大牛地氣田液氮伴注效果分析及優(yōu)化

薛成國(guó)，陳付虎，李國(guó)峰，李松，李雷

（中國(guó)石化華北分公司工程技術(shù)研究院，河南 鄭州450006）

0 引言

近年來(lái)，大牛地氣田天然氣勘探開(kāi)發(fā)規(guī)模逐年擴(kuò)大，水力壓裂已經(jīng)成為大牛地氣田有效建產(chǎn)的主要開(kāi)發(fā)方式［1-2］。壓裂井壓后快速返排、減小壓裂液對(duì)地層污染是壓后獲得高產(chǎn)的重要條件［3］。然而，大牛地氣田具有低滲、致密、低壓的特點(diǎn)，且儲(chǔ)層內(nèi)流體流動(dòng)存在啟動(dòng)壓力［4］，這導(dǎo)致了壓裂井壓后返排困難，壓后自然噴通率低，不但會(huì)對(duì)地層造成傷害，還會(huì)延長(zhǎng)試氣周期，增加生產(chǎn)成本［5-6］。

目前大牛地氣田壓裂井存在著液氮伴注比例差異較大、伴注比例偏小的問(wèn)題。通常，在施工條件允許的情況下，液氮伴注量越大越好，但受經(jīng)濟(jì)因素的制約，需要在施工效果與經(jīng)濟(jì)效益間尋求一個(gè)平衡點(diǎn)。本文在考慮儲(chǔ)層內(nèi)部流體啟動(dòng)壓力對(duì)壓裂液返排影響的基礎(chǔ)上，提出了確定大牛地氣田氣井壓后自噴的最小液氮伴注比例的確定方法，為壓裂施工液氮伴注液氮量的確定提供了理論依據(jù)； 并通過(guò)大牛地氣田盒1 氣層啟動(dòng)壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，得出了該氣層壓裂井壓后自然噴通所需的最小液氮比例。

1 液氮伴注現(xiàn)狀

1.1 液氮伴注原理

液氮助排技術(shù)，是采用延遲交聯(lián)技術(shù)在壓裂液中加入氮?dú)?，形成均勻的泡沫凍膠，以撐開(kāi)地層，減少壓裂液濾失，并在壓裂后靠釋放出的氮?dú)夥赐破颇z水化液排出地層，與液體混合形成混汽水，降低液體的密度，減少井筒靜水柱壓力，使入井液體能夠順利地排出的技術(shù)［7］。

1.2 液氮伴注現(xiàn)狀

對(duì)大牛地氣田74 口裸眼水平井液氮伴注情況及壓后放噴效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果分別見(jiàn)圖1、表1。

圖1 裸眼水平井壓后返排率與液氮伴注比例的關(guān)系

表1 大牛地氣田裸眼水平井液氮伴注及壓后返排情況

從圖1可以看出，壓裂液返排率隨著液氮伴注比例（液氮體積與壓裂液體積之比）的增大而增大，因此，在保證施工安全的情況下，提高液氮伴注比例，會(huì)提高壓裂液的返排率，減少壓裂液對(duì)地層的污染。

從表1可以看出，大牛地氣田裸眼水平井液氮伴注比例差別較大，最小值為4.3%，最大值達(dá)到7.0%，并且壓后的自然噴通率較低。以盒1 氣層為例，統(tǒng)計(jì)的50 口壓裂水平井中，23 口井自然噴通，27 口井沒(méi)有自然噴通，自然噴通率僅為46.0%。這不僅使壓裂液長(zhǎng)時(shí)間滯留在地層中，對(duì)地層造成污染，而且延長(zhǎng)了試氣時(shí)間，增大了生產(chǎn)成本。另外，從表1還可以看出，液氮伴注比例較高的壓裂層位，具有較高的自然噴通率。

2 啟動(dòng)壓力梯度分析

低滲透油氣藏由于孔喉微細(xì)，比表面大，滲流速度小，故其滲流規(guī)律與常規(guī)滲透率油藏不同。在低速滲流時(shí)不再符合線性滲流規(guī)律［8］，而是存在明顯的啟動(dòng)壓力梯度（見(jiàn)圖2），這就給油氣流體在儲(chǔ)層中的流動(dòng)帶來(lái)了額外阻力，在相關(guān)開(kāi)發(fā)指標(biāo)的計(jì)算中就不得不考慮其影響［9-11］。

