頁巖氣衰竭開采規(guī)律影響因素室內(nèi)模擬

周玉萍 楊文新 鄭愛維 梁 榜

中國石化江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院

0 引言

頁巖氣是指賦存于富有機(jī)質(zhì)頁巖中的非常規(guī)天然氣，一部分氣體以游離態(tài)儲(chǔ)存在頁巖孔隙和天然裂縫中，一部分以吸附態(tài)賦存于干酪根和黏土顆粒表面，與常規(guī)天然氣相比頁巖氣藏是一個(gè)“自生、自儲(chǔ)”系統(tǒng)，且部分氣體以吸附態(tài)存儲(chǔ)于頁巖基質(zhì)中[1-4]。頁巖儲(chǔ)層物性差，孔隙度介于4%～6%，基質(zhì)滲透率小于0.001 mD，氣井無自然產(chǎn)能，需要進(jìn)行壓裂改造才能獲得商業(yè)價(jià)值[5-8]。同時(shí)頁巖氣在儲(chǔ)層中的流動(dòng)包含解吸、擴(kuò)散和滲流等多種流動(dòng)方式，常規(guī)氣藏工程理論和方法不能應(yīng)用于頁巖氣藏。頁巖氣在生產(chǎn)過程中，早期主要產(chǎn)出游離氣，產(chǎn)量較高但下降快，頁巖氣井具有很長的產(chǎn)量遞減期，隨著頁巖氣的開采，頁巖氣藏的壓力降低，吸附在孔隙表面的氣體解吸，氣體從微孔中擴(kuò)散、孔隙表面解吸將直接影響著頁巖氣的產(chǎn)量及其遞減預(yù)測(cè)[9-13]。

在不同的地層條件下，同樣的生產(chǎn)方式，開發(fā)效果卻表現(xiàn)出明顯的差異，頁巖氣的衰竭開采規(guī)律和遞減特征也不相同。目前在室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)及模擬開發(fā)過程的衰竭開采（定產(chǎn)、定壓）實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。因此筆者在室內(nèi)模擬頁巖氣衰竭開采過程，研制了地層條件下的頁巖氣衰竭開采模擬裝置，通過開展系列的室內(nèi)模擬現(xiàn)場(chǎng)不同條件下的頁巖氣衰竭開采實(shí)驗(yàn)，研究頁巖氣衰竭開采遞減規(guī)律、遞減特征，建立遞減模型，劃分頁巖氣衰竭開采時(shí)流態(tài)，分析最終采出程度影響因素、合理開采速度、遞減期的遞減參數(shù)等，為優(yōu)化合理配產(chǎn)或合理生產(chǎn)壓差，頁巖氣藏開發(fā)技術(shù)政策的制定提供依據(jù)，為評(píng)價(jià)頁巖氣可采儲(chǔ)量、采收率等提出技術(shù)支撐。

1 頁巖氣衰竭開采規(guī)律

1.1 衰竭開采實(shí)模擬裝置和實(shí)驗(yàn)方法

1.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

室內(nèi)模擬現(xiàn)場(chǎng)頁巖氣衰竭開采方式（定產(chǎn)、定壓生產(chǎn)方式），并研制了衰竭開采模擬裝置，其工作流程如圖1所示，包括壓力控制系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、巖心吸附模型、氣體計(jì)量系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)五大部分，其中巖心吸附模型、氣體計(jì)量系統(tǒng)是關(guān)鍵部分。

圖1 頁巖氣衰竭開采模擬裝置流程圖

裝置特性：①適用條件為壓力0～70 MPa，溫度5～120℃；②排水法連續(xù)計(jì)量氣體，流量精度為0.01 mL/min；③巖心模型?25 mm 300 mm、?25 mm 600 mm，系統(tǒng)總體積小于5 mL；④壓力測(cè)量精度達(dá)0.2%FS。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)將鉆取的巖心在120℃下烘干24 h，冷卻后裝入模型，加環(huán)壓35 MPa，充入氣體試壓，不滲漏后將系統(tǒng)壓力升至地層壓力30 MPa，并及時(shí)補(bǔ)壓，直到模型入口和出口壓力穩(wěn)定并達(dá)到平衡。

