頁(yè)巖氣單井產(chǎn)量和累計(jì)產(chǎn)量影響因素分析

甘柏松 （中化石油勘探開發(fā)有限公司，北京100031）

2011年6月，國(guó)土資源部舉行首輪頁(yè)巖氣探礦權(quán)招標(biāo)，國(guó)內(nèi)6家企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)4個(gè)頁(yè)巖氣區(qū)塊；2012年10月舉行了第二輪頁(yè)巖氣招標(biāo)，國(guó)內(nèi)83家企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)20個(gè)頁(yè)巖氣區(qū)塊。國(guó)家批準(zhǔn)建立 “四川長(zhǎng)寧－威遠(yuǎn)”和 “滇黔北昭通”國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)。頁(yè)巖氣發(fā)展規(guī)劃[1]提出到2015年，國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣產(chǎn)量達(dá)65×108m3，2020年力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量 （600～1000）×108m3，將占據(jù)氣體能源供應(yīng)量的25%。頁(yè)巖氣開采在美國(guó)獲得了巨大成功，但 “水平井＋多段壓裂”頁(yè)巖氣開采技術(shù)在2006年才開始在全美推廣，該國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量飛速上升，2011年頁(yè)巖氣產(chǎn)量達(dá)到1800×108m3，占其天然氣產(chǎn)量的34%[2]。

筆者采用遞減曲線方法分析美國(guó)主要頁(yè)巖氣田典型單井產(chǎn)量的遞減趨勢(shì)；同時(shí)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，定量分析頁(yè)巖氣單井累計(jì)產(chǎn)量的各種影響因素。研究成果為預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)新頁(yè)巖氣招標(biāo)區(qū)塊的產(chǎn)量和累計(jì)產(chǎn)量提供參考。

1 遞減曲線方法研究

筆者系統(tǒng)整理了美國(guó)Eagle Ford、Fayetteville、Haynesville、Marcellus和 Woodford頁(yè)巖氣氣田的主要儲(chǔ)層特征和開采數(shù)據(jù)[3～5]，結(jié)果見表1。這些氣田的典型遞減曲線見圖1。

表1 美國(guó)部分頁(yè)巖氣氣田的主要參數(shù)表

由圖1可知，頁(yè)巖氣單井產(chǎn)量在投產(chǎn)的第1～2年下降較快，但頁(yè)巖氣井的大部分產(chǎn)量在這2年采出；此后產(chǎn)量平穩(wěn)，下降速度趨緩。這樣的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征是由頁(yè)巖氣在儲(chǔ)層中的流動(dòng)機(jī)理決定的[6]。首先采出的是裂縫中的天然氣，然后采出的是裂縫表面以及基質(zhì)中的吸附氣。由于裂縫中的天然氣是自由氣，可以快速地采出，并在裂縫中形成壓降；后期吸附在裂縫與基質(zhì)中的吸附氣因壓降而緩慢解吸后被采出。儲(chǔ)層的等溫吸附曲線形態(tài)[7]決定了吸附氣緩慢釋放，產(chǎn)量低但相對(duì)穩(wěn)定。

對(duì)上述美國(guó)實(shí)際頁(yè)巖氣氣田的典型生產(chǎn)曲線進(jìn)行遞減分析，計(jì)算理論遞減率b，發(fā)現(xiàn)各個(gè)氣田單井產(chǎn)量的遞減趨勢(shì)相近，即遞減率隨著時(shí)間具有很好的一致性 （圖2）。該規(guī)律對(duì)于預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣單井產(chǎn)量變化具有很好的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在投產(chǎn)后前半年左右，遞減率b大于1，這與常規(guī)Aprs遞減分析理論不符。分析出現(xiàn)b大于1的原因有：開采初期，頁(yè)巖氣單井的流態(tài)還處于非穩(wěn)定流態(tài)；頁(yè)巖氣儲(chǔ)層為雙重或多重介質(zhì)模型；頁(yè)巖氣開采通常需要對(duì)水平井進(jìn)行分段壓裂，沿水平井段形成了類似多層的流動(dòng)。

圖1 美國(guó)主要頁(yè)巖氣氣田單井產(chǎn)量典型曲線圖

圖2 美國(guó)主要頁(yè)巖氣氣田單井產(chǎn)量遞減率分析圖

2 數(shù)值模擬方法研究

目前頁(yè)巖氣數(shù)值模擬模型包括雙重介質(zhì)模型、多重介質(zhì)模型和等效介質(zhì)模型[8～9]，筆者選用雙重介質(zhì)模型，并假定基質(zhì)表面的吸附氣瞬時(shí)脫落。用商業(yè)數(shù)值模擬軟件的頁(yè)巖氣模塊建立模型，模型大小在X方向和Y方向都是2000m，Z方向100m；X方向和Y方向各劃分200個(gè)網(wǎng)格，Z方向劃分4個(gè)網(wǎng)格，分段壓裂縫為7條，模擬計(jì)算頁(yè)巖氣開發(fā)常見參數(shù)范圍內(nèi)單井累計(jì)產(chǎn)量的分布，以此研究這些參數(shù)對(duì)頁(yè)巖氣單井累計(jì)產(chǎn)量的敏感性和影響程度，見表2。

