頁巖氣藏采收率計(jì)算方法探討

杜殿發(fā)，付金剛，周志海，張 婧，王妍妍

(1.中國石油大學(xué)，山東 青島 266580;2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

頁巖氣藏采收率計(jì)算方法探討

杜殿發(fā)1，付金剛1，周志海1，張 婧1，王妍妍2

(1.中國石油大學(xué)，山東 青島 266580;2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

中國頁巖氣資源豐富，開發(fā)潛力巨大，但勘探開發(fā)時(shí)間較短，現(xiàn)階段頁巖氣采收率資料的獲得難度仍然較大。通過借鑒煤層氣藏和低滲透氣田采收率的標(biāo)定方法，對(duì)頁巖氣藏采收率各種計(jì)算方法進(jìn)行分析探討，認(rèn)為現(xiàn)有方法在一定程度上均存在其局限性。結(jié)合頁巖氣藏特殊地質(zhì)情況，運(yùn)用物質(zhì)平衡原理，利用氣體狀態(tài)方程和等溫吸附曲線，對(duì)傳統(tǒng)容積法進(jìn)行修正，提出一種適用于頁巖氣藏采收率計(jì)算的新方法，達(dá)到了既操作簡單，又能夠?qū)搸r氣藏采收率進(jìn)行精確計(jì)算和預(yù)測(cè)的目的。

頁巖氣藏;采收率;容積法;等溫吸附;數(shù)值模擬

0 引言

頁巖氣采收率是指在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，頁巖氣藏開發(fā)過程中可采儲(chǔ)量與原始地質(zhì)儲(chǔ)量的比值。當(dāng)?shù)貙訅毫ο陆抵翉U棄壓力前，其采出儲(chǔ)量即為可采儲(chǔ)量。頁巖氣藏采收率是頁巖氣開發(fā)者投資決策、實(shí)施開發(fā)規(guī)劃、調(diào)整開發(fā)方案的重要依據(jù)，是投資者最關(guān)注的指標(biāo)，采收率的高低直接影響著頁巖氣藏的開發(fā)方式和開發(fā)工藝。

中國對(duì)頁巖氣的勘探開發(fā)起步較晚，目前頁巖氣采收率資料匱乏。預(yù)測(cè)采收率的方法通常借鑒煤層氣藏和低滲透氣藏的采收率標(biāo)定方法，此次研究主要對(duì)類比法、解析法、容積法、產(chǎn)量遞減法以及數(shù)值模擬法等常用方法對(duì)頁巖氣藏的適用性進(jìn)行了分析對(duì)比，并針對(duì)頁巖氣藏的特殊性，對(duì)容積法(物質(zhì)平衡法)修正優(yōu)化［1-7］，使之能夠更精確地計(jì)算頁巖氣藏采收率，使預(yù)測(cè)結(jié)果更加合理、科學(xué)和準(zhǔn)確。

1 采收率方法對(duì)比

分別對(duì)類比法、解析法、容積法、等溫吸附曲線法、產(chǎn)量遞減法和數(shù)值模擬法進(jìn)行對(duì)比分析。

(1)類比法是一種相對(duì)較簡單的采收率預(yù)測(cè)方法，是通過與地質(zhì)條件相似的區(qū)塊進(jìn)行比較，從而得到目標(biāo)區(qū)塊內(nèi)頁巖氣藏的采收率［8］。目前從美國油氣雜志報(bào)道的數(shù)據(jù)可以看出，頁巖氣的采收率變化范圍較大(5%～60%)，且初期采收率較低(5%～10%)。但隨著鉆、完井技術(shù)和儲(chǔ)層改造技術(shù)的進(jìn)步，頁巖氣藏的采收率有望進(jìn)一步提高。由于不同頁巖氣藏的地質(zhì)條件各不相同，且開發(fā)方式和技術(shù)手段也不相同，因此，利用類比法確定的采收率局限性較大，預(yù)測(cè)的可靠性不高。

(2)解析法是通過對(duì)儲(chǔ)層的巖心解吸實(shí)驗(yàn)來確定采收率的方法。理論上認(rèn)為，解吸氣和損失氣在低壓下能夠解吸并沿著裂縫或孔隙發(fā)生運(yùn)移，最終被開采到地面;相反，殘余氣則認(rèn)為不可解吸也不能被開采出來［2，5］。因此，可采儲(chǔ)量可以認(rèn)為是解吸氣與損失氣之和，而在實(shí)際上，解吸氣和損失氣無法完全采出，其采出的程度也受儲(chǔ)層地質(zhì)狀況、生產(chǎn)制度以及工藝技術(shù)等諸多因素的影響。因此，該方法估算出的采收率結(jié)果可靠性較差，只能為勘探開發(fā)初期提供一定的數(shù)據(jù)參考。