2）壓力穩(wěn)定后將環(huán)壓提高到42 MPa，模型加壓穩(wěn)定48 h，達(dá)到模擬地層滲透率的要求。

3）打開氣體流量計(jì)，打開出口閥門，調(diào)節(jié)出口流量控制閥，將流量控制在設(shè)定的流量值，開始衰竭開采實(shí)驗(yàn)，記錄不同時(shí)間的進(jìn)、出口壓力及出口氣體累計(jì)流量；并不斷調(diào)節(jié)流量閥，使流量控制在設(shè)定值，直到出口壓力降為0后，則不再調(diào)節(jié)，繼續(xù)讓入口壓力自然下降，至流量降為0.3 mL/min時(shí)開始降環(huán)壓，記錄累計(jì)氣量。

4）降低環(huán)壓到2 MPa，計(jì)量模型總氣量，用于計(jì)算采出程度、采收率參數(shù)。

5）改變實(shí)驗(yàn)條件（調(diào)整流量和圍壓模擬滲透率、控制回壓模擬廢棄壓力、定壓方式等），開展定產(chǎn)、定壓式衰竭開采等實(shí)驗(yàn)。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?，處理?shù)據(jù)、計(jì)算參數(shù)，繪制以下曲線：①流量、壓力、累積體積與時(shí)間關(guān)系曲線； ②規(guī)整化產(chǎn)量與物質(zhì)平衡時(shí)間關(guān)系曲線，規(guī)整化產(chǎn)量為：Qn=Qi/（p02－pi2），物質(zhì)平衡時(shí)間為：t=∑Q/Qi；③瞬時(shí)滲透率與時(shí)間關(guān)系曲線；④不同模型下采出程度、采收率曲線。

曲線可以分析衰竭開采壓力、穩(wěn)產(chǎn)期及遞減期的變化規(guī)律及穩(wěn)產(chǎn)期采出程度和最終采出程度的影響因素。

1.2 頁巖衰竭開采規(guī)律、遞減特征

1.2.1 不同流量的衰竭開采規(guī)律

按前述實(shí)驗(yàn)方法在長度為30 cm的長巖心模型中相同圍壓下飽和同一系統(tǒng)壓力的甲烷氣體，設(shè)置相同的地層溫度，出口設(shè)計(jì)4組不同流量（10、20、30、40 mL/min）的氣體衰竭開采實(shí)驗(yàn)，比較不同流量下頁巖氣衰竭開采實(shí)驗(yàn)的累積產(chǎn)量與壓力差及流量與時(shí)間的關(guān)系（圖2、圖3）。

圖2 定產(chǎn)衰竭開采時(shí)流量與時(shí)間關(guān)系曲線圖

圖3 衰竭開采時(shí)生產(chǎn)壓力差與累積產(chǎn)量關(guān)系曲線圖

圖2表現(xiàn)出先期流量穩(wěn)定階段，直到出口壓力變?yōu)?后，流量開始逐漸降低，進(jìn)入遞減階段；高流量定產(chǎn)的穩(wěn)產(chǎn)期短，后期的遞減期長，而低流量定產(chǎn)的穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間長，后期的遞減期相對(duì)短一些。

從圖3可以看出氣體累計(jì)產(chǎn)量增加時(shí)，出口壓力遞減，壓力差逐漸增大，當(dāng)出口壓力降為0后壓力差達(dá)到最大值，穩(wěn)產(chǎn)期結(jié)束，對(duì)應(yīng)穩(wěn)產(chǎn)流量開始遞減；在達(dá)到最大壓差時(shí)，流量越大，對(duì)應(yīng)的累計(jì)產(chǎn)量越小，同時(shí)產(chǎn)出相同的累產(chǎn)量下，高流量所需的壓差越大，穩(wěn)產(chǎn)期采出程度越低，也就是穩(wěn)產(chǎn)期采出程度隨流量增大而減小。此外，從圖中可以看出在遞減期，不同流量下累產(chǎn)與壓力差曲線近似重合，最終累計(jì)產(chǎn)氣量相近，最終采出程度也相近。

