氣井配產(chǎn)理論研究進(jìn)展與展望

趙 陽 趙冠軍 石志良

(1.成都理工大學(xué) 2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院)

氣井合理配產(chǎn)是氣藏實(shí)現(xiàn)高效、持續(xù)開發(fā)的關(guān)鍵。合理的配產(chǎn)應(yīng)使氣井具有較高的產(chǎn)量、較長的穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間、較好的經(jīng)濟(jì)效益。氣井配產(chǎn)受構(gòu)造部位、儲層類型、流體類型等多種因素影響。在制定配產(chǎn)策略過程中，必須深入認(rèn)識氣藏地質(zhì)規(guī)律，在此基礎(chǔ)上對氣井產(chǎn)能進(jìn)行合理預(yù)測，通過描述氣井生產(chǎn)系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系，最終運(yùn)用優(yōu)化理論建立氣井動態(tài)配產(chǎn)模型。

1 國內(nèi)外氣井配產(chǎn)研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

在氣田開發(fā)理論形成初期，主要通過經(jīng)驗(yàn)法或依據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行配產(chǎn)。R.V.Simth[1]在求解二項(xiàng)式產(chǎn)能方程過程中結(jié)合不同用氣需求和地層狀況將氣井配產(chǎn)分為固定日產(chǎn)量、恒定井底流壓、按無阻流量配產(chǎn)3類。在按無阻流量配產(chǎn)時(shí)，為進(jìn)一步提高計(jì)算精度，除了二項(xiàng)式和指數(shù)式產(chǎn)能方程，國外學(xué)者還提出了三次三項(xiàng)式和二次三項(xiàng)式方程。通過產(chǎn)能方程能較好地描述氣井的供氣能力，但卻忽視了井筒的輸送能力。對于產(chǎn)水氣藏和凝析氣藏，氣井配產(chǎn)不僅要考慮氣井產(chǎn)能，還需考慮井筒攜液問題。當(dāng)氣相流速太低,不能提供足夠的能量使井筒中的流體連續(xù)流出井口,這樣液體就在井底聚集,形成積液[2]。為避免井底積液，需要確定氣井將積液帶出井底的最小產(chǎn)量，此產(chǎn)量即為臨界攜液流量。Duggan通過統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)提出臨界攜液流速概念，在此基礎(chǔ)上Turner[3]建立了球形液滴模型，推導(dǎo)出了臨界攜液公式。Coleman[4]擴(kuò)展了Turner模型應(yīng)用范圍，使其可以應(yīng)用至低壓條件下。Nosseir[5]應(yīng)用光滑、堅(jiān)硬、球形液滴理論，建立2種細(xì)化的分析模型，提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性。上述觀點(diǎn)認(rèn)為分散相液滴是氣井積液的主要因素，即為液滴模型。此外，以Moalem,Hewitt,Zabaras[6]為代表的學(xué)者認(rèn)為液膜的不穩(wěn)定流動是導(dǎo)致積液的主要因素，提出了液膜流動模型。在氣井流動模型和井筒模型研究的基礎(chǔ)上，Gilbert[7]提出了節(jié)點(diǎn)分析法并用于油氣井生產(chǎn)系統(tǒng)。Brown以壓力和流量的變化關(guān)系為主要線索，把由節(jié)點(diǎn)隔離的各流動過程的數(shù)學(xué)模型聯(lián)系起來，以確定系統(tǒng)流量[8]。W．R．Greene[9]根據(jù)地層流入動態(tài)曲線和垂直兩相流動的數(shù)學(xué)相關(guān)式計(jì)算出井口流壓與產(chǎn)氣量的關(guān)系曲線。B.J.Howes[10]給出了用于水驅(qū)氣藏氣井油管動態(tài)分析的各種關(guān)系式，J.Hagoort[11]提出采用消耗式的方法解決氣井配產(chǎn)問題。節(jié)點(diǎn)分析法強(qiáng)調(diào)氣井作為生產(chǎn)系統(tǒng)的重要性，力求使得氣井的生產(chǎn)能力和管柱的輸送能力得以匹配。但是分析發(fā)現(xiàn)，此方法確定的產(chǎn)量仍然不是氣井合理產(chǎn)量。氣井生產(chǎn)過程中，雖然管柱尺寸未發(fā)生變化，即流出動態(tài)曲線不發(fā)生變化，但隨著地層壓力的降低，流入動態(tài)曲線形狀和位置都發(fā)生了變化，因此節(jié)點(diǎn)分析法計(jì)算的產(chǎn)量只是某一時(shí)刻的合理產(chǎn)量，而不能以此定值作為氣井的合理產(chǎn)量。

