頁巖氣藏水平井開采動態(tài)數(shù)值模擬研究

謝 川 郭 肖

西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610500

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頁巖氣藏水平井開采動態(tài)數(shù)值模擬研究

謝 川 郭 肖

西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610500

頁巖氣藏具有特低孔低滲、吸附氣含量高、無自然產(chǎn)能等特點(diǎn)，只有利用水平井技術(shù)及大型壓裂增產(chǎn)措施，才能獲得商業(yè)氣。為了更為準(zhǔn)確地對頁巖氣藏水平井開采動態(tài)進(jìn)行模擬研究，綜合考慮頁巖氣解吸、擴(kuò)散、基質(zhì)內(nèi)運(yùn)移和氣體滑脫效應(yīng)等特征，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件Eclipse建立相應(yīng)的單井?dāng)?shù)值模型，并對產(chǎn)能影響因素進(jìn)行敏感性分析。研究表明，氣體滑脫效應(yīng)在開發(fā)中后期有利于水平井產(chǎn)氣量的提高，在生產(chǎn)開發(fā)過程中，應(yīng)盡量考慮氣體滑脫效應(yīng)對產(chǎn)氣量的影響；天然裂縫滲透率、分段壓裂裂縫導(dǎo)流能力、裂縫間距和裂縫半長的變化對水平井產(chǎn)氣量影響很大，敏感性很高；水平井分段壓裂參數(shù)是影響頁巖氣井產(chǎn)量的重要參數(shù)，應(yīng)對相應(yīng)壓裂參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化。

頁巖氣；水平井；分段壓裂；滑脫效應(yīng)；數(shù)值模擬

0 前言

頁巖氣是指以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于富有機(jī)質(zhì)和納米級孔徑的黑色頁巖地層中的天然氣，是一種清潔高效的非常規(guī)天然氣。在頁巖氣層中，富烴頁巖不僅是天然氣的烴源巖，也是儲存和富集天然氣的儲集巖和蓋層，為典型的“自生自儲、原地滯留”的聚集模式。頁巖儲層一般天然裂縫發(fā)育，可為頁巖氣提供充足的儲集空間，同時裂縫也是頁巖氣流入井筒的唯一通道。頁巖氣開采以水平井為主，頁巖儲層必須經(jīng)過大型壓裂改造才能獲得商業(yè)產(chǎn)量，水平井技術(shù)及壓裂增產(chǎn)工藝是實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)頁巖氣藏的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，國外已經(jīng)在頁巖氣滲流機(jī)理及數(shù)值模擬技術(shù)方法上開展了一些研究[1-3]，而國內(nèi)僅有少數(shù)科研工作者對頁巖氣井的生產(chǎn)動態(tài)、氣井產(chǎn)能影響因素、頁巖氣藏滲流機(jī)理和數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了研究[4-12]。筆者在綜合考慮頁巖氣解吸、擴(kuò)散、基質(zhì)內(nèi)運(yùn)移和滑脫效應(yīng)等特征后，利用商業(yè)數(shù)值模擬軟件Eclipse 2011.1，建立了考慮氣體解吸、擴(kuò)散、基質(zhì)內(nèi)運(yùn)移以及滑脫效應(yīng)的頁巖氣藏分段壓裂水平井單井?dāng)?shù)值模型，模擬分析了頁巖氣井的生產(chǎn)動態(tài)，對產(chǎn)能影響因素進(jìn)行了敏感性分析，為確定頁巖氣井生產(chǎn)動態(tài)特征和水平井的分段壓裂提供理論依據(jù)。