氣體在地層中滲流表現(xiàn)為非線性流動(dòng)，擬合方程為：

式中Δp表示壓差，MPa；A，B表示回歸系數(shù)；Q表示產(chǎn)量，m3/d。

研究表明，相關(guān)度超過95%，同時(shí)隨流量增加，壓差平方值增加，表現(xiàn)為當(dāng)流量增加到一定程度，壓差平方值陡增，陡增點(diǎn)為臨界流量（圖4）。流量增加后氣體產(chǎn)生紊流，產(chǎn)生附加阻力，消耗能量。同一模型中，穩(wěn)產(chǎn)期氣體采出程度隨流量增加而降低，說明穩(wěn)產(chǎn)期存在合理的配產(chǎn)，配產(chǎn)高并不能提高頁巖氣穩(wěn)產(chǎn)期采出程度，為經(jīng)濟(jì)合理的開發(fā)，制定合理的配產(chǎn)制度，設(shè)定合理的配產(chǎn)產(chǎn)量。

圖4 頁巖氣流動(dòng)時(shí)流量與壓差平方的關(guān)系曲線圖

1.2.2 頁巖衰竭開采流態(tài)的劃分

對(duì)頁巖巖心衰竭開采的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照歸整化產(chǎn)量、物質(zhì)平衡時(shí)間處理方法進(jìn)行計(jì)算、繪圖，從圖5規(guī)整化產(chǎn)量與物質(zhì)平衡時(shí)間曲線發(fā)現(xiàn)氣體流速10 mL/min低速衰竭開采時(shí)表現(xiàn)出3個(gè)線性段：第1階段裂縫和基質(zhì)孔隙雙線性流，特征線斜率為-1/4；第2階段為基質(zhì)線性流，特征線斜率為-1/2；第3階段邊界線性流，特征線斜率為-1，也就是理論曲線，在流速為20 mL/min時(shí)只表現(xiàn)2個(gè)線性段，-1/4和-1/2，同時(shí)繪制了生產(chǎn)井焦頁A井的流態(tài)圖（圖6），其流態(tài)劃分為2個(gè)階段，與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)Q=20 mL/min的階段相同，即-1/4裂縫和基質(zhì)孔隙雙線性流與-1/2基質(zhì)線性流。

圖5 巖心模型衰竭開采規(guī)整化產(chǎn)量與物質(zhì)平衡時(shí)間關(guān)系圖

圖6 焦頁A井流動(dòng)階段劃分圖

1.2.3 頁巖氣室內(nèi)實(shí)驗(yàn)衰竭開采遞減特征

Arps遞減分析是目前油氣藏工程用于遞減規(guī)律研究最常用的方法，Arps遞減分析是基于大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提出的一種統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，其根據(jù)遞減類型可分為指數(shù)遞減、雙曲遞減和調(diào)和遞減3 類[14-17]。即

式中D0表示初始遞減率，mon-1或a-1；Q0表示初始產(chǎn)量；n表示遞減指數(shù)；t表示遞減階段與Q對(duì)應(yīng)的時(shí)間，mon或a。

室內(nèi)開展了模擬不同滲透率級(jí)別的頁巖衰竭開采實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了12組不同滲透率級(jí)別的巖心衰竭開采實(shí)驗(yàn)遞減規(guī)律，選擇4組不同滲透率級(jí)別的頁巖衰竭開采遞減階段流速與時(shí)間的關(guān)系曲線（圖7）。