氣井經(jīng)濟(jì)效益是油氣田生產(chǎn)重要的指標(biāo)之一，衡量氣井經(jīng)濟(jì)效益的主要指標(biāo)有財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值、財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率、投資回收期、投資利潤率、投資利稅率，因此需要從經(jīng)濟(jì)角度確定經(jīng)濟(jì)極限產(chǎn)量。Aronofsky和Lee[12]提出優(yōu)化配產(chǎn)理論，文章運(yùn)用線性規(guī)劃方法研究了以生產(chǎn)效益最大為目標(biāo)的生產(chǎn)問題，Rowan[13]提出的以最優(yōu)控制模型闡述了如何應(yīng)用最優(yōu)化模型解決開發(fā)問題。動態(tài)優(yōu)化配產(chǎn)方法是在節(jié)點(diǎn)分析方法基礎(chǔ)上，從產(chǎn)能方程出發(fā)并考慮經(jīng)濟(jì)因素，描述地層壓力與時(shí)間的關(guān)系，建立氣體從“地層—井筒—井口—地面”的各部分動力學(xué)模型[14]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)多基于多點(diǎn)等時(shí)試井、修正等時(shí)試井和單點(diǎn)測試法計(jì)算無阻流量，以無阻流量的1/6～1/2作為配產(chǎn)量，通過試采觀察壓力和產(chǎn)量的波動，再調(diào)整工作制度使氣井產(chǎn)量和壓力保持相對穩(wěn)定。

川東飛仙觀組渡口河、羅家寨氣田屬高含硫氣藏，天然氣中的H2S等氣體嚴(yán)重腐蝕井筒，降低了設(shè)備利用率，陳京元等結(jié)合其他高產(chǎn)氣井開發(fā)經(jīng)驗(yàn)并綜合考慮地質(zhì)、產(chǎn)能和采氣工藝提出適度增加配產(chǎn)比、縮短生產(chǎn)年限的建議[15]。李瑞磊等通過細(xì)分氣藏類型，分別制定了無水氣藏、邊水氣藏和底水氣藏的配產(chǎn)比[16]。王如燕等在研究克拉美麗火山巖氣藏后，建議為壓裂直井配產(chǎn)14%～20%[17]；馬俯波等在研究興城火山巖底水氣藏開發(fā)機(jī)理過程中發(fā)現(xiàn)，儲層含氣面積、滲透率、有效厚度、隔夾層位置和分布面積都是氣藏開發(fā)重要的影響因素[18]，因此建立氣井合理產(chǎn)量與儲層靜態(tài)參數(shù)的關(guān)系是確定合理產(chǎn)量的途徑之一。蔡磊等運(yùn)用試氣資料和動態(tài)資料，結(jié)合地質(zhì)、工程因素得到蘇里格東區(qū)氣井的穩(wěn)定產(chǎn)量與射開層儲層特征參數(shù)RC(滲透率、儲層厚度、孔隙度和含氣飽和度的乘積)的線性關(guān)系式[19]。楊亞濤通過繪制物質(zhì)平衡時(shí)間和穩(wěn)定日產(chǎn)氣量關(guān)系曲線確定氣井穩(wěn)產(chǎn)年限[20]。上述配產(chǎn)方法雖然考慮了地質(zhì)因素和產(chǎn)能因素，但仍屬于經(jīng)驗(yàn)法，缺乏充足的理論依據(jù)。