1 頁巖氣井模型的建立

頁巖氣藏具有特低孔低滲、吸附氣含量高、無自然產(chǎn)能等特點(diǎn)，因此頁巖氣藏?cái)?shù)值模擬更具復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性。目前頁巖氣藏?cái)?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[6]，其中雙重介質(zhì)模型應(yīng)用得最多。雙重介質(zhì)模型假設(shè)頁巖由基質(zhì)和裂縫兩種孔隙介質(zhì)構(gòu)成，裂縫為頁巖氣的主要滲流通道，而基質(zhì)為主要的氣體儲集空間。本文在雙重介質(zhì)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對頁巖基質(zhì)網(wǎng)格進(jìn)行離散化處理，將一個基質(zhì)網(wǎng)格離散成多個嵌套子網(wǎng)格，以此更能準(zhǔn)確表征流體在低滲透率基質(zhì)網(wǎng)格塊中的瞬間流動，原理見圖1。頁巖氣的運(yùn)移產(chǎn)出經(jīng)歷了解吸、擴(kuò)散、滲流三個過程，基質(zhì)系統(tǒng)中僅考慮解吸和擴(kuò)散，裂縫系統(tǒng)的運(yùn)移為考慮了克林肯伯格效應(yīng)的廣義達(dá)西滲流；模型中的解吸過程僅考慮延時解吸這一種模式，解吸出的頁巖氣的擴(kuò)散作用遵循Fick擴(kuò)散定律；利用傳導(dǎo)率乘數(shù)方法來模擬頁巖氣儲層中裂縫滲透率隨地層壓力變化而變化，以此在模型中考慮滑脫效應(yīng)的影響。

圖1 基質(zhì)網(wǎng)格離散化原理圖

有限差分模擬器(Eclipse油氣藏模擬軟件中的頁巖氣藏模塊)認(rèn)為天然氣儲存在致密頁巖基質(zhì)的孔隙空間內(nèi)，并吸附在頁巖有機(jī)物上，游離氣則蘊(yùn)藏在頁巖地層的天然裂縫內(nèi)。在建立氣藏單井模型時，基質(zhì)裂縫系統(tǒng)滲透率、氣體擴(kuò)散系數(shù)、Langmuir壓力常數(shù)、基質(zhì)裂縫竄流系數(shù)、吸附氣含量以及甲烷吸附等溫線函數(shù)等氣藏特性都可以很容易地包括在模型中。同時Eclipse模擬器還可以很好地對水平井及分段壓裂進(jìn)行模擬，通過油氣藏模擬可以對多種氣井產(chǎn)能影響因素(氣藏自身參數(shù)和水平井分段壓裂參數(shù))進(jìn)行敏感性分析。

筆者運(yùn)用數(shù)值模擬軟件Eclipse 2011.1頁巖氣藏模塊建立三維地質(zhì)模型，地質(zhì)模型中心設(shè)置一口水平井，通過控制網(wǎng)格尺寸來模擬分段壓裂縫及天然裂縫，基準(zhǔn)方案的模型網(wǎng)格數(shù)為89×41×1，其中基質(zhì)嵌套子網(wǎng)格數(shù)為4，模型大小為1 251 m×534.2 m×10 m。模型頂深為2 100 m，有效厚度為10 m，假定氣體組分均為甲烷氣體。模型的基本物性參數(shù)見表1。

表1 模型基本物性參數(shù)設(shè)置

2 頁巖氣井生產(chǎn)動態(tài)模擬

頁巖氣藏的特殊孔隙結(jié)構(gòu)決定了頁巖氣具有特殊的滲流方式，從宏觀和微觀流動特征分析，頁巖氣在雙重介質(zhì)中的流動是一個復(fù)雜的多尺度流動過程，運(yùn)移產(chǎn)出機(jī)理特殊，同時頁巖儲層壓力的降低是使頁巖氣解吸和運(yùn)移的直接動力。頁巖氣井在投產(chǎn)初期的產(chǎn)氣量高，這部分氣主要來源于聚集在基質(zhì)孔隙和裂縫中的游離氣，但遞減較快；隨著游離氣被不斷采出，地層壓力不斷降低，吸附于頁巖基質(zhì)表面的天然氣開始慢慢解吸，在濃度差的作用下運(yùn)移至裂縫，最后進(jìn)入井筒被采出，后期產(chǎn)量遞減緩慢，氣井生產(chǎn)年限較長。圖2中分別模擬了考慮滑脫和不考慮滑脫兩種方案下分段壓裂水平井的產(chǎn)氣量遞減曲線。從圖2曲線可以看出，頁巖氣井在開采初期產(chǎn)氣量高，氣井產(chǎn)氣量遞減異常顯著，這部分氣主要來源于裂縫孔隙中的游離氣。由于游離氣的大量產(chǎn)出，以及氣體的解吸擴(kuò)散速度小于滲流運(yùn)移速度，日產(chǎn)量曲線的下滑趨勢開始變緩；隨著地層壓力和游離氣的進(jìn)一步下降和產(chǎn)出，在中后期相當(dāng)長一段時間里，基巖表面的吸附氣快速解吸后在基質(zhì)孔隙中出現(xiàn)大量的解吸氣，增加了基質(zhì)孔隙和裂縫孔隙中氣體的濃度，在擴(kuò)散和滲流作用下最終運(yùn)移到井筒，導(dǎo)致氣井產(chǎn)氣量在生產(chǎn)中后期保持穩(wěn)步緩慢遞減的狀態(tài)。