圖7 遞減階段流速與時(shí)間關(guān)系曲線圖

建立的不同滲透率級(jí)別的頁巖衰竭開采遞減模型（表1），從這4組不同級(jí)別滲透率的頁巖遞減公式看遞減模型為調(diào)和遞減，從圖7遞減階段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)曲線發(fā)現(xiàn)調(diào)和遞減模型能更好地?cái)M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合度都在95%以上，全遞減期擬合數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匹配。

表1 不同滲透率級(jí)別的頁巖氣衰竭遞減公式展示表

同時(shí)發(fā)現(xiàn)初始遞減率與滲透率有一定的相關(guān)關(guān)系，通過初始遞減率與滲透率的關(guān)系曲線（圖8）可以看出，不同滲透率的初始遞減率與滲透率成對(duì)數(shù)關(guān)系，滲透率越低，對(duì)數(shù)關(guān)系越明顯，表明頁巖滲透率的大小對(duì)頁巖衰竭開采的遞減速度起著重要的作用。

圖8 遞減階段初始遞減率與滲透率關(guān)系曲線圖

2 頁巖衰竭開采規(guī)律影響因素

頁巖衰竭開采影響因素較多，地化特征、儲(chǔ)層特征、含氣性特征、氣藏特征及地層壓裂改造的好壞等都可影響衰竭開采的遞減規(guī)律。

室內(nèi)主要模擬不同地質(zhì)條件下（滲透率、孔隙度、應(yīng)力敏感）等條件下的頁巖氣衰竭開采實(shí)驗(yàn)，并采用偏最小二乘法（PLS）模塊大數(shù)據(jù)分析方法，計(jì)算不同影響因素的權(quán)重（VIP值），確定最終采出程度和產(chǎn)能的主要影響因素。

選擇焦石壩區(qū)塊和江東區(qū)塊的不同滲透率級(jí)別（高、中、低）的巖心在不同的圍壓（35、42、47 MPa）下，模擬地層壓力和溫度開展了頁巖氣衰竭開采實(shí)驗(yàn)，流量設(shè)計(jì)為10 mL/min，對(duì)比不同滲透率下、不同圍壓下頁巖氣穩(wěn)產(chǎn)期和最終采出程度，找出地質(zhì)條件不同對(duì)頁巖氣開發(fā)的遞減規(guī)律的影響因素。

2.1 應(yīng)力敏的影響

頁巖儲(chǔ)層具有孔隙—裂縫的雙重介質(zhì)特點(diǎn)，頁巖微裂縫發(fā)育，裂縫巖心的應(yīng)力敏感性相當(dāng)強(qiáng)烈，受圍壓的影響相當(dāng)大，基質(zhì)頁巖滲透率是納達(dá)西級(jí)別，滲透率范圍非常廣，因此，高、低滲透率不同的頁巖的應(yīng)力敏感性特征也將表現(xiàn)出不同的形態(tài)特征，對(duì)氣體流動(dòng)影響也不同，因此頁巖應(yīng)力敏感性對(duì)頁巖氣開發(fā)有至關(guān)重要的影響。

不同小層不同圍壓下（35、42、47 MPa）下衰竭開采后的不同級(jí)別的滲透率與初始滲透率的對(duì)比結(jié)果

從表2可以看出，裂縫性巖心的應(yīng)力敏感性相當(dāng)強(qiáng)烈，受圍壓的影響相當(dāng)大，基質(zhì)巖心受圍壓的影響相對(duì)小些，不過也會(huì)造成滲透率的損害。

不同小層不同圍壓（35、42、47 MPa）下衰竭開采后最終采出程度如表2所示，可以看出最終采出程度與滲透率的關(guān)系有關(guān)，當(dāng)巖心初始滲透率達(dá)到0.001 mD時(shí)，隨著圍壓的增加，最終采出程度下降幅度最明顯；在初始滲透率為0.01 mD時(shí)，隨著圍壓增加，最終采出程度下降較明顯；而初始滲透率達(dá)到0.1 mD時(shí)，存在微裂縫，最終采出程度則基本上不受圍壓，即巖石應(yīng)力敏的影響。