(3)容積法又稱物質(zhì)平衡法，是在物質(zhì)平衡方程基礎(chǔ)上進(jìn)行氣藏動(dòng)態(tài)地質(zhì)儲(chǔ)量計(jì)算進(jìn)而預(yù)測(cè)采收率的方法［9］。傳統(tǒng)容積法是以定容封閉氣藏的物質(zhì)平衡原理為基礎(chǔ)，近似地計(jì)算采收率。根據(jù)氣藏工程理論，推導(dǎo)出氣藏地質(zhì)儲(chǔ)量為:

式中:GR為氣藏地質(zhì)儲(chǔ)量，m3;A為油層面積，m2;h為油層厚度，m;pa為油層廢棄壓力，MPa;pi為油層初始?jí)毫?，MPa;psc為標(biāo)準(zhǔn)狀況下壓力，MPa;T為油層溫度，K;Tsc為標(biāo)準(zhǔn)狀況下溫度，K;Sgi為油層初始含氣飽和度;Za為廢棄壓力下氣體壓縮系數(shù); Zi為原始地層壓力下氣體壓縮因子;φ為油層孔隙度。

針對(duì)無水侵氣藏，束縛水及巖石膨脹影響一般較小，可以近似地認(rèn)為氣藏在開發(fā)過程中含氣飽和度保持不變，則氣藏采收率ER為:

在用該方法計(jì)算頁巖氣藏采收率時(shí)，忽略了頁巖氣藏中吸附氣和游離氣不同賦存狀態(tài)的影響，計(jì)算結(jié)果存在誤差。

(4)等溫吸附曲線法簡單方便，是煤層氣地質(zhì)工作者比較常用的方法［10］。煤層氣在開采時(shí)需要排水降壓，使吸附氣解吸來達(dá)到開采目的，在計(jì)算采收率時(shí)，可忽略其中所含有的少量游離氣。但由于頁巖氣藏同時(shí)存在吸附狀態(tài)的氣體和游離狀態(tài)的氣體，且游離氣的含量往往比較大。在開采過程中，隨著游離態(tài)氣體的采出，可達(dá)到自然降壓的目的，從而使吸附態(tài)氣體解吸出來，達(dá)到開采的目的，因此游離氣對(duì)采收率的影響不可忽略。由于等溫吸附方法只考慮了吸附氣的存在卻忽略了游離氣的影響，用該方法計(jì)算的采收率往往偏低。

(5)產(chǎn)量遞減法是根據(jù)氣藏實(shí)際生產(chǎn)歷史資料的生產(chǎn)規(guī)律和開發(fā)趨勢(shì)，利用產(chǎn)量遞減曲線間接估算采收率的方法。該方法是常規(guī)氣藏進(jìn)行采收率計(jì)算的常用方法［2］。對(duì)于頁巖氣藏來說，氣藏初期的遞減率較大，后期遞減率變化趨于穩(wěn)定。該方法一般應(yīng)用于產(chǎn)氣高峰期后產(chǎn)量遞減并穩(wěn)產(chǎn)時(shí)段，其局限性是需要的生產(chǎn)時(shí)間較長，同時(shí)當(dāng)對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行多次改造時(shí)，遞減規(guī)律會(huì)因儲(chǔ)層改造而發(fā)生改變，此種情況下不適合用該方法來計(jì)算采收率。

(6)數(shù)值模擬法是通過歷史擬合，并用氣藏初始條件來預(yù)測(cè)未來產(chǎn)量，從而確定頁巖氣藏采收率的方法。數(shù)值模擬方法適用于已經(jīng)勘探開發(fā)過的試驗(yàn)區(qū)塊，同時(shí)擁有較全面的試采數(shù)據(jù)。雖然數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)精度較高，但是頁巖氣藏?cái)?shù)值模擬需要大量的儲(chǔ)層參數(shù)和合適的數(shù)模軟件作為支持。目前中國頁巖氣藏勘探開發(fā)起步較晚，規(guī)模化的生產(chǎn)區(qū)塊較少且缺乏有效的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，還沒有一種專門針對(duì)頁巖氣藏的數(shù)值模擬軟件，只能依賴于常規(guī)的商業(yè)數(shù)模軟件。