圖2 頁巖氣井產(chǎn)量遞減曲線模擬圖

從圖2還可以看出，在水平井開采初期，兩種方案產(chǎn)氣量差別不大，之后開始存在一定的差異。這說明在水平井開采初期，滑脫效應(yīng)對水平井產(chǎn)氣量的影響很小，之后對產(chǎn)氣量的影響日益明顯?；撔?yīng)在開發(fā)中后期有利于水平井產(chǎn)量的提高，氣體的流動因滑脫效應(yīng)的存在更加順暢，使頁巖氣井的產(chǎn)量增大。因此在頁巖氣生產(chǎn)開發(fā)過程中，應(yīng)盡量考慮滑脫效應(yīng)對產(chǎn)氣量的影響，加快相應(yīng)頁巖氣開發(fā)技術(shù)的創(chuàng)新，合理高效地開發(fā)頁巖氣。

在氣井生產(chǎn)過程中，儲層的壓力分布變化情況也反映了氣井生產(chǎn)動態(tài)的情況，圖3為頁巖氣分段壓裂水平井不同開采時期的壓力分布圖。從圖3可以看出，在頁巖氣藏水平井生產(chǎn)初期，壓力降低最早出現(xiàn)于人工壓裂形成的主裂縫，最先產(chǎn)出的氣體也是這些裂縫中的游離氣；隨著開采的不斷進(jìn)行，主裂縫處的壓力不斷降低，壓降漏斗隨之增大，壓力波及范圍擴(kuò)大，裂縫周圍的吸附氣在降壓過程中開始解吸，未被改造的儲層開始向主裂縫供氣。在開發(fā)后期，壓力波及范圍不再擴(kuò)大，單井控制儲量范圍有限，只能通過增加井的數(shù)量來提高頁巖氣產(chǎn)量。

圖3 頁巖氣分段壓裂水平井不同生產(chǎn)時期的壓力分布圖

3 頁巖氣井產(chǎn)能影響因素分析

在所建立的地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，對頁巖氣井產(chǎn)能的主要影響因素進(jìn)行敏感性分析，包括天然裂縫滲透率、基質(zhì)—裂縫耦合因子(竄流系數(shù))、氣體擴(kuò)散系數(shù)等氣藏自身參數(shù)，以及分段壓裂裂縫間距、裂縫半長、裂縫導(dǎo)流能力等水平井分段壓裂參數(shù)。

3.1 天然裂縫滲透率

不同天然裂縫滲透率及產(chǎn)氣量見表2，產(chǎn)氣量隨時間變化的曲線見圖4。從表2和圖4可以看出，天然裂縫滲透率對頁巖氣藏水平井的產(chǎn)氣量影響很大，隨著天然裂縫滲透率從0.000 1×10-3μm2增大到0.005×10-3μm2，水平井的產(chǎn)氣量增長幅度很大，說明天然裂縫滲透率對水平井產(chǎn)氣量的敏感性很高。同時，天然裂縫滲透率越高，地層壓力下降越快，導(dǎo)致頁巖氣解吸速度越快，天然裂縫滲透率的提高也為氣體流向井筒提供了更為順暢的流動通道。天然裂縫滲透率的高低直接影響著氣體從基質(zhì)通過微裂縫運(yùn)移到人工裂縫的快慢，因此，天然裂縫的發(fā)育程度及滲透性的好壞對儲層中氣體的運(yùn)移及最終產(chǎn)氣量有很大影響。

表2 不同天然裂縫滲透率及產(chǎn)氣量

圖4 產(chǎn)氣量隨時間變化的曲線(不同裂縫滲透率)