高博禹等從地層能量利用角度，對氣井二項(xiàng)式產(chǎn)能方程和采氣指示曲線分析后認(rèn)為，氣井合理產(chǎn)量應(yīng)為采氣指示曲線直線段的末端對應(yīng)的產(chǎn)量，實(shí)踐中可通過系統(tǒng)試井法繪制采氣指示曲線，線性流直線段的末端即為臨界產(chǎn)量[21]。鐘兵等研究澀北氣田出砂機(jī)理后提出臨界滲流速度配產(chǎn)法和臨界壓差配產(chǎn)法[22]。上世紀(jì)八十年代，現(xiàn)代動態(tài)分析理論不斷發(fā)展，利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)求取儲層參數(shù)得以實(shí)現(xiàn)。劉曉華[23]等利用Arps、Fetkovich、Blasingame、Agarwal-Gardne等學(xué)者形成的現(xiàn)代動態(tài)分析理論，通過歷史擬合可求取井控范圍內(nèi)儲層地質(zhì)參數(shù)，在上述地質(zhì)參數(shù)建立動態(tài)模型并利用動態(tài)分析軟件對不同配產(chǎn)方案進(jìn)行對比，優(yōu)選合理產(chǎn)量。

計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，也使石油開發(fā)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了變革，通過地質(zhì)、測井、地震等資料建立三維仿真地質(zhì)模型，然后輸入動態(tài)數(shù)據(jù)、PVT等參數(shù)建立數(shù)值模擬模型，預(yù)測比較在不同配產(chǎn)條件下氣井的穩(wěn)產(chǎn)年限、采出程度、儲量動用情況，以此確定合理產(chǎn)量。數(shù)值模擬技術(shù)相對動態(tài)方法考慮因素更加全面，但仍然是對氣層的滲流過程的描述。在井筒攜液研究方面，李閩[24]認(rèn)為被高速氣流攜帶的液滴在高速氣流作用下成一橢球體，因此將Turner的球形模型修正為橢球模型，楊川東[25]把井底作為連續(xù)排液的參考點(diǎn)，并考慮國內(nèi)生產(chǎn)實(shí)際情況建立攜液模型。

在優(yōu)化模型方面國內(nèi)做了以下研究：陳武等[26]提出了氣田經(jīng)濟(jì)極限分析模型；劉秀婷、尚明忠[27]等建立了以利潤為最大化的優(yōu)化模型，張傳平[28]等應(yīng)用控制理論建立了油氣田開發(fā)產(chǎn)量規(guī)劃狀態(tài)模型。優(yōu)化配產(chǎn)理論不斷發(fā)展、日趨成熟并得到了廣泛的應(yīng)用。尚萬寧[14]開展了定容氣藏氣井和水驅(qū)氣藏方面的研究；盧立澤[29]則以凝析氣藏為對象，建立了不同目標(biāo)下的單井優(yōu)化模型，并實(shí)現(xiàn)了從單井向氣藏的優(yōu)化配產(chǎn)。