通過對(duì)各種方法的對(duì)比可以看出(表1)，在計(jì)算頁巖氣藏采收率時(shí)可采用的方法有類比法、產(chǎn)量遞減法和數(shù)值模擬法，而其他方法由于可靠性差不能夠滿足頁巖氣藏采收率計(jì)算的需要。

表1 頁巖氣藏采收率計(jì)算方法對(duì)比

由于現(xiàn)有方法均存在一定的局限性，可考慮通過對(duì)現(xiàn)有的容積法進(jìn)行修正，使之更加符合頁巖氣藏的特殊性，從而使頁巖氣藏的采收率預(yù)測(cè)結(jié)果更加合理、科學(xué)和準(zhǔn)確。

2 修正的容積法

對(duì)容積法的修正借鑒了煤層氣采收率計(jì)算中的等溫吸附曲線法［11-14］，同時(shí)又考慮到頁巖氣藏開發(fā)中游離氣含量不可忽略的特點(diǎn)。在計(jì)算采收率時(shí)，基于物質(zhì)平衡原理并將吸附氣和游離氣分開考慮，具體步驟如下。

(1)確定廢棄壓力。氣藏廢棄壓力是指氣井具有工業(yè)開采價(jià)值的最低壓力，廢棄壓力受到氣藏地質(zhì)狀況、開采工藝和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素影響。由于中國目前沒有枯竭的頁巖氣藏，因此，無法獲得頁巖氣藏的準(zhǔn)確廢棄壓力資料。目前計(jì)算氣藏廢棄壓力的方法主要有2種，一種是經(jīng)驗(yàn)公式法，另一種是穩(wěn)定產(chǎn)能方程法。利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算廢棄壓力的方法比較簡單，但考慮因素比較單一。穩(wěn)定產(chǎn)能法計(jì)算的氣藏因素較全面，但影響氣藏廢棄壓力的因素很多，同時(shí)受動(dòng)態(tài)資料匱乏的制約。因此，要在深入認(rèn)識(shí)氣藏地質(zhì)狀況的基礎(chǔ)上，選擇合適的計(jì)算方法來確定廢棄壓力。

(2)計(jì)算游離氣含氣量變化值。利用氣體狀態(tài)方程計(jì)算單位質(zhì)量的頁巖儲(chǔ)層中游離氣在由原始地層壓力降到廢棄壓力的過程中，由于頁巖氣藏中氣體體積膨脹而開采出的游離氣的體積。

由氣體狀態(tài)方程可以得到:

式中:Vi為原始地層下游離氣含氣量，m3/t;Vme(f)為初始游離氣含氣量，m3/t;Vre(f)為廢棄壓力下游離氣殘余含氣量，m3/t;Ti為原始地層溫度，K;pu為廢棄壓力，MPa;Tu為廢棄壓力下地層溫度，K; Zsc為標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體壓縮因子。

由式(3)、(4)可得:

則游離氣含氣量變化為:

式中:ΔV(f)為單位質(zhì)量頁巖中游離氣含氣量變化，m3/t。

(3)計(jì)算吸附氣含氣量變化值。研究表明，頁巖層對(duì)氣體的吸附規(guī)律符合Langmuir方程，且頁巖氣解吸和吸附過程是可逆的。根據(jù)頁巖等溫吸附實(shí)驗(yàn)，隨著壓力的增大，頁巖對(duì)氣體的吸附能力增強(qiáng);當(dāng)頁巖吸附一定數(shù)量的氣體后，壓力減小，氣體解吸，吸附量減少。利用實(shí)驗(yàn)得到的等溫吸附數(shù)據(jù)可以繪制頁巖氣藏等溫吸附曲線，通過等溫吸附曲線可計(jì)算廢棄壓力下吸附氣的殘余含氣量，進(jìn)而得到吸附氣含氣量的變化。

在等溫吸附曲線上，過廢棄壓力作垂線與吸附等溫線相交于一點(diǎn)，過該點(diǎn)做水平線得殘余吸附氣含氣量(圖1)。

利用等溫吸附曲線法可得到單位質(zhì)量頁巖中吸附氣的含氣量變化:

式中:Vme(a)為原始地層壓力下氣藏中吸附氣含氣量，m3/t;Vre(a)為廢棄壓力下氣藏中殘余吸附氣含氣量，m3/t;ΔV(a)為單位質(zhì)量頁巖中吸附氣含氣量變化，m3/t。

(4)確定采收率。根據(jù)上述計(jì)算得到的游離氣和吸附氣的含氣量變化量，可計(jì)算頁巖氣藏的采收率ER(%)為:

圖1 頁巖氣藏等溫吸附曲線示意圖

由于該方法基于定容封閉氣藏物質(zhì)平衡原理的基礎(chǔ)上，同時(shí)也考慮了頁巖氣藏中氣體的不同賦存狀態(tài)，具有比較強(qiáng)的理論性，估算的采收率結(jié)果可靠性較高。與其他計(jì)算方法相比，該方法既適用于未開發(fā)的區(qū)塊，又適用于已經(jīng)勘探開發(fā)的區(qū)塊，同時(shí)操作簡單易行，預(yù)測(cè)結(jié)果精確度高，是一種比較理想的頁巖氣藏采收率預(yù)測(cè)方法。但該方法忽略了地質(zhì)狀況和開發(fā)方式的復(fù)雜性，單獨(dú)應(yīng)用該法計(jì)算頁巖氣采收率存在一定的誤差，在誤差范圍內(nèi)可綜合其他方法確定最終采收率。

3 實(shí)例分析

某頁巖區(qū)塊屬五峰組—龍馬溪組，儲(chǔ)層孔隙度為4.87%，滲透率為0.25×10-3μm2，平均含水飽和度為33.8%，含氣面積為41.50 km2，氣藏總厚度為87 m，頁巖密度為2.571 6×103kg/m3，原始地層壓力為34.7 MPa。由單井含氣量實(shí)測(cè)結(jié)果可知，目的層總含氣量為0.44～5.19 m3/t，平均為1.97m3/t，主要以損失氣與解吸氣為主，殘余氣含量低。損失氣含量為0.11～3.90 m3/t，平均為1.14 m3/t;解吸氣含量為0.31～1.40 m3/t，平均為0.79 m3/t;殘余氣含量為0.01～0.07 m3/t，平均為0.04 m3/t。

分別采用類比法、產(chǎn)量遞減法、數(shù)值模擬法和修正后的容積法計(jì)算采收率(表2)。

通過不同方法計(jì)算的采收率結(jié)果來看，利用修正前的容積法所得到的采收率計(jì)算結(jié)果明顯偏高，不符合頁巖氣藏開采的實(shí)際情況。而采用其他4種方法得到的結(jié)果均在合理范圍之內(nèi)，其中修正后的容積法計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬法得到的結(jié)果偏差較小，說明修正后的容積法可靠性較高?？紤]到頁巖氣田開發(fā)過程中的復(fù)雜性及風(fēng)險(xiǎn)性，可取類比法、產(chǎn)量遞減法、數(shù)值模擬法和修正后的容積法所得結(jié)果的平均值作為最終該頁巖氣藏的采收率，供氣田開發(fā)設(shè)計(jì)參考。

表2 不同方法計(jì)算采收率結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論及建議

(1)通過分析采收率計(jì)算方法可知，現(xiàn)有的采收率計(jì)算方法均有其適用條件，其中類比法、產(chǎn)量遞減法和數(shù)值模擬法可對(duì)頁巖氣藏采收率計(jì)算提供一定的參考。

(2)考慮到現(xiàn)有采收率計(jì)算方法的局限性和頁巖氣藏的特殊性，提出基于容積法的修正方法。該方法操作簡單易行且預(yù)測(cè)結(jié)果精確度高，是一種比較理想的頁巖氣藏采收率預(yù)測(cè)方法。

(3)據(jù)現(xiàn)有資料難以確定其采收率的頁巖氣藏區(qū)塊，可綜合利用類比法、產(chǎn)量遞減法、數(shù)值模擬法和修正的容積法進(jìn)行頁巖氣藏開發(fā)設(shè)計(jì)。

(4)目前對(duì)于頁巖氣藏的滲流機(jī)理研究已日漸深入，但由于頁巖氣藏滲流機(jī)理的復(fù)雜性，導(dǎo)致滲流機(jī)理研究上仍存在很大爭議。應(yīng)繼續(xù)加深對(duì)滲流機(jī)理的研究，提高采收率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，從而保障頁巖氣藏高效合理地開發(fā)。

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編輯姜 嶺

TE377

A

1006-6535(2015)05-0074-04

20150601;改回日期:20150807

中國石油科技管理部科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目“頁巖氣藏滲流機(jī)制及產(chǎn)能評(píng)價(jià)研究”(2011D-5006-0210)

杜殿發(fā)(1972-)，男，教授，1993畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)油藏工程專業(yè)，2002畢業(yè)于該校油氣田開發(fā)工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣田開發(fā)方面的教學(xué)和科研工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.05.015