表2 不同圍壓下衰竭開采后滲透率和最終采出程度對(duì)比表

2.2 滲透率的影響

由于頁巖儲(chǔ)層的復(fù)雜性，頁巖的滲透率大小不一，存在不同級(jí)別的滲透率，對(duì)頁巖的開采規(guī)律存在不同程度的影響。

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究不同小層不同級(jí)別的滲透率巖心的衰竭開采所需的生產(chǎn)壓差與累計(jì)產(chǎn)量的關(guān)系曲線見圖9，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出滲透率越低，達(dá)到相同累計(jì)產(chǎn)量的時(shí)候所需的壓差越大，達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)期的時(shí)間越短，進(jìn)入遞減期后累計(jì)產(chǎn)量增加的幅度越小，導(dǎo)致最終采出程度越小。

圖9 不同滲透率巖心衰竭開采壓力差與累計(jì)排量的關(guān)系圖

匯總不同小層、不同物性、不同流速下定產(chǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（22樣次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)），分析結(jié)果表明，穩(wěn)產(chǎn)期和最終的采出程度與滲透率呈較強(qiáng)的正相關(guān)性（圖10），穩(wěn)產(chǎn)期和最終采出程度隨滲透率增加而增加。表明滲透率是關(guān)鍵因素，滲透率越大，采出程度越大。同常規(guī)氣開采規(guī)律一樣，巖心滲透率參數(shù)是決定氣體采出程度大小的關(guān)鍵因素。

圖10 定產(chǎn)衰竭開采穩(wěn)產(chǎn)和最終采出程度與滲透率關(guān)系圖

2.3 大數(shù)據(jù)影響因素分析

通過對(duì)大量的頁巖氣衰竭開采實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，將各因素按地質(zhì)參數(shù)、壓力參數(shù)和配產(chǎn)制度3類共16項(xiàng)參數(shù)分類（表3），采用偏最小二乘方法（PLS），以最終采出程度為判別依據(jù)，找出各參數(shù)對(duì)最終采出程度的影響程度，通過選取VIP值，分析涪陵焦石壩區(qū)塊和江東區(qū)塊的最終采出程度的主控因素。

大數(shù)據(jù)分析方法主要是通過PLS法計(jì)算得到各參數(shù)的VIP值并進(jìn)行排序，按照排序最終判斷影響最終采出程度的主控因素[18-20]。

在已有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立開采效果分析模型：

式中Y表示最終采出程度；xn分別表示地質(zhì)、壓力及配產(chǎn)制度3大類16項(xiàng)參數(shù)。利用偏最小二乘法對(duì)表3中的16項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過MATLABR2014編程，建立多元線性回歸經(jīng)驗(yàn)公式。

表3 PLS模塊大數(shù)據(jù)分析參數(shù)選取表

變量投影重要性指標(biāo)VIP值用以評(píng)價(jià)自變量對(duì)因變量的解釋能力，其定義式為：

表4 最終采出程度影響參數(shù)VIP值排序表

可見開采壓力、滲透率及頁巖品質(zhì)是非常關(guān)鍵的因素，從前面分析滲透率的影響也可以看出最終采出程度與滲透率的相關(guān)性很高，因此需要提高最終采出程度，必須對(duì)地層進(jìn)行壓裂改造，壓裂改造的好壞直接影響氣田的最終產(chǎn)量。

3 結(jié)論

1）頁巖氣高速衰竭開采時(shí)分2個(gè)階段，低速時(shí)分3個(gè)階段，生產(chǎn)井流態(tài)與之相似，衰竭開采時(shí)流速存在一個(gè)臨界值。

2）頁巖氣室內(nèi)衰竭開采特征的遞減階段表現(xiàn)為調(diào)和遞減，初始遞減率與滲透率成正相關(guān)關(guān)系。

3）計(jì)算權(quán)重值結(jié)果表明最終采出程度的主要影響因素是滲流能力、開采壓力及頁巖品質(zhì)。