表2 頁(yè)巖氣累計(jì)產(chǎn)量的主要影響參數(shù)的取值表

為了模擬如上主要參數(shù)變化對(duì)頁(yè)巖氣單井累計(jì)產(chǎn)量的影響，取表1的中值為基礎(chǔ)模型的輸入?yún)?shù)，模擬計(jì)算10a得到頁(yè)巖氣單井累計(jì)產(chǎn)量的基值。然后，分別逐一對(duì)參數(shù)取高值和低值進(jìn)行敏感性模擬計(jì)算，得到該因素對(duì)累計(jì)產(chǎn)量的影響。

通過(guò)敏感性模擬計(jì)算，取中值情況下，單井累計(jì)產(chǎn)量為6580×104m3。發(fā)現(xiàn)如下因素對(duì)頁(yè)巖氣單井累計(jì)產(chǎn)量影響巨大：壓裂縫半長(zhǎng)、自然裂縫滲透率、水平段長(zhǎng)度、生產(chǎn)壓差、基質(zhì)孔隙度、儲(chǔ)層厚度和自然裂縫孔隙度；其次是基質(zhì)等溫吸附曲線的兩個(gè)參數(shù)Langmuir體積和Langmuir壓力；而基質(zhì)滲透率對(duì)頁(yè)巖氣單井累計(jì)產(chǎn)量影響很小，詳見圖3。也就是說(shuō)，頁(yè)巖氣開采產(chǎn)量大小及累計(jì)產(chǎn)量關(guān)鍵取決于分段壓裂效果 （包括壓裂縫半長(zhǎng)和分段壓裂數(shù)量）、水平段長(zhǎng)度、自然裂縫發(fā)育情況 （包括裂縫滲透率和孔隙度），而基質(zhì)的孔隙度和滲透率影響相對(duì)較小。

3 結(jié) 論

1）通過(guò)對(duì)美國(guó)5個(gè)頁(yè)巖氣氣田的典型產(chǎn)量曲線所做的實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)，雖然單井產(chǎn)量差別較大，但其遞減趨勢(shì)一致，遞減率曲線基本重合，這對(duì)于預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣單井產(chǎn)量具有重要的指導(dǎo)作用。

2）頁(yè)巖氣單井產(chǎn)量在前1～2年快速下降，但單井產(chǎn)量主要集中在這段時(shí)間；此后產(chǎn)量低，但保持相對(duì)穩(wěn)定，遞減率低。

3）在頁(yè)巖氣單井投產(chǎn)前半年左右，產(chǎn)量遞減率b大于1，其主要原

因是單井處于非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)階段，以及儲(chǔ)層為多重基質(zhì)、多層流動(dòng)模型。

4）影響頁(yè)巖氣單井累計(jì)產(chǎn)量的主要因素包括壓裂縫半長(zhǎng)、自然裂縫發(fā)育程度、水平段長(zhǎng)度、生產(chǎn)壓差、基質(zhì)孔隙度和儲(chǔ)層厚度；而基質(zhì)滲透率和等溫吸附曲線形態(tài)對(duì)累計(jì)產(chǎn)量影響相對(duì)較小。

圖3 頁(yè)巖氣單井累計(jì)產(chǎn)量影響因素模擬結(jié)果圖

[1]國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，國(guó)家財(cái)政部，國(guó)土資源部，等.頁(yè)巖氣發(fā)展規(guī)劃 （2011－2015年）[N].中國(guó)能源報(bào)，2012－03－19（B06）.

[2]中國(guó)能源網(wǎng) .美國(guó)頁(yè)巖氣發(fā)展概況 [EB/OL].http：//www.china5e.com

[3]劉雙蓮，陸黃生 .頁(yè)巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)特點(diǎn)及評(píng)價(jià)方法探討 [J].測(cè)井技術(shù)，2011，35（2）：113～114.

[4]U.S.Energy Information Administration.Review of Emerging Resources：U.S.Shale Gas and Shale Oil Plays [EB/OL].ftp：//ftp.eia.doe.gov/natgas/usshaleplays.pdf，2011－07－01.

[5] （Ross）Crain E R.Unicorns in the garden of good and evil：Part 4－Shale Gas [EB/OL].www.spec2000.net/freepubs/2010－4UnconvGAS.pdf，2011－02－01.

[6]Clarkson C R，Jensen J L.Reservoir engineering for unconventional gas reservoirs：what do we have to consider [J].SPE145080，2011.

[7]Rick Lewis，David Ingraham，Marc Pearcy.New Evaluation techniques for gas shale reservoir [A]Schlumberger Reservoir Symposium[C].Los Angeles，2004－07－29～30.

[8]Kalantarli A E.Numerical modeling of well performance in shale gas [M].Netherlands：Delft University of Technology，2011.

[9]孫海，姚軍，孫致學(xué)，等 .頁(yè)巖氣數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)展及展望 [J].油氣地質(zhì)與采收率，2012，19（1）：46～49.