氣方式在5個不同滲透率條件下的增產(chǎn)開發(fā)效果模擬。結(jié)果顯示應(yīng)以滲透率為0.001 mD劃分兩種注氣開發(fā)方式。當(dāng)滲透率小于0.001 mD時選擇連續(xù)注氣的方式進(jìn)行開采效果更好，而當(dāng)滲透率大于0.001 mD時選擇吞吐注氣的方式更好。

(2)基于滲透率界限劃分了注氣開發(fā)方式后，對于兩種不同的注氣方式分別進(jìn)行了關(guān)鍵施工參數(shù)的優(yōu)化。連續(xù)注氣方式應(yīng)選擇交叉布縫模式，同時應(yīng)該將注氣井排列在生產(chǎn)井兩邊，增加頁巖氣藏的驅(qū)替效果；吞吐式注氣方式針對燜井時間模擬了4種不同時長的燜井制度，由結(jié)果可以看出長時間的燜井對采收率的影響不大，但卻可以在短時間內(nèi)獲得較大的累計產(chǎn)量，因此應(yīng)該更具氣藏以及開發(fā)方案合理設(shè)計吞吐注氣時的燜井時間，以滿足開發(fā)需求。