3.2 基質(zhì)—裂縫耦合因子

基質(zhì)—裂縫耦合因子是雙重孔隙介質(zhì)的一個重要表征參數(shù)，表示雙重孔隙儲層中裂縫系統(tǒng)與基質(zhì)系統(tǒng)之間流體交換的難易程度，反映氣體由基質(zhì)系統(tǒng)向裂縫竄流的能力。不同基質(zhì)—裂縫耦合因子及產(chǎn)氣量見表3，產(chǎn)氣量隨時間變化的曲線見圖5。由表3和圖5可以看出，基質(zhì)—裂縫耦合因子對產(chǎn)氣量的影響較大，當(dāng)基質(zhì)—裂縫耦合因子從0.004增大到0.4時，產(chǎn)量上升幅度較大；基質(zhì)—裂縫耦合因子對氣井產(chǎn)量的影響主要發(fā)生在開采的中后期，初期氣井所產(chǎn)出的氣主要是裂縫孔隙中的游離氣，到中后期基質(zhì)系統(tǒng)中的游離氣和解吸氣對氣井產(chǎn)量的貢獻(xiàn)越來越大，對于雙孔單滲模型，裂縫系統(tǒng)與基質(zhì)系統(tǒng)間的氣體交換作用顯得非常重要。

表3 不同基質(zhì)—裂縫耦合因子及產(chǎn)氣量

圖5 產(chǎn)氣量隨時間變化的曲線(不同基質(zhì)—裂縫耦合因子)

3.3 氣體擴(kuò)散系數(shù)

氣體擴(kuò)散系數(shù)反映了基質(zhì)孔隙中頁巖氣的擴(kuò)散能力。不同氣體擴(kuò)散系數(shù)及產(chǎn)氣量見表4，產(chǎn)氣量隨時間變化的曲線見圖6。由表4和圖6可以看出，當(dāng)氣體擴(kuò)散系數(shù)從0.065 m2/d增大到6.5 m2/d時，水平井產(chǎn)氣量上升幅度較大，氣體擴(kuò)散系數(shù)對產(chǎn)氣量的敏感性較高。氣體擴(kuò)散系數(shù)對氣井生產(chǎn)初期的產(chǎn)氣量影響較小，其對產(chǎn)氣量的影響主要是在生產(chǎn)的中后期，這是因?yàn)闅饩谏a(chǎn)初期的產(chǎn)氣主要是裂縫孔隙中的游離氣，氣體的運(yùn)移以裂縫中的滲流為主，擴(kuò)散作用相對很弱；隨著游離氣的大量產(chǎn)出，基質(zhì)中的吸附氣開始大量解吸，壓力下降緩慢，氣體的擴(kuò)散作用開始突顯出來。

表4 不同氣體擴(kuò)散系數(shù)及產(chǎn)氣量

圖6 產(chǎn)氣量隨時間變化的曲線(不同氣體擴(kuò)散系數(shù))

3.4 分段壓裂裂縫間距

不同分段壓裂裂縫間距及產(chǎn)氣量見表5，產(chǎn)氣量隨時間變化的曲線見圖7。從表5和圖7可以看出，隨著裂縫間距的增大，產(chǎn)氣量下降幅度較大，裂縫間距的變化對水平井產(chǎn)氣量敏感性較高。這說明在綜合考慮儲層條件和壓裂成本的前提下，應(yīng)盡量縮短裂縫間距，合理增加分段壓裂裂縫條數(shù)，擴(kuò)大有效壓裂面積，將壓裂裂縫與天然裂縫充分連通，增加流體的有效流動通道。

表5 不同分段壓裂裂縫間距及產(chǎn)氣量

圖7 產(chǎn)氣量隨時間變化的曲線(不同裂縫間距)

3.5 分段壓裂裂縫半長

不同分段壓裂裂縫半長及產(chǎn)氣量見表6，產(chǎn)氣量隨時間變化的曲線見圖8。從表6和圖8可以看出，隨著分段壓裂裂縫半長的增加，水平井產(chǎn)氣量明顯增大，但當(dāng)裂縫半長增加到一定值的時候，產(chǎn)氣量的增長幅度隨裂縫半長的增加而減小，這是因?yàn)楫?dāng)裂縫半長增加到一定值時，壓裂裂縫已經(jīng)充分連通了遠(yuǎn)井地帶的天然裂縫，提供了充足的流體流動通道，有利于遠(yuǎn)井地帶的頁巖氣向井筒流動。同時當(dāng)裂縫半長很短時，產(chǎn)氣量十分低，因此在充分考慮壓裂成本的前提下，盡可能增大裂縫半長，將壓裂裂縫與遠(yuǎn)井地帶的天然裂縫進(jìn)行連通，有利于增加水平井產(chǎn)氣量。