圖2 特低滲透油田流體非線性滲流曲線

圖2為一典型的非線性滲流曲線，其滲流速度與壓力梯度的關(guān)系為

對(duì)大牛地氣田盒1 氣層巖心樣品進(jìn)行啟動(dòng)壓力梯度測(cè)試實(shí)驗(yàn)［12］，結(jié)果如圖3所示。

圖3 盒1 氣層啟動(dòng)壓力梯度與滲透率關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大牛地氣田盒1 氣層在流體滲流過(guò)程中存在啟動(dòng)壓力梯度，經(jīng)回歸，其啟動(dòng)壓力梯度與滲透率之間的關(guān)系為

則大牛地氣田盒1 氣層壓裂后氣體泄流半徑范圍內(nèi)的啟動(dòng)壓差為

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的壓裂實(shí)踐認(rèn)為，在致密砂巖儲(chǔ)層中，Re取50 m 較合適。

3 液氮伴注比例優(yōu)化

假設(shè)壓裂過(guò)程中氣液兩相流體混合均勻，要使壓裂的井能夠自噴，井筒混合流體的液柱壓力必須小于地層克服啟動(dòng)壓差后的生產(chǎn)壓力。井筒內(nèi)液柱壓力為

若使壓裂井壓后自然噴通，則需滿足：

為了計(jì)算方便，以混合液體的平均密度ρˉ代替式（5）中的積分部分，即

為了計(jì)算混合流體的平均密度，取井筒平均壓力和平均溫度。則式（5）可轉(zhuǎn)化為

由式（8）可得，若使壓裂井壓后自噴，需要的最小氮?dú)怏w積為

需要的最小氮?dú)庥昧繛?/p>

換算成液氮體積，則需要最小液氮體積為

則使液氮伴注壓裂井自噴的最小液氮伴注比例為

實(shí)際條件下，最小液氮伴注比例為

其中N 可以根據(jù)具體區(qū)塊經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出，一般取2～3，壓裂規(guī)模越大，數(shù)值越大［13］。

以X1 井盒1 氣層壓裂施工為例，地層及流體各項(xiàng)參數(shù)分別為：地層深度2 506 m，壓裂液密度1.01 g/cm3，儲(chǔ)層壓力23.06 MPa，液氮密度0.808 g/cm3，啟動(dòng)壓差1.85 MPa，氮?dú)饷芏?.125 g/cm3，滲透率0.11×10-3μm2。根據(jù)大牛地氣田盒1 層壓裂井壓后自然噴通液氮伴注比例模型進(jìn)行計(jì)算可得，最低液氮伴注比例為7.0%～10.5%，而壓裂時(shí)的實(shí)際液氮伴注比例為6.0%，該井壓后未能自然噴通，因此，建議大牛地氣田盒1 氣層液氮伴注比例至少提高至7.0%以上。

4 結(jié)論

1）分析目前大牛地氣田液氮伴注現(xiàn)狀及壓后返排情況認(rèn)為，壓后返排率隨液氮比例的增大而提高，液氮伴注比例越高，自然噴通率越高。

2）建立了考慮儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度的壓裂井壓后自然噴通所需最小液氮伴注比例模型，并根據(jù)模型計(jì)算出大牛地氣田盒1 氣層壓裂井壓后自噴的最小液氮伴注比例，為今后大牛地氣田壓裂施工提供了參考。

5 符號(hào)注釋

v 為滲流速度，m/s；K 為滲透率，10-3μm2；μ 為黏度，mPa·s；Δp，λ 分別為壓力梯度和真實(shí)啟動(dòng)壓力梯度，MPa/m；Re為氣井壓裂后的有效泄流半徑，m；H 為儲(chǔ)層深度，m；h 為井筒深度，m；py，pe分別為井筒內(nèi)液柱壓力和儲(chǔ)層壓力，MPa；p 為液體所處位置的壓力，MPa；Δp 為流體在儲(chǔ)層內(nèi)的啟動(dòng)壓差，MPa；T 為液體所處位置的溫度，開(kāi)爾文；ρ（p，T），ρ（N2）分別為液柱和氮?dú)庠趐，T 條件下的密度，kg/m3； ρˉ，ρL分別為混合液體平均密度和壓裂液密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2；VL為井筒內(nèi)壓裂液的體積，m3；V（N2）為氮?dú)獾捏w積，m3；Vmin（N2），V′min（N2）分別為壓裂井壓后自噴需要的最小氮?dú)?、液氮體積，m3；mmin（N2）為壓裂井壓后自噴需要的最小氮?dú)赓|(zhì)量，kg；ρ′（N2）為液氮密度，g/cm3；N 為考慮了返排摩阻、液氮損失及滑脫效應(yīng)影響的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

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