調(diào)研國內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，配產(chǎn)技術(shù)經(jīng)歷了從經(jīng)驗(yàn)法到動態(tài)優(yōu)化配產(chǎn)發(fā)展的過程，目前已形成較成熟的理論體系。動態(tài)優(yōu)化配產(chǎn)模型不以某一定值為氣井配產(chǎn)，而是全面考慮氣井供氣、氣藏能量利用、井筒攜液、地面輸氣和經(jīng)濟(jì)因素，使氣井生產(chǎn)要素都能有效反應(yīng)到對配產(chǎn)的影響上，在此基礎(chǔ)上建立動態(tài)配產(chǎn)模型，因此動態(tài)優(yōu)化配產(chǎn)方法更符合合理配產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。但分析發(fā)現(xiàn)，動態(tài)配產(chǎn)法的儲層模型多為解析模型，而在實(shí)際中，儲層類型多樣、地質(zhì)規(guī)律復(fù)雜，如果解析模型對實(shí)際儲層簡化過多，則不能較好地反映儲層的實(shí)際情況，而數(shù)值模擬技術(shù)在這方面具有較大的優(yōu)勢。因此開發(fā)綜合地層、井筒、地面和經(jīng)濟(jì)信息的大型軟件，使氣井配產(chǎn)進(jìn)入系統(tǒng)化、集成化，將是未來發(fā)展的需要。

2 非常規(guī)氣藏氣井配產(chǎn)問題

常規(guī)氣藏氣井配產(chǎn)需要建立氣藏—井筒—地面系統(tǒng)模型，非常規(guī)氣藏與常規(guī)氣藏最大的區(qū)別在于氣藏模型的不同。非常規(guī)氣藏滲透率極低，氣井產(chǎn)能受應(yīng)力敏感效應(yīng)影響大，而考慮應(yīng)力敏感性的氣藏模型實(shí)例較少；在滲流機(jī)理方面，對致密氣藏滲流規(guī)律認(rèn)識上存在不同觀點(diǎn)，煤層氣、頁巖氣藏解析、擴(kuò)散、滲流機(jī)理尚處于探索階段，而水平井分段壓裂技術(shù)的應(yīng)用更進(jìn)一步增加了建立氣藏模型的復(fù)雜性，上述因素決定了目前方法還不能較好建立非常規(guī)氣藏模型，因此需要運(yùn)用新的方法進(jìn)行描述以建立更為合理的配產(chǎn)模型。

2.1 致密氣藏

二項(xiàng)式產(chǎn)能方程由Forchheimer在20世紀(jì)30年代提出,當(dāng)時(shí)研究對象條件較好，氣體在中、高滲儲層條件下表現(xiàn)為非達(dá)西高速流。而致密低滲氣藏與高滲氣藏在滲流規(guī)律方面有較大差異，情況更加復(fù)雜。對低滲氣藏較多的研究之一是啟動壓力梯度，啟動壓力梯度定義為流體克服粘滯阻力開始流動的壓力梯度，它對氣井儲量動用程度、井網(wǎng)井距優(yōu)化有重要影響，在低滲氣藏氣體滲流是否存在啟動壓力梯度的認(rèn)識上仍有分歧。

致密低滲氣藏儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，喉道細(xì)小，應(yīng)力的變化可能引起滲透率較大的變化，產(chǎn)生較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性。低滲氣藏的開發(fā)難度上主要集中在儲層的滲透性上，生產(chǎn)過程中，地層壓力降低，巖石受到的有效應(yīng)力增加，地層滲透率會逐步降低，最終影響氣井產(chǎn)能。

2.2 煤層氣藏

煤層氣藏作為一種新型氣藏與常規(guī)氣藏主要有兩點(diǎn)不同。在儲層結(jié)構(gòu)方面，雖然有學(xué)者建立了反映解析、擴(kuò)散、滲流過程的低滲透雙重介質(zhì)模型[30]，但是一些學(xué)者通過對煤層氣的流動過程分析認(rèn)為，雖然煤巖層具有雙重介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，卻不具備雙重介質(zhì)的滲流特征,因此不能運(yùn)用常規(guī)天然氣儲層建模方法求解。在生產(chǎn)過程中，煤層氣要經(jīng)過單相水力裂縫流動段、井附近局部解析的過渡段、全面解析的氣水兩項(xiàng)流動段[31]，而常規(guī)氣藏只存在第三段；煤層氣體滲流過程中不僅要服從達(dá)西定律，從基質(zhì)進(jìn)入節(jié)理或割理還有要解析的過程，因此煤層氣滲流過程更為復(fù)雜。