表6 不同分段壓裂裂縫半長及產(chǎn)氣量

圖8 產(chǎn)氣量隨時間變化的曲線(不同裂縫半長)

3.6 分段壓裂裂縫導(dǎo)流能力

不同分段壓裂裂縫導(dǎo)流能力及產(chǎn)氣量見表7，產(chǎn)氣量隨時間變化的曲線見圖9。裂縫的導(dǎo)流能力是衡量人工壓裂形成的裂縫體系是否具有經(jīng)濟(jì)效益的一個很重要指標(biāo)，頁巖氣藏的開發(fā)不僅僅依靠復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，還需要壓裂裂縫有足夠的導(dǎo)流能力。從表7和圖9可以看出，隨著裂縫導(dǎo)流能力的增加，水平井產(chǎn)氣量大幅上升，說明裂縫導(dǎo)流能力的變化對水平井產(chǎn)氣量的敏感性很高。因此，在壓裂施工過程中，應(yīng)盡可能增加裂縫的導(dǎo)流能力，提高壓裂支撐劑的性能，加大流體在壓裂裂縫中的流動效率。同時，在大型壓裂過程中如果能形成較高導(dǎo)流能力的裂縫，可相應(yīng)減少壓裂級數(shù)，減少成本。

表7 不同分段壓裂裂縫導(dǎo)流能力及產(chǎn)氣量

圖9 產(chǎn)氣量隨時間變化的曲線(不同裂縫導(dǎo)流能力)

4 結(jié)論

1)在水平井開采初期，滑脫效應(yīng)對水平井產(chǎn)氣量影響很小，之后對產(chǎn)氣量的影響日益明顯，滑脫效應(yīng)在開發(fā)后期有利于水平井產(chǎn)氣量的提高?；撔?yīng)的存在，使氣體的流動更加順暢，從而使頁巖氣井的產(chǎn)氣量增大。因此在頁巖氣的生產(chǎn)開發(fā)過程中，應(yīng)盡量考慮滑脫效應(yīng)對產(chǎn)氣量的影響。

2)從敏感性分析結(jié)果來看，天然裂縫滲透率、分段壓裂裂縫導(dǎo)流能力、分段壓裂裂縫間距和裂縫半長的變化對水平井產(chǎn)氣量影響很大，敏感性很高；基質(zhì)—裂縫耦合因子和氣體擴(kuò)散系數(shù)對頁巖氣井中后期的產(chǎn)氣量具有一定影響，反映出裂縫系統(tǒng)與基質(zhì)系統(tǒng)之間流體交換的難易程度，以及基質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)氣體的擴(kuò)散對氣井中后期的產(chǎn)氣量影響較大，頁巖氣井的產(chǎn)氣量是游離氣運(yùn)移和吸附氣解吸、擴(kuò)散共同作用的結(jié)果。

3)水平井分段壓裂參數(shù)是影響頁巖氣井產(chǎn)氣量的重要參數(shù)，因此必須采用水平井和有效的壓裂方式對頁巖氣進(jìn)行開采，擴(kuò)大有效壓裂面積，將壓裂裂縫與天然裂縫充分連通，增加流體的有效流動通道，同時提升裂縫的導(dǎo)流能力，提高壓裂支撐劑的性能，加大流體在壓裂裂縫中的流動效率。

4)在綜合考慮儲層條件和壓裂成本的前提下，應(yīng)對壓裂水平井的裂縫間距、裂縫半長、裂縫條數(shù)等水力壓裂參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化。

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2015-05-26

國家重大科技專項(xiàng)“頁巖氣開發(fā)機(jī)理及技術(shù)政策研究”(2011 ZX 05018-005)

謝 川(1988-)，男，湖北天門人，碩士研究生，主要從事油氣藏?cái)?shù)值模擬及非常規(guī)油氣開發(fā)研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.06.010