2.3 頁巖氣藏

頁巖氣藏是一種“自生自儲式”氣藏[32]，滲透率極低，一般需要壓裂才能獲得產(chǎn)能。在國外，F(xiàn).Medeiros[33]等提出了考慮非均質(zhì)性、水力壓裂和井筒特征的半解析模型，A.Aboaba[34]等提出了早期估算滲透率和裂縫半長的方法；在國內(nèi)，段永剛[35]等利用點(diǎn)源法推導(dǎo)出了考慮解析的數(shù)學(xué)模型，高樹生等[36]研究了儲層壓力下滑脫效應(yīng)對氣井產(chǎn)能和生產(chǎn)壓差的影響程度，周登洪等[37]用實(shí)例證明了水鎖對氣井產(chǎn)能的影響。但以上數(shù)學(xué)模型基本上都是針對直井壓裂氣井求解，而目前，為提高頁巖氣井產(chǎn)能，水平井分段壓裂技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，但并未建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

2.4 非常規(guī)氣藏配產(chǎn)方法初探

致密氣藏主要依靠壓裂措施進(jìn)行開發(fā)，壓裂改造區(qū)相對未改造區(qū)滲透率較高，但其儲量有限，要想保持一定穩(wěn)產(chǎn)期必須從低滲區(qū)獲得補(bǔ)充，由于改造區(qū)與低滲區(qū)兩者滲透率差異較大，不能及時(shí)補(bǔ)充改造區(qū)虧空量，因此致密氣藏氣井采氣曲線常見生產(chǎn)特征是“斷崖式”下降。致密氣藏配產(chǎn)應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)方法計(jì)算經(jīng)濟(jì)極限產(chǎn)量，在此基礎(chǔ)上以高于經(jīng)濟(jì)極限產(chǎn)量的采氣速度生產(chǎn)，使裂縫和基質(zhì)氣流量處于動態(tài)平衡。煤層甲烷主要以吸附形式存在于煤基質(zhì)上，割理被水充填，因此煤層氣的開采是排水降壓采氣的過程。煤儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，滲透率低，相對砂巖地層應(yīng)力敏感性更強(qiáng)，因此應(yīng)采取逐級降壓的工作制度。逐級加壓法不僅可以減輕對儲層的傷害，而且使壓降漏斗充分?jǐn)U展，增大了氣體解析范圍。頁巖氣存在形式類似于煤層氣，也以吸附狀態(tài)存在，但在開發(fā)過程上相對煤層氣更簡單，大部分生產(chǎn)時(shí)間處于氣體單相流階段，因此也可采取逐級降壓的工作制度。

非常規(guī)氣藏儲層滲透率低，應(yīng)通過應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)研究儲層的敏感度，確定合理的生產(chǎn)壓差，防止配產(chǎn)過高傷害儲層。在復(fù)雜的地質(zhì)規(guī)律、滲流條件限制下，非常規(guī)氣藏配產(chǎn)難度較大，一些方法正在探索中，上述配產(chǎn)方法僅為配產(chǎn)策略初探，在技術(shù)成熟后應(yīng)逐步建立非常規(guī)氣藏配產(chǎn)模型，以達(dá)到高效開發(fā)氣藏的目標(biāo)。

3 展望及建議

(1)氣井配產(chǎn)是一項(xiàng)涉及地質(zhì)、多孔介質(zhì)滲流、管柱攜液、優(yōu)化經(jīng)濟(jì)等理論的復(fù)雜工程，應(yīng)綜合多學(xué)科建立氣井配產(chǎn)模型。

(2)針對非常規(guī)氣藏滲流特征，建議采用逐級降壓配產(chǎn)模式。

(3)在理論研究方面，應(yīng)加強(qiáng)氣水兩相滲流機(jī)理、解析吸附過程的研究，并開展各方面的物理模擬實(shí)驗(yàn)和礦場先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)理論、實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。

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